0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Состав клинкера для цемента

Цементный клинкер: что это такое и как производится

При возведении высотных зданий и небольших домов используется цементный клинкер. Твердый раствор увеличивает срок службы покрытий, подходит для облицовки печей и искусственных водоемов. Клинкерной плиткой, вместо натурального камня, украшают фасады, применяют как керамогранит при отделке интерьера, а также для реставрации пенобетонных и деревянных поверхностей. Строительный материал выдерживает избыточную влажность и обладает высокими теплоизоляционными свойствами.

Что такое цементный клинкер

В ходе обжигания смеси, состоящей из известняка и нескольких разновидностей глины, при высокой температуре получается вязкий гранулированный полуфабрикат, называемый клинкером. Для производства цемента в вещество добавляют гипс или сульфат кальция и другие минеральные компоненты, которые измельчают в порошок.

Впервые процесс спекания строительного сырья, добываемого из недр земли, путем нагревания его до 1450°, был описан в 19 веке инженером из Франции, создавшим полуфабрикат и цемент. Луи Вика использовал полученный промежуточный продукт при возведении подвесного моста, чтобы доказать его качество.

Каким методом получают цементный клинкер

Для создания материала, не уступающего по прочности натуральному камню, голландские строители стали обжигать специальную глину при высокой температуре. Сейчас при производстве цементного клинкера используют сырье, в составе которого содержатся двух-трехкальциевые силикаты или алюминаты. Смесь нагревают в печах до плавления или спекания. На свойства клинкера влияют несколько факторов:

  • характеристики используемых добавок и присадок;
  • состав сырья;
  • метод охлаждения и помола;
  • технология нагрева.

При мокром способе обжига применяется много различных компонентов, среди которых триполифосфат, сода, торфяная вытяжка, жидкое стекло. Из шлама выделяются углекислоты, а клинкер приобретает форму шарика.

При сухом методе минеральные вещества высыхают в печи, а потом измельчаются в порошок. При комбинированном варианте смесь производят с помощью мокрого метода, затем влажность уменьшают до 16% путем фильтрования, после сырье обжигают. Если применяется сухой способ, то смесь соединяют с водой. А образовавшиеся гранулы высыпают в печь для дальнейшего спекания. Почти 67% в них приходится на оксид калия, 4% — алюминия. Около 22% составляет диоксид кремния, до 6% в составе гранул — добавки и присадки.

В клинкере, из которого производится цемент, количество минеральных искусственных компонентов достигает 70%.

Четыре главные фазы клинкера

Для возведения многоэтажных зданий требуется материал высокого качества. На свойства и характеристики цемента влияет объем и состав смесей, применяемых в процессе обжига. В клинкере обязательно должны присутствовать 4 компонента в определенных пропорциях.

В составе основного продукта, используемого для производства цемента, содержится силикат, представляющий собой смесь диоксида кремния и тройного объема оксида кальция. В клинкере его количество составляет не менее 52%. В кристаллической решетке алита вкраплены ионы:

Силикат быстро вступает в реакцию с водой. Такое свойство минерала обеспечивает прочность клинкера на всех этапах нагревания и обжига.

Белит

В полуфабрикате цемента от 14% до 31% приходится на фазу, представляющую смесь диоксида кремния и двойного объема оксида кальция. Вещество не вступает в реакцию с водой, но спустя год приобретает такую же прочность, как и алит. В кристаллической решетке белита выявляют ионы разных металлов.

Алюминатная фаза

В гранулах цементного клинкера содержится силикат, в котором оксид алюминия смешан с тройным объемом оксида кальция. На эту фазу в продукте приходится не менее 4%, но и не более 11.В кристаллической решетке в небольшом количестве наблюдаются вкрапления ионов микроэлементов:

При взаимодействии с водой вещество быстро схватывается. Для предупреждения нежелательной реакции в смесь добавляют гипс.

Алюмоферритная фаза

В промежуточном продукте цемента обязательно присутствует еще один компонент, объем которого составляет 5% — 15%. Четырехкальциевый алюмоферрит может менять состав в зависимости от концентрации оксида железа и алюминия. Дополнительные компоненты и примеси, содержащиеся в продукте, на его прочность влияния не оказывают. Скорость взаимодействия фазы с водой уменьшают или увеличивают, используя разные соединения.

Характеристика минералов цементного клинкера

Трехкальциевый силикат обуславливает свойства материала, включая скорость затвердевания. Вещество выделяет тепло и обладает высокой прочностью. Добавки, содержащиеся в фазе алита, влияют на его характеристики, изменяют структуру.

Двухкальциевый силикат (C2S) медленно затвердевает, почти не выделяет тепло, но постепенно приобретает высокую прочность. Техническим свойствам портландцемент обязан белиту и алиту, поскольку концентрация этих твердых растворов в клинкере превышает 70%. Объем между кристаллами силикатов заполнен различными веществами, не влияющими на свойства материала.

