Возможности использования магнезиальных вяжущих в строительстве
Наиболее распространенное в строительстве вяжущее - портландцемент - имеет большое количество недостатков. Поэтому во многих странах мира ему ищут альтернативу. Одним из заменителей портландцемента может быть магнезиальное вяжущее, которое сейчас используется в России лишь в небольших количествах. В чем достоинства и недостатки этого материала? В каких сферах строительства его применение наиболее оправданно?
Отношение к портландцементу меняется на негативное
В настоящее время становится ясным, что портландцемент (ПЦ) является строительным материалом, использование которого порождает немалые экологические проблемы. Одна из них, наиболее серьезная - необходимость затрачивать на производство 1 т ПЦ до 300 кг органического топлива. При этом выделяется до 800 кг углекислого газа - первопричины парникового эффекта. Нагревать сырье для производства ПЦ необходимо до 1 450°C. При такой температуре имеющийся в воздухе азот вступает в химическую реакцию с кислородом и образует оксиды азота - тоже парниковые газы, к тому же очень токсичные.
Возникают экологические проблемы и в жилищах, стены которых сооружены из железобетона. Следовательно, необходимо изыскивать строительные материалы вяжущего предназначения, которые были бы свободны от недостатков ПЦ или проявляли их в значительно меньшей степени.
В Великобритании, кстати, родине ПЦ, уже принято решение заменять в как можно больших объемах это вяжущее гидравлической известью. На ее получение в эквивалентных количествах требуется значительно меньше топлива. Во многих странах мира, особенно в Германии, в больших количествах ПЦ заменяют гипсом - несравненно более экологичным вяжущим.
Примечание. Портландцемент, несмотря на его дороговизну и неэкологичность, - сейчас самое распространенное вяжущее в России.
В СССР было изобретено и получило признание шлакощелочное вяжущее. Будучи значительно более экологичным, чем ПЦ, оно практически не уступает ему по возможным сферам использования. Кроме того, в СССР в заметных количествах использовались шлакопортландцемент, гипсоцементнопуццоловое вяжущее - материалы более дешевые и экологичные по сравнению с ПЦ. Но такая у нас в России строительная "экономика", что более экологичные и дешевые вяжущие она пока не принимает.
Достоинства магнезиального вяжущего
Есть все же одно экологичное вяжущее, интерес к которому и в нашей стране сейчас проявляется во все большей степени. Это магнезиальное вяжущее (МВ), или цемент Сореля. В простейшем виде МВ - вяжущее, состоящее из каустического оксида магния (КОМ) и водного раствора солей магния, преимущественно хлорида или сульфата. Как и в случае ПЦ, для МВ предложены десятки модификаторов, позволяющих изменять его свойства в желаемом направлении. И авторам представляется, что МВ - в ближайшее время один из очень вероятных "вытеснителей" ПЦ. Почему?
Во-первых, МВ позволяет получать изделия, прочность которых не только не ниже изготовленных из ПЦ, но и значительно выше (особенно прочность на растяжение и изгиб).
Во-вторых, КОМ можно получать из природного сырья - магнезита - при температуре 750-800°C, то есть вдвое ниже, чем для ПЦ. Следовательно, заметно снижаются расход топлива, образование углекислого газа, а оксиды азота при такой температуре не возникают вообще.
В-третьих, материалы, изготовленные на основе МВ, обладают многими экологическими преимуществами по сравнению с ПЦ. Отметим лишь способность МВ кондиционировать воздух внутри жилища с приданием морской свежести.
Выдающимся свойством МВ является его способность, в отличие от ПЦ, неограниченно сочетаться с тонкоизмельченной древесиной - опилками, стружкой, дробленкой, придавая им негорючесть и стойкость к биоразрушению. Авторами разработано несколько рецептур строительных материалов с этими отходами, предложены специфические сферы их применения, в частности замена сгнившей древесины в деревянных зданиях. Такие замены в настоящее время особенно необходимы в зданиях, имеющих большую историческую ценность, - музеях, бывших усадьбах.
МВ позволяет наконец-то начать использование скопа - многотоннажных отходов целлюлозно-бумажных предприятий. До сих пор для скопа не было предложено приемлемого способа утилизации.
В наши дни МВ в наибольших объемах (хотя они в абсолютном выражении пока весьма невелики) применяют для изготовления сухих строительных смесей (СС), предназначаемых для полов - промышленных и бытовых - а также штукатурок. Последние, изготовленные на основе МВ, устраняют ряд экологических недостатков, присущих железобетонным ограждениям жилища. Зимой в таких жилищах теплее, летом - прохладнее, относительная влажность воздуха - ближе к наиболее комфортному значению.
