Минералогический состав цементного клинкера

Обновлено: 15.05.2024

Химический анализ позволяет установить состав оксидов, входящих в клиикер и цемент. P. X. Богг разработал метод расчета, по которому на основе данных химического анализа может быть рассчитано содержание клинкерных минералов, прежде всего C₃S, C₂S, С₃А и C₄AF . Необходимо отметить, что Богг назвал состав клинкера, определенный с помощью этого метода, «потенциальным» (расчетным) составом. Здесь понятие «расчетный» подразумевает возможный, но не фактический состав, и поэтому расчетный состав, найденный по методу Богга, не идентичен фактическому минералогическому составу клинкера.

Применение расчетного метода Богга получило широкое распространение благодаря наглядности при определении состава клинкера и возможности предсказания свойств цемента. Этот метод расчета уже включен в стандарты на цемент, действующие в США, СССР и многих других странах. Однако стандарты на цемент в США содержат указание, согласно которому ограничения, накладываемые на расчетное содержание соединений, не требуют, чтобы присутствующие оксиды полностью входили в состав этих соединений.

Если содержания оксидов CaO, Si0₂, Al₂0₃, Fe₂0₃ обозначить буквами а, 6, с, d, а соединений C₃S, C₂S; С₃А, C₄ AF — буквами w, x, у, z то можно провести соответствующие расчеты. Но прежде необходимо отметить, что C₃S содержит 73,69% СаО и 26,31% Si0₂, a C₂S содержит 65,12% СаО и 34,88% Si0₂ . Составы С₃А и C₄AF приведены в табл. 1.6.1.

Таблица 1.6.1. Составы С₃А и C₄AF.

Символ	Формула	C₃S(ω)	C₂S(x)	C₃A(y)	C₁AF(z)
a	CaO	0,7369	0,6512	0,6227	0,4616
b	SiO₂	0,2631	0,3488	-	-
c	Al₂O₃	-	-	0,3773	0,2098
d	Fe₂o₃	-	-	-	0,3286

Теперь с учетом табл. 1.6.1 можно сказать, что в смеси из четырех соединений количество СаО в C₃S равно 0,7369 процентного содержания C₃S; количество СаО в C₂S равно 0,6512 процентного содержания C₂S и т. д. Общее количество СаО равно сумме этих значений:

а = 0,7369ω + 0,6512x + 0,6227у + 0,4616z; Ь = 0,2631ω +0,3488X; c = 0,3773y + 0,2098z; z = 0,3286z. Отсюда находим значение ω, x, y, z: ω = 4,071a - 7,600b - 6,718c - 1,430d; x = 8,602b + 5,068c - 3,071a + 1,078d; y = 2,650c + 1,692d; z = 3,043d. После подстановки оксидов и соединений вместо обозначающих их букв получаем: C₃s = 4,071 CaO - 7,600 SiO₂ - 6,718 Al₂O₃ - 1,430Fe₂O₃; C₂s = 8,602 SiO₂ + 5,068Al₂O₃ + 1,078Fe₂O₃ - 3,071CaO = 2,867SiO₂ - 0,7544C₃S; C₃A = 2,650Al₂O₃ - 1,692Fe₂O₃; C₄AF = 3,043Fe₂O₃.

Соединения в других системах могут рассчитаны аналогичным образом. Практически встречаются следующие клинкерные фазы:

№ 1 - обыкновенный цемент . C₃S + C₂S + C₃A + C₄AF
№ 2 - цемент, богатый окислами железа . C₃S + C₂S + C₄AF + C₂F
№ 3 - цемент, богатый известью . CaO + C₃S + C₃A + C₄AF
№ 4 - цемент, богатый известью и окислами железа .. CaO + C₃S + C₄AF + C₂F

Формула Кинда

Так же существует другой способ расчета минералогического состава на основе формулы Кинда, определяющий насыщение известью.

Браун в работе по исследованию свойств цемента определил с помощью микроскопии минералогический состав различных клинкеров и одновременно произвел расчеты по методу Богга. В табл. 1.6.2 приведены расхождения в результатах определения минералогического состава клинкеров, полученных Брауном.

Таблица 1.6.2. Содержание клинкерных минералов, определенное с помощью микроскопии и расчетным путем.

