Портландцемент. Шикізат материалдары 4 страница
Клинкердің химиялық құрамы өте күрделі. Оның негізгі құрам бөліктері мыналар: кальцийдің тотығы, кремнийдің қос тотығы, алюминий және темір тотығы. Осылардың қосындысы клинкердің 95...97 % құрайды. Сонымен қатар клинкердің құрамында әртүрлі қосылыстар – магний тотығы, күкірт ангидриді, титанның қос тотығы, хром тотығы, негіздер және фосфор ангидриді және т.б. кездеседі.
Портландцемент клинкерінің химиялық құрамы келесі негізгі төрт тотықтан құралады:
CaO – 63…66 % SiO2 – 21...24 %
Al2O3 – 4...8 % Fe2O3 – 2...4 %.
Бұл тотықтардың қосындысы 95 %-ке дейін жетеді. Бұдан басқа клинкердің құрамында екіншілік тотықтар MgO – 0,5...5 %, SO3 – 0,3...1 %, Na2O + K2O – 0,4...1 % және қоспалар болады: P2O5 – 0,1...0,3 %, TiO2 + Cr2O3 – 0,2...0,5 %, Mn2O3, Sr2O3 т.б.
Портландцемент технологиясында тотықтарды көрсеткенде келесі қысқартуларды пайдаланады: CaO – С; SiO2 – S; Al2O3 – А; Fe2O3 – F; MgO – М.
Портландцемент клинкерінің ерекшелігі оның минералдық құрамының тұрақсыз болып келуінде. Шикізат қоспасын 1000...1150 0C аралығында күйдіргенде тотықтар арасындағы әрекеттесулер нәтижесінде кальций алюминаттар мен ферриттер түзіледі. Ары қарай температураның жоғарылауына байланысты бұл қосылыстар балқып, клинкердің сұйық фазасына өтеді. Соның нәтижесінде клинкерлік минералдардың синтезі балқытылған ерітінді күйінде өтеді. Бұл кезге дейін түзілген кальцийдің қос силикаты C2S және шикізат шихтасындағы CaO-тотығының бөлігі клинкер ерітіндісінде ериді де, осы ерітіндіден негізгі силикаттың орта тотығы үш кальцийлі силикат немесе алит Ca3SiO5 пайда болады.
|
|
|
Клинкер минералдарының ара қатынасы негізінен шихта өнімінің құрамы мен суыту және күйдіру жағдайларына байланысты болады. C2S және C3S ара қатынасы клинкердегі кальций тотығының концентрациясымен анықталады. Күйдіру барысында алдымен кальцийдің ферриттері мен алюминаттары түзіледі. Сондықтан CaO тотығыныңның бір бөлігі Al2O3 тотығының үш кальцийлі алюминатқа (C3A), Fe2O3 тотығының екі кальцийлі феррит (C2F) пен төрт кальцийлі алюмоферритке (C4AF) дейін қанығуы үшін жұмсалады. Қалған CaO тотығы, C2S және C3S түзілуіне жұмсалады. Ең алдымен бүкіл CaO SiO2 мен байланысқа түсіп, C2S түзеді, егер де оның мөлшері артық болса C2S және CaO тотықтарынан C3S түзіледі.
|
|
|
Клинкердің химиялық құрамы цементтің қасиетін анықтайды. Кальций тотығының көп мөлшерде болуы C3S-тің көп түзілуіне, соған байланысты цементтің қатаюын тездетуге, беріктігін арттыруға, суға төзімділігін кемітуге әкеп соғады. Клинкердің құрамындағы кремнеземнің көп мөлшерде болуы цементтің бастапқы кезде қатаюын тежесе де, оның беріктігін ұзақ мерзімге сақтайды. Мұндай цементтер суға, сульфатқа төзімді келеді, жылу шығарғыштығы төмен болады. Al2O3 тотығының көп мөлшерде болуы бастапқы кезде цементтің тез қатаюына әсер еткенімен, оның суға, сульфатқа төзімділігін төмендетеді.
