8

Работу выполнил: ст. Черных.Ф.

Группа МОС-32

Лабораторная работа №3.

Изучение микроструктуры портлавдцементного клинкера

Цель работы: освоить методику петрографического анализа клинке­ров в отраженном свете, определить расчетный и фактический фазовые составы и коэффициент насыщения клинкера, описать микроструктуру клинкера.

Допуск

Выполнение

Защита

Теоретические сведения

Минералогический состав портландцементного клинкера.

Портландцементный клинкер - продукт обжига до спекания тонкоди­сперсной однородной смеси, состоящей из карбонатной и глинистой пород и корректирующих добавок, обеспечивающей преобладание в кли­нкере высокоосновных силикатов кальция (70-80%), алюминатной и алюмоферритной фаз (20-ЗО%).

Портландцементный клинкер представляет собой твердые спекшиеся гранулы размером 2-3 ... 40-60 мм округлой формы темно-серого цвета.

Содержание клинкерных минералов в портландцементном клинкере колеблется в следующих пределах, %:

трехкальциевый силикат (алит) 3CaO-Si0₂ (C₃S) - 45 70;

двухкальциевый силикат (белит) 2CaO-si0₂ (C₂s) - 10...30; трехкалъциевый алюминат ЗСаО-А1₂0₃ (С₃А) 3...15; четырехкальциевый алюмоферрит 4СаО-Ai₂0₃-Fe₂0₃ (С4АР)-10...20.

Алит - важнейший клинкерный минерал, твердеющий быстро и набирающий высокую прочность в начальные сроки твердения. Водостойкость и сульфатостойкость бетонов, изготовленных из цементов с высоким содержанием алита, несколько ниже, а тепловыделение выше, чем у обычного цемента.

Двухкальциевый силикат схватывается и твердеет медленно, набирая высокую прочность при длительном твердении (примерно к году). Цементы с высоким содержанием белита характеризуются хорошей водостойкостью и сульфатостойкостью, медленным выделением тепла и пониженной экзотёрмией.

Трехкальциевый алюминат схватывается быстро, в сочетании с другими составляющими клинкера способствует быстрому росту прочности в первые сутки твердения.

Алюмоферриты кальция не играют решающей роли в формировании начальной прочности, но в отдаленные сроки продукты их гидратации способствуют упрочнению цементного камня.

Качество клинкера может быть охарактеризовано:

• численными значениями коэффициента насыщения и модулей;

• микроструктурой клинкера;

• размерами и конфигурацией кристаллов минералов;

• содержанием основных клинкерных минералов.

Коэффициент насыщения (КН) у клинкеров заводского изготовления колеблется (0,85...О,95) в зависимости от состава и свойств приме­няемых сырьевых материалов, вида установок для обжига клинкера, условий обжига и других факторов. Более высокие показатели КН сви­детельствуют о повышенном содержании в клинкерах С3S, обусловлива­ющего высокие показатели прочности цементов и скорости твердения. Микроструктура строение поверхностных слоев твердых -тел, наблюдаемое при увеличениях в 10 и более раз в оптических микроскопах.

Различают два основных типа микроструктуры клинкера:

гломеробластическая (неравномерно зернистая) распределение кристаллов алита и бедита в виде чередующихся групповых скоплений разной величины;

монадобластическая (равномерно зернистая) - равномерное распре­деление поодиночке кристаллов алита и бершта по объему зерна без образования скоплений и агрегатов.

Гломеробластическая структура клинкера является результатом плохого усреднения сырья,грубого помола компонентов, присутствия в шихте кремнезема в виде кварца, недостаточного или неравномерного обжига. Характерна для клинкеров с низким коэффициентом насыщения.

Монадобластическая структура получается при оптимальных условиях обжига сырьевой смеси, характеризующейся высоким коэффициентом насыщения, минимальным содержанием кварцевых зерен.

Из клинкеров монадобластической структуры получаются цементы более высокой активности (прочности) по сравнению с цементами из клинкеров гломеробластической структуры даже при одинаковом химическом составе.

Микроструктура клинкера изучается петрографическим методом (микроскопическим анализом), который из ряда известных современных методов фазового анализа силикатных фаз является наиболее точным и доступным.