В процессе обжига трехкальциевый алюминат очень быстро затвердевает и выделяет большой объем тепла, но при этом получается не очень прочным. Присутствие значительного количества минерала в клинкере провоцирует появление коррозии, в портландцементе содержание вещества не превышает 5%.

Целит обладает высокой скоростью взаимодействия с молекулами воды, однако раствор алюмофферита кальция не влияет на процесс затвердевания материала.

Читать еще:  Сколько нужно цемента на куб бетона м200

Содержание основных минералов в клинкере:

Что такое цементный клинкер и где применяется

Цементный клинкер представляет собой продукт, который производят в процессе обжига до состояния плавления или спекания сырьевой смеси определенного состава. Клинкер является промежуточным продуктом в процессе производства цемента.

В специальных печах, при очень высокой температуре (выше 1000 градусов) нагревают смесь известняков и разных глин, в итоге получая спекшийся гранулированный материал. Химически это смесь алюмината и алюмоферрита кальция с силикатами. Для приготовления цемента клинкер измельчают, добавляют в него гипс и другие вещества.

Стоимость клинкера находится в достаточно широких пределах и напрямую зависит от сорта. Применяется в самых разных ремонтно-строительных работах.

Производство цемента

В процессе нагревания смеси, которую получают из известняка (до 75%), глины (до 25%) либо других похожих по составу и активности материалов, до температуры +1450С достигается состояние частичного плавления – таким образом образуются гранулы клинкера.

Чтобы в итоге получить цемент, клинкер смешивается с 2-5% гипса (точный объем зависит от содержания SO3 в самом клинкере и марки гипса), затем перемалывается в тончайшую пыль. Благодаря гипсу удается обеспечить быстрое схватывание материала. Хотя, в некоторых случаях его частично заменяют иными формами сульфата кальция. При помоле также допускается вводить другие добавки.

Виды цемента, который производят из клинкера:

  • Портландцемент – после обжига известняков, глинистых примесей, мергелей получают раствор цемента. Клинкер обычно смешивают с доменным шлаком, ракушечником и другими добавками. Портландцемент производят двумя способами: мокрым (когда компоненты смалывают и смешивают с водой, потом обжигают) и сухим (аналогичные действия, но без воды). Из портландцемента делают высокопрочные бетоны, облицовочные плитки, монолитные конструкции, даже искусственный мрамор и т.д.
  • Романцемент – создается посредством обжига известняков (содержание глинистых минимум 25%) при температуре свыше +1000С. Применяют для производства блоков, стеновых панелей, бетонных смесей низких марок.

Стандартный клинкер предполагает такой состав:

  • Трехкальциевый силикат (алит) – активный минерал, достаточно интенсивно набирает прочность и твердость с выделением тепла.
  • Двухкальциевый силикат (белит) – медленно твердеет в первоначальной стадии.
  • Трехкальциевый алюминат – обладает низким уровнем стойкости под воздействием серно-кислых соединений.
  • Четырехкальциевый алюмоферрит – намного медленнее твердеет в сравнении с алитом, но все равно быстрее белита. Прочность демонстрирует более низкую, чем у алита.

Четыре главные фазы клинкера

Цементный клинкер – это основной материал, который используется для производства цемента разных марок. То есть, проводится два действия: сначала производится клинкер в виде гранул, который получают путем нагревания глины и извести (с добавками) методом плавления, потом клинкер смалывается, в него добавляется гипс и получается цемент.

Разные способы обработки обуславливают то, что клинкер может быть с элементарным химическим или минералогическим составом. От того, какие объемы клинкерных материалов использовались при обжиге, зависят свойства цемента: он может быть быстросохнущим, созданным специально для использования при минусе, обладать другими свойствами.

Состав представляет собой систему нескольких клинкерных минералов, которые появляются в процессе плавки и обжига. Но заметить части отдельных составляющих клинкера невозможно, так как речь идет об аморфных и тонкозернистых кристаллических фазах.

Прежде, чем производить цемент, клинкер подбирают по составу. Обычно речь идет о четырех основных фазах, указанных ниже. Кроме них, в небольших объемах в веществе могут присутствовать другие фазы (оксид кальция, щелочные сульфаты).

Самая важная составляющая любого клинкера для цемента. В составе должно быть минимум 50-70% трехкальциевого силиката (обозначается 3СаO*SiО2 или сокращенно C3S). Структура и состав данной фазы модифицируются благодаря размещению в решетке инородных ионов (в особенности Аl3+, Mg2+, Fе3+). Алит стремительно реагирует с водой, в нормальных цементах имеет самое большое значение для обеспечения прочности. Особенно важен алит для обеспечения набора прочности цемента в течение 28 суток.

