Меню

Клинкер цементный химический состав



Химический состав портландцементного клинкера

Химический состав портландцементного клинкера сложен, но постоянен. Содержание отдельных окислов колеблется в ограниченных пределах. Соотношения компонентов сырьевой смеси выбирают с таким расчётом, чтобы полученный при обжигепортландцементный клинкер имел следующий химический состав: 63-68% CaO, 4-8% Al2O3, 19-24% SiO2, 2-6% Fe2O3.

Минералогический состав портландцементного клинкера

Клинкер состоит из следующих клинкерных минералов: трёхкальциевого силиката 3CaO· SiO2 (алит) – 40-65%, двухкальциевого силиката 2CaO· SiO2 (белит) – 15-40%, трёхкальциевого алюмината 3CaO ·Al2O3 – 2-15%, четырёхкальциевого алюмоферрита 4CaO ·Al2O3· Fe2O3 (целит) – 10-20%. Каждый из клинкерных минералов имеет свои специфические свойства.

Алит отличается высокой химической активностью: придаёт цементу свойства быстрого твердения и ранней высокой прочности.

Белит менее активен, твердеет медленно, отличается незначительной экзотермией придаёт цементу среднюю прочность, но повышенную стойкость в агрессивных водах.

Трёхкальциевый аллюминат быстро твердеет, много выделяет тепла в первые трое суток твердения, но прочность даёт низкую.

Целит активнее, чем белит, так как твердеет быстрее и даёт большую прочность.

Располагая данными о минералогическом составе клинкера и зная свойства клинкерных минералов, можно заранее составить представление об основных свойствах портландцемента (в зависимости от процентного содержания того или иного минерала).

Строительно-технические свойства портландцемента

1 Свойства портландцемента в порошке

Средняя плотность в рыхлом состоянии 1000-1100 кг/м 3 , истинная плотность 3,05-3,15 г/см 3 .

Тонкость помола цемента характеризуется остатком на сите № 008 (размер ячейки в свету 0,08 мм) не более 15%.

2 Свойство портландцемента в тесте

Водопотребность определяется количеством воды (в %), которое необходимо для получения цементного теста нормальной густоты, т.е. заданной стандартной пластичности. Водопотребность (нормальная густота) портландцемента колеблется в пределах 22-26%.

Сроки схватывания цементного теста: начало схватывания не ранее чем через 45 мин, а конец схватывания не позднее 10 ч от начала затворения. У обычного портландцемента начало схватывания наступает через 1-2 часа, а конец через 4-6 ч. На сроки схватывания цемента влияет его минералогический состав и тонкость помола.

3 Свойство портландцемента в камне

Тепловыделение при твердении. Твердение портландцемента сопровождается выделение большого количества теплоты в процессе гидратации. Это свойство используется при уходе за монолитным бетоном в холодное время года.

Равномерность изменения объёма: при твердении на воздухе цементное тесто уменьшается в объёме, при твердении в воде цемент немного набухает. Однако в любом случае изменение объёма при твердении должно быть равномерным. Это свойство проверяют на лепёшках из цементного теста, которые не должны растрескиваться после пропаривания в течении 3 ч (до пропаривания лепёшки 24 ч твердеют на воздухе). Неравномерность изменения объёма возникает из-за присутствия в цементе свободных CaO и MgO, находящихся в виде пережога.

Прочность портландцемента характеризуется его маркой. Марку цемента устанавливают по величине предела прочности при сжатии балочки размером 4×4×16 см (двух её половинок), изготовленных из цементно-песчаного раствора состава 1: 3 (по массе) на стандартном вольском песке при водоцементном отношении В/Ц =0,4 и испытанных через 28 сут.

Портландцемент разделяют на марки 400, 500, 550, 600

Источник

Особенности химического и минералогического состава клинкера (клинкерного кирпича), а также его структуры

Клинкер представляет собой продукт натурального происхождения. В процессе его создания участвует огонь, вода и глина. Специальные сорта глины смешиваются с водой, а затем помещаются в шнековое устройство. После окончательного смешивания масса режется на необходимые размеры и помещается в специальную печь, где происходит процесс обжига.

