Минералы цементного клинкера
Портландцементный клинкер представлен четырьмя основными «искусственными» минералами:(сокращенно СД),
В заводских клинкерах все эти минералы содержат изоморфные примеси, поэтому следует различать, например, С38 и С,в.
получаемые в лабораторных условиях из химически чистых компонентов (рис. 22), и твердые растворы на их основе: алит и белит, - образующиеся в цементном клинкере.Состав обычных портландцементных клинкеров колеблется в пределах (% мае.): С38 = 45-60; = 20-30; С3А= 3-15; С4АР = 10-20.
Суммарное содержание указанных минералов в клинкерах большинства заводов составляет 96-97 %. Таким образом, 75-82 % от массы клинкера приходится на долю минералов-силикатов С3в + С28, обеспечивающих собственно вяжущие свойства, и 18-25 % - на долю минералов-плавней С3А + С4АБ, обеспечивающих достаточное количество жидкой фазы в процессе обжига.
![]() |
Микроструктура цементного клинкера (рис. 23) представлена преимущественно кристаллами минералов-силикатов, между которыми находится так называемая промежуточная фаза. Промежуточная фаза включает алюминаты и алюмоферриты кальция в кристаллическом виде, а также стекловидную фазу.
Следует рассмотреть подробнее основные кристаллические фазы клинкера.
C4AF CjA |
Алит. Алитом называют фазу, представляющую собой твердый раствор Cß с MgO (до 2 %) и А1203 (0,9-1,7 %). В алитах промышленных клинкеров может содержаться также 0,4-1,6 % Fe,03, до 0,3 % Na20, 0,1 % К20, 0,6 % ТЮ2.
Если сырье загрязнено фосфоритом, в алите может находиться до 2 % Р205. Иногда фаза алита может содержать ионы Fe2+.С точки зрения кристаллохимии C3S является ортосиликатом, причем содержание кальция в C3S превышает стехиометрическое для собственно ортосиликата кальция Са,| SiOJ. Структура C3S включает два самостоятельных мотива, один из которых представляет собой слой кремнекислородных тетраэдров, связанных ионами кальция, другой является как бы прослойкой из оксида кальция. Таким образом, структура C3S отражается минералогической формулой СаО • CaJSiOJ. В его решетке ионы кальция и связывают тетраэдры [SiOJ, и находятся в октаэдрической координации по отношению к кислородным ионам, не связанным с [SiOJ. При этом вокруг ионов кальция образуются искаженные атомные октаэдры и создаются пустоты в структуре, способные вмещать другие атомы. Это предопределяет легкость образования твердых растворов на основе C3S.
При кристаллизации из расплава C3S образует твердые растворы, захватывая в свою структуру MgO, А 1,0,. Fe,О,. СаО. Ионы Са2+ могут входить сверх стехиометрии, располагаясь в октаэдрических пустотах. Магний может изоморфно замещать в решетке Са2+, при концентрации MgO выше 2 % в клинкере появляется самостоятельная фаза - перик- лаз. Алюминий способен замещать Si4+ в тетраэдрах [SiOJ, одновременно располагаясь в октаэдрических пустотах структуры или замещая ионы Са2+ в октаэдрах [Са06], обеспечивая тем самым электронейтральность. Оксид железа растворяется в C3S до 1,6 %. В этих твердых растворах ЗСа2+ замещается на 3Fe3+, 6Si4+ - на 6Fe3+, а различие в зарядах компенсируется одним ионом Fe3+, расположенным в пустотах решетки.
Алит устойчив между 1250 и 2070 °С, при 2070 °С плавится ин- конгруэнтно, образуя расплав и СаО (см. рис. 22). Ниже 1250 °С он разлагается с очень малой скоростью, что позволяет сохранить его при быстром охлаждении спеченного клинкера. При обычных температурах скорость разложения алита ничтожно мала.
Алит - важнейший клинкерный минерал-силикат, определяющий высокую прочность, быстроту твердения и ряд других свойств портландцемента.
В клинкере он содержится обычно в количестве 45-60 %. На прочность и другие свойства портландцемента значительно влияют форма кристаллов алита в клинкере, их размеры, распределение по величине, степень закристаллизованное™ и т. п. Кристаллы алита имеют обычно шестигранную или прямоугольную форму (см. рис. 23).Белит. Белит - фаза двухкальциевого силиката. Различают пять полиморфных модификаций C2S:
Для всех модификаций C2S характерно то, что они построены из изолированных кремнекислородных тетраэдров, связанных между собой атомами кальция, координация которых от а- до у-формы понижается от 9 до 6. По мнению многих исследователей, переход катионов Са2+ в более устойчивую координацию [Са06] из неустойчивых [CaOg] и [СаОд] является причиной гидравлической активности. Высокой гидравлической активностью обладают а'- и ß-модификации с несовершенной кристаллизацией.
Высокотемпературные формы стабилизируются при растворении довольно значительных количеств примесей, поэтому в промышленных клинкерах встречаются редко. Наибольший интерес представляют низкотемпературные Р- и у-формы.
Решетка Р-С,8 построена из изолированных кремнекислородных тетраэдров [8Ю4] и ионов кальция двух видов: Са^. соединяющих тетраэдры в цепочки, и Са{)+, связывающих эти цепочки между собой и расположенных в пустотах структуры между тетраэдрами [БЮ ]. Координация Са^+ и Са^+ нерегулярная, чем и объясняют обычно его гидравлическую активность. Структура Р-С.,8 нестабильна и склонна к переходу в у-С.,8, особенно при 525 °С и ниже. Низкотемпературная у-форма С08 имеет структуру типа оливина М§,,[8Ю ] (см. рис. 9) и в обычных условиях гидравлически пассивна. Присутствие примесных компонентов в сырье приводит к фиксации в клинкере активной Р-формы. Роль примесей-стабилизаторов могут выполнять А1203, Ре,О,. N^0, Ыа,0. К.,0. Сг203 и др. Вместе с тем стабильность значительно возрастает и вследствие охлаждения до обычных температур.
Белит в клинкере является Р-формой С,в. решетка которого слегка искажена присутствием примесных ионов. Ион Са2+ в решетке может быть замещен на 1У^2+, К+, Ва2+, Сг3+, Мп2+, а группы [8104]4 - на 180 ( |: или [Р04]3 . Таким образом, белит представляет собой твердый раствор Р-формы С,в. стабилизированный небольшим количеством (1-3 %) примесей.
Переход Р-С,8 в у-С,в. возможный при медленном охлаждении и недостаточной стабилизации, сопровождается увеличением объема примерно на 10 % (плотность Р-С,,8 равна 3,28, а у-С,8 - 2,97 г/см3); в результате зерна материала растрескиваются и он рассыпается в порошок. Этот процесс нежелателен, так как при температурах до 100°С у-С,в практически не взаимодействует с водой и, следовательно, не обладает вяжущими свойствами.
Белит - второй основной минерал портландцементного клинкера - отличается медленным твердением, но обеспечивает достижение высокой прочности при длительном твердении портландцемента. Он содержится в клинкерах обычных портландцементов в количестве 15-30 %. Гидравлическая активность белита зависит от строения кристаллов: их величины, плотности, наличия трещин и включений.
Промежуточное вещество, расположенное между кристаллами алита и белита, включает алюмоферритную и алюминатную фазы, а также второстепенные минералы в кристаллическом виде и, наконец, стекловидную фазу. Все эти фазы при высоких температурах обжига находятся в расплавленном состоянии.
Алюминатная фаза. В системе СаО - А1203 существует 5 стабильных алюминатов кальция, в портландцементном клинкере присутствует преимущественно так называемый трехкальциевый алюминат С3А. Этот минерал не проявляет полиморфизма, плавится с разложением при 1540 °С с образованием СаО и расплава. С3А имеет кубическую решетку, кристаллизуется в виде очень мелких шестиугольников и прямоугольников. В промышленных клинкерах С3А содержит MgO и Na20.
Алюмоферритная фаза. В 1937 г. М. А. Торопов показал, что минерал браунмиллерит (C4AF) - один из составов серии твердых растворов алюминатов в ферритах. Твердые растворы в системе СаО - А1203 - Fe203 имеют предельные составы от C2F (область, богатая Fe203) до CA2F (область, богатая А1203). Состав алюмоферритной фазы в клинкере определяется режимом охлаждения клинкера и отношением А1203: Fe203 в сырье. Обычно в портландцементах алюмоферритная фаза по своему составу близка к четырехкальциевому алюмоферриту. Поэтому C4AF при расчетах минерального состава цементного клинкера по химическому составу с известной условностью считают индивидуальным минералом. Плотность C4AF равна 3,77 г/см3. Эта фаза может содержать до 3 % К.,0. 4 % MgO и 7 % Si02.
Таким образом, реальные минералы портландцементного клинкера представляют собой модифицированные минералы - мономинералы, содержащие различные модифицирующие оксиды.
Клинкерное стекло. Обычно клинкерное стекло присутствует в промежуточном веществе в количестве 5-15 %. Такие значительные пределы колебаний определяются условиями охлаждения клинкера. Стекло состоит преимущественно из СаО, А1203 и Fe203. В нем присутствуют обычно MgO, Na20 и К.,0.
Помимо этих основных составляющих в клинкере содержатся также и некоторые другие кристаллические образования, в частности, СаО и MgO в свободном состоянии. Содержание СаОсвоб не должно превышать 1 %, большее количество свободной извести снижает каче
ство цемента и может вызвать неравномерное изменение его объема при твердении вследствие перехода СаО в Са(ОН),. Вредное влияние MgOcBo6 на равномерность изменения объема цемента проявляется при содержании его в количестве более 5 % в виде кристаллов периклаза размером более 10 мкм, медленно реагирующих с водой в уже затвердевшем цементе.
1.2.1.
Еще по теме Минералы цементного клинкера:
- 2.4.6. Изоморфизм в минералах поритандцементного клинкера
- Модульные характеристики цементного клинкера
- Физико-химические основы получения цементного клинкера
- Пол на основе цементно-песчаных, цементно-бетонных и асфальтобетонных растворов
- Цементно-песчаные, цементно-бетонные и асфальтобетонные полы
- Дегидратация глинистых минералов
- Клинкер
- Химический иминеральный состав портландцементного клинкера
- Получение портландцементного клинкера
- Влияние содержания различных оксидов на свойства клинкера и портландцемента [5]
- Укладка цементно-песчаной черепицы
- Приготовление цементно-песчаных растворов
- Облицовка на цементном растворе
- Цементно-песчаная стяжка