Белит

Когда производится клинкер цементный, содержание белита должно быть равно 15-30%. Двухкальциевый силикат обозначается как 2СаO*SiО2 (либо сокращенно C2S), модификация происходит за счет добавления в структуру инородных ионов, чаще всего большей частью либо полностью присутствует в формате β-модификации.

Белит с водой реагирует достаточно медленно, не оказывает воздействия на уровень прочности цемента на протяжении 28 суток. Но он влияет на прочность в значительно поздние сроки, что также немаловажно. Так, через год в идентичных условиях показатель прочности чистого белита и чистого алита примерно одинаков.

Алюминатная фаза

Алюминатная фаза в клинкере цементном составляет 5-10%. Трехкальциевый алюминат обозначается как 3СаO*Al2O3, меняется по составу и структуре в некоторых случаях благодаря инородным ионам (в особенности Nа+, Si4+, К+, Fe3+). Фаза мгновенно реагирует с водой, из-за чего становится причиной быстрого высыхания, если в состав не был введен контролирующий скорость схватывания реагент, в качестве которого выступает обычно гипс.

Читать еще:  Цемент марки м200

Алюмоферритная фаза

Ферритная фаза составляет около 5-15% цементного клинкера, обозначается как 4CaO*Al2O3*Fe2O3 (сокращенно CaAlFe). Четырехкальциевый алюмоферрит существенно меняет состав при изменениях пропорции Al/Fe и нахождении в структуре инородных ионов.

Скорость реакции базы с водой может быть разной из-за отличий в составе. Как правило, показатель достаточно высокий на первых этапах, в более поздние сроки средний между показателями алита и белита.

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.

Читать еще:  Цемента в кубе бетона

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.

Химический состав клинкера

ГИДРАТАЦИОННЫЕ ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ ВЯЖУЩИЕ: Портландцемент. Характеристика портландцементного клинкера.

Лекция №7

Портландцемент – гидравлическое вяжущее вещество, получаемое совместным тонким помолом клинкера с добавкой гипсового камня. Клинкер получают обжигом до спекания сырьевой смеси надлежащего состава, обеспечивающего преобладание в клинкере силикатов кальция.

Гипсовый камень вводится для регулирования сроков схватывания и повышения прочностных показателей.

В портландцемент разрешается вводить до 15 % активных или до 10 % инертных минеральных добавок от массы цемента без изменения названия, а также до 1 % других добавок, регулирующих его свойства.

(При производстве клинкера применяют такие горные породы, как мергели; либо глину и известняки).

Качество и свойства ПЦ в основном определяются составом и структурой клинкера. Введенные во время помола добавки лишь в некоторой степени регулируют свойства ПЦ.

Основными и обязательными оксидами в составе цементного клинкера являются:

Суммарное их содержание 95-97 %. Кроме этих оксидов в небольших количествах содержатся:

О качестве клинкера в определенной степени можно судить по его химическому анализу.

Роль отдельных оксидов:

Чем больше в клинкере СаО, тем более высокопрочными и быстротвердеющим будет цемент. Однако с условием, что он полностью будет связан с кислотными оксидами. Свободный СаО вызывает неравномерность изменения объема (намертво обожженный СаО не гасится при затворении, а гидратируется уже в затвердевшем цементе). Цементы с повышенным содержанием СаО во время твердения выделяют большое количество тепла, обладают пониженной водостойкостью.

Кремнезем – увеличение содержания его в клинкере приводит к замедлению схватывания и твердения. Цементы с повышенным содержанием SiO2 в клинкере обладают высокой прочностью в поздние сроки твердения. При их гидратации выделяется умеренное количество тепла, они отличаются повышенной водостойкостью и стойкостью в сульфатных водах.

Глинозем – повышенное его содержание ведет к быстрому схватыванию и ускоренному твердению. Цементы с повышенным содержанием глинозема обладают низкой сульфатостойкостью и морозостойкостью.

Fe2O3– является плавнем и улучшает спекание клинкера, а также является красящим оксидом. Цементы с высоким содержанием этого оксида при малом содержании глинозема обладают повышенной сульфатостойкостью.

МgO – нежелательная примесь в клинкере. Гидратируясь в затвердевшем цементе, вызывает снижение прочности и даже разрушение. Его содержание не должно превышать 5%.

TiO2 – является полезным оксидом, способствует улучшению кристаллизации клинкерных минералов. Однако его содержание свыше 5% ухудшает качество цемента.

P2O5 – введенный в небольших количествах (0,2-0,3%) увеличивает прочность цемента в ранние сроки твердения. При бОльших его концентрациях прочность снижается.

Щелочи – значительное их содержание в клинкере приводит к образованию выцветов на изделиях. Щелочи взаимодействуя с активным кремнеземом заполнителей, вызывают избыточное расширение и разрушение бетона.

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector