بخشی از مقاله
کامپوزیت اکسی کلرید منیزیم و آپاتیت معدنی
چکیده :
در این تحقیق خواص مکانیکی و برخی از خواص ساختاری سیمان سورل تقویت شده با آپاتیت معدنی مورد ارزیابی قرار گرفت. به منظور بررسی خواص نمونه سیمان سورل (MOC) به صورت مجزا و پنج ترکیب مختلف %5 A؛MOC، %10 A؛MOC ، %15 A؛MOC ، %20 A؛MOC و %25A؛MOC در نظر گرفته شد و استحکام فشاری، ترکیب فازی و ریزساختار سیمان با تکنیکهای مناسب مورد بررسی قرار گرفت. نتایج نشان داد که استحکام فشاری سیمان فاقد آپاتیت 50 مگاپاسکال بود که با افزودن آپاتیت حدود 90 مگاپاسکال افزایش یافت. نتایج نشان می دهد که ترکیب %20 A؛MOC دارای شرایط مناسب و بهینه از نظر خواص نسبت به سایر ترکیبات در نظر گرفته شده می باشد.
کلمات کلیدی: سیمان اکسی کلرید منیزیم، آپاتیت، استحکام فشاری
-1مقدمه :
سیمان اکسی کلرید منیزیم1 برای اولین بار توسط سورل 2در سال 1867 کشف شد. این نوع سیمان به عنوان عامل اتصال در اوایل قرن 20 بسیار مورد استفاده قرار گرفت. این سیمان محصول واکنش پیچیده منیزیم اکسید ، منیزیم کلرید و آب با نسبتهای معینی است که در زمان مشخصی گیرش پیدا میکند و تحت عنوان سیمان منیزیتی، سیمان سورل یا فرانسوی نامگذاری شده است . [1]
فازهای کریستالی سیمان حاصل از واکنش منیزیم اکسید با محلول منیزیم کلرید عبارتند از : [2]
)2 Mg(OH)2.MgCl2.4H2Oفاز (2
3Mg(OH)2.MgCl2.8H2O (فاز(3
5 Mg(OH)2.MgCl2.8H2O (فاز (5
(فاز9Mg(OH)2.MgCl2.5H2O (9
تحقیقات بسیاری نشان داده است که فازهای کریستالی 3 و5 بهصورت ترمودینامیکی و شیمیایی در دمای اتاق پایدار بوده و فازهای کریستالی 2 و9 در دمای بالای100˚C پایدار هستند. نتایج نشان داده است که فازهای کریستالی سیمان اکسی کلرید منیزیم، به صورت کریستالهای 3 و 5 سوزنی شکل بوده و کریستال های فاز 5 در مقایسه با کریستالهای فاز 3، همگنتر ، متراکم تر و مستحکم تراند. دلیل اصلی بالا بودن استحکام سیمان اکسی کلرید منیزیم، قفل شدن مکانیکی و میکروساختار متراکم ناشی از رشد داخلی این کریستالهای سوزنی است.[3 ]
محصول دیگر واکنش اکسید منیزیم و آب فاز بروکسیت یا هیدروکسید منیزیم Mg(OH)2 است. میکروساختار بروکسیت شامل یک سیستم هگزاگونال و بشقابی شکل با ساختار لایهای است که یک فازمناسبی برای زمینه سیمان محسوب نمیشود .دیاگرام فازی سیستم سه تایی MgO-MgCl2-H2O در دمای اتاق در شکل (1) نشان داده شده است.[4]
شکل1 دیاگرام فازی سیستم سه تایی MgO-MgCl2-H2O در دمای اتاق[4 ]
فازکریستالی و استحکام بخش فاز 5 ، عامل اصلی برای استحکام این نوع سیمانها محسوب میشود5 ]و.[3
استحکام بالا، چسبندگی مناسب، قابلیت آسان شکل گرفتن، ضد حریق بودن، مقاوم بودن در دماهای بالا، مقاوم بودن در برابر سایش، هدایت حرارتی پایین، قابلیت اتصال به مقادیر مختلفی از فیلرهای آلی و معدنی، از خواص این نوع سیمان است .[6] ناپایداری در برابر CO2 موجود در هوا و مقاومت ضعیف در برابر آب از جمله محدودیتهای استفاده سیمان از سورل محسوب میشود .[6] سیمان اکسی کلرید منیزیم دارای استحکام مناسبی است اما برای کاربردهای مهندسی نیاز به افزایش استحکام مکانیکی می باشد . کلرید منیزیم و اکسید منیزیم دو بخش اصلی واکنش در این سیمان محسوب میشوند که با اضافه کردن موادی نظیر آپاتیت به این ترکیب باعث افزایش استحکام مکانیکی سیمان اکسی کلرید منیزیم میشود.
آپاتیت به صورت طبیعی شامل درصد بالایی از عنصر آهن که به صورت هماتیت در آن حضور دارد، می باشد. کانی های گروه فسفات به دو گروه اصلی، آپاتیتی و غیر آپاتیتی تقسیم می شوند در سنگ های ماگماتیک و همچنین فسفات های رسوبی فراوان ترین کانی فسفات، فلوئورآپاتیت است .آپاتیت با فرمول Ca₁₀ (PO₄)(OH,Cl,F)₃ و با سیستم تبلور هگزاگونال و بی پیرامیدل می باشد .
