Композиционный материал на магнезиальной основе
Владельцы патента RU 2415099:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Московский государственный горный университет (МГГУ) (RU)
Изобретение относится к промышленности строительных материалов и может быть использовано для изготовления изделий, используемых для внутренней и внешней облицовки зданий, производства стеновых блоков, панелей, монолитных конструкций, а также для заделки трещин в зданиях и сооружениях. Композиционный материал на магнезиальной основе, включающий каустический магнезит, затворитель - водный раствор хлористого магния плотностью 1,20-1,25 г·см3 и наполнитель, дополнительно содержит модифицирующую добавку - водорастворимый фторид - MeF, где Me - NH4 +, Li+, Na+, K+, при следующем соотношении компонентов, мас.%: каустический магнезит 22,0-31,0, указанный водный раствор хлористого магния 23,0-37,0, наполнитель 31,1-54,9, указанный фторид 0,10-0,90. Технический результат - уменьшение водопоглощения, увеличение водостойкости и трещиностойкости при сохранении высоких прочностных свойств. 2 табл.
Изобретение относится к промышленности строительных материалов и может быть использовано для изготовления изделий для внутренней и внешней облицовки зданий, производства стеновых блоков, панелей, монолитных конструкций, а также для тампонирования трещин разрушающихся зданий и подземных сооружений.
Известна композиция для изготовления водоморозостойких изделий из магнезиальных вяжущих, включающая (мас.%): каустический доломит - 70-75, шлак, содержащий CaO·SiO2 от 50 до 80%, - 15-20, суперфосфат прокаленный - 3-5, сульфат магния - 1,0-1,5, оксид цинка - 0,2-0,3, пластификатор - 0,8-1,0, тальк - остальное [1].
Недостатками изобретения являются: низкий коэффициент размягчения (водостойкости) - 0,8, высокое водопоглощение - 5-6%. В изобретении нет данных о трещиноустойчивости композиции, но можно полагать, что наличие в ее составе большого количества метасиликата кальция (CaO·SiO2) должно придавать материалу свойства хрупкости и трещиноватости, на что указывает невысокая прочность при растяжении при изгибе - 4,5-6,5 МПа.
Известна композиция для изготовления строительных материалов, содержащая магнезиальное вяжущее, сульфат магния (эпсолит), наполнитель, поверхностно-активное вещество, кремний - органический гидрофобизатор и водорастворимые сульфаты и/или хлориды железа и/или алюминия [2].
Введение хлоридов и/или сульфатов указанных металлов позволило получить магнезиальную композицию с пониженной величиной водопоглощения (4%) и высокой прочностью при сжатии (до 50 МПа). Однако достигнутый результат по величине водопоглощения все же недостаточен, а прочностные свойства изучены только при сжатии, что недостаточно для оценки механических свойств материала. Кроме того, в описании изобретения отсутствуют данные о коэффициенте водостойкости и трещиноустойчивости композиции.
Известна композиция на основе магнезиального вяжущего, содержащая (мас.%): каустический магнезит 10-30, затворитель - водный раствор хлористого магния плотностью 1,20…1,25 г/см3 30-35, заполнитель и модифицирующую добавку в виде хлоридов щелочных металлов [3].
Данное изобретение по технической сущности наиболее близко к заявленному материалу. Эта композиция материала взята нами в качестве прототипа.
Основными недостатками этого технического решения являются: невысокий коэффициент размягчения (водостойкости) полученных магнезиальных композиций - 0,60-0,85. Нет данных о величине водопоглощения композиций, непосредственно связанных со склонностью материала к трещинообразованию при контакте его с водой. Судя по сравнительно невысокому коэффициенту размягчения композиций, можно полагать, что вводимые модифицирующие добавки хлоридов щелочных металлов не обеспечивают требуемого понижения величины водопоглощения.
Задачей предложенного изобретения является снижение величины водопоглощения композиции до 1,5-2,0% и увеличение ее коэффициента водостойкости до 0,9-1,0 при одновременном обеспечении высоких прочностных свойств и трещиноустойчивости.
Это достигается тем, что в композиционном материале на магнезиальной основе, включающем каустический магнезит, затворитель - водный раствор хлористого магния плотностью 1,20-1,25 г/см3, наполнитель и модифицирующую добавку, модифицирующая добавка состоит из водорастворимого фторида, например MeF, где Me - NH4 +, Li+, Na+, K+, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| каустический магнезит | 22,0-31,0 |
| указанный раствор | |
| хлористого магния | 23,0-37,0 |
| наполнитель | 31,1-54,9 |
| модифицирующая добавка: | |
| водорастворимый фторид | 0,10-0,90 |
Содержание каустического магнезита в количестве 22,0-31,0 мас.% и раствора хлористого магния плотностью 1,20-1,25 г/см3 в количестве 23,0-37,0 необходимо и достаточно для получения подвижной и удобоукладываемой смеси, в которой обеспечивается склеивание в единое целое всех входящих в композицию компонентов, а при отверждении смеси образуется высокопрочный каменный материал. Введение модифицирующей добавки фторида металла в магнезиальную смесь в количестве 0,1-0,9 мас.% значительно снижает величину водопоглощения и увеличивает водостойкость материала. Кроме того, присутствие модифицирующей добавки в материале в указанном диапазоне концентраций обеспечивает его трещиноустойчивость при длительной выдержке в воде. Меньшее количество добавки не дает желаемого эффекта, а большее приводит к снижению прочности материала. Фторидная добавка при высоком ее содержании приводит также к высолообразованию на поверхности, ухудшению физико-химических свойств и декоративных качеств материала.