Для проведения петрографического анализа используется шлиф -препарат, изготовленный из исследуемого вещества для изучения под микроскопом.

Различают шлифы прозрачные-для исследования в проходящем свете с помощью поляризационного микроскопа и шлифы полированные (аншлифы), предназначенные для изучения на металлографическом микроскопе в отраженном свете.

Главными преимуществами отраженного света при изучении цементных клинкеров следует считать:

- высокую точность определения количественного минералогическо­го состава;

- детальное выявление особенностей кристаллической структуры.

Микроструктура портландцементного клинкера представлена кристаллами алита и белита, тонкозернистой промежуточной фазой, отдельными округлыми кристаллами СаОсв и угловатыми MgO и порами.

Кристаллы алита в отраженном свете имеют вид шестиугольных или прямоугольных табличек или призм, более темные, чем все другие кристаллы.

Кристаллы белита характеризуются округлой формой и желтоватой до бурой окраской. Часто наблюдается штриховка.

Промежуточное вещество расположено между кристаллами алита и белита. Различают светлое промежуточное вещество -- алюмоферриты кальция и темное - трехкальциевый алюминат и клинкерное стекло.

Поры имеют вид "колодцев" неправильной формы, забитых оксидом хрома, и окраску зеленого цвета.

Формы, размеры, распределение по величине, степень закристал-лизованности кристаллов алита и белита влияют на качество цемента.

Установлено, что наибольшей активностью при твердении обладают цементы с преимущественным содержанием мелких кристаллов алита величиной 3-20 мкм правильной призматической или гексагональной формы с соотношением длины и ширины 3:1.

Цементы, в которых белит представлен округлыми плотными кристаллами с зазубренными краями со средним размером 20-50 мкм, характеризуются повышенной прочностью.

На форму, размеры и свойства поверхности кристаллов влияют количество и свойства расплава, режим охлаждения, микропримеси. Управляя формой и размерами кристаллов, можно регулировать реакционную способность твердого тела и, в частности, активность клинкерных минералов по отношению к воде.

Между фазовым составом клинкера, найденным исследованием в аншлифах, и расчетным минералогическим составом наблюдаются весьма существенные расхождения. Как правило, содержание алита, определенное под микроскопом, выше расчетного, а содержание С₃А, установленное петрографически, всегда меньше расчетного. Основные причины указанных расхождений следующие:

1. Минералогический состав рассчитывают, исходя из предположе­ний, что система при обжиге достигла равновесия. На самом деле кли­нкер в силу быстрого процесса обжига и особенно охлаждения не дос­тигает равновесного состояния. Об этом свидетельствует наличие в клинкере СаО_св , Si0_2cB , стекла, С₅А₃ и т.д.

2. Фактический состав клинкерных минералов отличается отрасчетного. Например, при расчете полагают, что алит соответствует формуле СзS, но фактически состав алита сложнее, в его решетку включаются MgO и Аl₂0₃, алиту приписывают состав С54S16АМ.

3. Образуются твердые раствори алита и белита с оксидами. Часть глинозема и оксида железа, находящихся в алите и белите в виде твердого раствора, не участвует в образовании алюминатов и алюмоферритов, в результате чего эти оксиды и теоретически приходящийся на его долю СаО увеличивают долю алита в клинкере. Щелочные соли в сырьевой смеси могут образовывать соединения КС₂₃S₁₂ и NC₈A₃, которые не способны усваивать дополнительные количества СаО с образованием с_з S и С₃А, в клинкерах обнаруживает­ ся СаО_св, . Щелочные оксиды вызывают разрушение, алита при температуре спекания с выделением вторичного белита и СаО_св .

4. Восстановительная атмосфера во вращающейся печи способствует разрушению алита на C₂S и СаО, уменьшается содержание элюмоферритов и увеличивается С₃А. За счет перехода Fe₂0₃-> FeO -> Fe нарушаются реакции минералообразования, так как основной оксид FeO реагирует не с СаО, а с SiO_2.. Оксид кальция, оставшийся несвязанным, фактически увеличивает количество СaО_св в клинкере.

Определение минералогического состава и коэффициента насыщения (КН) клинкера по результатам петрографического анализа позволяет наиболее точно прогнозировать качество цемента, полученного из клинкера.