بررسي اثر غلظت كلريد منيزيم درميكروساختار و خواص استحكامي
سيمان اكسي كلريد منيزيم

يلدا كريمي1، احمد منشي2
دانشجوي كارشناسي ارشد، دانشگاه صنعتي اصفهان، دانشكده مهندسي مواد، اصفهان، ايران
استاد، دانشگاه صنعتي اصفهان، دانشكده مهندسي مواد، اصفهان، ايران
[email protected]
(تاريخ دريافت: 01/10/1389، تاريخ پذيرش: 20/11/1389)

چكيده
سيمان اكسي كلريد منيزيم به علت دارا بودن استحكام بالا و مقاومت به سايش مناسب نسبت به ساير سيمانها، به عنوان عامل اتـصالبسيار مورد توجه قرار گرفته است. اين سيمان، محصول واكنش پيچيـده اكـسيد منيـزيم، كلريـد منيـزيم و آب بـا نـسبتهـاي مـوليمشخص است. انتخاب نسبت مولي مناسب بين مواد اوليه در خواص گيرشـي، اسـتحكامي و تـشكيل فازهـاي كريـستالي بـسيار مـوثر است. در اين تحقيق، مقدار اكسيد منيزيم 13مول وآب به ميزان 12 مول انتخاب شد. به منظور بررسي اثـر غلظـت كلريـد منيـزيم در ميكروساختار، خواص استحكامي و درصد جذب آب سيمان اكسي كلريد منيزيم، تغييرات مول ي كلريد منيـزيم در محـدوده 5/0 تـا9/1 مول مطالعه شد . آناليز فازي نمونهها به روش تفـرق اشـعه ايكـس (XRD) وبررسـي ريـز سـاختاري بـا اسـتفاده از ميكروسـكوپالكتروني (SEM) ارزيابي گرديد . نتايج نشان داد كه تركيب 13 مول اكسيد منيزيم به همراه 12 مـول آب و 5/1 مـ ول كلريـد منيـزيمداراي بيشترين استحكام است.

واژه هايكليدي:
سيمان اكسي كلريد منيزيم، نمك كلريد منيزيم، فازهاي كريستالي و سوزني شكل، استحكام، مقاومت به سايش

1- مقدمه

سيمان اكسي كلريد منيزيم معـروف بـه سـيمان سـورل، در سـال1867 توســط ســورل كــشف شــد [1]. خــواص ايــن ســيمان عبارتند از : استحكام بـالا، خاصـيت چـسبندگي مناسـب، گيـرشسريع، قابليت اتصال به مقادير مختلفي از فيلرهاي آلي و غير آليو اگريگيت هـايي ماننـدSiC و 2SiO، هـدايت حرارتـي پـايين ومقاومت عالي در برابر سايش [2 و 3]. ضد حريق بـودن، اسـتفادهدر كف سازيهاي صنعتي و سنگ سابها از جمله كاربردهـاياين نوع سيمان است فازهاي كريستالي اين سيمان عبارتند از:

2Mg(OH)2.MgCl2.4H2O (2فاز)
3Mg(OH)2. MgCl2.8H2O (3فاز)
5Mg(OH)2.MgCl2.8H2O (5فاز)
9 Mg(OH)2.MgCl2.5H2O (9فاز)

