Цементный клинкер применение

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.

Содержание основных минералов в клинкере:

Применение сульфатированных клинкеров для создания коррозионностойких цементов

Одно из направлений развития науки о цементе диктуется необходимостью разработкивяжущих со специальными свойствами, которые не обеспечиваются применениемцементов общестроительного назначения. Наиболее детально изучены и в настоящеевремя получили довольно широкое распространение цементы алюминатного исульфоалюминатного твердения [2, 3], которые по скорости нарастания прочности иконечной ее величины могут конкурировать со специальными конструктивнымиматериалами. Применение этих цементов обеспечивает изделиям высокую плотность,водонепроницаемость, трещиностойкость.

Возможность получения специальных цементов, обладающих стойкостью к воздействиюагрессивных сред и кислотостойкостью, на основе сульфоферритов кальция такжедоказана экспериментально. Однако по скорости твердения и степени расширениясульфоферритные цементы уступают сульфоалюминатным [1, 4].

Известен ряд составов и способов получения специальных цементов, свойствa которых во многом определяются кинетикой иколичеством образующегося гидросульфоалюминатакальция или гидросульфоферрита кальция в процессе структурообразования итвердения цементного камня. В зависимости от состава специального клинкера иего соотношения с портландцементным клинкером получают сверхбыстротвердеющие,высокопрочные, безусадочные, расширяющиеся и напрягающие цементы [5, 7].

В качестве специального клинкера для этих цементов используютсясульфоалюминатный или сульфоферритный, а также композиция из глиноземистогошлака и гипса. Сульфоалюминатный и сульфоферритный клинкеры выпускаются вограниченном количестве, что связано с дефицитом глинозем- и железосодержащегосырья. Известный сульфоалюминатный клинкер получают из материалов с малым содержаниемоксидов железа (не более 7%), при этом сырье должно содержать не менее 30 масс. % Аl2O3. Для получения сульфоферритного клинкера используют обычное сырье:известняк, огарки и гипс, однако, ввиду малого количества Аl2O3 в таком клинкере, он по своим свойствам не может заменитьсверхбыстротвердеющий цемент. С помощью использования бокситов с повышеннымсодержанием оксидов железа (25–30 масс. %) на ОАО «Подольск-Цемент» был полученсульфатированный алюмоферритный клинкер, который по своим свойствам в начальныесроки твердения приближается к сульфоалюминатному, а по стойкости ксульфоферритному.

Известно, что при твердении алюмоферритов кальция в присутствии гипса образуетсягидросульфоалюмоферриты кальция (ГСАФК) различного состава, отличающиеся своейморфологической формой [6]. При твердении в цементной композиции ГСАФК приводятк возникновению внутренних напряжений, обусловленных кристаллизационнымдавлением в процессе роста кристаллов, что используется при приготовлениисоставов расширяющихся и напрягающих цементов с использованиемсульфоалюмоферритных клинкеров.

При гидратации сульфоалюмоферритов кальция с общей формулой С2+nF1–xAx•n,гдеx=0–0,8; n=0,3–0,6. Уже в первые сутки, поданным электронномикроскопических исследований, образуются крупные короткиепризматические кристаллы, которые с увеличением времени гидратации укрупняются.На кривых ДТА проявляются эндотермические эффекты при температуре 160–180 °C; которые характеризуют дeгидратацию ГСАФК и эндотермические эффекты винтервале температур 730–770 °С, характеризующие разложение гидроалюмоферритакальция состава С4(АF)H13. На рентгeнoграммах фиксируются дифракционныемаксимумы с d=9,8; 7,47; 2,49 мкм, характерные для гидросульфоалюмината кальция,и с d=8,02; 3,95; 2,94 мкм, характерныедля гидроалюмоферрита кальция. Причем с изменением отношения A/Fколичественное соотношение между гидратными фазами при гидратациисульфоалюмоферритов кальция изменяется. Чем выше A/F, тем выше содержание ангидрита в их составе,что определяет образование большего количества и эттрингитоподобных фази, тем самым, большее расширение,а при определенных условиях армирование и уплотнение твердеющей системы.Результаты исследований процессов гидратации сульфатированных алюмоферритов кальциясвидетельствуют о возможности применения сульфатированного клинкера дляполучения расширяющихся и напрягающих цементов, а также цементов с повышенной коррозионнойстойкостью.

