|
Качество клинкера зависит от его
химического и минералогического составов.
Химический состав характеризуется содержанием в клинкере
различных окислов. Минералогический состав — теми веществами (минералами),
которые образуются из этих окислов в процессе обжига.
B практике цементного производства пользуются также
третьим показателем оценки качества клинкера: соотношением между основными
окислами, 'позволяющим регулировать и заранее рассчитывать минералогический
состав клинкера, зная химический состав исходных сырьевых материалов.
Химический состав клинкера
Сырьевыми материалами для производства портландцемент-
ного клинкера чаще всего служат горные породы — глина и известняк, содержащие
углекислый кальций.
Глина состоит из различных веществ, образовавшихся в основном
из трех окислов: БЮг— двуокиси кремния (кремнезема), АЬОз — окиси алюминия
((глинозема) и РегОз — окиси железа.
Углекислый кальций СаС03 может быть .представлен двумя
окислами СаО и С02.
При обжиге клинкера глинистые вещества и углекислыи
кальций разлагаются. Газообразные продукты, в частности С02 и вода,
удаляются, а оставшиеся четыре твердых окисла: СаО, Si02, AI2O3 и ИегОз
образуют при спекании основные минералы цементного клинкера.
Наряду с основными окислами в клинкере могут присутствовать
и другие, например окись магния MgO, окислы щелочных металлов ЫагО, К2О,
ангидрид серной кислоты S03 я другие, как-то: двуокись титана ТЮ2, фосфорный
ангидрид Р2О5, окись марганца МП2О3. Эти окислы в той или 'иной степени
влиякгГна качество цемента.
Минералогический состав клинкера
Четыре основных окисла СаО, Si02, А1203 и Fe203 в'клинке-
ре не находятся в свободном состоянии. При обжиге они взаимодействуют между
собой, Образуя различные минералы, которые в основном определяют важнейшие
строительные свойства портландцемента.
Их суммарное количество составляет 95—98%- Оставшаяся
часть приходится на свободные окислы или другие малозначимые для
портландцемента минералы. Алита и белита в клинкере содержится 70—80%.
Минералогический состав клинкера положен в основу разделения
портландцементов на следующие .виды:
высокоалитовый портландцемент, содержание в котором
трехкальциевого силиката превышает 60%;
а л и т о в ы й портландцемент, содержащий трехкальциевого
сил и к ата SO—©О %;
бел и то вый портландцемент, содержащий двухкальцнево- го
силиката более 36%.
В зависимости от содержания алюминатов цементы разделяют
на низкоалюминатные (1С3А до 5 %), среди е- алюминатные ~0§зА 5—9%) и
высокоалюминатные (С3А более 9%).
А л ю м оф е р ,р и т н ы й портландцемент содержит
четырех- кальциевого алюмоферрита (C4AF) больше 18% или СзА<2%.
В клинкере .иногда может присутствовать в повышенном количестве
одновременно два минерала. Такой ..портландцемент приобретает двойное
название: алито-алюминатный, белито- алюминатный и т. д.
Знание процентного содержания в клинкере важнейших минералов
'позволяет с достаточной степенью точности предположить некоторые качества
.портландцемента — скорость нарастания его прочности, влияние условий твердения
на прочность, стойкость в пресных и минерализованных водах, экзотермич-
ность, т. е. количество тепла, выделяемого при твердении, и др.
Исходя из знания свойств отдельных минералов и эксплуатационных
условий, в которых будет находиться бетон, можно подбирать цемент
соответствующего минералогического состава.
Наряду с указанными выше минералами в клинкере могут
присутствовать в свободном .виде окись кальция и окись магния, существенно
влияющие на качество портландцемента, если их содержание оказывается выше
определенных пределов.
iB производственных условиях трудно добиться .полного связывания
окиси кальция в виде основных клинкерных минералов. При высоком содержании
свободной СаО в портландцементе она отрицательно влияет на его свойства,
вызывая растрескивание затвердевшего цементного камня. Вредное действие свободной
окиси кальция объясняется тем, что гашение СаО, т. е. взаимодействие ее с
водой, сопровождается увеличением в объеме; скорость гашения при этом зависит
от температуры обжига. Известь, образовавшаяся при температуре обжига до
1000— 1100°'С, гасится быстро, но с повышением температуры скорость гашения
извести замедляется, а при температуре обжига клинкера (около 11500° С) она
оказывается весьма медленно гасящимся веществом. Гашение ее не успевает
закончиться до схватывания (начала твердения) цемента, продолжается в отвердевшем
цементном камне и разрывает его.
Содержание свободной извести в портландцементе зависит от
совершенства технологического процесса. Современная технология обеспечивает
выпуск клинкера с минимальным количеством свободной извести (до 1%).
При высоком содержании свободной извести в клинкере его
подвергают магазинированию — вылеживанию на открытом воздухе в мелях гашения
извести влагой, содержащейся ,в воздухе. Иногда клинкер дополнительно
обрызгивают водой.
Механизм действия свободной окиси магния в твердеющем
портландцементе аналогичен действию свободной СаО. При обжиге клинкера
магнезия MgO образуется в виде .вещества, весьма медленно .гасящегося
(значительно медленнее CaiO), что приводит к растрескиванию затвердевших
бетонов.
Для предупреждения разрушения цементного камня от действия
свободной окиси магния содержание MgO в обычном клинкере ограничивается 5%.
С повышением температуры твердения цемента .гашение MgO
происходит значительно быстрее. Это свойство окиси магния используют в
лабораторной практике для установления степени вредного влияния ее на цемент,
подвергая его .испытанию на равномерность изменения объема в автоклаве п.ри
давлении пара 20 ат, температура .пара при этом превышает 250°С. Автоклавное
испытание цемента на равномерность изменения в объеме при твердении
производится в том случае, когда содержание MgO в клинкере более 5%.
Модули клинкера и коэффициент насыщения
Определение процентного содержания в клинкере отдельных
минералов производят прямым методом — петрографическим и рентгенографическим
анализами и косвенным — расчетным.
В заводской практике наиболее часто применяют расчетный
метод, поэтому рассмотрим его 'более подробно. Для определения
минералогического состава клинкера расчетным методом необходимо знать
процентное содержание основных клинкеро- образующих окислов. Соотношение
между основными окислами выражается двумя модулями и коэффициентом насыщения.
Эти величины практически остаются одинаковыми и для клинкера и для сырьевой
смеси.. Поэтому, зная модули и коэффициент насыщения, можно не только
определить минералогический состав готового клинкера, но и подобрать клинкер,
обладающий нужными качествами. Последнее обстоятельство имеет особенно
большое практическое значение, так как позволяет подбором химического состава
сырья регулировать минералогический состав клинкера.
В современной .практике пользуются двумя модулями—силикатным
и глиноземным.
В процессе обжига клинкера при избытке извести процесс
образования C2S, С3А и C4AF протекает до начала образования трехкальциевого
силиката. При более высокой температуре (свыше .1300°С) и при наличии жидкой
фазы образуется трех- кальциевый .силикат за счет присоединения одной
молекулы СаО двухкальциевым силикатом. Таким образом, при производстве
портландцементного клинкера основная задача — это перевести двухкальциевый
силикат в трехкальциевый силикат и получить в клинкере требуемое количество
трехкальциевого силиката, но в клинкере при этом не должно оставаться
свободной извести, т. е. количество взятой СаО должно соответствовать тому ее
количеству, которое необходимо для получения C3S; С3А и C4AF. Для определения
необходимого количества извести и пользуются коэффициентом насыщения.
Расчет минералогического состава клинкера
Существуют различные методы расчета сырьевой смеси
клинкера; однако сущность большинства их заключается в определении того
максимального количества СаО, которое может химически связаться с кислотными
окислами при обжиге клинкера, образуя клинкерные минералы.
Рассмотрим один из расчетных методов, разработанный отечественными
учеными и хорошо подтверждающийся практикой.
В зависимости от числа разновидностей материалов (компонентов),
применяемых для составления сырьевой смеси требуемого химического состава,
различают сырьевую смесь двух- . компонентную, трехкомпонентную и
четырехкомпонентную.
При использовании для обжига клинкера твердого топлива
расчет смеси .не зависимо от числа исходных компонентов производят с учетом
или без учета присадки к клинкеру золы топлива. Присадку золы учитывают в
случае использования топлива высокой зольности, например .горючих сланцев,
бурых углей, а также проектируя состав клинкера с высоким коэффициентом
насыщения—быстротвердеющих, высокопрочных цементов.
Рассмотрим пример расчета двухкомпонентной сырьевой смеси
!(смеси с большим количеством компонентов рассчитывают аналогично). Расчет
двухкомпонентной сырьевой смеси без учета присадки золы топлива производят по
заданной величине коэффициента насыщения и при известном химическом составе
каждого компонента '(известняка и глины).
Для расчета сырьевой смеси принимается упрощенная формула
КН, так как не известно, какое количество CaO, БЮг и S03 останется в клинкере
в свободном состоянии; БОз частично выгорает.
Следовательно, на каждую весовую часть глины потребуется
взять 3,89 вес. ч. известняка. В шроцентнам выражении это составит:
известняка — 79,95%, глины — 20,05%. Химический состав сырьевой смеси и
клинкера при таком соотношении исходных компонентов будет следующий.
|