Механизм действия модифицирующей добавки объясняется следующим образом. Водорастворимый фторид металла диссоциирует в водно-магнезиальной смеси на катионы металла и анионы F-. Фтор-ионы соединяются с катионами Mg2+, образуя труднорастворимые кристаллы MgF2. При отверждении композиции кристаллические новообразования MgF2 располагаются в капиллярах и порах полимероподобной структуры оксихлоридов магния, препятствуя транспорту воды. Процесс кристаллизации при введении фторида металла в магнезиальную массу хорошо наблюдается под световым микроскопом. Механизм действия водорастворимых фторидов MeF, где Me - NH4 +, Li+, Na+, K+, идентичен. Следствием этого процесса является уменьшение водопоглощения и рост коэффициента водостойкости и трещиноустойчивости композиционного материала. Такая закономерность соблюдается для материалов со всеми фторидами металлов.
При изготовлении магнезиальной композиции использовали следующие сырьевые компоненты.
Каустический магнезит - порошок с удельной поверхностью 3000-4000 см2/г, соответствующий ГОСТ 1216-87, изготовлен ОАО «Комбинат Магнезит» (г. Сатка, Челябинской области). Хлористый магний технический (бишофит) по ГОСТ 7759-73 - сырье производства ПО «Каустик» (г. Волгоград). В качестве наполнителя магнезиальных композиций использовали песок для строительных работ по ГОСТ 8736-86.
Водорастворимые соли фтористоводородной кислоты (фториды) использовали марки «х.ч.».
Водостойкий композиционный материал готовили следующим образом.
Дозированные количества каустического магнезита, кварцевого песка и модифицирующей добавки перемешивали всухую в течение 3-5 минут, затем полученную массу тщательно перемешивали в течение 5-7 минут с водным раствором хлористого магния плотностью 1,20-1,25 г/см3 в количестве, необходимом для получения литой подвижной магнезиальной смеси. Полученную магнезиальную смесь заливали в форму той или иной конфигурации и выдерживали в течение 4-6 часов.
Водопоглощение композиций определяли по ГОСТ 12730.3, коэффициент размягчения (водостойкость) - по ГОСТ 10060.0, а склонность к растрескиванию определяли с помощью светового микроскопа на образцах (полученных по ГОСТ 310.3), выдержанных в воде 4 суток. Измерения механической прочности образцов композиций осуществляли на балочках размерами 4·4·18 см.
Составы полученных магнезиальных композиций и их свойства представлены в таблицах 1 и 2 соответственно.
Из приведенных результатов видно, что введение модифицирующей добавки в магнезиальную смесь и увеличение ее концентрации вызывает спад величины водопоглощения и рост водостойкости композиционного материала. При этом возрастают трещиноустойчивость и прочностные характеристики композиций. Наилучший эффект имеет место при концентрациях 0,4-0,9 мас.% добавки фторида металла.
Предложенное техническое решение позволяет получать композиционные материалы на магнезиальной основе, которые по основным параметрам водостойкости (величина водопоглощения, коэффициент размягчения) превосходят параметры прототипа и существующих аналогов (таблица 2), сохраняя при этом высокую механическую прочность и трещиноустойчивость.
Источники информации
1. Патент РФ 2131857, C04B 28/30. БИ №17 от 20.06.1999.
2. Патент РФ 2079465, C04B 28/30, 1997.
3. Патент РФ 2290380, C04B 28/30, C04B 111/20, 2006, БИ №36 от 27.12.2006 (прототип).
| Таблица 2 | ||||||
| Свойства предложенных композиционных материалов на магнезиальной основе и результаты технических решений, прототипа и аналогов | ||||||
| № серии | № состава | Водопоглощение по массе, % (24 часа в воде)** | Коэффициент размягчения, Кр** (водостойкость) | Механическая прочность | ||
| σсжатия | σизгиба | σрастяжения | ||||
| I | 1 | 5,1* | 0,55 | 41,3 | 13,8 | 6,8 |
| 2 | 6,0* | 0,59 | 46,4 | 16,6 | 8,1 | |
| II | 3 | 2,5 (2,7) | 0,85 (0,83) | 41,6 | 13,5 | 6,4 |
| 4 | 2,0 (1,8) | 0,91 (0,90) | 42,4 | 13,5 | 6,2 | |
| 5 | 1,2 (1,6) | 1,0 (0,97) | 43,5 | 13,0 | 6,4 | |
| 6 | 2,9* (3,0) | 0,87 (0,84) | 46,8 | 16,7 | 8,0 | |
| 7 | 2,2 (1,6) | 0,90 (0,95) | 47,0 | 16,4 | 8,1 | |
| 8 | 1,3 (1,6) | 0,94 (0,97) | 48,9 | 16,4 | 8,7 | |
| RU 2290380 (прототип) | - | 0,60-0,85 | 41-60 | - | - | |
| RU 2131857 (аналог) | 5-6 | 0,8 | 35-45 | 4,5-6,5 | - | |
| RU 2079465 (аналог) | 4,0 | - | 50 | - | - | |
| */ Имели склонность к трещинообразованию при длительной выдержке в воде | ||||||
| **/ Данные составов 3-8 приведены для композиций с добавками NaF (без скобок) и NH4F (в скобках) равных концентраций |
Композиционный материал на магнезиальной основе, включающий каустический магнезит, затворитель - водный раствор хлористого магния плотностью 1,20-1,25 г/см3, наполнитель и модифицирующую добавку, отличающийся тем, что модифицирующая добавка состоит из водорастворимого фторида - MeF, где Me - NH4 +, Li+, Na+, K+ при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| каустический магнезит | 22,0-31,0 |
| указанный раствор | |
| хлористого магния | 23,0-37,0 |
| наполнитель | 31,1-54,9 |
| модифицирующая добавка - | |
| водорастворимый фторид | 0,10-0,90 |