Для получения расширяющихся цементов на основе сульфоалюмоферритныхклинкеров пердпочтителенраздельный помол компонентов при более тонком измельчении расширяющегосякомпонента с последующим смешением его с грубомолотыми портландцементнымклинкером с гипсом. Безусадочные цементы с плотной и прочной структуройцементного камня готовятся совместным помолом сульфоалюмоферритного ипортландцементного клинкеров. Подобная схема приготовления коррозионностойкихцементов принята на ОАО «Подольск-Цемент».

Получаемые цементы имеют следующие строительно-технические свойства. Сроки схватывания цементов находятся впределах характеристик обычного портландцемента (начало — 1–2 ч, конец — 3–4 ч), причем сувеличением отношения A/F в сульфоалюмоферритном клинкере начало схватываниянаступает быстрее. Прочность цементного камня характеризуется быстрымнарастанием в первые сутки твердения (35–44 MПа), которое в последующие сутки несколькозамедляется, что связано с интенсивным расширением и уплотнением структуры вэтот период. Расширение цементов составляет 0,2 %, а самонапряжение — 1,5–2,0 МПа. В то же время образующийся гель гидроксидаалюминия и низкоосновные гидросиликаты кальция способствуют повышению прочности цементного камня (к28 сут. гидратации прочность достигает 85 МПа).

Исследования показали, что добавка сульфоалюмоферритного клинкера кпортландцементу ускоряет его гидратацию. Степень гидратации бездобавочногоцемента через 28 сут. составляет 67,4, а при введении 5 и 10 % сульфоалюмоферритногоклинкера —77,7 и 79,2 соответственно.

Электронномикроскопические исследования сульфоалюмоферритных цементовпоказали, что структура камня очень плотная, поровое пространство заполняютэттрингитоподобные гидраты, цементные зерна сцеплены между собой гелеобразной массой,гидросиликаты хорошо закристаллизованы в виде мелких свернутых в трубочкипластинок. Bсe гидратные фазы находятся в тесномсрастании, что приводит к увеличению прочности и плотности цементного камня.Обращает на себя внимание отсутствие больших участков с портландитовойструктурой, характерной для гидроксида кальция при гидратации портландцемента,либо образование отдельных участков с мелкопластинчатым портландитом. Этосвязано с тем, что происходитусвоение образующегося при гидратации алита гидроксида кальция, так каксульфоалюмоферриты кальция более интенсивно гидратируют в присутствии ионов Сa2+,связывая их в гидроалюмоферритные фазы [8].

Рентгенографические исследования и дифференциальныйтермический анализ продуктов гидратации сульфоалюмоферритных цементов такжепоказали, что в таких цементах количество Ca(OH)2уменьшается с увеличением длительности твердения.

Добавка сульфоалюмоферритного клинкерав состав цемента приводит к снижению количеств Ca(ОН)2 в твердеющем цементе, причем до 14сут. его количество возрастает, а затем остается неизменным (при 5 % САФК) илиуменьшается (рис. 1).

Большая степень гидратации цементовс добавкой сульфоалюмоферритных клинкеров и высокая плотность цементного камня,в свою очередь, определяют высокую коррозионную стойкость сульфоалюмоферритныхцементов. Коррозионную стойкость цементов изучали при воздействии на них 5%-ногораствора Na2SO4 иморской воды.