فازهاي كريستالي 3 و 5 در دماي پايين و فازهاي كريستالي 2 و9 در دماي بالايC ˚100 پايدار هستند. نتايج نـشان داده اسـت كـهفازه اي كري ستالي س يمان اك سي كلري د مني زيم، ب ه ص ورت كريستالهاي سوزني شكل بوده و كريستال هاي فاز 5 در مقايـسهبا كريستالهاي فاز 3، همگن تر ، متراكم تر و مستحكمتراند. دليل اصلي بالا بودن استحكام سيمان اكسي كلريد منيزيم، قفل شـدنمك انيكي و ميكروس اختار مت راكم ناش ي از رش د داخل ي اي نكريستالهاي سوزني است [4 و 6].
محصول واكنشي ديگر، واكنش اكسيد منيزيم بـا آب و تـشكيل فـ از بروكـ سيت يـ ا هيدروكـ سيد منيـ زيم 2Mg(OH) اسـ ت .
محـــسوب نمـــي شـــود. ديـــاگرام فـــازي سيـــستم ســـه تـــايي
ميكروساختار بروكسيت شامل يك سيستم هگزاگونال و بـشقابيش كل ب ا س اختار لاي هاي اس ت ك ه ي ك ف از س يماني مناس ب منيزيم و مقدار آب لازم در تشكيل تركيبي بـا رئولـوژي مناسـببسيار موث ر است . از اين رو انتخاب نسبت مناسـب مـواد اوليـه درتشكيل بهينه فازهاي كريستالي بسيار مهم است. تحقيقـات انجـامشده توسط محققـين نـشان داده اسـت كـه بـراي تـشكيل سـيماناكسي كلريد منيزيم شامل فاز كريستالي 5، انتخـاب نـسبتهـايمولي بـراي 2MgO/MgCl در محـدوده 11- 17 و 2H2O/MgCl در مح دوده 12- 18 مناس ب اس ت. اس تفاده از 13 م ول اك سيد منيزيم به جاي 5 مول، تغييراتي را در رفتار خواص اسـتحكامي وفيزيكي سيمان نشان ميدهد. علاوه بر مقدار منيزيت و آب مورداستفاده، غلظت كلريد منيزيم نيز نقش بسزايي داد. از ايـن رو دراين تحقيق تغييرات نمك كلريد منيزيم از 5/0 مول تا حد اشـباعنمك درآب سرد، 9/1 مول مورد بررسي قرار گرفت.
MgO-MgCl2-H2O در دماي اتاق در شكل (1) نشان داده شـدهاست [7].

شكل(1): دياگرام فازي سيستم سهتايي MgO-MgCl2-H2O در دماي اتاق [7]

فازكريــستالي و اســتحكام بخــش(فــاز 5)، عامــل اصــلي بــراياستحكام اين نوع سيمانها محسوب ميشود [8 و 9].
از ديدگاه تئوري نسبت مولي اكسيد منيزيم به كلريد منيزيم برايتشكيل فاز كريستالي 5 ، نسبت 5 به 1 است، اما اين نـسبت بـراياطمينان حاصل شدن از تشكيل فاز 5 كافي نيست، چون واكنش-پذيري و تاريخچه حرارتي اكسيد منيزيم، غلظـت نمـك كلريـدمنيزيم نيز براي تامين مقدار يون كلر لازم براي واكنش با اكـسيد2- مواد و روش تحقيق
سه نوع مواد اوليه براي تـشكيل سـيمان سـورل: منيزيـت، كلريـدمنيزيم و آب است. منيزيت بـا خلـوص 96% از شـركت منيزيـتاي ـران بــا ان دازه ذرات 37 ميكــرون تهيــه ش د . كلريــد منيــزي م (كري ستاله اي هگ زا كلري د مني زيمMgCl2.6H2O) ) از ي ك شركت هندي تهيه شد. نمونههاي مكعبـي شـكل بـا ابعـاد 3mm 50×50×50 به داخل قالبهاي فولادي ريخته شـدند و اسـتحكامفشاري نمونه ها با استفاده از دستگاه پرس پس از 20 روز بررسـيشد. مشخصات دستگاه پرسTonny Technic آلمـ ان بـوده كـهبا ظرفيت 350 تن ، نيرو وارد ميكند. ميكروساختار زمينه سـيمان در مد SE براي بررسي فازهاي كريستالي تشكيل شده، با استفاده از دستگاه ميكروسـكوپ الكترونـي روبـشي (SEM) انجـام شـد.
شناسايي فازهاي كريـستالي تـشكيل شـده بـا اسـتفاده از دسـتگاهپراش پرتو ايكس (XRD) تحت ولتاژ 40 كيلو ولت و جريان 30 ميليآمپر انجام شد.

3- نتايج و بحث
قفل شدن مكانيكي فازهاي كريستالي سوزني شكل تشكيل شـدهدر اين سيمان عامل اصلي در بـالا بـودن خـواص اسـتحكامي آن است. مكانيزيم تشكيل اين فازهاي هيدراته در اثر واكنش اكسيد منيزيم با محلول كلريد منيزيم به صورت معادلات زير است [4]:

تجزيه كريستالهاي 2MgCl در آب
(1)
MgCl2 .6 H2O H2O2+-

[Mg(H2O)6] + 2Cl
(aq)(aq)
(2)
2+
[Mg(H2O)6]
(aq) –
OH++

[Mg(H2O)5(OH)] + H
+(aq)(aq)
H

واكنشهاي MgO در محلولهاي 2MgCl
(3)
146456476483

+2[Mg(H2O)6]2+ MgO + 2H(aq) + 6 H O(aq)

