Характеристика портландцементного клинкера
Качество клинкера оценивается химическим, минералогическим и фазовым составами.
Химический состав клинкера характеризуется следующими пределами содержания главных оксидов (% по массе): СаО —63—68; Si02 — 21—24; А1203 — 4—8; Fe203 — 2—4. В небольших количествах в виде различных соединений в клинкер могут входить оксиды магния и хрома, серный и фосфорный ангидрид, щелочи натрия и калия, диоксид титана.
В клинкере главные оксиды образуют силикаты, алюминаты и алюмоферриты кальция в виде минералов кристаллической структуры, а часть их входит в стекловидную фазу.
Портландцементный клинкер имеет сложный минералогический состав.
Основными минералами (соединениями) являются: трех кальциевый силикат (алит) 3Ca0Si02, двухкаль- циевый силикат (белит) 2Ca0Si02, трехкальциевый алюминат ЗСа0-А1203, четырехкальциевый алюмофер- рит 4СаО • А1203 • Fe203.
Для сокращения написания формул клинкерных минералов принято обозначать оксиды первой буквой их оазвернутого написания, а число молекул оксида в соединении — индексом около буквы. Так, ЗСаО• Si02 обозначается C3S; 2Ca0-Si02— C2S; ЗСа0-А1203—СзА и 4СаО • А1203 • Fe203—C4AF. Содержание основных минералов в порт- ландцемеитном клинкере должно находиться в следующих пределах, %: C3S — 42—65; C2S — 15-45; CSA —2—15; C4AF—10—25.
Фазовый состав клинкера характеризуется содержанием основных и второстепенных клинкерных фаз, определяемых физико-химическими методами анализа. К основным клинкерным фазам относятся алитовая, белитовая и промежуточное вещество; к второстепенным — свободные СаО и MgO частично в виде кристаллов пе- риклаза и другие соединения.
Алитовая фаза (C3S)—основная в портландцементном клинкере. Алит определяет высокую прочность, быстроту твердения, высокую гидравлическую активность и другие свойства портландцемента.
Белитовая фаза (C2S) представлена в клинкере р-модификацией C2S, содержащей некоторое количество железа и титана в виде твердых растворов. Белит ие характеризуется определенными сроками схватывания и затворенный водой твердеет очень медленно. С течением времени (спустя 1—2 г) белит становится активнее алита.
Промежуточное вещество образуется из той части клинкера, которая при спекании находилась в расплавленном состоянии. В промежуточное вещество входят алюминаты и алюмоферриты кальция и клинкерное стекло (стекловидная фаза), которое не успело закристаллизоваться. В нормально охлажденных клинкерах содержится обычно 6—12 % стекла.
Трехкальциевый алюминат при затворении водой схватывается почти мгновенно, выделяя большое количество теплоты. На воздухе он приобретает определенную прочность, но в воде со временем теряет ее. В присутствии клинкерных минералов С3А делает цемент быстротвердеющим.
Четырехкальциевый алюмоферрит имеет сравнительно короткие сроки схватывания, но твердеет значительно медленнее, приобретая в течение длительного времени большую прочность.
Повышенное содержание второстепенных составляющих клинкера оказывает обычно отрицательное влияние на свойства портландцемента, так как свободные (несвязанные) оксиды кальция и магния гидратируются очень медленно в уже затвердевшем цементе. Увеличение объема, происходящее при этом, может вызвать растрескивание цементного камня. Количество СаОСВоб в клинкере не должно превышать 1 %, a MgO (в виде кристаллов периклаза) —5 %.
На качество портландцемента влияет не только минералогический состав клинкера, но и его структура, характер кристаллизации отдельных минералов. Для получения клинкера оптимальной структуры необходимы однородность и малая запесоченность сырья, тонкий помол сырьевой смеси, использование беззольного топлива, резкий обжиг и резкое охлаждение. При мелкой кристаллизации клинкерных минералов без изменения фазового состава можно добиться значительного повышения прочности.
Клинкер (сырьевая смесь) характеризуется двумя модулями, выражающими соотношения между количествами главных оксидов, — силикатным
п=% SiOJ% (A!203+Fe203),
и глиноземным
р= %Al203/%Fe203, а также коэффициентом насыщения КН' кн _ СаОобщ — СаОсвоП - 1,65А)203 - 0,35Fe2Q3 — 0,7SQ3 2,8 (Si0206iu — Si02CBOfi)
Силикатный модуль показывает, какое количество минералов-силикатов (C3S + C2S) по отношению к мине-
1 Коэффициент насыщения показывает отношение количества оксида кальция в клинкере, фактически связанного с кремнеземом, к количеству его, теоретически необходимому для полного связывания двуоксида кремния в трехкальциевый силикат.
ралам-нлавням (C3A+C4AF) содержится в клинкере. Величина силикатного модуля должна быть в пределах 1,7—3,5. Глиноземный модуль отражает соотношение минералов-плавней между собой и должен находиться в пределах 1—3.
Величина КН клинкера характеризует соотношение между C3S и C2S и устанавливается в зависимости от физико-химических свойств сырья, условий его переработки и обжига клинкера и практически находится в пределах 0,82—0,96. При КН выше 0,96 количество C3S в клинкере больше 60 % — клинкер относится к алито- вым; при КН меньше 0,82 количество алита меньше 38 % — клинкер относится к белитовым.
Цементы с высоким силикатным модулем п, т. е. с повышенным содержанием C3S и C2S, медленно схватываются и твердеют, но со временем прочность их значительно возрастает. Цементы с высоким глиноземным модулем р, т. е. с повышенным содержанием С3А, быстрее схватываются и твердеют, но достигнутая в первые сроки твердения прочность в дальнейшем возрастает незначительно или почти не возрастает. Такие цементы менее устойчивы к действию минерализованных вод.
Знание модулей и коэффициента насыщения позволяет не только определить минералогический состав клинкера, но и предположить его, исходя из химического состава сырьевой смеси. Эти величины практически одинаковы для сырьевой смеси и для клинкера. Последнее обстоятельство весьма ценно: путем соответствующего подбора химического состава сырья можно регулировать минералогический состав клинкера.