№ клинкера	C₃S		C₂S		C₃A		C₄AF
№ клинкера	M	B	M	B	M	B	M	B
M -	значение получено с помощью микроскопии;
B -	значение рассчитано по методу P. X. Богга.
11	57,7	55,1	12,8	19,4	5,4	12,6	2,8	7,3
18	60,3	48,9	16,9	26,3	6,3	14,0	3,9	6,6
33	70,2	63,5	4,2	12,4	10,0	11,2	4,3	7,9
51	39,6	46,7	44,5	36,5	1,0	4,0	6,3	9,8

Однако имеющийся опыт позволяет сделать вывод, что классификация цементов на основе расчетного содержания клинкерных минералов дает достаточно хорошие результаты. В СССР разработай химический метод анализа мокрым способом для непосредственного количественного определения C₃S, C₂S и С₃А. Этот метод основан на различной растворимости минералов в борной и уксусной кислотах.

Минералогический состав портландцементного клинкера.

Химический состав портландцементного клинкера дан в таблице 1.5.1.
Основные минералы, которые может содержать портландцементный клинкер, даны в табл. 1.5.2.

Портландцементный клинкер. Клинкерные минералы не являются чистыми соединениями, а представляют собой смеси, содержащие в незначительном количестве компоненты других минералов в виде смешанных кристаллических соединений; это относится и к остальным химическим примесям клинкера, которые не могут образовать самостоятельных фаз. Поэтому, чтобы четко отличать чистые соединения от клинкерных минералов, Териебом в 1897 г. дал основным минералам клинкера C₃S и C₂S названия «алит» и «белит» и, еще не зная их состава, исследовал под микроскопом отличия между ними.

Алит. Белит.

Алит. C₃S является основным клинкерным минералом, определяющим прочность цемента. Из шести известных модификаций C₃S в клинкере возникают только две высокотемпературные модификации, которые стабилизируются путем включения атомов примесей. Третья модификация — триклиниая — также изредка встречается.

Белит.

Белит. Белит главным образом представляет собой β-форму C₂S. При температуре спекания клинкера, превышающей 1420 С, образуется α-C₂S, а при температуре до 1420 С — α'-C₂S. Последняя форма во время охлаждения клинкера при температуре 670 С превращается в метастабилынй β-C₂S.

Таблица 1.5.2. Минералогический состав портландцементного клинкера

При дальнейшем медленном охлаждении из β-C₂S может образоваться стабильная ɣ-форма. Этот процесс протекает с увеличением объема на 10% и при определенных условиях может привести к рассыпанию клинкера. Быстрое охлаждение клинкера и наличие примесей препятствует переходу белита в гидравлически инертную ɣ-фазу, снижающую его качество.

Белит твердеет значительно медленнее алита, но в конце кондов достигает такой же прочности, как алит.

Если в клинкере глинозема содержится меньше, чем оксида железа (в молях), то оба компонента, вступая в соединение с известью, образуют алюмоферрит кальция (см, табл. 1.5.2.) —смешанно-кристаллическую фазу с конечным членом 2CaO•Fe₂O₃, где Fe может непрерывно замещаться Al. Этот смешанно-кристаллический ряд сохраняет стабильность до молярного отношения Al₂O₃:Fe₂O₃=2:1; однако в портланд-цементном клинкере, содержащем только соединения, богатые известью, ряд завершается уже при отношении 1:1. Если в клинкере преобладает глинозем, то его избыток сверх указанного отношения (как это имеет место в формуле 4CaO•Al₂O₃•Fe₂O₃) образует трехкальцисвый алюминат, богатый известью.

Трехкальциевый алюминат очень легко вступает в реакцию с водой, однако не имеет ясно выраженных гидравлических свойств и совместно с силикатами повышает начальную прочность цемента. Алюмоферрит кальция мало способствует гидравлическому твердению цемента.

Как уже указывалось щелочи только тогда попадают в клинкерные фазы, когда количество SO₃, содержащееся в клинкере, недостаточно для полного образования щелочных сульфатов. Щелочи входят в состав всех клинкерных фаз, однако преимущественно содержатся в алюмииатной фазе в виде смешанных кристаллов, причем состав, указанный в формуле табл. 1.5.2, может быть получен только в присутствии SiO₂.

ПЦ – гидравлическое вяжущее вещество. Получаемое тонким измельчением портландцементного клинкера с гипсом, а иногда со специальными добавками.

Клинкер получают обжигом до спекания тонкодисперсной однородной сырьевой смеси, состоящий из известняка и глины (мергеля, доменного шлака и пр.).

В ПЦ разрешается вводить АМД до 15 % от массы цемента.

Портландцементный клинкер обычно получается в виде спекшихся мелких и более крупных кганул и кусков размером 10-20 или до 50-60 мм в зависимости от типа печи.