Структура КК

Структура клинкера представляет собой соединение множества кристаллов разных размеров, между которыми находится промежуточное вещество. На нее непосредственно влияет количество содержащихся в его составе оксидов. В частности свободный оксид кальция допускается не более 1% от всей массы. Большее его значение свидетельствует о неправильном процессе обжига.

В небольшом количество (до 5%) разрешается содержание оксида магния. Эта нежелательная составляющая влияет на структуру конечного продукта, а также на его свойства.

Структура клинкера может содержать следующие компоненты:

Про клинкер нормированного состава и иные разновидности поговорим ниже.

Следующее видео рассказывает о растворе для придания различных цветов клинкерном кирпичу:

Составы клинкера

Состав клинкера подразделяется на химический и минералогический. Он влияет на свойства и технические характеристики конечного продукта.

Для начала поговорим про химический состав цементного и портландцементного клинкера.

Химический

Данный состав может колебаться в достаточно больших пределах. Его главными окислами, которые в сумме достигают до 97%, являются:

  1. Окись кальция 64-66%;
  2. Двуокись кремния 22-24%;
  3. Окись железа 2-4%;
  4. Окись алюминия 5-8%.

Химический анализ состава проводится по специальной методике, регламентированной стандарту ГОСТ в отношении клинкера.

  • Чрезмерное содержание окиси кальция приводит к быстрому процессу твердения и повышению прочности, но при этом снижается коэффициент водоустойчивости.
  • Замедление процесса твердения на начальных стадиях происходит в результате большого содержания кремнезема. При этом прочность материала нарастает стремительно именно на длительных сроках, а также увеличивается устойчивость к воздействию влаги.
  • Повышенное количество глинозема в составе клинкера ухудшает его устойчивость к влаге и морозам.
Читайте также:  Как мешать цемент с клеем для плитки

Про минералогический (минеральный) состав портландцементного и иных типов клинкера, а также про влияние такого состава клинкера на свойства портландцемента и материалов поговорим ниже.

Минералогический

Основные оксиды, из которых состоит клинкер, при высоких температурах взаимодействуют между собой и образуют минералы. Их соотношение имеет непосредственное влияние на свойства конечного продукта.

Минералы, которые входят в состав клинкера:

  • Алит включает в себя трехкальциевый силикат (C3S), который при кристаллизации присоединяет к себе MgO, A12O3, Fe2O3, что приводит к образованию твердого раствора. Форма алита, его размеры и степень кристаллизации влияют на свойства клинкера.
  • Белит представляет собой b-форму C2S. Быстро охлажденный клинкер содержит белит округлой формы, когда при медленном его охлаждении минерал получает зазубренные края и неправильную форму. Содержание мелких кристаллов белита приводит к устойчивости b-формы.
  • Трехкальциевый алюминат. Он имеет вид кристаллов, содержатся в промежуточной фазе.
  • Алюмоферрит кальция в сочетании с клинкерным стеклом, а также алюминатами образуют промежуточное вещество между кристаллами. Эти компоненты являются твердым раствором и составляют не более 2,5% от общей массы.

Клинкер включает в себя смесь минералов, которые имеют непосредственное влияние на его свойства: скорость твердения, уровень прочности, долговечность, устойчивость к низким и высоким температурам, влаге и химическим компонентам. Это дает возможность для определенного строения подбирать оптимальный клинкер с нужными свойствами и техническими характеристиками.

Про раствор для создания и кладки клинкера рассказывает данное видео:

Источник

Состав и свойства цементного клинкера

Тампонажный портландцемент представляет собой разновидность портландцемента – порошкообразного минерального неорганического вяжущего материала, состоящего главным образом из высокоосновных силикатов кальция. Благодаря их особым свойствам, а также свойствам других искусственных минералов, входящих в состав портландцемента (алюминатов, ферритов кальция и др.), порошок портландцемента при смешивании с водой образует легкоподвижную и нерасслаивающуюся в определенном диапазоне концентраций суспензию, которая с течением времени превращается в твердое камневидное тело.

Минералы портландцемента возникают в результате высокотемпературного обжига сырьевой смеси, содержащей в строго определенном соотношении щелочной оксид – окись кальция (СаО) и кислотные оксиды – окись кремния (SiO2), окись алюминия (Аl2О3) и окись железа (обычно Fе2О3).