Примечание. Благодаря возрастающему спросу на экологичное жилье магнезиальное вяжущее даже при его более высокой стоимости может эффективно использоваться вместо портландцемента.
Во многих странах, особенно в Китае, в больших объемах изготавливают так называемые стекломагниевые листы - прекрасный отделочный материал из МВ, армированного стеклосеткой. Россия пока вывозит их из Китая, но стремится наладить собственное производство.
Необычным свойством изделий из композиций на основе МВ является их способность быть броней. Известно, что в настоящее время для защиты людей от пулевых и осколочных поражений броню начинают изготавливать не из стали, а из арамидных синтетических волокон и сверхвысокомолекулярного полиэтилена. В такой, казалось бы, непрочной броне пули и осколки вязнут, их энергия рассеивается упругими прочными волокнами. Стальная броня, не пробиваемая пулями, передает телу человека их кинетическую энергию, которая может образовать смертельную гематому. Есть предположение, что МВ, армированное синтетическими или даже древесными волокнами, тоже может использоваться для производства брони, которая может применяться, например, для защиты от выстрелов через входные двери.
Известно применение бетонов на основе МВ для изготовления железнодорожных шпал.
Разумеется, МВ из-за ряда особенностей не может заменить ПЦ во всех сферах использования последнего, однако и перечисленные области возможного применения могут снизить потребность в ПЦ по крайней мере на четверть, то есть только для России приблизительно на 20 млн. т.
Способы производства магнезиального вяжущего
Как отмечено выше, КОМ, один из компонентов МВ, можно получать, нагревая природный материал - магнезит - до температуры 750-800°C. Однако в России используют пока другой способ: нагревают магнезит до температуры 1 200°C ради получения оксида магния, необходимого для производства огнеупоров. При этом какое-то количество обжигаемого сырья недогревается до указанной температуры.
Оно и становится каустическим магнезитом. Однако свойства его нестабильны, и это служит одной из причин не очень "уважительного" отношения российских строителей к материалам на основе МВ. Да и такого некондиционного вяжущего производится немного, поскольку пока в России функционирует лишь один завод, основная задача которого - выпуск оксида магния для огнеупорной промышленности.
Лучшим природным сырьем для получения КОМ является минерал брусит. С химической точки зрения это гидроксид магния. Брусит может быть превращен в КОМ нагреванием всего до 380-400°C, то есть до температуры почти в четыре раза ниже, чем та, при которой синтезируют ПЦ. В России большие месторождения брусита обнаружены в Восточной Сибири и на Урале, и уже началось промышленное освоение некоторых из них. Так что по крайней мере эти регионы России могут быть обеспечены КОМ - наиболее дефицитным сегодня компонентом МВ.
А вот вторым видом сырья богата европейская часть России. Этот минерал - доломит, с химической точки зрения представляющий собой двойную соль: в ней карбонат магния связан в эквимолекулярном соотношении с карбонатом кальция (КК).
Нагревание доломита до 780-800°C приводит к разложению лишь карбоната магния и образованию оксида магния, а КК остается в нем инертным наполнителем. Такой продукт назван каустическим доломитом (КД). КК полностью разлагается с образованием оксида кальция и углекислого газа лишь при температуре более 900°C, но его частичный распад наблюдается и при 780-800°C.
Следовательно, в КД находится некоторое количество оксида кальция, который ухудшает его вяжущие свойства.
Примечание. Возможность использования в производстве магнезиального вяжущего вместо магнезита доломита вследствие дешевизны и повсеместной доступности последнего имеет для европейской части России громадное значение.
Поэтому более перспективным считается получение КОМ из доломита не термическим, а химическими способами. Один из них предложен авторами данной статьи и их коллегами*(1). Он заключается в воздействии на доломит серной кислотой. При этом карбонат магния превращается в сульфат магния - растворимое в воде вещество, а карбонат кальция - в нерастворимый сульфат кальция, выпадающий в осадок. После отделения осадка раствор сульфата магния обрабатывают щелочью (известью, или содой, или аммиаком). При этом образуется осадок гидроксида магния, то есть того же брусита. Его отделяют и нагревают до температуры 380-400°C, при которой он, как и брусит, распадается с образованием КОМ. А сульфат магния, который образуется на первой стадии этого способа, является, как отмечено выше, затворителем КОМ. Так что данный химический способ позволяет получать оба компонента МВ.