Химический состав. Главными цементного клинкера являются окись кальция СаО, двуокись кремний SiO₂, Al₂O₃ и Fe₂O₃, суммарное содержание которых достигает 95-97 %. Кроме них в состав могут входить окись магний MgO, серный ангидрид SO₃, двуокись титана TiO₂, окись хрома Cr₂O₃, окись марганца Mn₂O₃, щелочи Na₂O и K₂O, фосфорный ангидрид P₂O₅ и др.

Повышение содержания	Что происходит с ПЦ
СаО	Повышенная скорость твердения, высокая конечная прочность, пониженная водостойкость.
SiO₂	Понижение скорости твердения в начальные сроки, нарастание прочности в длительные сроки, водо- и сульфатостойкость.
Al₂O₃	Ускоренное твердение в начальные сроки, меньшая водо-, сульфато- и морозостойкость.
Fe₂O₃	Снижение температуры спекания клинкера, медленное схватывание и твердение в начальные сроки, высокая прочность и сульфатостойкость.

Минералогический состав. Основные минералы цементного клинкера – алит, белит, целит, алюминат.

Алит – важнейший клинкерный минерал-силикат, определяющий высокую прочность, быстроту твердения и ряд других свойств ПЦ. Содержиться обычно в количестве 45-60%. Содержит примеси в небольших количествах MgO, Al₂O_3, P₂O_5, Cr₂O₃ и др. они влияют на его структуру.

Кристаллы алита имеют шестигранную форму или прямоугольную форму. Кристаллы алита бесцветны и имеют слабое светопреломление, неясно выраженную спайность в одном направлении, плотность 3,15 г/см 3 .

Форма кристаллов алита, их распределение влияет на прочность и другие свойства ПЦ.

Белит – второй основной минерал портландцементного клинкера, отличается медленным твердением, обеспечивает высокую прочность.

Он содержится в клинкере в количестве 20-30 % и обозначается β-С₂S. Существует 4 формы: α-С₂S, ά-С₂S, β-С₂S, γ-С₂S.

Гидравлическая активность белита зависит так же от строения кристаллов (их величины, плотности, наличие трещин и включений).

Целит - алюмоферитная фаза промежуточного вещества клинкера, представляет твердый раствор алюмоферитов кальция разного состава, который в свою очередь зависит от состава сырьевых смесей, условий обжига.

Алюминаты кальция могут встречаться в промежуточном веществе клинкера в виде 2-х соединений: 3-х кальциевого алюмината C₃A и 5 кальциевого алюмината C₅A₃.

C₃A кристаллизуется в кубической системе в виде очень мелких шестиугольников и прямоугольников, плотность 3,04 г/см 3 .

Химический состав клинкера характеризуется содержанием основных оксидов в следующих количествах, %:

Оксид кальция CaO……….	63–67	Оксиды щелочных металлов
Кремнезем SiO2………….	19–24	Na2О+K2O.	0,4––1,0
Глинозем Al2O2……………	4–7	Оксид хрома и оксид титана
Оксид железа Fe2O3……….	2–6	TiO2+Cr2O3……….	0,2–0,5
Оксид магния MgO……….	< 5	Фосфорный ангидрид P2O5	0,1–0,3
Сернистый ангидрид SO3.	0,3–0,1

Минералогический состав клинкера. Перечисленные оксиды образуют силикаты, алюминаты и алюмоферриты кальция в виде твердых растворов. Силикаты – преимущественно в виде кристаллов, между которыми размещается промежуточное вещество, состоящее из алюминатов и алюмоферритов кальция в кристаллическом и аморфном виде (рисунок 3.5).

Относительное содержание этих минералов, %: трехкальце-вый силикат (алит) 3CaO · SiO₂ (C₃S)– –45–60; двухкальциевый силикат (белит) 2CaO · SiO₂ (C₂A) – 15–35; трехкальциевый алюми-нат 3СаО· Al₂O₃ (С₃А) –4–14; четырехкальциевый алюмоферрит (целит) 4CaO Al₂O₃Fe₂O₃(C₄AF) – 10–18.

Кроме перечисленных в клин-кере имеется небольшое коли-чество других минералов: алю-минатов, алюмоферритов и фер-ритов кальция, а также оксида кальция СаО в количестве 0,5–1 % и оксида магния MgO – до 5% в свободном состоянии, щелочных оксидов Na₂O + K₂O – до 1 %.

Свойства портландцементов оценивают по минералогическому составу клинкера.

