Связь между составом клинкера и свойствами портландцемента

Известно, что высокая прочность цементного камня обусловлена главным образом особыми свойствами гидросиликатов кальция. Остальные составные части цементного камня играют второстепенную, а во многих случаях и вредную роль. Поэтому лучшим цементом был бы такой, в котором содержались только двухкальциевый (β-2СаО  SiO₂) и трехкальциевый (3СаО  SiO₂) силикаты. Однако в промышленном масштабе такой цемент получить очень трудно. Важнейший минерал – трехкальциевый силикат – достаточно быстро образуется путем кристаллизации из жидкой фазы – расплава. Если бы исходные материалы содержали только два оксида – СаО и SiO₂, то расплавление такой смеси происходило бы при температуре выше 2000 С, при которой этот минерал становится неустойчивым. Присутствие в сырьевой смеси окиси железа (Fе₂О₃) и глинозема (А1₂O₃) снижает температуру плавления до 1300 С и делает возможным образование трехкальциевого силиката через расплав.

Образующиеся при этом трехкальцевый алюминат (3CaO  Al₂O₃) и четырехкальциевый алюмоферрит (4СаО  А1₂О₃  Fe₂O₃) называются минералами-плавнями.

Из минералов-силикатов высокой гидратационной активностью отличается трехкальциевый силикат. Присутствие этого силиката обеспечивает быстрый рост прочности цементного камня в ранний период твердения (до одного месяца). Двухкальциевый силикат, напротив, является самым медленнотвердеющим минералом из четырех основных минералов портландцементного клинкера. Однако его присутствие необходимо для повышения долговечности цементного камня, особенно при высокой температуре. В этих условиях скорость гидратации двухкальциевого силиката возрастает в очень большой степени, и цементы, содержащие много двухкальциевого силиката, при повышении температуры быстро набирают прочность.

Реакции гидратации всех минералов портландцементного клинкера протекают со значительным выделением тепла. Это свойство используется при электротермическом определении высоты подъема цементного раствора в затрубном пространстве скважины. Тепловыделение при твердении цементного камня тем больше, чем больше содержится в цементе активных минералов – трехкальциевого силиката и трехкальциевого алюмината. Считается, что в клинкере высококачественного портландцемента содержание минералов-силикатов должно в сумме составлять около 75 %, а содержание минералов-плавней около 25 %. Повышение содержания минералов-силикатов сверх 75 % дает труднообжигаемую смесь, а повышение содержания минералов-плавней сверх 25 % ухудшает качество цемента, а также может вызвать технологические затруднения при обжиге из-за чрезмерной легкоплавкости смеси.

Активные добавки в клинкер при его помоле

Для обеспечения доступа воды к минералам портландцементного клинкера, его измельчают в тонкий порошок. Тонкость измельчения имеет очень большое значение. Скорость реакции гидратации зависит от размера суммарной поверхности частиц цемента. Чем тоньше измельчают цемент, тем больше суммарная поверхность частиц и быстрее протекают реакции гидратации, обеспечивающие быстрое твердение. Значение имеет не только суммарная поверхность, но и распределение частиц по размерам. Для получения прочной и долговечной структуры камня в цементе должны одновременно присутствовать как мельчайшие частицы размером около 1 мк, так и более крупные, размером в несколько десятков микрон.

Для получения цемента хорошего качества недостаточно лишь тонко измельчать клинкер. Большое значение имеют вводимые при помоле добавки. Цемент из чистого клинкера, затворенный 30 % воды, способен схватиться за несколько минут, но образующийся при этом камень обладает невысокой прочностью. Для регулирования скорости схватывания в цемент при помоле вводят гипс (CaSO₄  2Н₂О). Небольшая добавка гипса замедляет схватывание цементных растворов с низким (ниже 30 %) содержанием воды, но ускоряет схватывание растворов с содержанием воды более 40 %. Количество гипса, вводимого в цемент, зависит от химико-минералогического состава клинкера и обычно не превышает 5-6 %.

В зависимости от вида портландцемента в его состав при помоле одновременно с гипсом вводится ряд других добавок, главным образом минерального происхождения. Так называемые инертные добавки – кварцевый песок, известняк – предназначены в обычном портландцементе для экономии дорогостоящего клинкера, так как их введение в количестве до 10 % не ухудшает качества цемента. Однако при определенных условиях, например при высокой температуре, многие из этих добавок способны вступать в реакцию с клинкерными минералами, значительно улучшая свойства цементного камня.