(4)
MgO + H + + 5H2O

[Mg(H2O)5(OH)] +
(aq)(aq)
واكنشهاي پلزني و هيدروليز شدن
(5)
OH_
[(H2O)5MgOH]++[H2O−Mg(OH)(H2O)4]+ ⇔ H+
[(H2O)4Mg−OH−Mg(OH)(H2O)4]2+
+H2O
(6)
⎡⎢(H2O)4Mg OH ⎤+⎡⎢HH22OO〉Mg(H2O)4⎤⎥⎦2+OHH⇔+−
〈OH
⎣2⎦⎥ ⎣
OH〉Mg(H2O)4⎤⎥⎦2+
⎡⎢⎣(H2O)4Mg〈OH
+H+

بررسي اثر غلظت كلريد منيزيم درميكروساختار و خواص استحكامي سيمان اكسي كلريد منيزيم 61
−3
⎡⎢(H2O)4Mg〈OH 〉Mg(H2O)4⎥⎤ + OH⇔
⎣OH2⎦H+(7)
⎡⎢⎣(H2O)4Mg〈OHOH〉Mg(H2O)4⎤⎥⎦2+ +H+
(8)
XMg2+(aq)+(z+y)H2OOH⇔− H+
2x−y
⎡⎢⎣Mgx(OH)y(H2O)z⎥⎦⎤+yH+

و در نهايت واكنش كمپلكس تـشكيل شـده بـا يـونهـاي كلـر وتشكيل فازهاي كريستالي (9)
[[MgMg3x((OHOH))5y((HH22OO))mz]]2+xCl−y−+(4Cl−−m+)HH22OO→

(10)

[Mgx(OH)y(H2O)z]2x−y +Cl− +H2O→
[Mg2(OH)3(H2O)3]+Cl−H2O

براي برر سي تاثير غلظت نمك كلريد منيـزيم، لازم اسـت نـسبتمولي اكسيد منيـزيم بـه آب، در سيـستم ثابـت نگـه داشـته شـود.
انتخاب غلظت مناسب در تشكيل مقدار بهينه فاز 5 تاثير به سزاييدارد، به طوري كه اگر غلظت كلريد منيزيم بـه درسـتي انتخـابن شود و مي زان آن ك افي نباش د، اك سيد مني زيم اض افي ب ا آب واكنش كرده و تشكيل فاز بروسيت 2Mg(OH) ميدهد كـه فـازبروسيت فاز مطلوب سيماني محسوب نميشـود و از طرفـي اگـرغلظت كلريد منيزيم بيشتر از مقدار كـافي اسـتفاده شـود، وجـوديون كلر اضافي مشكلات خوردگي قالب را ايجاد مـيكنـد و درنهايت رسوب ميكند. بنابراين تش كيل تركيب بهينه براي انتخابغلظت كلريد منيزيم بسيار كليدي است.
تغييرات مول كلريد منيزيم از 5/0 مول تا حد اشباع نمك كلريـدمنيزيم در آب سرد، 9/1 مول بررسي شـد. حـد حلاليـت كلريـدمنيزيم 6 آبه در آب سرد 167 گرم بر 100 ميلـيليتـر آب اسـت.
تغييرات مول كلريد منيزيم در جدول (1) ارايه شده است.

جدول(1): تغييرات مول كلريد منيزيم در نمونههاي مختلف
شماره نمونه مقدار مول كلريد منيزيم
A1 0/5
A2 0/7
A3 0/9
A4 1/1
A5 1/3
A6 1/5
A7 1/7
A8 1/9