Алит C₃S состоит из кристаллов размером 3–20 мкм, быстро твердеет, много выделяет тепла и имеет высокую прочность.

Белит C₂S состоит из плотных округлых кристаллов размером 20–50 мкм. Он медленно твердеет и достигает высокой прочности через длительное время. Мало выделяет тепла.

Трехкальциевый алюминат C₃А находится в клинкере в виде кубических кристаллов размером 10–15 мкм. Быстро гидратируется и твердеет, много выделяет тепла, имеет небольшую прочность, которая через 180 суток уменьшается до нуля. При этом обеспечивает начальную прочность цементного камня в результате образования крупных кристаллов гидросульфоалюмината кальция 3CaO· Al₂O₃·3CaSO₄·(31–32) H₂O. Он является причиной сульфатной коррозии цементного камня и понижает морозостойкость.

Целит C₄АF по скорости гидратации занимает промежуточное положение между алитом и белитом , твердеет медленней, чем алит, и быстрее, чем, белит.

Портландцементы с высоким содержанием в клинкере минерала С₃S и умеренным содержанием минерала C₃А быстро твердеют, такой состав характерен для быстротвердеющих портландцементов. Цементы с повышенным содержанием в клинкере минералов C₂S и C₄AF твердеют медленно и мало выделяют тепла. Это низкотермичные портландцементы.

Повышенное содержание в клинкере минерала C₃А позволяет получить быстросхватывающиеся и твердеющие в ранние сроки цементы. Однако они имеют пониженную морозостойкость и сульфатостойкость.

Состав цементного клинкера который получается от производства цементного камня по новой технологии. Способы схем процесса производства цемента из клинкера.

Производство цемента из клинкера

Романцемент — получают путем обжига известняков, содержащих глинистых не менее 25% при температуре 1000-1200 градусов по Цельсию. Применение: производство бетонов низких марок, стеновые панели, блоки.

Портландцемент — после обжига известняков, мергелей и глинистых примесей получают цементный клинкер. Клинкер смешивают с добавками (ракушечник, доменный шлак).

Способы производства портландцемента

1. Мокрый — компоненты измельчают и смешивают в присутствии воды, полученную суспензию (шлам) обжигают.

2. Сухой — все тоже самое, только в сухом состоянии.

Минералогический состав цементного клинкера

Трехкальциевый силикат (алит) является активным минералом. Быстро твердеет и набирает прочность, сопровождается значительным тепловыделением.

Двухкальциевый силикат (белит) в начальный период твердеет медленно.

Трехкальциевый алюминат — низкая стойкость против серно-кислых соединений.

Четырехкальциевый алюмоферрит твердеет медленнее алита, но быстрее белита. Прочность ниже алита.

Применение портландцемента

Приготовление растворов невысоких марок для кладочных и штукатурных работ, бетонные изделия.

Виды портландцемента

Глиноземистый — быстро твердеет. Получают путем обжига известняков и бокситов (богаты глиноземом). Процесс твердения сопровождается большим тепловыделением.

Свойства: сульфатостойкий, водонепроницаемый, жаростойкий, в 3-4 раза дороже портландцемента.
Применение: срочные ремонтные работы, аварийные работы, бетонные работы в зимних условиях, производство жаростойких бетонов.

Водонепроницаемый расширяющийся портландцемент получают путем тщательного измельчения глиноземистого цемента, гипса и гидроалюминатов кальция. При взаимодействии двух последних происходит образование гидросульфатоалюминатов кальция. Твердение сопровождается увеличением объема.

Применение: создание гидроизоляционных покрытий, заделка стыков и трещин железобетонных конструкций.

Быстротвердеющий портландцемент характеризуется быстрым нарастанием прочности.

Конечно, скорость твердения не сравнить с гипсом. Но самая быстрая из всех видов цемента.

Применение: возведение монолитных сооружений, приготовление высокопрочных бетонов.

Шлакопортландцемент жаро-, водо- и сульфатостойкий. Процесс твердения медленный.

Применение: изготовление железобетонных конструкций для работы в горячих цехах, гидротехнические сооружения.

Пуццолановый портландцемент твердеет медленно, требует систематического увлажнения.

Свойства: водостойкий, сульфатостойкий, не морозостойкий.

Применение: бетонные и ж/б конструкции.

Пластифицированный позволяет снизить водопотребление бетонных смесей и расход цемента на 5-8%.

Применение: дорожные бетоны, аэродромное и гидротехническое строительство.

Гидрофобный по своим свойствам похож на пластифицированный. Применение тоже.