Темір тотығы клинкерді күйдіру температурасының төмендеуіне әсер етеді. Глиноземі аз, бірақ темір тотығына бай цементтер жоғары кремнеземді цементтердің сипаттамасына сай, яғни баяу ұстасқыш, баяу қатайғыш және сульфатты суларға төзімді келеді. Клинкерде магний тотығының көп болуы қатаю кезінде цемент көлемінің әртүрлі өзгеруіне ықпал етеді. Сондықтан мемлекеттік стандарттың талабына сай клинкердегі MgO тотығы 5 %-тен аспауы керек.
|
|
|
Күкірт қышқылының ангидриді цементтің ұстасу мерзімін реттеу үшін қажет. МСТ 10178-85 шарты бойынша цементтің түріне байланысты оның құрамында 1...4 % дейін ғана күкірт қышқылының ангидриді болуы қажет. Цемент құрамындағы SO3 тотығының көп болуы кальций гидросульфоалюминатының көп мөлшерде түзіліп, цемент тасының көлемінің өзгеруіне әкеліп соғады.
K2O+Na2O негіздері қоспаға саз балшықпен және мергельмен бірге түседі. Олардың клинкердегі мөлшері 0,5...1 % дейін болуы қажет. K2O тотығының мөлшері Na2O тотығына қарағанда көп болады. Сілтілік негіздердің шамадан тыс көп болуы цементтің ұстасу мерзімінің тұрақсыздығына және ерітіндісі мен бетон түрінің өзгеруіне әсер етеді. Сілтілік негіздер қоспасы бетонның активті толықтырушыларымен әсерлесуі мүмкін, ол кезде жаңа қосылыстар пайда болып қатқан бетонның көлемі ұлғаяды, ондай кездерде ол қауіпті деформацияға әкеп соғады. Осының салдарынан массивті және темір бетонды құрылыстар салу үшін қолданылатын цементтің құрамындағы K2O мен Na2O тотықтарының мөлшері 0,6 % -ке дейін ғана рұқсат етіледі.
|
|
|
Титанның қос тотығы қоспаға саз балшықты компоненттерімен бірге түседі. Оның клинкердегі мөлшері 0,1...0,5 % ғана болады да, клинкер минералдарының кристалдануына жақсы әсер етеді. TiO2 қос тотығының мөлшері 2...4 % болса, ол кремнеземнің бір бөлігін алмастыра отырып, цементтің беріктігін арттырады, ал егер ол мөлшерден көп болса, керісінше - төмендейді.
Фосфор ангидриді көп мөлшерде фосфор лайымен бірге енеді. P2O5 тотығымен хром тотығының Cr2O3 - 0,1...0,3 % мөлшерінде болуы цементтің қатаю интенсивтілігін арттырып және оның беріктігін жоғарылатады. Ал осы тотықтардың мөлшерден тыс көп болуы, керісінше, қатаю жылдамдығын баяулатып, беріктігін төмендетеді.
2.3 Клинкердің минералдық құрамы
Шикізат қоспасын күйдіру кезінде, яғни өзара әрекеттесу салдарынан 4 негізгі клинкер минералы түзіледі. Олардың пайыздық мөлшері мынадай аралықта болады:
Үш кальцилі силикат (алит) – 3СаО∙SiO2 - (C3S) 45...60 %
Екі кальцилі силикат (белит) – 2СаО∙SiO2 - (C2S) 15...30 %
Төрт кальцилі алюмоферрит – 4CаО∙Al2O3∙Fе2O3 (C4AF) 10...20 %
Үш кальцилі алюминат – 3СаО∙Al2O3 - (С3А) 5...15 %
Клинкер минералдары таза қосылыстарға жатпайды. Бұл минералдардың құрамында қосымша еріген тотықтар болады, яғни олар қатты ерітінді болады. Клинкер құрамында жекеленген C3S немесе C2S болмайды, тек қана олардың қатты ерітіндісі болады. Сондықтан 1897 жылы Тернебом таза қосылыстарынан ажырату үшін C3S пен C2S – ке "алит" және "белит" деген атаулар берілді.
C3S – а л и т (үш кальцийлі силикат) цементтің беріктігі мен қатаю жылдамдығын анықтайтын негізгі клинкер минералы болып табылады. Бұл минерал 1250 0С және 2070 0С температура аралығында тұрақты болып келеді де, ал 2070 0С – та балқыма мен кальций тотығын түзе отырып балқиды.
