3. Влияние режима охлаждения

Процессы, протекающие при охлаждении клинкера, в значительной степени оказывают влияние на его свойства. В реальных условиях производства вследствие высокой скорости охлаждения не наступает фазовое равновесие в клинкерной системе. Это обстоятельство является причиной различия фактического и расчетного минералогического составов портландцементного клинкера, которое, несомненно, влияет на его гидратационную активность.

Степень такого различия в значительной мере определяется величиной глиноземистого модуля р. При глиноземистом модуле более 2 быстрое охлаждение клинкера от высоких температур приводит к увеличению фактического содержания C₃S по отношению к расчетному. Уменьшение глиноземистого модуля (р<2) сопровождается приближением фактического количества C₃S в клинкере к его расчетному значению. Интервалом величин глиноземистого модуля, в пределах которого наблюдаются близкие значения расчетного и фактического содержания в клинкерах C₃S, является 0,9...1,8. Дальнейшее понижение глиноземистого модуля приводит, наоборот, к уменьшению фактического содержания в клинкере C₃S по сравнению с его расчетным количеством.

В связи с неравновесными условиями получения клинкера составляющие его минералы могут находиться в метастабильных состояниях и при медленном охлаждении переходить в стабильные формы.

Основной минерал портландцементного клинкера C₃S стабильно существует только в интервале температур от 1250 до 2073°С. Ниже 1250°С алит при чрезвычайно медленном охлаждении может разлагаться на C₂S и СаО, что фактически не происходит на практике. Интенсифицирует распад C₃S слабовосстановительные условия, так как при этом происходит выделение из него растворенного закисного железа, которое катализирует процесс разложения. Кроме того, незначительное начальное разложение C₃S приводит к появлению в клинкере кристаллов алита с сильно дефектной структурой.

Двухкальциевый силикат в клинкере преимущественно стабилизирован в виде β -Ca₂SiО₄ ионами Mg²⁺, К⁺, Na⁺, Cr³⁺, SO^2-₄ и др. Только при очень медленном охлаждении становится возможным некоторый распад белитовых твердых растворов и частичное превращение β-Ca₂SiО₄ → C₂S. В зависимости от режима охлаждения и присутствующих примесей двухкальциевый силикат может фиксироваться в высокотемпературных модификациях а'_т, а'_L и а'_н, обладающих повышенной гидравлической активностью.

Чистый С₃А при медленном охлаждении от температуры обжига клинкера не распадается как в окислительной, так и в восстановительной средах. Твердые же растворы С₃А с Fe, Cr, Мn и S могут распадаться в слабовосстановительных условиях при температуре ниже 1300°С с образованием С₁₂А₇ и СаО.

Состав алюмоферритной фазы при медленном охлаждении, согласно диаграмме плавкости (рис. 14.15), изменяется от C₆AF₂ к C_6,67A₂,₃₃F. В восстановительных условиях алюмоферриты кальция разлагаются с выделением FeO, С₃А, C₁₂A₇, СаО и даже Fe.

Гидратационная активность клинкера определяется не только фазовым составом, но и, в значительной степени, его микроструктурой, на которую также влияет режим охлаждения. На основании представленных в разделе 14.2.1 (рис. 14.11) результатов видно, что слишком близкое расположение зоны спекания к горячему обрезу печи и, следовательно, быстрое охлаждение клинкера от высоких температур может приводить к некоторому снижению активности клинкера.

Проведенные В.К.Классеном дополнительные исследования подтвердили факт отрицательного влияния на активность клинкера высокой температуры, от которой происходит резкое его охлаждение. Так, для наиболее распространенного расчетного состава клинкера: C₃S=63%; C₂S=15%; С₃А=8%; C₄AF=13%; KH-0,92, п-2,2; р-1,3, при снижении начальной температуры охлаждения наблюдается увеличение активности в 28 суток твердения: при охлаждении от 1450°С - 47,5 МПа; от 1250°С - 50,0 МПа; от 1150°С - 55,4 МПа. Как видно, максимальная активность клинкера приведенного состава достигается его резким охлаждением от 1150^оС и формированием его оптимальной микроструктуры. Необходимо отметить, что минимальная температура, от которой следует проводить охлаждение, будет зависеть от фазового состава клинкера и присутствия в нем примесей. При этом, несомненно, что высокие прочностные свойства клинкера обеспечиваются только при резком режиме охлаждения.

Описать вращающиеся печи для обжига цементного клинкера