Цементный клинкер — это твердый материал, получаемый при производстве портландцемента в качестве промежуточного продукта. Клинкер встречается в виде комков или узелков, обычно диаметром от 3 мм (0,12 дюйма) до 25 мм (0,98 дюйма). Он производится путем спекания (сплавления без расплавления до точки разжижения ) известняка и алюмосиликатных материалов, таких как глина, на этапе обжига цемента . [1] [2]
Портландский клинкер в основном состоит из четырех минералов: двух силикатов кальция , алита (Ca 3 SiO 5 ) и белита (Ca 2 SiO 4 ), а также трикальциевого алюмината (Ca 3 Al 2 O 6 ) и алюмоферрита кальция (Ca 2 (Al,Fe) 2 O 5 ). Эти основные минеральные фазы получаются путем нагревания при высокой температуре глин и известняка . [3]
Основным сырьем для производства клинкера обычно является известняк, смешанный со вторым материалом, содержащим глину в качестве источника алюмосиликата. Можно использовать неочищенный известняк, содержащий глину или диоксид кремния (SiO 2 ). Содержание карбоната кальция (CaCO 3 ) в этих известняках может составлять всего 80% по весу. В процессе обжига, который происходит при производстве клинкера, известняк разбивается на известь (оксид кальция), которая включается в конечный продукт клинкера, и диоксид углерода, который обычно выбрасывается в атмосферу.
Второе сырье (материалы в сырьевой смеси , отличные от известняка) зависят от чистоты известняка. Некоторые из вторых используемых сырьевых материалов: глина, сланец , песок , железная руда , боксит , летучая зола и шлак .
Портландцементный клинкер производится путем нагрева однородной смеси сырья во вращающейся печи при высокой температуре. Продукты химической реакции объединяются вместе при температуре спекания, около 1450 °C (2640 °F). Оксид алюминия и оксид железа присутствуют только в качестве флюса для снижения температуры спекания и вносят небольшой вклад в прочность цемента .
Для специальных цементов, таких как низкотеплостойкие (LH) и сульфатостойкие (SR) типы, необходимо ограничивать количество образующегося трикальцийалюмината .
Клинкер и реакции его гидратации охарактеризованы и подробно изучены многими методами, включая калориметрию , определение прочности , рентгеновскую дифракцию , сканирующий электронный микроскоп и атомно-силовую микроскопию . [4]
Портландцементный клинкер (сокращенно k в европейских нормах) измельчается до тонкого порошка и используется в качестве связующего во многих цементных продуктах. Небольшое количество гипса (менее 5 мас.%) необходимо добавлять, чтобы избежать мгновенного схватывания трикальциевого алюмината ( Ca3Al2O6 ) , наиболее реактивной минеральной фазы (экзотермическая реакция гидратации) в портландцементном клинкере. Его также можно комбинировать с другими активными ингредиентами или цементными добавками для производства других типов цемента , включая, в соответствии с европейским стандартом EN 197-1: [5]
Клинкер — один из ингредиентов искусственного камня, имитирующего известняк и называемого пулхамитом в честь его изобретателя Джеймса Пулхэма (1820–1898). Другими ингредиентами были портландцемент и песок. Пулхамит может быть чрезвычайно убедительным и был популярен при создании садов камней, выглядящих как натуральные, в девятнадцатом веке.
Клинкер, если его хранить в сухих условиях, может храниться в течение нескольких месяцев без заметной потери качества. Из-за этого, а также из-за того, что с ним можно легко обращаться с помощью обычного оборудования для обработки минералов, клинкер продается на международном рынке в больших количествах. Производители цемента, покупающие клинкер, обычно измельчают его в качестве добавки к собственному клинкеру на своих цементных заводах. Производители также отправляют клинкер на помольные заводы в районах, где отсутствует сырье для производства цемента.
Гипс добавляется в клинкер в первую очередь как добавка, предотвращающая мгновенное схватывание цемента, но он также очень эффективен для облегчения измельчения клинкера , предотвращая агломерацию и налипание порошка на поверхность шаров и стенок мельницы . [ необходима цитата ]
Органические соединения также часто добавляются в качестве шлифовальных добавок, чтобы избежать агломерации порошка. Триэтаноламин (TEA) обычно используется в концентрации 0,1 мас. % и оказался очень эффективным. Иногда используются и другие добавки, такие как этиленгликоль , олеиновая кислота и додецилбензолсульфонат. [6]
При добавлении воды клинкерные минералы реагируют, образуя различные типы гидратов и «застывая» (твердея), когда гидратированное цементное тесто становится бетоном . Гидраты силиката кальция (CSH) (гидраты минералов алита и белита ) представляют собой основные «клеевые» компоненты бетона. После начального схватывания бетон продолжает твердеть и набирать механическую прочность .
Первые 28 дней являются наиболее критическими для затвердевания. Бетон не высыхает, но говорят, что он схватывается и затвердевает. Цемент является гидравлическим вяжущим, для гидратации которого требуется вода. Он может прекрасно затвердевать под водой. Вода необходима для его затвердевания, и потери воды следует избегать в молодом возрасте, чтобы избежать развития трещин. Молодой бетон защищен от высыхания (испарения непрореагировавшей воды). Традиционные методы предотвращения высыхания включают покрытие изделия мокрой мешковиной или использование пластиковой пленки.
Для более крупных проектов, таких как автомагистрали, поверхность опрыскивают раствором отвердителя, который оставляет водонепроницаемое покрытие. [7]
По состоянию на 2018 год [обновлять]производство цемента обеспечивало около 8% всех выбросов углерода в мире, что существенно способствовало глобальному потеплению . Большая часть этих выбросов была произведена в процессе производства клинкера. [8]