Современные материалы, изготавливаемые на основе магнезиального вяжущего
На основе МВ авторами разработан спектр материалов под фирменными названиями "Древолит", "Азъ-соль", "Здраволит". В этих материалах древесный и ему подобные заполнители растительного происхождения (сейчас их называют биомассой) приобретают биостойкость, а облицовка интерьера штукатурными смесями из этих материалов оздоравливает помещение (создает эффект соляной камеры).
"Древолит" является материалом, с помощью которого можно восстанавливать подгнившие деревянные изделия - останавливать биоразрушения и заделывать образовавшиеся полости. В настоящее время из-за желания многих владельцев "родовых" имений сохранить для потомков деревянные строения возникли проблемы защиты последних от биоразрушения, восстановления целостности подгнивших бревен, досок и других деревянных элементов дома.
Восстановительные работы, например, на подгнивших бревнах, проводят следующим образом: вначале механически удаляют труху и гнилую часть бревна, затем обнажившуюся поверхность древесины обрабатывают антисептиком. Далее образовавшиеся полости в бревне заполняют "Древолитом", а после этого наносят пигментированную композицию из него же для имитации цвета поверхности бревна. Образующиеся при таком способе "заплаты" по прочности, паропроницаемости, тепло- и звукозащитным свойствам и объемной массе близки к древесине.
Этим материалом можно проводить заделку дупел живых деревьев-ветеранов, проживших десятки лет и имеющих историческую и культурную ценность. На поверхности заделки из "Древолита" можно легко сформировать "кору".
"Азъ-соль" отличается от "Древолита" тем, что в его составе есть йод в виде комплексного соединения с поливиниловым спиртом. Йод, как известно, сильный биоцид. В комплексном соединении его биоцидные свойства еще усиливаются. "Азъ-соль" способен выделять пары йода, что стерилизует воздух в помещении и в некоторой степени "подпитывает" обитателей веществом, в котором жители многих регионов России, в том числе и ее наиболее населенной центральной части, испытывают дефицит. Вдыхание паров йода этот дефицит ликвидирует эффективнее, чем поглощение йода через желудок, например с поваренной солью.
Материал "Здраволит" представляет собой композицию на основе МВ, в которой в качестве наполнителя используется шунгит - природный минерал, необыкновенные лечебные свойства которого известны уже давно. Примером может служить курорт "Марциальные воды", основанный еще Петром I. На нем лечат ваннами, вода в которых контактирует с шунгитом.
Сравнительно недавно было обнаружено еще одно полезное свойство шунгита - способность поглощать вредные электромагнитные излучения (ЭМИ). Если каким-то шунгитсодержащим материалом оштукатурить помещение, то в него ЭМИ проникать не будут. Такие помещения в России уже начали создавать в больницах, госпиталях под названием "комнаты немедикаментозного воздействия на пациента, предназначенные для использования в целях лечения, в частности для интенсификации процесса реабилитации в послеоперационный период".
Авторами установлено, что еще более эффективное оздоравливающее воздействие оказывает шунгитсодержащие штукатурки, в которых связующим являются магнезиальные вяжущие. В Нижегородской областной клинической больнице им. Н.А. Семашко такой штукатуркой была отделана одна из палат. Наблюдения за послеоперационными пациентами показали, что время выздоровления в ней сокращается на 15-30%. Такой эффект, как полагают, достигается благодаря тому, что при уменьшении уровня внешних ЭМИ активируются внутренние механизмы саморегуляции организма пациента, подавленные воздействием вредных излучений. А исследованиями оздоровительного влияния таких палат, проведенными в Военно-медицинской академии Санкт-Петербурга, установлено, что пребывание в них способствует:
- активации иммунитета;
- повышению усвояемости лекарств;
- снижению интенсивности проявления стенокардии;
- ускорению восстановления ритма сердца;
- уменьшению выраженности клинических проявлений гипертонической болезни.
Подобные помещения рекомендованы для военнослужащих, полицейских ради снижения нервно-психологических нагрузок. В клинике военно-полевой терапии Военно-медицинской академии Санкт-Петербурга и в Доме кратковременного отдыха сотрудников Министерства внутренних дел Нижнего Новгорода такие палаты функционируют уже несколько лет.
Недостатки магнезиальных вяжущих
Разумеется, магнезиальные вяжущие неидеальны. Одним из самых значимых недостатков МВ является небольшая водостойкость изделий, изготавливаемых на их основе. В последние годы ученые ряда сибирских вузов начали интенсивный поиск способов устранения этого изъяна МВ (для Сибири МВ особенно желательны: сырье - магнезит, брусит - под ногами, а портландцемента местного производства маловато).
Так, В.Н. Зырянова с сотрудниками установила*(2), что повысить водостойкость изделий из МВ можно, добавляя к ним в виде порошков такие минералы, как волластонит, диопсид, цеолит. При этом одновременно повышается прочность и снижается величина усадки при твердении.
Добавление волластонита в количестве 60-80 массовых частей приводит к тому, что после хранения образцов в воде в течение 90 суток их прочность не только не падает, но и возрастает. Диопсид менее эффективен, но тоже "работает" на повышение водостойкости. Как полагают исследователи, облагораживающее влияние этих минералов на МВ можно объяснить тем, что их термодинамические характеристики (энтальпия образования и энтропия) близки к таковым для гидроксохлоридов магния - тех новообразований, которые возникают при твердении МВ.
Доказательством такого мнения они посчитали то, что микрокремнезем, добавляемый к МВ, водостойкость не повышает: образцы с ним растрескиваются уже в течение первых 10 суток выдерживания в воде. А его термодинамические характеристики заметно отличаются от таковых для волластонита и диопсида.
Волластонит - это пока еще мало изученный в России как компонент вяжущих минерал. Его первое месторождение в нашей стране открыто на Алтае (Синюхинское) и пока еще не разрабатывается в промышленных масштабах. По химической природе это одна из форм силиката кальция.
Диопсид - минерал, содержащийся во флогопитовых рудах, в частности Алданского месторождения, откуда он и был извлечен. И волластонит, и диопсид - "сибиряки", применять их экономически рентабельно будет в МВ тоже сибирского происхождения.
В другой работе В.Н. Зырянова показала, что водостойкость изделий из МВ может быть повышена введением дунита и серпентинита*(3).
Е.В. Лыткина предлагает*(4) использовать для получения водостойких изделий композиционное магнезиальное вяжущее, представляющее собой смесь КОМ с диабазом в соотношении 30 : 70, затворяемое хлоридом магния.
Изделия на таком вяжущем проявляют необыкновенно высокую прочность на сжатие при твердении в воде - около 9 МПа. Наряду с этим диабаз снижает или даже полностью предотвращает появление высолов на поверхности изделий. (Диабаз, использованный для этого исследования, являлся отходом одного из производств.)
Удивительные результаты получены О.А. Мирюком*(5). Исследователь установил, что добавление к МВ полуводного кристаллогидрата сульфата кальция (обыкновенного строительного гипса марки Г-5АП) приводит к снижению водопотребления и удлинению сроков схватывания смешанного вяжущего, которое он назвал сульфомагнезиальным.
Замена гипсом до 60% КОМ приводит к повышению прочностных характеристик изделий на 20-25%. В качестве затворителя сульфомагнезиального вяжущего предпочтительнее сульфат магния.
Полы на основе магнезиальных вяжущих
Поскольку в настоящее время МВ в наибольших объемах используется для изготовления верхнего покрытия пола (это направление самое экономически выгодное), рассмотрим его подробнее.
Вскоре после изобретения МВ строителям был предложен материал ксилолит (в переводе с греческого - "деревокамень"). Он представляет собой в исходном состоянии смесь МВ с деревянными опилками. Такая смесь, уложенная на основание, после затвердевания и образует покрытие, названное ксилолитовым полом.
В помещениях с длительным пребыванием людей (жилые дома, конторы и т.п.) ксилолитовые покрытия устраивают только с древесным заполнителем. В помещениях с интенсивным движением (школьные классы, коридоры и т.п.) в состав исходной композиции наряду с древесным заполнителем следует вводить минеральный.
Ксилолитовые покрытия можно изготавливать на деревянных и бетонных основаниях, в том числе и на цементно-песчаных стяжках. Основания должны быть достаточно плотными, малопористыми, не впитывать раствор хлорида или сульфата магния из жидкой ксилолитовой композиции. Для хорошего сцепления с покрытием основания должны быть достаточно шероховатыми, их прочность должна быть не менее 15 МПа, а влажность - не более 5%.
Примечание. Ксилолитовые покрытия износостойки, не образуют пыли, негорючи, проявляют дезинфицирующие свойства, "гвоздимы", теплы. Однако они неустойчивы к воде, поэтому применять их можно только в сухих помещениях. Кроме того, есть ограничения и по температуре эксплуатации: она не должна быть выше 85°С.