Источником окиси кальция при производстве портландцемента служат, главным образом, известняк и мел, но могут применяться и другие природные материалы, например гипс, или промышленные отходы, дающие при обжиге окись кальция.

Источником кислотных оксидов являются чаще всего глины. В зависимости от присутствующих в них примесей (кварц, карбонаты и пр.) они содержат, %: 40-60 SiO2; 10-20 Аl2О3; 5-7 Fе2О3; 2-15 СаО.

Вместо глины могут применяться лёссы, сланцы, суглинки, а также промышленные отходы, из которых главное место занимают гранулированные доменные шлаки. Их состав близок к составу портландцемента, но они содержат меньшее количество СаО. Для получения портландцемента в сырьевую смесь на основе шлака достаточно добавить 15-25 % СаО, например в виде известняка. Вместо глинистого компонента может также применяться нефелиновый шлам – отход при производстве глинозема из нефелина, который по своему составу еще ближе к портландцементу, чем доменный шлак, но в нем также недостаточно СаО.

Ценным сырьевым материалом для производства портландцемента являются мергели – природные карбонаты кальция, содержащие более 20 % глинистых примесей. Некоторые мергели содержат окись кальция и глинистые компоненты как раз в тех соотношениях, которые необходимы для производства портландцемента.

Однако при применении сырьевой смеси, состоящей только из двух компонентов – известкового и глинистого, часто не удается получить высококачественный портландцемент. Чтобы получить портландцемент с необходимыми свойствами, в сырьевую смесь вводят так называемые корректирующие добавки. В их составах преобладает какой-либо один кислотный оксид – SiO2, Аl2О3 или Fе2О3.

Существует два способа обработки исходного сырья – сухой и мокрый. По сухому способу сырьевые материалы высушиваются до влажности 1,5-2 %, дозируются и измельчаются в шаровых мельницах до порошка с размерами частиц не более 100 мк, который затем пневматическим путем тщательно перемешивается до получения однородной смеси.

Обжиг сырьевой смеси, приготовленной по сухому способу, производится в шахтных или вращающихся печах. Перед подачей в шахтные печи и конвейерный кальцинатор смесь гранулируется, для чего смачивается водой до влажности 10-12 %.

Читайте также:  Как мешать цемент для забора

В выносных теплообменниках смесь нагревается до температуры 900-1000 °С, после чего поступает во вращающуюся печь. Вращающаяся печь представляет собой полый стальной цилиндр диаметром от 2 до 5 м, длиной от 30 до 200 м, покрытый изнутри огнеупорным материалом. Цилиндр располагается под углом 3-5°. Печь вращается со скоростью около 1 об/мин. Обжиг сырьевой смеси во вращающихся печах производится при температуре 1400-1500 °С. Вследствие частичного расплавления обжигаемого материала и вращения печи продукт обжига получается в виде плотных гранул размером 10-30 мм.

Полученный в печи полуфабрикат, называемый портландцементным клинкером, охлаждается воздухом в специальном холодильнике. После охлаждения клинкер дробят, а затем размалывают в шаровых мельницах до тонкого порошка, который и представляет собой цемент.

При изготовлении тампонажного цемента в процессе помола клинкера к нему добавляют 3-6 % гипса (для регулирования скорости схватывания) и 10-15 % других природных или искусственных материалов (металлургического шлака, кварцевого песка, трепела, опоки и др.), называемых минеральными добавками. Они улучшают некоторые свойства портландцемента и позволяют экономить дорогостоящий клинкер.

При мокром способе производства сырьевые материалы измельчают с одновременным добавлением к ним воды. В результате сырьевая смесь получается в виде пульпы сметанообразной консистенции (содержание воды 35-40 %), которая может перекачиваться насосами и перемешиваться сжатым воздухом. Это создает благоприятные условия для получения более однородной смеси. Возможность получения хорошо гомогенизированной сырьевой смеси является основным преимуществом мокрого способа производства. Недостатком его является дополнительный расход топлива на испарение воды, добавленной для получения пульпы.