ساختار اصلی آپاتیت تقریبا به طور هم زمان در سال 1930 توسط مهمل3 و نارای – سابو4 منتشر شد .این ساختار به صورت شش ضلعی با گروه فضایی P6₃/m و پارامترهای شبکه تقریبی a=9.37A⁰ و c=6.88A⁰ است . دو اتم Ca که از لحاظ بلورنگاری متفاوت هستند و سه اتم O وجود دارند . با نادیه گرفتن تماییز بین اتم های O سلول واحد از Ca(1)₄Ca(2)₆(PO₄)₆F₂تشکیل شده است .[7] هدف از این پژوهش، تهیه کامپوزیت با دو پیوند دهنده اکسی کلرید منیزیم وآپاتیت معدنی و بررسی فازهای تشکیل شده میباشد. همچنین خواص مکانیکی و فیزیکی از جمله استحکام، درصد جذب آب، تخلخل و درصد انحلال در آب بررسی میشود
-2 مواد و روش تحقیق :
مواد اولیه مورد استفاده در این پژوهش شامل منیزیم اکسید ، ساخت شرکت منیزیت ایران با خلوص%96 ؛ نمک منیزیم کلرید ، ساخت هند با خلوص 97% و آپاتیت معدن بافق یزد می باشد.
به منظور آماده سازی نمونه ها مطابق با جدول (1)، ابتدا نمک منیزیم کلرید در آب حل گردید و بهم زده ، سپس به آرامی و پیوسته اکسید منیزیم و آپاتیت معدنی به آن اضافه گردید و به مدت 3دقیقه مخلوط گردید. عملیات همزدن آنقدر ادامه پیدا می کند تا یک ماده کاملا همگن بدست آید. مخلوط همگن بدست آمده قبل از اینکه کاملا سفت گردد در قالبهای فولادی مکعبی با ابعاد50 50 50 میلیمتری - ریخته میگردد. قالبها را در حین پر کردن در دستگاه ویبره قرار داده و دستگاه 60 ویبره در حین پر کردن به قالب وارد میکند (به دلیل گرمای ایجاد گردیده روی نمونه ها را با یک فیلم نازک پوشانده تا ترک نخورد). سپس نمونه ها به مدت 24 ساعت در دمای اتاق در قالب قرار داده بعد نمونه ها از قالب خارج گردید. بعد از 14 روزنگه داری در دمای اتاق مورد تست استحکام فشاری قرار گرفتند.
تعیین استحکام فشاری توسط دستگاه TONi TECHNiK مدل4040 ساخت کشور آلمان با ظرفیت 350 تن نیرو انجام شد.
به منظور تعیین فازهای آپاتیت معدن بافق یزد وفازهای تشکیل شده در سیمان سورل و ترکیب آن با آپاتیت ، آزمون پراش پرتو ایکس (Philips Xpert-MPD) XRD انجام شد. الگوی پراش با لامپ CuKα با طول موج1.542 A⁰ و سرعت اسکن 0.05 درجه بر دقیقه در بازه 10<2Ɵ<80 به دست امد . سپس شناسایی پیک ها از روی کارت های PDF مورد بررسی قرارگرفت.
میکروساختار و مورفولوژی فازهای سوزنی تشکیل شده با میکروسکوپ الکترونی روبشی( (SEM از نوعPhilips مدل Series- XL30 بررسی گردید .
-3نتایج و بحث
1-3 نتایج XRD آپاتیت معدنی
شکل((2 نتایج و تحلیل الگوی پراش پرتو ایکس آپاتیت معدنی را نشان می دهد. مینرالهای شناسایی شده در نمونه آپاتیت معدنی، فلوروآپاتیت،هماتیت، سیلیس و دولومیت میباشد فازهای موجود به ترتیب همخوانی مناسبی با شماره پیکهای-015؛00
JCPDS 0876 ، 1053؛001؛JCPDS 00، 0649؛001؛JCPDS 00، و 0078؛011؛JCPDS 00 دارند.
شکل2 آنالیز XRDاز ماده معدنی آپاتیت
2-3 نتایج تست استحکام فشاری نمونه
شکل((3 مربوط به تغییرات استحکام فشاری نمونههای سیمان سورل با تغییر درصد وزنی آپاتیت معدنی در دمای کیورینگ اتاق و زمان کیورینگ 14 روزه را نشان میدهد. همان طور که مشاهده می شود با افزایش درصد آپاتیت تا 20 درصد وزنی، استحکام نمونه ها افزایش پیدا میکند. نمونه با20 درصد وزنی آپاتیت دارای بیشترین مقدار استحکام فشاری میباشد.
شکل3 استحکام فشاری نمونه سیمان سورل حاوی درصدهای مختلف آپاتیت معدنی در زمان کیورینگ 14روزه و دمای اتاق
در نمونه های سیمان سورل ساخته شده با آپاتیت معدنی با درصد وزنی متفاوت رفتار این نمونه ها و تغییرات استحکام فشاری با تغییردرصد وزنی آپاتیت معدنی یکسان نبوده است بدین صورت که تغییرات را می توان به 2 مرحله تقسیم بندی کرد. در مرحله