Прочный цементный клинкер

Цементный клинкер является промежуточным продуктом, образующимся при нагревании смеси глины и известняка (соотношение этих компонентов 1:3 или 1:4) или других веществ, имеющих сходный состав. Реакция идет при температуре 1450 °C, причем смесь частично плавится, а затем образуются гранулы. Этот процесс впервые описал французский ученый Луи Вика в начале 19 века (1817 год).

Производство цемента

Полученные после нагревания исходных материалов гранулы применяются для получения цемента. Для этого их смешивают с некоторым количеством гипса (примерно 5%), а затем полученную массу перемалывают в порошок. Точное соотношение компонентов зависти от процентного содержания SO3 в гранулах.

Добавление гипса позволяет управлять скоростью схватывания смеси. Иногда этот материал заменяют другими видами кальциевого сульфата.

При перемалывании исходных компонентов в порошок добавляют другие вещества. Их выбирают в зависимости от требуемых технических характеристик конечного продукта. Что такое клинкер цементный, можно понять, если рассмотреть его типичный состав.

В гранулы входят следующие химические соединения:

• оксид кальция – 66-67%;
• диоксид кремния – 21-22%;
• оксид алюминия – 4-5%;
• трехвалентный оксид железа – до 3%.

Количество других присадок колеблется в пределах 3-6%.

Четыре главные фазы клинкера

Для получения высокого качества цемента клинкер должен состоять из 4 компонентов, которые войдут в гранулы в нужном процентном количестве.

Соотношение минералов при производстве клинкера.

Наиболее важным компонентом является силикат, состоящий из тройного количества оксида кальция, смешанного с диоксидом кремния. Его процентное содержание в клинкере колеблется в пределах 52-68%. Силикат отличается от подобных ему составов за счет введения в кристаллическую решетку ионов магния, алюминия и железа.

Главное свойство алита – быстрая реакция с водой. Это свойство позволяет резко увеличить прочность цементной смеси на всех ее фазах. Наиболее важный вклад алит вносит при получении 28-суточной прочности образующегося продукта.

Белит

В нормальном клинкере содержание этой фазы колеблется в пределах 14-31%. Она является силикатом, состоящим из двойного количества кальциевого оксида, смешанного с диоксидом кремния. Кристаллическая решетка этого вещества изменена ионами различных металлов до β-модификации.

Белит практически не реагирует с водой, поэтому не может оказать влияние на прочность первые 28 дней, но затем вносит большой вклад в формирование прочностных характеристик продукта.

Алит и белит в чистом виде через 12 месяцев приобретают практически одинаковую прочность.

Алюминатная фаза

Содержание ее в гранулах составляет 4-11% в нормальном клинкере. Она является силикатом, содержащим утроенное количество оксида кальция, смешанного с оксидом алюминия. В кристаллическую решетку этого соединения вкраплены ионы кремния, калия, железа и натрия.

Алюминатная фаза хорошо взаимодействует с водой. Она может ускорить нежелательное схватывание, если в смесь забыли добавить такой регулирующий элемент, как гипс.

Алюмоферритная фаза

В нормальном клинкере процентное содержание этой фазы колеблется от 5 до 15%.

Она является смесью следующих веществ:

• учетверенное количество кальциевого оксида;
• трехвалентный железный оксид;
• оксид алюминия.

Кристаллическая решетка этого соединения может изменяться в широких пределах при внесении в нее инородных ионов и подборе соотношения Al/Fe. Скорость реагирования этой фазы с водой на начальном этапе достаточно высокая, но ее можно изменять подбором соответствующих компонентов.

В последующий период реакция этой фазы с жидкостью замедляется, достигнув промежуточного значения между скоростями белита и алита.

Вместе с этими фазами в клинкере присутствуют и другие примеси, например, оксид кальция и различные щелочные сульфаты. Но их количество по сравнению с основными компонентами небольшое, поэтому они не могут оказать существенного влияния на прочностные характеристики клинкера.

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 %.

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.

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.