При мокром способе производства сырьевая смесь обжигается в длинных вращающихся печах, снабженных различными встроенными теплообменными устройствами. По мере продвижения внутри печи сырьевая смесь под действием горячих газов постепенно высушивается и нагревается. При температуре 400-600 °С глинистый компонент дегидратируется и разлагается на составляющие его оксиды. Все эти реакции протекают с выделением тепла (примерно 100 ккал на 1 кг клинкера), вследствие чего обжигаемый материал быстро разогревается до температуры 1300-1400 °С. При этой температуре он частично (на 20-30 %) расплавляется. В образовавшийся расплав переходит основная часть алюминатов и ферритов, а также некоторое количество двухкальциевого силиката. В этом расплаве растворяется не связавшаяся к этому времени окись кальция и из него выкристаллизовывается трехкальциевый силикат 3саО · SiO2. Этот процесс идет до тех пор, пока не свяжется вся или почти вся окись кальция. Температура обжигаемого материала при этом составляет около 1400-1500 °С.

Реакция взаимодействия окиси кальция с кремнеземом, оксидами железа и алюминия завершается тем быстрее, чем тоньше помол сырьевой смеси и лучше она гомогенизирована. Для свойств образовавшегося клинкера большое значение имеет скорость охлаждения. Быстрое охлаждение приводит к тому, что часть расплава не успевает кристаллизоваться и остается в виде так называемого клинкерного стекла, а образовавшиеся минералы фиксируются в своих высокотемпературных формах, отличающихся повышенной химической активностью.

Указанные выше четыре главных оксида содержатся в портландцементном клинкере обычно в следующих количествах, %: 60-75 СаО; 17-25 SiO2; 3-8 Аl2О3; 2-6 Fе2О3.

Содержание других оксидов, попадающих в клинкер из сырья и являющихся примесями, колеблется в следующих пределах, %: 0,1-5,5 MgO; 0,5-1,3 К2O + Na2O; 0,3-1,0 SO3; 0,2-0,5 TiO2; 0,1-0,3 Р2О5.

В процессе обжига все указанные оксиды вступают во взаимодействие друг с другом, образуя искусственные минералы портландцемента, так называемые клинкерные минералы.

Трехкальциевый силикат является важнейшим минералом портландцементного клинкера, в котором он содержится обычно в количестве 40-65 %.

В соответствии с формулой 3СаО × SiO2 чистый трехкальциевый силикат имеет молекулярную массу 228,30, содержит 73,7 % СаО и 26,3 % SiO2. Трехкальциевый силикат в природе не встречается. Помимо портландцементного клинкера, трехкальциевый силикат образуется при кристаллизации основного мартеновского шлака. Трехкальциевый силикат, образующийся в портландцементном клинкере, содержит примеси МgO, Аl2О3, Fе2О3, Сr2О3, его состав может быть выражен формулой 54СаО × 16SiO2 × МgО × Аl2О3(Fе2О3), т.е. в каждых 18 молекулах два атома кремния замещены одним атомом магния и двумя атомами алюминия (или железа). Эта разновидность трехкальциевого силиката называется алитом. Алит кристаллизуется в моноклинной системе. В шлифе портландцементного клинкера под микроскопом в проходящем свете алит имеет вид прямоугольных или гексагональных кристаллов размером 20-60 мк, характеризующихся слабым двупреломлением.

Двухкальциевый силикат (2СаО × SiO2) имеет молекулярную массу 172,22, содержит 65,1 % СаО и 34,9 % SiO2. Он известен в четырех полиморфных формах – a, a¢, β и γ, устойчивых при различных температурах.

Читайте также:  Цемент общестроительный портландцемент марка 400 характеристики

Двухкальциевый силикат в β-форме (β-2СаО × SiO2), присутствующий в портландцементном клинкере, называется белитом. Помимо портландцементного клинкера, в котором он присутствует в количестве от 12 до 35 %, β-двухкальциевый силикат содержится в некоторых металлургических шлаках и в большом количестве (до 85 %) в нефелиновом шламе – побочном продукте производства глинозема из нефелинов. Вследствие наименьшей химической активности по сравнению с другими клинкерными минералами он, единственный из них, встречается в природе в виде минерала ларнита.

