В работе приведены результаты исследования физико-механических характеристик строительного материала на основе каустического магнезита, получаемого из породы Савинского место-рождения
магнезит, магнезиальное вяжущее, заполнитель, композит, строительный материал
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. Мирюк, О.А. Влияние различных факторов на твердение магнезиаль-ных вяжущих / О.А. Мирюк. – Текст: непосредственный. // Известия вузов. Строительство. – 2007. – № 6. – С. 43 – 46.
2. Российская Федерация. Стандарты. ГОСТ 1216-87 «Порошок магнезитовый каустический». Текст: непосредственный.
3. Кузьмин, С.И., Голышев, А.О. Модель плотности композиционного ма-териала на основе каустического магнезита /С.И. Кузьмин, А.О. Голышев. – Текст: непосредственный. // Сборник научных трудов АнГТУ. – 2023. – С. 83–87.
4. Российская Федерация. Стандарты. ГОСТ 6139-2003 «Песок для ис-пытания цемента». Текст: непосредственный.
5. Российская Федерация. Стандарты. ГОСТ 301-81*. Портландцемент. Методы испытания. Текст: непосредственный.
