56) Свойства клинкерных минералов и влияние на свойства вяжущего

Клинкер. Качество клинкера зависит от его химического и минералогических составов. Для производства портландцементного клинкера применяют известняк и глину. Известняк в основном состоит из двух оксидов: СаО и СO2, а глина — из различных минералов, содержащих в основном три оксида: SiO2, Аl2О3 и Fe2O3. В процессе обжига сырьевой смеси удаляется СO2, а оставшиеся четыре оксида: СаО, SiO2, Аl2О3 и Fe2O3 — образуют клинкерные минералы. Содержание оксидов в цементе примерно следующее: 64...67% СаО, 21...24% SiO2, 4...8% Аl2O3, 2...4% Fe2O3.

Кроме указанных основных оксидов в портландцементном клинкере могут присутствовать MgO и щелочные оксиды К2О и Na2O, снижающие качество цемента. Оксид магния, обожженный при температуре около 1500°С, при взаимодействии с водой очень медленно гасится и вызывает появление трещин в уже затвердевшем растворе или бетоне, поэтому содержание оксида магния в портландцементе не должно быть более 5%. Наличие в цементе щелочных оксидов выше 1 % может вызвать разрушение отвердевшего бетона на таком цементе.

Указанные выше основные оксиды находятся в клинкере не в свободном виде, а образуют при обжиге четыре основных минерала, относительное содержание которых в портландцементе следующее (%): трехкальциевый силикат 3CaO•SiO2 (алит) — 45...60; двухкальциевый силикат 2CaO•SiO2 (белит)— 20...35; трехкальциевый алюминат 3СaO•Аl2O3 — 4...12; четырехкальциевый алюмоферрит 4CaO•Al2O3•Fe2O3—10...18. Сокращенное обозначение этих минералов следующее: C3S, C2S, С3А и C4AF.

• Алит (C3S) — основной минерал клинкера, быстро твердеет и практически определяет скорость твердения и нарастания прочности портландцемента. Он представляет собой твердый раствор трехкальциевого силиката и небольшого количества (2...4%) MgO, Аl2O3, Р2О5, Cr2О3 и других примесей, которые могут существенно влиять на структуру и свойства портландцемента.

• Белит (β-C2S) — второй по важности и содержанию силикатный минерал клинкера, медленно твердеет и достигает высокой прочности при длительном твердении. Белит в клинкере представляет собой твердый раствор двухкальциевого силиката (β-C2S) и небольшого количества (1...3%) Аl2O3, Fe2O3, MgO, Сr2O3 и др. В связи с тем что белит при медленном охлаждении клинкера теряет вяжущие свойства, переходя из β-C2S в γ-C2S, это явление предотвращается быстрым охлаждением клинкера.

Содержание минералов-силикатов в клинкере в сумме составляет около 75%, поэтому гидратация алита и белита в основном определяет свойства портландцемента. Оставшиеся 25% объема клинкера между кристаллами алита и белита заполнены кристаллами С3А, C4AF, стекла и второстепенными минералами.

• Трехкальциевый алюминат (С3А) при благоприятных условиях обжига образуется в виде кубических кристаллов. Он очень быстро гидратирует и твердеет. Продукты гидратации имеют пористую структуру и низкую прочность. Кроме того, С3А является причиной сульфатной коррозии цемента, поэтому его содержание в сульфатостойком цементе ограничено 5%.

• Четырехкальциевый алюмоферрит (C4AF) — алюмоферритная фаза промежуточного вещества клинкера, представляет собой твердый раствор алюмоферритов кальция разного состава, обычно ее состав близок к 4СаО•Аl2О3•Fe2О3. По скорости гидратации этот минерал занимает как бы промежуточное положение между алитом и белитом и не оказывает определяющего значения на скорость твердения и тепловыделение портландцемента.

Клинкерное стекло присутствует в промежуточном веществе в количестве 5... 15%, которое в основном состоит из СаО, Аl2О3, MgO, К2О и Na2O.

При правильно рассчитанной и тщательно подготовленной и обожженной сырьевой смеси клинкер не должен содержать свободного оксида кальция СаО, так как пережженная при температуре около 1500°С известь, так же как и магнезия MgO, очень медленно гасится, увеличиваясь в объеме, что может привести к растрескиванию уже затвердевшего бетона.