Трехкальциевый алюминат (3СаО × А12О3), наиболее активный из клинкерных минералов, имеет молекулярную массу 270,18, содержит 62,3 % СаО и 37,7 % А12О3. В нормально охлажденном портландцементном клинкере трехкальциевый алюминат кристаллизуется неполностью. Значительная часть его остается в клинкерном стекле. Содержание трехкальциевого алюмината в клинкере может достигать 15 %.

Четырехкальциевый алюмоферрит (4СаО × А12О3 × Fе2О3) – железосодержащий клинкерный минерал. Молекулярная масса 4СаО × А12О3 × Fе2О3 составляет 485,94, содержание оксидов: СаО – 46,1, А12О3 – 21,0, Fе2О3 – 32,9 %. В большинстве портландцементов содержание четырехкальциевого алюмоферрита находится в пределах 10-25 %.

Свободная окись кальция (СаО) появляется в клинкере в результате незавершенности процесса минералообразования. Причиной этого может быть неправильное соотношение между компонентами сырьевой смеси, недостаточная его гомогенность и неполный обжиг. Свободная окись кальция, обожженная при высокой температуре, после затворения цемента водой медленно гидратируется (присоединяет воду), превращаясь в гидроокись кальция Са(ОН)2. Эта реакция протекает со значительным увеличением объема твердой фазы, а по времени она совпадает с тем периодом, когда цементный камень уже достиг значительной прочности и потерял пластичность. В результате этого в цементном камне могут возникнуть значительные внутренние напряжения, которые вызывают неравномерность изменения его объема и растрескивание. Чтобы избежать этого, стремятся не допустить присутствия свободной окиси кальция в клинкере более 1 %. При длительном хранении цемента свободная окись кальция постепенно реагирует с водой и углекислотой воздуха с образованием Са(ОН)2 и СаСО3, присутствие которых не оказывает вредного действия. Поэтому клинкер перед измельчением рекомендуется выдерживать в течение месяца на промежуточном складе, а цемент в специальных бункерах (силосах) в течение двух недель перед отправкой потребителю.

Свободная окись магния (MgО), обожженная при высокой температуре (периклаз), как и свободная СаО, гидратируется в уже затвердевшем цементном камне (после шести месяцев при температуре 22 °С) с увеличением объема твердой фазы, что также может вызвать его растрескивание. Поэтому содержание окиси магния в сырье для производства портландцемента ограничивается определенными пределами.

В обычных портландцементах содержание MgО не должно превышать 5 %.

Щелочные оксиды (Na2O и К2О) попадают в цементную сырьевую смесь в основном вместе с глиной в составе полевых шпатов и глинистых минералов. Значительная часть их улетучивается при обжиге, а остальное количество входит в состав нескольких соединений. Как в исходных сырьевых материалах, так и в клинкере, K2О обычно содержится в несколько раз больше, чем Na2O.

Щелочные оксиды, выделяясь в ходе гидратации соединений цемента, могут реагировать с активным кремнеземом, содержащимся во многих добавках. Эта реакция вызывает расширение и растрескивание затвердевшего цементного камня. Помимо этого, щелочи иногда нарушают нормальный процесс схватывания, затрудняют обжиг клинкера. В связи с этим щелочи относят к нежелательным компонентам клинкера и стремятся к тому, чтобы их содержание не превышало 1 %.

Другие примеси, попадающие в портландцементный клинкер с сырьем или в ходе технологического процесса (SO3, TiО2, P2O5, Cr2O3, МnO2 и др.), в случае повышенного содержания могут влиять на процесс минералообразования при обжиге. В большинстве случаев это влияние считается вредным.

Стекловидная фаза обычно присутствует в клинкере в количестве 5-12 %. Она содержит в своем составе невыкристаллизовавшиеся ферриты, алюминаты, двухкальциевый силикат, щелочные соединения и значительную часть окиси магния, находящейся в клинкере.

При расчете минералогического состава и при пользовании его результатами применяют обычно условные обозначения минералов: трехкальциевый силикат (3СаО × SiO2) – C3S; двухкальциевый силикат (2СаО × SiO2) – C2S или β-C2S; трехкальциевый алюминат (3СаО × Al2O3) – С3A; четырехкальциевый алюмоферрит (4СаО × Al2O3 × Fе2О3) – C4AF. Буква С обозначает СаО, буква S – SiO2, буква А – Al2O3, буква F – Fе2О3.

Источник