Белый и цветной портландцемент

Белый изготавливают из сырья в котором мало окрашивающих оксидов (чистый известняк). Цветной — в которых много (охра, железный сурик).
Применение: облицовочные плитки, фактурный слой стеновых панелей, искусственный мрамор.

Сульфатостойкий портландцемент изготавливают из клинкера с другими примесями не более 7%.

Производство цемента

Цемент — это один из самых востребованных строительных материалов на рынке. Однако, производство готового цемента является затратным как по капитальным вложениям, так и по использованию энергии. Заводы по его производству обычно расположены вблизи мест добычи основного сырьевого компонента, каковым является известняк. Сам цемент используется в строительстве, как в чистом виде, так и в качестве основы для изготовления незаменимых материалов (бетона и железобетона).

Производство цемента начинается с добычи клинкера. Затем клинкер измельчают и получают вещество в виде порошка, в которое добавляют гипсовый компонент и другое. Расходы на добычу клинкера — большая доля затрат в себестоимости цемента. В итоге такая статья затрат, как добыча сырья, составляет долю в себестоимости готового продукта равную 70%.

Метод, с помощью которого осуществляют добычу и разработку залежей известняка называется «сносом». Используя этот метод, часть горной породы «сносят», освобождая путь к известняку желто-зеленого цвета. Глубина залегания известняка обычно составляет 10 м, толщина пласта равна 70 см. До принятой глубины породу желто-зеленого цвета можно встретить еще примерно четыре раза. На следующем этапе добытый известняк с помощью ленты для транспортировки отправляется на измельчение. Здесь известняковая порода должна приобрести размер кусков не более 10 см в диаметре. Измельченный до таких размеров известняковый компонент транспортируется на сушку и повторное перемалывание, где к нему добавляются другие составляющие. Затем известняковая смесь обжигается. Так происходит процесс получения клинкера.

Следующая стадия заключается в обработке клинкера. В первую очередь, клинкер дробят. Одновременно проходит процесс подсушки минеральных компонентов и дробление гипсового камня. Затем все компоненты смешивают и еще раз подвергают перемалыванию.

Поскольку сырье имеет порой разные технические и физические характеристики, то в промышленности существует три метода производства готового продукта. Так, при производстве цемента применяется три способа изготовления готовой смеси: мокрый, сухой и комбинированный.

Цементная смесь, произведенная мокрым способом, сделана на основе карбоната (мела), силикатов (глины) и добавок, содержащих железо. К последним относятся конвертерный шлам, огарки пирита и железистый продукт. При этом глина должна содержать влагу не более 20%, а мел не более 29%. Все компоненты смеси проходят измельчение в воде, в итоге получается суспензия, влажность которой составляет 30-50%. Суспензия, а вернее шлам, поступает в специальные печи, где проходит обжиг. Печь для обжига имеет весьма внушительные размеры: ее высота составляет 7 м, а длина — 200 м. В процессе обжига из шлама происходит выделение углекислот. На выходе из печи после обжига получается клинкер, который имеет вид шариков. Эти шарики измельчают и получают готовую цементную смесь.

При сухом способе производства происходит сушка всех сырьевых составляющих цемента, и только затем перемалывание. Таким образом, смесь имеет вид порошка.

При комбинированном способе осуществляется частичное использование двух предыдущих. Таким образом, комбинированный способ производства подразделяется на два вида. При первом из них смесь сырьевых компонентов готовят по мокрому способу, и только затем влажность смеси снижают с помощью специальных фильтров, она не должна превышать 16-18%. Потом эту массу отправляют на обжиг. При втором виде для получения смеси используется способ сухого получения первоначальной смеси, а затем в нее добавляют воду. Так получают гранулы, размер которых составляет не более 10-15 мм. Затем эти гранулы отправляют в печь для обжига.

Дата публикации статьи: 6 ноября 2014 в 11:32
Последнее обновление: 19 января 2021 в 15:50

Цемент доставляется с завода-изготовителя к месту потребления железнодорожным и автомобильным транспортом. При доставке цемента по железной дороге используются…

Сырье для изготовления стекла Стекло — твердый, аморфный, прозрачный в той или иной области оптического диапазона материал. Получают…

Бетонная смесь имеет первостепенное значение на любой современной стройке. Прежде всего, ее используют при закладке фундаментов. Она также…

Ускорители твердения: поваренная соль, двуводный гипс, жидкое стекло. Замедлители твердения: клей животного происхождения, СДБ. Магнезиальные вяжущие — тонко…

Читайте также: