Влияние минерального состава на основные свойства цемента.

Портландцемеитный клинкер обычно получают в виде спекшихся мелких и более крупных гранул и кусков размером до 10—20 или до 50—60 мм в зависимости от типа печи.

По микроструктуре клинкер, получаемый спеканием, представляет собой сложную тонкозернистую смесь многих кристаллических фаз и небольшого количества стекловидной фазы.

Химический состав клинкера колеблется в сравнительно широких пределах. Главные оксиды цементного клинкера — оксид кальция СаО, двуоксид кремния Si02, оксиды алюминия А1203, железа Fe203, суммарное содержание которых 95—97%. Кроме них в состав клинкера в виде различных соединений в небольших количествах могут входить оксид магния MgO, серный ангидрид S03, двуоксид титана Ti02, оксиды хрома Сг203, марганца МгьОа, щелочи Na20 и К20, фосфорный ангидрид Р205 и др.

Повышенное содержание оксида кальция (при условии обязательного связывания в химические соединения с кислотными оксидами) обусловливает обычно повышенную скорость твердения портландцемента, его высокую конечную прочность, но несколько пониженную водостойкость. Цементы с повышенным содержанием кремнезема в составе клинкерной части характеризуются пониженной скоростью твердения в начальные сроки при достаточно интенсивном нарастании прочности в длительные сроки. Они отличаются повышенной водо- и сульфато-стойкостыо.

При повышенном содержании А1203, а следовательно, и алюминатов цементы приобретают способность к ускоренному твердению в начальные сроки. Повышение количества глинозема придает цементам меньшую водо-, сульфато- и морозостойкость.

Соединения оксида железа способствуют снижению температуры спекания клинкера.Цементы, богатые Fe203, при низком содержании глинозема ведут себя аналогично высококремнеземистым. Относительно медленно схватываясь и твердея в начальные сроки, они в дальнейшем достигают высокой прочности. Цементы с повышенным количеством оксида железа отличаются высокой стойкостью к действию сульфатных вод.

Повышенное содержание в клинкере MgO вызывает неравномерность изменения объема цемента при твердении. По ГОСТ 10178—76 (с изм.), MgO в клинкере должно. быть не больше 5 °/о.

Ангидрид серной кислоты S03 в виде гипса необходим для регулирования сроков схватывания портландцемента, его содержание ограничивается пределами 1,5— 3,5 %• Более высокое содержание S03 может вызвать неравномерное изменение объема цемента вследствие образования гидротрисульфоалюмината кальция.

Двуоксид титана Ti02 входит в клинкер с глинистым компонентом сырьевой смеси в количестве ОД—0,5 %, что способствует лучшей кристаллизации клинкерных минералов. При содержании 2—4 % ТЮ'г, замещая часть кремнезема, способствует повышению прочности цемента, а при большем содержании снижает ее. Количество Мп20з в клинкере обычно не превышает 1—2 % и существенно не влияет на физико-механические свойства цемента.

Фосфорный ангидрид Р205 и оксид хрома Сг203 в небольшом количестве (ОД—0,3%) оказывают легирующее действие на клинкер, увеличивая интенсивность твердения цемента в первые сроки и повышая его конечную прочность. При большем их количестве (1—2%) скорость твердения цементов замедляется, а прочность снижается.

Щелочи K20-f-Na20 обычно присутствуют в клинкерах в количестве до 0,5—1 %, причем содержание К20, как правило, в несколько раз больше, чем Na20. Если щелочей более 1 %, то они вызывают непостоянство сроков схватывания цемента и образование выцветов на поверхности растворов или бетонов. Щелочные соединения могут явиться также причиной опасных деформаций в гидротехнических бетонах на заполнителях, содержащих кремнистые сланцы, опаловидные и другие аморфные видоизменения кремнезема. Для изготовления таких бетонов рекомендуется применять цементы, содержащие не более 0,6% щелочей (в пересчете на оксид натрия). В клинкерах заводского изготовления при химическом анализе может обнаружиться так называемый нерастворимый (в НС1) остаток, который состоит обычно из кварцевых частичек, не вступивших в реакцию с СаО во вре-' мя обжига.

Прокаливанием проб цементов при 1000—1200 °С в процессе химического анализа определяют п. п. п. Они имеют большее практическое значение для характеристики готового портландцемента, чем клинкера, так как свидетельствуют о сроке хранения вяжущего, вызвавшем частичную гидратацию клинкерных минералов и переход свободного СаО в Са(ОН)2. Минеральный состав клинкера, В клинкере обычного состава главные оксиды образуют силикаты, алюминаты и алю-моферриты кальция в виде минералов кристаллической структуры, часть их входит в стекловидную фазу.

Рассмотрение шлифов цементного клинкера под микроскопом (20) показывает, что он состоит преимущественно из кристаллов минералов-силикатов, между которыми размещается так называемое промежуточное вещество. Последнее включает алюминаты и алюмофер-риты кальция в кристаллическом виде, а также стекловидную фазу.

Основными минералами цементного клинкера являются алит ЗСаО-SiO или C3S и белит 2CaO-Si02 или C2S*.

В результате обжига при 1450С образуются следующие основные клинкерные минералы:

Алит, трех кальциевый силикат – состава 3CaO*SiO2 или C3S. Основной минерал, оказывающий влияние на качество цемента. Алит обладает свойствами быстротвердеющего гидравлического вещества высокой прочности. Цементы высоких марок и быстротвердеющие цементы изготавливают с повышенным содержанием трехкальциевого силиката. Содержание в цементе – 37-60%.

Белит, двух кальциевый силикат – состава 2СаО*SiO2 или C2S - гидравлическое вяжущее, Медленно твердеющее, средней прочности. Цементы с повышенным содержанием белита медленно твердеют, однако прочность их нарастает в течение длительного времени и в возрасте нескольких лет, может оказаться достаточно высокой. Содержание в цементе – 15-37%.

Трех кальциевый алюминат – состава 3СаО*Al2O 3 или С3А. Минерал-плавень, главная задача которого понижение температуры спекания сырьевой смеси. Твердеет быстро, но имеет низкую прочность. Содержание в цементе – 5-15%.

Четырех кальциевый алюмоферрит – состава 4CaO*Al2O3*Fe2O3 или С4AF. Минерал-плавень. Твердеет быстрее силикатов, но медленнее алюмината. Содержание в цементе – 10-18%.