Для студентов обучающихся по специальности «Производство строительных изделий и конструкций»

Минеральные вяжущие вещества

Раздел: Быт. Хозяйство. Строительство. Техника

Структура и фазовый состав затвердевших шлаковых расплавов зависят от их химического состава, в частности от их основности и условий охлаждения.

При медленном охлаждении, например в отвалах, основные шлаки почти полностью успевают закристаллизоваться. Они представляют собой конгломерат различных устойчивых соединений в кристаллическом виде, сцементированных небольшим количеством оставшегося стекловидного вещества переменного состава. Расплавы кислых шлаков даже при медленном охлаждении из-за быстрого возрастания их вязкости кристаллизуются в незначительной мере и после отвердения представляют собой вещество со стекловидной структурой. При быстром охлаждении водой, водяным паром или воздухом расплавы основных шлаков кристаллизуются не полностью и имеют смешанную структуру.

В закристаллизованных доменных шлаках, содержащих до 4—6 % MgO и до 5—10 % А1203, обнаруживают обычно двухкальциевый силикат (|3-C2S, y-C2S), раики-нит и мелилит с преобладающим содержанием гелеиито-вой составляющей.

Главными фазами в шлаках, содержащих 6—8 % MgO и 15—20 % А1203 (шлаки уральских металлургических заводов), являются преимущественно мелилит с преобладанием окерманитовой составляющей, а также ларнит C2S и анортит   СаО -АЬОд^ЭЮг. Кроме того, в шлаках встречаются псевдоволластонит a-CaO-Si02, мервииит 3CaO-MgO-2SiQ2, монтйчеллит CaO-MgO-Si02, CaS, MnS.

В основных шлаках преобладают более основные соединения —2CaO-Si02, 2CaO-Al203-Si02 и др., а в кислых — менее основные, например псевдоволластонит а-СаО-ЭЮг, анортит и др.

В шлаках, богатых MgO, присутствуют также форстерит 2MgO-Si02 и магнезиальная   шпинель MgO-Al203.

В высокоглиноземистых шлаках специальных сортов чугунов содержатся алюминаты 5СаО-ЗА1203 или 12СаО-7А1203, СаО-А1203 и СаО-2А1203.

По современным представлениям стекло, в том числе и шлаковое, не является аморфным, полностью изотропным веществом, как полагали раньше, представляя его в виде затвердевшей бесструктурной жидкости. В действительности, как показывают исследования, стекло характеризуется микронеодиородиостыо.

В соответствии с ионной теорией, развитой О. А. Есиным, жидкий шлак— это микронеодиородный расплав, состоящий из простых катионов (Са2+, Mg2+, Na+, Mn2+ и других катионов-модификаторов), анионов кислорода и серы, а также устойчивых комплексных анионов. Последние возникают при взаимодействии атомов кремния, алюминия, фосфора и других, так называемых стеклооб-разующих, катионов с атомами кислорода, которые связываются с первыми ковалентнымп связями.

Комплексные анионы вида (Si04)4"", (А104)3~ и т.д. представляют собой тетраэдр, в углах которого находятся центры атомов кислорода. В центре же тетраэдра между четырьмя атомами кислорода находится атом кремния или алюминия. Своими свободными кислородными связями комплексные анионы могут взаимодействовать как друг с другом, так и с катионами-модификаторами. Например, тетраэдры (Si04)4~ могут образовывать политетраэдрические цепи типа [(Si03)2~]n, [(Si205)2~]?г и т. п. В них кремнекислородные тетраэдры могут замещаться тетраэдрами (АЮ4)5"" и др. Катионы-модификаторы и комплексные силикатные анионы О^щей формулой (SixOw)z~ образуют группировки, встречающиеся в расплавах. Эти сложные образования по своему строению приближаются к соответствующим кристаллическим веществам, например к Ca2Si04, CaSi03 и др.

Наибольшей активностью характеризуются группы, состоящие из простейших анионов (Si04)4_, (А104)б~, разобщенных катионами кальция, как в структуре ортосиликата. Образованию ортосиликатной структуры способствует присутствие в расплаве магния. Нарушает эту структуру, снижая активность групп, наличие марганца.

С повышением температуры расплава происходит разрыв связей, группировки ионов становятся более мелкими и менее упорядоченными по строению и вместе с тем более реакционноспособными вследствие термодинамической неустойчивости. Подобные микронеодиородные ионные группы в шлаковых расплавах при быстром охлаждении могут быть в той или иной степени зафиксированы в шлаковом стекле (гранулированные шлаки), а при достаточно медленном охлаждении из этих групп могут путем некоторой перегруппировки и агрегации образоваться кристаллические фазы затвердевшего шлака.

В стеклах, по гипотезе Порай-Кошица, химический состав смежных полимерно-кристаллитных областей подвержен колебаниям. Подобных же взглядов придерживаются А. И. Августиник, А. Г. Власов, С. Солаколу и др. С учетом данных А. Г. Власова можно полагать, что в шлаковых стеклах с Af0«l содержание упорядоченных участков (кристаллитов) достигает 50—70%. Между этими участками размещаются собственно аморфные прослойки.

Шлаковые стекла, как и всякое стекло, не имеют определенной температуры плавления; при нагревании они постепенно размягчаются и переходят в жидкое состояние. Находясь в термодинамически неустойчивом состоянии, они проявляют способность кристаллизовываться. Однако кристаллизация тормозится высокой вязкостью при обычных температурах и малой подвижностью крупных анионных радикалов, поэтому при обычной температуре шлаковые стекла сохраняются в термодинамически неустойчивом состоянии неопределенно долгое время.