The paper presents the results of a study of the physical and mechanical characteristics of a building material based on caustic magnesite obtained from the rock of the Savinsky deposit
magnesite, magnesia binder, aggregate, composite, building material
Технология производства огнеупоров из исходной породы сопровождается получением как собственно полезного продукта – периклаза, так и большим количеством отходов в виде каустического магнезита [1]. Как показали исследования [2], содержание окиси магния в этом продукте составляет (78-82) %, что соответствует стандарту для вяжущих марок ПМК-75 и ПМК-80 [3]. Это позволяет использовать отход производства для получения материалов с органическими заполнителями.
Целью работы является определение эффективности использования отходов производства периклаза из породы Савинского месторождения в виде порошка каустического магнезита с плотностью 3,1 г/см3 для получения композиционного материала с заполнителем из древесины на подобии материала известного как «Балабановский брус».
Наиболее важными характеристиками конструкционного материала являются прочностные показатели – сопротивление сжатию и изгибу. В данной работе приведены результаты экспериментальных исследований прочности композиционного материала, приготовленного на основе каустического магнезита с содержанием окиси магния 80 %, мелко дисперсного заполнителя из опилок размером 2,5 мм и 0,14 мм.
В качестве эталонного образца по прочности принят материал с минеральным заполнителем – песка Привольского месторождения [4]. Отношение массовых долей вяжущего к заполнителю В/З составляет 1/3, а вяжущего к затворителю В/Р – 1/3. Как известно, для ускорения набора прочности материалы на основе магнезиальных вяжущих рекомендуется затворять водным раствором хлористого магния. Для определения влияния концентрации хлористого магния в растворе на динамику набора прочности материала испытания проводились на образцах с плотностью водного раствора от 1,05 г/см3 до 1,2 г/см3.
На рисунке 1 приведены результаты испытания материалов на прочность на сжатие а) и изгиб б). Расчётное сопротивление нагрузкам принималось при разрушении образцов. Испытания проводились по методике [5] на образцах в виде балочек размером 40х40х160 мм. Для оценки уровня показателей конструкционного материала соответствующие характеристики сравнивались с аналогичными показателями образцов, приготовленных на портландцементе (ПЦ) марки М400 и том же заполнителе в соотношении 1/3.
Анализ динамики набора прочности показывает принципиальное влияние концентрации затворителя на скорость реакции превращения вяжущего в цементный камень.
Затворитель с низкой концентрацией хлористого магния слабо активизирует процесс твердения и к контрольному сроку (28 суток) прочность материала составляет 70 % и 30 % от возможного максимального значения соответственно для плотности раствора 1,12 г/см3 и 1,05 г/см3.
а) б)
Рисунок 1 – Динамика набора прочности материала на основе магнезиального вяжущего с минеральным заполнителем: а) – сопротивление на сжатие;
б) – сопротивление на изгиб
Увеличение концентрации раствора до 1,2 г/см3 обеспечивает динамику набора прочности сопоставимую с процессом твердения материала на основе минерального вяжущего. Причём, если прочность на сжатие несколько ниже у образца с магнезиальным вяжущем (примерно на 8 %) по сравнению с контрольным, то прочность на изгиб у композиционных образцов оказалась выше даже при плотности затворителя 1,12 г/см3.
Темпы приращения прочности у композиционного материала также зависят от концентрации затворителя. Чем выше эта концентрация, тем более темп упрочнения материала приближается к темпу, характерному для цементно-песчаных материалов. При этом наблюдается различный характер темпов приращения прочности на сжатие и изгиб. Наибольшее приращение прочности происходит в первые 5-7 суток. При этом наблюдается различный характер темпов приращения прочности на сжатие и изгиб (рис. 2).
На темп набора прочности (а, следовательно, на процесс интенсификации реакции твердения) значительное влияние оказывает концентрация затворителя. Если при низко концентрированном растворе максимальный прирост прочности продолжается до 9 суток и только затем начинает снижаться, то с ростом концентрации хлористого магния максимум прироста прочности достигается уже на 5-е сутки.
а) б)
Рисунок 2 – Темп набора прочности материала на основе магнезиального вяжущего с минеральным заполнителем: а) – сопротивление на сжатие;
б) – сопротивление на изгиб
Замена мелко дисперсного заполнителя с песка на органический (древесный) материал должна изменить не только эксплуатационные характеристики материала (теплопроводность, огнестойкость, звукопоглощение, декоративность), но и прочностные параметры. Определение динамики набора прочности композиционного материала проведено на образцах с соотношением массовых частей вяжущего и заполнителя В/З=3/1, вяжущего и затворителя В/Р=1/1,3.
а) б)
Рисунок 3 – Динамика набора прочности материала на основе магнезиального вяжущего с древесным заполнителем: а) – сопротивление на сжатие;
б) – сопротивление на изгиб
Полученные результаты показывают, что при высокой концентрации хлористого магния в затворителе можно достигнуть прочность материала на магнезиальном вяжущем сопоставимую с прочностью материалов на цементе.
На рисунке 3 приведены результаты экспериментальных исследований для материалов, включающих древесный заполнитель размером 2,5 мм и 0,14 мм (остаток на ситах соответственно № 2,5 и № 0,14 не более 5 %). Сравнивая данные, приведённые на рисунках 1 и 2, можно сделать вывод о снижении прочности на сжатие материала при замене минерального заполнителя на древесный, что вполне предсказуемо. Это снижение больше проявляется для крупноразмерного заполнителя (около 48 %), чем для мелкодисперсного (28 %). Интересно, что замена минерального заполнителя на органический практически не повлияла на сопротивление на изгиб при размере опилок 0,14 мм, но снизилось почти на 30 % для опилок размером 2,5 мм. Этот результат можно считать неожиданным, так как предполагается, что с увеличением размера древесных составляющих должно заметнее проявляться упругая деформация материала.
Тенденция по динамике набора прочности не изменилась, по сравнению с неорганическим материалом: ускорение набора прочности зависит в основном от концентрации хлористого магния, но для органического заполнителя ещё и от размера заполнителя. Так скорость набора прочности на сжатие сопоставима у образцов с разными размерами опилок (2,5 мм и 0,14 мм), но затворённых раствором с концентрацией соответственно 1,05 г/см3, и 1,2 г/см3.
Прочностные характеристики материала связаны с его плотностью. На рисунке 4 приведены зависимости изменения прочности на сжатие и изгиб для материалов различной плотности. Показатели для образцов, затворённых раствором с плотностью 1,05 г/см3 определены по достижению стабильных значений, по окончанию набора прочности. Этот срок составляет от 38 до 48 суток.
а) б)
Рисунок 4 – Зависимость прочности материала на основе магнезиального вяжущего с древесным заполнителем от плотности: а) – сопротивление на сжатие; б) – сопротивление на изгиб
Анализ результатов показывает, что имеет место стабильная тенденция роста прочности материала при увеличении его плотности. При этом наблюдается различие в показателях для одной плотности, но с разной дисперсностью заполнителя. Для мелкодисперсных опилок структура материала выглядит более однородной в объёме, близкой к структуре с песочным заполнителем. Увеличение размера опилок, при одной и той же их массе ведет к неизбежному появлению локальных неоднородностей. Это, возможно, является причиной снижения прочности материала и на сжатие, и на изгиб.
Влияние на прочность материала концентрации хлористого магния в затворителе позволяет оптимизировать технологию получения материала, выбирая между увеличением срока набора прочности и стоимостью, которая во многом определяется активатором процесса – хлористым магнием.
Выбор состава материала с целью обеспечения требуемых прочностных показателей (прочность на сжатие 
и прочность на изгиб 
) можно производить по моделям, связывающим основные показатели материала:
, (1)
, (2)
где 
– размер древесного заполнителя, мм;
– плотность раствора хлористого магния, г/см3;
– плотность материала, г/см3.
Плотность материала определится из соотношения между отдельными компонентами и плотностью затворителя [2]:
, (3)
где 
– массовое соотношение вяжущего (каустического магнезита) и затворителя (раствора хлористого магния);
– массовое соотношение вяжущего и древесного заполнителя.
1. Miryuk, O.A. Vliyanie razlichnyh faktorov na tverdenie magnezial'-nyh vyazhuschih / O.A. Miryuk. – Tekst: neposredstvennyy. // Izvestiya vuzov. Stroitel'stvo. – 2007. – № 6. – S. 43 – 46.
2. Rossiyskaya Federaciya. Standarty. GOST 1216-87 «Poroshok magnezitovyy kausticheskiy». Tekst: neposredstvennyy.
3. Kuz'min, S.I., Golyshev, A.O. Model' plotnosti kompozicionnogo ma-teriala na osnove kausticheskogo magnezita /S.I. Kuz'min, A.O. Golyshev. – Tekst: neposredstvennyy. // Sbornik nauchnyh trudov AnGTU. – 2023. – S. 83–87.
4. Rossiyskaya Federaciya. Standarty. GOST 6139-2003 «Pesok dlya is-pytaniya cementa». Tekst: neposredstvennyy.
5. Rossiyskaya Federaciya. Standarty. GOST 301-81*. Portlandcement. Metody ispytaniya. Tekst: neposredstvennyy.