Поверхность свежеуложенного бетонного основания (или стяжки) для лучшего сцепления с ксилолитовым покрытием нарезают взаимно пересекающимися бороздами глубиной 5-8 мм, расположенными на расстоянии 30-50 мм одна от другой. При отсутствии заранее выполненных борозд поверхность затвердевшего основания насекают. Для лучшего сцепления ксилолитового покрытия с деревянным основанием в последнее вбивают на расстоянии 150-200 мм друг от друга оцинкованные толевые гвозди.
Ксилолитовые покрытия допускается укладывать после окончания "мокрых" работ. Температура воздуха в помещении должна быть не ниже +10°C, относительная влажность воздуха не должна превышать 60%, не должно быть сквозняков. Ксилолитовое покрытие следует выполнять из двух слоев: нижнего выравнивающего толщиной 10-20 мм и верхнего лицевого - 5-10 мм. Общую толщину покрытия следует задавать в 25 мм.
Авторы предлагают вместо ксилолитовой смеси использовать "Древолит", который технологичнее ксилолита и образует более прочные покрытия. Приготовить ксилолитовую или древолитовую смесь с максимально достижимыми свойствами покрытий из них можно лишь имея качественные исходные материалы, должное оборудование, соблюдая технологии. Опилки должны быть чистыми, не загрязненными древесной корой, минеральным маслом, примесями неизвестного происхождения.
В последние годы в России несколько строительных организаций начали выполнять работы по устройству полов из смесей МВ с высокопрочными заполнителями. Они оказались востребованными для помещений, в которых на полы воздействуют большие как статические, так и динамические нагрузки: складов, промышленных цехов, гаражей и т.п. Примерами таких компаний в Москве являются "БиКам", "Магилит", "Магнезиальные бетоны", "Сорель-Эко - лоджи", выпускающие полы под фирменными названиями "Маглит", "Магилит", "МагБет", "Сорель" соответственно. А в Санкт-Петербурге такие полы изготавливают ООО "Альфапол" под названиями "Альфапол К", "Альфапол МВ" и компания "Полихром", которая называет свою продукцию "Магнезито-бетонные полы".
Получают распространение и сборные полы - из плиток, изготавливаемых централизованно. Плитки приклеивают к основанию клеями, производимыми тоже на основе МВ.
Другие возможные области применения магнезиальных вяжущих
Вторым по емкости направлением использования МВ может стать производство на их основе композиций для оштукатуривания стен. Их можно готовить непосредственно перед употреблением на строительной площадке или централизованно в виде сухих строительных смесей.
Считаем необходимым еще раз отметить, что оштукатуривание этим материалом железобетонных стен заметно улучшает микроклимат в жилых помещениях.
Материал "Древолит" и для этих целей предпочтительнее ксилолита, поскольку он обладает тиксотропными свойствами и не сползает во время твердения с вертикальных поверхностей. Отделывать стены можно оклеивая их плитками, изготовленными из этих материалов.
Третьим по объему направлением использования МВ, возможно, станет изготовление штучных изделий - подоконных плит, косяков для дверных и оконных проемов, элементов мебели, например столешниц, а четвертым - производство теплоизоляционных блоков из пеномагнезита - смеси МВ с легким заполнителем и пенообразователем. Блоки из пеномагнезита при равной с блоками из пенобетона на портландцементе плотности (теплопроводности) прочнее.
В.А. Войтович,
доцент ННГАСУ, к.т.н.
Г.В. Спирин,
руководитель творческой группы "Азъ-соль"
"Руководитель строительной организации", N 7, июль 2011 г.
ДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДДД
*(1) Войтович, В.А. Способ получения оксида магния / В.А. Войтович, И.А. Зеляев, Г.В. Спирин и др. Пат. РФ 2198842.
*(2) Зырянова, В.Н. Повышение механической прочности и водостойкости магнезиальных вяжущих веществ при введении минеральных наполнителей / В.Н. Зырянова, Е.В. Лыткина, Т. И. Бердов // Известия вузов. Строительство. - 2010. - N 3. - С. 21-26.
*(3) Зырянова, В.Н. Магнезиальные вяжущие из шламов магнийхлоридных отходов / В.Н. Зырянова, Т.И. Бердов, В.И. Верещагин // Известия вузов. Строительство. - 2009. - N 8. - С. 21-25.
*(4) Лыткина, Е.В. Ксилолитовые и костролитовые строительные материалы с использованием композиционного магнезиального вяжущего, содержащего диабаз / Е.В. Лыткина // Известия вузов. Строительство. - 2010. - N 9. - С. 26-29.
*(5) Мирюк, О.А. Влияние вещественного состава на свойства сульфамагнезиальных композиций / О.А. Мирюк // Известия вузов. Строительство. - 2011. - N 2. - С. 31-36.