تركيبA1 كمترين درصد وزني و تركيبA8 با توجـه بـه حـدحلاليت نمك كلريد منيزيم در آب داراي بيشترين درصد وزنـياست. در تركيـبA1، بـه علـت بـالا بـودن نـسبت پـودر بـه آب، تركيب سيماني تشكيل نميشـود . چـون عـلاوه بـر 12 مـول آبموجود در سـيمان، 6 مـول آب سـاختاري كلريـد منيـزيم نيـز دررئولوژي دوغاب تاثير دارد و در نمونهA1 اين مقدار آب حامـلاز كل رور مني زيم 6 آب ه، كمت ر ب ه تركي ب اض افه ش ده اس ت .
3-1- اثـر تغييـرات كلريـد منيـزيم در اسـتحكام فـشاري 3-2- تغييرات تخلخل و درصد جـذب آب بـا تغييـر مـول
تركيب A2، تشكيل تركيب بسيار غليظي را ميدهـد كـه قابليـتهم زدن را ندارد. از تركيبA3 تا A8 به ترتيب با افزايش نمـكغلظت كلريد منيزيم ،دوغاب روانتـر مـيشـود . سـيمان تـشكيلشده با تركيبات مولي بيشتر از 9/1، به علت بيـشتر بـودن غلظـتنمك از حد اشباع آن در آب، موجـب رسـوب نمـك در سـطحنمونه و كنارههاي قالب ميشود.
استحكام فشاري بعد از كيورينگ به مدت 20 روز اسـت . وجـودي ون ك افي كلري د در سي ستم س يماني موج ب م ي ش ود ك ه واكنشهاي مناسبي بين اكسيد منيزيم وآب برقرار شود و بعـد ازمدت زمـان مـشخص، فازهـاي ژلـهاي تـشكيل شـده بـه فازهـايهيدراته كريستالي تغيير فاز دهند. از طرفي با توجـه بـه معـادلاتمربوط به مكانيسم تشكيل فازهاي هيدراته كريـستالي از فازهـايژلهاي، ميتوان نتيجه گرفت كه وجود يـونهـاي كلـر بـه مقـداركافي از فاكتورهاي اصلي در تشكيل فازهاي هيدراته كريـستالياست.
جدول(2):تغييرات استحكام نمونه هاي سيماني با تغيير مول نمك كلريد
منيزيم
شماره نمونه استحكام فشاري (Mpa)
A3 43/32
A4 47/14
A5 57/66
A6 77/68
A7 73/13
A8 75/37

هم انط ور ك ه در قب ل ني ز اش اره ش ده، ت شكيل بهين ه مق دار كريـستال هـاي فـاز 5 در سيـستم سـيماني اكـسي كلريـد منيـزيم، مطلوب است و قفـل شـدن مكـانيكي و متـراكم بـودن ايـن فـاز، ميتواند از دلايل اصلي استحكام اين نوع از سـيمانهـا باشـد. در تركيبA7 وA8 به علت بالا بودن مقـدارنمك كلريـد منيـزيم،بـ ا افـ زايش مقـ دار فـ از 5 تـ شكيل شـ ده و افـ زايش سـ ختي، ميكرو ترك هايي در زمينه سيمان جوانـهزنـي مـيكننـد و باعـثكاهش تدريحي استحكام ميشوند.
نمونههاي سيماني
استحكام فشاري سرد يكي از پارامترهاي اصلي در تعيين خواصمكانيكي سيمان و بتن اسـت. اسـتحكام فـشاري نمونـههـا بعـد ازكيورينگ به مدت 20 روز در شكل (2) نـشان داده شـده اسـت.
نتايج نشان داد با افزايش غلظت كلريد منيزيم، اسـتحكام فـشارينيز افزايش مييابد. در ميان تركيبات، تركيبA6 داراي بيشترين
كلريد منيزيم
ب ا اف زايش م ول كلري د مني زيم، ب ه عل ت اف زايش مق دار آبس اختاري در سي ستم و در نهاي ت مي زان ك ل آب در سي ستم،تخلخل افزايش مييابد و درصد جذب آب نيز به تبع آن افزايش مييابـد . از طرفـي بـا افـزايش تعـداد مـول كلريـد منيـزيم مقـدار استحكام فشاري نيز افزايش مي يابد. اسـتحكام بـا تخلخـل رابطـهعكس دارد . از اين رو مـيتـوان نتيجـه گرفـت كـه تخلخـل هـا و حفرات به علت انرژي سطحي زياد، مكانهايي بـراي جوانـهزنـيفازهاي سوزني شكل در سيستم بوده و با افزايش ميـزان تخلخـلاين مكان هاي جو انهزني نيز افزايش مييابد و از طرفـي بـه علـتوجود فضاي بيشتر درون حفره، امكان رشـد بيـشتر ايـن فازهـايسوزني شكل نيز فراهم ميشود. تغييرات تخلخل و درصد جذبآب با تغييـر مـول كلريـد منيـزيم در شـكل (2) نـشان داده شـدهاست.

