Химия твердого тела. Теория и приложения: В 2-х ч. Ч. 2 - Вест А.
ISBN 5-03-000071-2
Скачать (прямая ссылка):
Как видно из рис. 19.3, трехфазная смесь Сгв+СзЭ+СзА устойчива лишь при температурах ниже 1455 °С. Выше этой температуры в системе появляется жидкая фаза и, следовательно, согласно правилу фаз, должна исчезнуть одна из кристаллических фаз. Такие изменения в системе следуют из формы по
238
19. Цемент и бетон
верхности ликвидуса и распределения полей первичной кристаллизации на диаграмме состояния (рис. 19.3). Поля первичной кристаллизации С28, СзБ и С3А (т. е. области температур и составов, для которых в равновесии с жидкостью существует отдельно каждая из этих фаз) пересекаются в перитектической точке У. Твердые фазы С2Э, СзЭ и С3А могут находиться в рав-
Рис. 19.3. Участок диаграммы плавкости системы СаО—А1203—5Ю2 в области, богатой оксидом кальция, с обозначением полей первичной кристаллизации (например, СаО). Поля первичной кристаллизации разграничены моновариантными кривыми и инвариантными точками. X-—перитектическая инвариантная точка, принадлежащая треугольнику С + С25+С:1А; У — перитектическая точка, относящаяся к треугольнику С^Б-ЬС^-ЬСиА.
новесии друг с другом лишь при температурах ниже перитектической температуры (<1455°С). В самой горячей части цементной печи температура достигает ~ 1500°С, поэтому материал состава Р частично расплавлен. При этом возникает новое трехфазное равновесие: С2Э+СзБН-жидкость состава В. Точка В расположена на пересечении моновариантной кривой, отвечающей равновесию фаз С2Б и СдЭ, и изотермы 1500 °С. При 1500 °С состав Р лежит внутри фазового треугольника, ограниченного фазами: С28, СзБ и жидкость состава В. Следовательно, при этой температуре в материале состава Р в равновесии находятся три фазы: С2Э+СзЭ+жидкость состава В. Соотношение между количествами отдельных фаз, а значит, и количество жидкой фазы можно рассчитать по правилу рычага.
19.1. Портландцемент
239
Как уже отмечалось, одним из следствий присутствия жидкой фазы в обжигаемой смеси является заметное ускорение химического взаимодействия исходных веществ и образования CsS и C3S. Таким образом, время пребывания материалов в горячей зоне печи составляет не более нескольких часов. Если бы жидкая фаза отсутствовала (т. е. при чуть более низкой температуре), то та же степень превращения достигалась бы за несколько суток.
Хотя присутствие фазы С3А, по-видимому, слабо влияет на конечную прочность схватившегося цемента или бетона, роль этой фазы существенна для повышения экономичности процесса производства цемента. Дело в том, что глинозем играет роль флюсующего материала. Из рис. 19.3 и 11.8 видно, что температура плавления фаз в системе оксид кальция — оксид кремния в области, где в равновесии существуют C2S и C3S, лежит гораздо выше 2000 °С. Введение же А1203 понижает температуру солидуса примерно на 600 °С. Это позволяет весьма эффективно вести обжиг сырьевой смеси в цементных печах при гораздо более низких температурах. В отсутствие глиноземного флюса и, следовательно, и жидкой фазы при температурах 1400—¦ 1500 °С образование C2S и C3S из исходных веществ шло бы несколько суток.
С помощью рис. 19.3 можно также объяснить текстуру цементного клинкера, т. е. размеры и распределение частиц различных фаз. При 1500 °С в равновесии находятся три фазы: C2S, C3S и жидкость. Размеры кристаллов C2S и C:)S относительно велики (обычно 10—50 мкм в диаметре), так как в присутствии жидкой фазы их рост длится достаточно долго. Когда клинкер покидает горячую зону, еще до выгрузки, он несколько охлаждается. Кристаллизующиеся при этом фазы C2S и C3S, вероятно, осаждаются на поверхности уже существующих кристаллов. Эта вторичная кристаллизация отвечает движению фигуративной точки из В в Y. При температуре ^1455°С оставшаяся часть жидкости обычно полностью закристаллизовывает-ся, образуя мелкодисперсную матрицу, внутри которой присутствуют зерна C2S и C3S больших размеров. Текстура и фазовый состав матрицы изменяются в зависимости от скорости охлаждения. Обычно матрица состоит по меньшей мере из двух кристаллических фаз, одна из которых С3А. Предполагается, что при охлаждении имеют место и другие процессы, например если небольшая часть расплава не успевает закристаллизовываться, то происходит образование стекла.
Следующим по значимости после СаО, А12Оя и Si02 компонентом портландцемеитиого клинкера является Fe203. Из соответствующей диаграммы состояния можно сделать вывод, что Fe203 играет ту же роль, что и А1203. При 1500°С оксид железа
240
19. Цемент и бетон
іО о, о ш
№ Ж
CJ со
-Л_670 Ca2Si04
-у—^^735
Fe203 находится в жидкой фазе. В процессе выгрузки из цементной печи он кристаллизуется, в результате чего образуются ферриты и алюмоферриты состава, близкого к C4AF. Ферриты и алюмоферриты можно рассматривать как твердые растворы переменного состава, образуемые Ca2iFe205 (C2F) и гипотетической фазой Са2А1205 (С2А) (см. рис. 19.7).
19.1.3. Полиморфизм силикатов кальция. Прежде чем перейти к рассмотрению процессов гидратации цемента, обсудим некоторые особенности кристаллической структуры и полиморфных
