3.4. Структура цементного клинкера и методы идентификации фаз

Прочностные свойства цемента зависят не только от минералогического состава клинкера, но и от его структуры. Оптимизация структуры клинкера без изменения его фазового состава может обеспечить повышение прочности цемента на 910 МПа.

Гранулы цементного клинкера представляют собой спекшийся конгломерат, состоящий из гексагональных пластин алита, округлых кристаллов белита и промежуточного вещества, которое образовалось из расплава и включающего, в свою очередь, алюмоферриты кальция, прямоугольные кристаллы С₃А или призматические NC₈A₃, а также клинкерное стекло.

Клинкер является пористым материалом, количество пор находится в пределах 1030%.

Различают следующие три типа микроструктуры клинкера:

 гломеробластическая, в которой кристаллы С₃S и С₂S чередуются в виде групповых скоплений различной величины;

 монадобластическая, характерной особенностью которой является равномерное распределение кристаллов алита и белита, имеющих четкую огранку;

 зональная, отличающаяся послойным распределением клинкерных кристаллов.

Второй тип структуры клинкера, т. е. монадобластическая, обеспечивает самую высокую прочность цемента. Однако для этих целей необходимо обжиг цементного клинкера вести по строго оптимальному режиму, а сырьевая смесь должна иметь соответствующий состав.

Зональная структура в промышленных клинкерах, получаемых во вращающихся печах, как правило, не встречается.

Существенное влияние на свойства цемента оказывают также размер и форма кристаллов отдельных клинкерных минералов. Наилучшие свойства достигаются, когда минералы в клинкере являются мелкими (в пределах нескольких десятков микрометров) с четкими гранями. Такая структура формируется при быстром охлаждении клинкера. При относительно медленном его охлаждении образуются сростки кристаллов, идет их рекристаллизация, а алит может даже распадаться.

На форму и размер кристаллов клинкерных фаз существенно влияют модифицирующие добавки. Для получения клинкера оптимальной структуры необходимо:

 обеспечить однородность сырьевой смеси;

 исключить попадание в сырьевую смесь большого количества песка;

 осуществлять тонкий помол сырьевых материалов;

 использовать беззольное топливо;

 обжиг клинкера вести с высокой скоростью нагрева, а охлаждение – предельно интенсивно.

Контроль качества клинкера ведут с помощью различных методов, важнейшими и наиболее распространенными из них являются следующие.

Химический, заключающийся в последовательном растворении клинкера в борной и уксусной кислотах. В борной кислоте растворяются силикаты кальция, а в уксусной  алюминаты. В фильтратах определяют содержание СаО, а затем, зная содержание SiO₂ и Аl₂О₃, рассчитывают количество С₃S, С₂S, С₃А и С₄AF.

Затем расчетным методом по В. А. Кинду и С. Д. Окорокову с помощью эмпирических уравнений определяют содержание алита и белита.

С₃S = 4,07C  7,6S  6,72A  1,42F;

С₂S = 8,6S + 5,07A + 1,07F  3,07C,

где С и S соответственно содержание связанных СаО и SiO₂ в клинкере; А и F  содержание Al₂O₃ и Fe₂O₃.

Процентное содержание алюминатов и алюмоферритов в зависимости от величины глиноземного модуля (р) рассчитывают так:

С₄AF = 3,04F; С₃A = 2,65 (A  0,64F) при р  0,64;

С₄АF = 1,10А + 0,70F при р  0,64.

Весьма информативным методом является оптическая микроскопия, или петрография. С помощью этого метода можно сделать не только качественную, но и количественную оценку клинкера относительно содержания отдельных минералов. Следует отметить, однако, что этот метод требует большого опыта и навыков у исследователя.

Рентгенофазовый метод, так же как и петрография, позволяет дать качественную и количественную характеристику клинкера, но, будучи экспрессным, по своей сути получил значительно большее распространение. С помощью этого метода можно идентифицировать клинкерные минералы при их содержании в следующих количествах (мас. %): С₃S  3; С₂S  56; С₃А  1. В ряде случаев анализ на С₃S и С₂S затруднен из-за близости основных рефлексов на рентгенограммах.

В последнее время в исследовательской практике стал широко использоваться микрорентгеноспектральный метод идентификации клинкерных фаз, который, по существу, сочетает в себе электронную микроскопию и рентгенодисперсионый анализ их элементного состава. Площадь электронного зонда не превышает 2 мкм, что позволяет определять элементный состав кристаллов, в том числе мелкокристаллических фаз.