Характеристики составных частей цементного клинкера

Подобно тому, как, например, гранит состоит из определенных природных минералов, так и цементный клинкер представляет собой систему из нескольких искусственных минералов, образовавшихся при обжиге сырьевой смеси. Но в отличие от гранита отдельные составные части клинкера нельзя различить невооруженным глазом, так как клинкер состоит из тонкозернистых кристаллических, а также аморфных фаз.

Примерный минералогический состав портландцементного клинкера:

1. Трехкальциевый силикат (алит)- 3 СаО х SiO2- 40-65%;
2. Двухкальциевый силикат (белит)- 2 СаО х SiO2- 15-45%;
3. Трехкальциевый алюминат- 3 СаО х Al2O3- 4-12%;
4. Четырехкальциевый алюмоферрит- 4 СаО х Al2O3 х Fe2O3- 12-25%.

Суммарное содержание алита и белита обычно находится в пределах 70-80%. Следовательно, в портландцементном клинкере количественно преобладают силикаты кальция. Поэтому данный цемент одно время называли силикатным.

Кроме указанных важнейших минералов в клинкере содержатся в небольших количествах и другие алюминаты и алюмоферриты кальция, а также феррит кальция. Наряду с кристаллическими фазами в клинкере имеется аморфное вещество в виде незакристаллизованного стекла (6-10%). В небольших количествах (не более 5%) в клинкере содержится окись магния, так как карбонат магния- это почти неизбежная природная примесь в известняках. В клинкере иногда встречается свободная окись кальция (до 1%) как результат неполного обжига клинкера, т.е. погрешностей в технологии обжига. Наконец, в клинкере могут быть соединения (до 1-2%), образованные щелочными окислами- окисями натрия и калия. Эти окислы переходят в клинкер из сырьевых материалов и золы твердого топлива.

Зная свойства клинкерных минералов, в частности величину тепловыделения при взаимодействии с водой, и минералогический состав данного клинкера, можно в первом приближении выявить основные особенности цемента, получаемого из этого клинкера.

Трехкальциевый силикат (алит) химически очень активен в реакции с водой. Об этом свидетельствует величина его тепловыделения при гидратации, особенно за первые трое суток. Он обладает способностью быстро твердеть и при твердении развивает большую прочность. Поэтому высокое содержание трехкальциевого силиката имеет важное значение для качества цемента. Высокомарочные и быстротвердеющие цементы должны содержать большое количество алита.

Двухкальциевый силикат (белит) значительно менее активен, на что указывает не только тепловой эффект гидратации, но и медленный ход тепловыделения: за трое суток выделяется только 10% от всего тепла гидратации. Твердеет он очень медленно. Но на протяжении нескольких лет прочность при благоприятных для твердения условиях неуклонно возрастает.

Трехкальциевый алюминат является наиболее активным клинкерным минералом; у него наибольшее тепловыделение, причем за трое суток выделяется не менее 80% от тепла гидратации. Трехкальциевый алюминат очень быстро твердеет. Однако продукт твердения имеет низкую прочность.

Четырехкальциевый алюмоферрит по величине тепловыделения при реакции с водой занимает промежуточное положение между трехкальциевым и двухкальциевым силикатом. Четырехкальциевый алюмоферрит твердеет значительно медленнее, чем трехкальциевый силикат, но быстрее, чем двухкальциевый. Прочность тоже выше, чем у продукта гидратации двухкальциевого силиката.

Приведенные краткие характеристики клинкерных минералов дают некоторое представление о влиянии их количественного содержания в клинкере на свойства данного цемента. Так, если требуется получить быстротвердеющий цемент, нужный, например, в производстве сборных железобетонных изделий и конструкций для сокращения сроков их изготовления, то применяют клинкер с повышенным содержанием трехкальциевого силиката и трехкальциевого алюмината. Эти минералы в сумме должны составлять не менее 65-70% от веса клинкера. Для бетонных работ в зимнее время тоже удобен цемент с относительно большим количеством трехкальциевого силиката и трехкальциевого алюмината. Такой цемент отличается высокой экзотермией. Поэтому бетон в какой-либо конструкции, защищенной от потери тепла, может успешно твердеть и при отрицательной температуре воздуха.

В строительстве часто требуется цемент с умеренной экзотермией преимущественно для массивных бетонных гидротехнических сооружений. Известно, что при большом тепловыделении твердеющего цемента бетон сильно расширяется во внутренних частях массива и меньше в наружных, которые естественно охлаждаются воздухом или водой. Объемные деформации, возникающие при неравномерном расширении и сжатии бетона, вызывают образование трещин и часто приводят к аварийному разрушению сооружений. Поэтому в массивных бетонных конструкциях (например, гидротехнических сооружений) не применяют цементы, отличающиеся большим тепловыделением.
Для получения цемента с умеренной экзотермией клинкер должен содержать относительно небольшое количество трехкальциевого силиката и трехкальциевого алюмината.

На свойства цемента помимо указанных важнейших клинкерных минералов влияют также содержащиеся в нем окиси магния, кальция, калия и натрия.

В правильно изготовленном и охлажденном клинкере значительная часть свободной кристаллической окиси магния (периклаза) растворена в стекловидной фазе в виде очень мелких кристаллов; мелкие же кристаллы, притом находящиеся в тонкомолотом цементе, успевают гидратироваться в той стадии, когда цемент еще не затвердел. В этот период увеличение объема отдельных составляющих цемента не вызывает разрушения массы, сохранившей некоторую пластичность. Поэтому современная технология почти полностью исключает вредное влияние окиси магния на цемент при ее содержании в клинкере до 5%.

Свободная окись кальция присутствует в нормальных клинкерах, как указывалось, в незначительных количествах и притом в виде очень мелких частиц. Чем мельче частицы, тем они быстрее гидратируются. При таких условиях процесс гидратации свободной извести в бетоне обычно не представляет опасности.

Щелочные окислы присутствуют в клинкере в разных химических соединениях, например в виде алюмината калия К2О х Аl2О3.

Если в каменных заполнителях бетонов имеется опаловидный кремнезем, т.е. водная двуокись кремния (SiO2 х nH2O) в аморфном виде, то присутствие щелочных окислов в цементе может вызвать разрушение бетона. Содержание этих окислов в клинкере составляет в среднем около 0,5%.

Причины такого разрушения заключаются в следующем. Щелочные окислы реагируют с двуокисью кремния, находящейся в каменных заполнителях в деятельном, активном реакционноспособном виде, образуя водорастворимые силикаты калия или натрия. Они в свою очередь взаимодействуют с гидроокисью кальция цементного камня с образованием кальциевых солей и тем самым нарушают прочность и стойкость слоя цементного камня, находящегося на границе с зернами заполнителя. В связи с этим в методы испытания заполнителей для бетона введено определение содержания опаловидного кремнезема.

Таким образом, выбор цементов для различных областей применения следует сообразовывать с минералогическим и элементарным химическим составом клинкера.

Необходимо более подробно рассмотреть вопросы, касающиеся взаимодействия минералов цементного клинкера с водой. Тогда станет еще более ясно, как именно надо учитывать минералогический состав клинкера при выборе цементов для изготовления бетонов различного назначения.

Источник: ООО "Стратегия"