شكل (2): الف)تغييرات درصد جذب آب و ب)تخلخل براي تركيبات
(A3 -A8)

شكل(3) جوانهزني فازهاي سوزني شكل از درون تخلخـل بـرايتركيب A6 را نشان ميدهد.
بررسي اثر غلظت كلريد منيزيم درميكروساختار و خواص استحكامي سيمان اكسي كلريد منيزيم 63
3-3- الگوي پراش پرتو ايكس براي تركيب 13مول اكسيدمنيزيم،12مول آب و 5/1 مول كلريد منيزيم تشكيل فاز كريـستالي 5 در تركيـب سـيماني A6 توسـط الگـويپراش پرتو ايكس (XRD) در مدت زمانهـاي مختلـف 4 تـا 30 روز بررسي شد. نتايج نشان ميدهـد (شـكل 4) كـه در الگـوي 4 روزه، مقدار فاز اكسيد منيـزيم نـسبت بـه الگوهـاي 20،10 و 30 روزه بيشتر است و اين پديده نشان ميدهد كه بـا گذشـت زمـانمقدار اكسيد منيزيم بيشتري با كلريد منيزيم واكـنش كـرده و درنهايت تشكيل مقدار بيشتري از فاز كريستالي 5 را ميدهد.

شكل(3):جوانه زني فازهاي كريستالي سوزني شكل از درون تخلخل براي
تركيب A6

شكل(4): الگوي پراش پرتو ايكس براي تركيب A6 در زمانهاي مختلف
استحكام فـشاري افـزايش مـييابـد . تركيـب همـراه بـا 5/1 مـولكلريد منيزيم داراي بيشترين استحكام است.
تغييرات تخلخل بـا افـزايش مـول كلريـد منيـزيم نـشان داد، ايـنحفرات به علت سطوح انرژي بالا مكـانهـايي بـراي جوانـه زنـيكريستالي سوزني شكل بوده و فضاي لازم براي رشد ايـن فازهـارا فراهم ميكند. تغييرات الگـويXRD بـا گذشـت زمـان بـراينمونه اي با 5/1 مول كلريد منيزيم نشان داد كه با گذشـت زمـانمقدار اكسيد منيزيم بيشتري با نمك كلريد منيـزيم وارد واكـنششده وتشكيل بيشتر فاز كريستالي 5 را نشان مي دهد.

5- مراجع
[1] Ji. Yunsong, “A New Type of Light Magnesium Cement Foamed Material”, J. Mater Let, Vol. 56, pp. 353-356, 2002.

4- نتيجهگيري
A K. Misra, “Magnesium Oxychloride Cement Concrete”, J.Mater Sci, Vol. 30, pp. 239-246, 2007. با افزايش مقدار مول نمك كلريد منيزيم در سيـستم سـيماني، بـه
علت فراهم كردن ميزان يون كلريد لازم براي واكنش بـا اكـسيد
G. Refuse/Magnesium Oxychloride Cement Compound FloorTile”, Cem Concr Res, Vol. 33, pp. 1663-1668,2003. Li, Y .Yu, “Experimental Study on Urban منيزيم، فاز كريستالي و سوزني شكل بيشتري تـشكيل شـده و بـه

علت ماهيـت سـوزني بـودن ايـن فازهـا و قفـل شـدن مكـانيكي،
D. Deng, C. Zhang,”The Formation Mechanism of the Hydrate Phases in Magnesium Oxychloride Cement”, Cem Concr Res, Vol. 29, pp. 1365-1371,1999.

I. Kanesaka, “Vibrational spectra of magnesia cement, phase 3”, J. Raman Spectrosc, Vol. 32, pp. 361-367, 2001.

W F. Cole, T. Demediuk, “X-ray thermal and Dehydration Studies on Magnesium Oxychloride “, Aust. J Chem, Vol.
8, pp. 234-237,1955.

B. Tooper, L. Cartz , “Structure and Formation of Magnesium Oxychloride Sorel Cements” , Nat Phys Sci, Vol. 211, pp. 64-66, 1966.

L. Zongjin, “Influence of Molar Ratios on Properties of Magnesium Oxychloride Cement”, Cem.Concr Res, Vol.
37, pp. 866-870, 2007.

H. Bilinski, B. Matkovic , “The Formation of Magnesium Oxychloride Phases in the System of MgO-MgCl2-H2O and NaOH-MgCl2-H2O”, J. Am ceram Soc, Vol. 67, pp.
266-269, 1984.



قیمت: تومان


دیدگاهتان را بنویسید