Үй температурасында алит SiO44- тетраэдрінен тұратын тригональды құрылымды болады (гексагональды тор). Сол себепті кальций иондарының айналасында бұрмаланған атомдардың октаэдрі түзіледі де, оның бұрылысында басқа атомдар ене алатын кеңістік пайда болады. Бұл негізінде қатты ерітіндінің пайда болуын жеңілдетеді.
1100 0С температураға дейін кальцийлі силикаттың 6 аллотропты формасы болады, олардың әрқайсысы тригональды торға жақын қатты ерітінділер түзеді. Сұйық фазада С3S кристалдану кезінде құрамына MgO, Al2O3, Fe2O3, CaO енетін қатты ерітінді түзеді. СаО мөлшері оның текстурасы мен СаО атомдарының жекелеген кристалл бөлшектер сорбциясына байланысты болса да, С3S құрамына Са2+ иондары октаэдр кеңістіктерінде араласып, стехиометриядан жоғары мөлшерде кіре алады.
Магний изоморфты түрде тордағы Са2+ иондарын алмастыра алады және оның ерігіштігі температураға тәуелді. Қатты ерітіндінің пайда болуы С3S-тің жоғары температурадағы формасын тұрақтандырады.
Клинкердегі MgO концентрациясының 2 % жоғары болуы периклаз фазасының пайда болуына әкеп соғады.
Al2О3 концентрациясы 0,45 % дейін болған кезде алюминат Si 
тетраэдріндегі Si4+ орнын алмастыра алады, оған қоса октаэдр кеңістігінде бола тұра оның электробейтараптығын қамтамасыз ете алады. Al2O3 – тің концентрациясын 1 % жоғарылатқанда AlSi 
тетраэдріндегі Si+4 ионы мен СаО октаэдріндегі Са+2 ионы 2Fe3+иондарын алмастыра алады.
Темір тотығы C3S-те 1,1 % дейін ери алады. Мұндай ерітіндіде 3Са2+ ионы 2Fe3+ ионымен, ал 6Si4+ ионы 6Fe3+ ионымен алмасады, ал зарядтың айырмашылығы тек бір Fe ионымен компенсацияланады (ол кеңістікте орналасқан).
C3S (MgO және Al2O3 бірге) қоспаларының қатты ерітінді түріндегі фазасын алит деп атайды (2.1, 2.2-суреттер). Кей жағдайда алит фазасының құрамында Fe2+ иондары болады.
Өнімнің шикізатын күйдірген кезде қоспалар жоғары температуруда, тұрақты үшклинді формада, яғни клинкердің жекеленген алитті фазасында ериді, ал керісінше, суығанда бұл фаза төменгі симметриялық фазаға ауысады. Сондықтан қоспалардың концентрациясы мен мөлшеріне байланысты алиттің ұшклинді, момноклинді және тригональды модификациялары кездеседі.
MgO төменгі концентрациясында алит үшклинді, ал жоғары концентрациясында – ірі моноклинді формада болады. Алиттің құрамында Al2O3 – 0,9...1,7 % дейін, Fe2O3 – 0,4...1,6 % дейін болады. Сонымен бірге өндіріс клинкерінің алиттерінде 0,3 % дейін Na2O, 0,1% дейін K2O, 0,6 % дейін TiO2 кездеседі. Егер шикізат фосфоритпен ластанған болса, онда алиттің құрамында 2 % дейін P2O5 болуы мүмкін. Сонымен бірге алиттерде 0,5 % дейін SrO және Mn, Co кездеседі.
| 
|
| 2.1-сурет. Микроскоппен көру кезіндегі шағылған жарықтағы клинкер минералдары | 2.2-сурет. Микроскоппен көру кезіндегі шағылған жарықтағы клинкердің типтік минералдары |
Б е л и т (екі кальцийлі силикат) (2.1, 2.2-суреттер).
Белитке полиморфизм тән. Оның 5 түрлі құрылымдық формасы болады – α, α'н, α'L, β, γ:
α –C2S 1420→ α'н –C2S 1160→ α'L –C2S 675→ β –C2S 530→ γ –C2S (2.1)
α – C2S құрамында 1770 оС балқу температурасына дейін тұрақты болып келеді де тригоналды торы болады.
α – C2S құрамында Al2O3, Fe2O3, Na2O, BaO, MgO, Mn2O3, P2O5 тотықтары ериді. Бұл α-форма қоспалардың шамадан тыс көп мөлшері еріген жағдайда ғана тұрақты күйге енеді, сондықтан өндіріс клинкерінде өте сирек кездеседі. α' – C2S-тің құрылымы белгісіз, оны β – K2SO4 құрылымына ұқсас деп жорамалдайды.
β – C2S кристалдық торы моноклинді. Ол SiO4 тотығының тетраэдрі аралығындағы кеңістік ретінде орналасқан СаІІ (2 валентті) атомдарымен өзара байланысқан СаІ атомдарынан тұрады. СаІ және СаІІ-лердің координациялары ретсіз. Атомдардың елеусіз ығысулары бұл құрылымды орторомбылық типті β – K2SO4 құрылымына айналдырады, ол α'-формаға тән. Ал үлкен өзгерістер α – C2S тригоналды құрылымын береді.
Н.А. Торопов, Ф.М. Васенин және Б.В. Волконский 900 0С пен 1230 0С аралығында C2S- тің β – формасының тұрақтылығын байқаған.
β – түрден температурасы әлдеқайда төмен γ –түрге өткен кезде клинкердің үгілетіндігін байқаған. (Ол құрылымының қайта түзілуімен байланысты болған).
γ – түрдегі C2S құрылымы оливин (Mg2SiO4 ) құрылымына келеді және кәдімгі жағдайда әрекеттесуі өте жәй болады. Шикізат құрамында қосымша компоненттердің болуы клинкерде белсенді C2S түзілуіне жағдай жасайды.
Клинкерде белиттің кристалды торы қосымша иондар қатысуымен аз ғана өзгерген β – формалы C2S түрінде болады. Са2+ ионы - C2S-тің кристалдық торында Mg2+, К+, Ва2+, Сr3+, Mn2+ иондарымен, ал SiO44- тобы SO42- немесе РО43- тобымен алмаса алады.
Тотықсыздандырғыш атмосферада Fe2O3-тен түзілген Fe 2+ ионы да Са2+ ионын алмастырады, бірақ мұндай клинкер үгітілгіш келеді. β – C2S –тің тұрақтылығы тек қосымша тотықтарға ғана емес, сонымен бірге кристалдардың өлшеміне де байланысты болады. Кристалдар неғұрлым кішірек болса, олар соғұрлым тұрақты.
Ү ш к а л ь ц и й л і а л ю м и н а т – C3A. Бүл минералда полиморфизмдік байқалмайды, 1542 оС-та СаО мен С3А құймаға жіктеле отырып балқиды. С3А-ға кубтық тор тән. С3А 2,5 % дейін MgO, 9 % дейін Na2O ерітеді, ал Na2O концентрациясы 3 % жеткен кезде кристалдары кубтық түрден орторомбылық түрге өтеді. Өндірістік клинкерлердегі C3A құрамында MgO кездеседі. C3A SiO2 да еріте алады және Al төрт атомы Si үш атомын алмастыра алады.
К а л ь ц и й д і ң а л ю м о ф е р р и т і. 1937 жылы Н.А. Торопов браунмиллерит ферриттердегі алюминаттардың қатты ерітінділер сериясының қоспаларының бірі екенін көрсетті. СаО - Al2O3 – Fe2O3 жүйесіндегі қатты ерітінділер С2F сәйкес келетін темірге бай аралықтарда жатады. Құрамы алюминийге бай қоспалар C4AF құрамына ал MgO болған кезде CA2F құрамына тән болады.
Клинкердегі алюмоферриттік фазаның құрамы клинкерді суыту тәртібімен және шикізаттағы Al2O3 тотығының Fe2O3 тотығына қатынасымен анықталады. Өндірістік клинкердегі алюмоферриттік фазаларда алюминий тотығы мен темірдің қатынасы, яғни мөлшері 2,2...2,3 дейінгі аралықта болады. Мұндай фазаның құрамы C6AF2 – C6A2F болады және оның құрамында 3 % дейін K2O, 4% MgO, 7% SiO2 болады.
Дата добавления: 2019-02-22; просмотров: 518; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!