Белит

Материал из СТ-Бетон
Перейти к: навигация, поиск

Белит (от фр. belite) — важнейший минерал портландцементного клинкера, представляющий собой двухкальциевый силикат (2CaO·SiO₂, или C₂S). В отличие от алита, белит гидратируется медленнее и обеспечивает набор прочности цементного камня в поздние сроки (после 28 суток). Содержание белита в промышленных клинкерах колеблется от 15 до 30% по массе, что делает его второй по значимости фазой после алита [1]. Белитовые цементы отличаются пониженным тепловыделением при гидратации и повышенной долговечностью в агрессивных средах, что обуславливает их применение в массивных и гидротехнических сооружениях [2].

История открытия и полиморфные модификации

Термин «белит» был введён шведским петрографом Альфредом Тёрнебомом (Alfred Törnebohm) в 1897 году при микроскопическом исследовании цементного клинкера. Он выделил четыре основные фазы, назвав их алитом, белитом, целитом и ферритной фазой. Белит был идентифицирован как минерал, имеющий округлую форму зёрен и менее выраженную спайность по сравнению с алитом [3].

Двухкальциевый силикат существует в нескольких полиморфных модификациях, стабильность которых зависит от температуры и наличия стабилизирующих примесей [4]:

  • α-C₂S — высокотемпературная модификация (выше 1420°C), неустойчивая при обычных температурах.
  • α'H-C₂S и α'L-C₂S — промежуточные модификации, стабилизирующиеся при введении некоторых оксидов (например, Na₂O, K₂O, BaO, SrO). Наибольшей гидравлической активностью обладает α'm-C₂S (модификация, близкая по структуре к α'), которая может быть стабилизирована при комплексном воздействии легирующих примесей в процессе высокотемпературного фазообразования [2].
  • β-C₂S — метастабильная модификация, наиболее распространённая в промышленных клинкерах. Обладает умеренной гидравлической активностью.
  • γ-C₂S — стабильная при низких температурах модификация, практически инертна к воде и не обладает вяжущими свойствами [1].

При медленном охлаждении клинкера β-C₂S может переходить в γ-C₂S, что сопровождается увеличением объёма примерно на 10% и приводит к самопроизвольному рассыпанию (силикатному распаду) клинкера в порошок. Для предотвращения этого нежелательного явления применяют быстрое охлаждение ("закалку") клинкера и стабилизирующие добавки (например, оксиды бора, фосфора, хрома), блокирующие полиморфный переход [1].

Химический состав и кристаллическая структура

В чистом виде двухкальциевый силикат содержит 65% CaO и 35% SiO₂. В промышленных клинкерах белит, как и алит, представляет собой твёрдый раствор, включающий различные примеси (Al₂O₃, Fe₂O₃, MgO, K₂O, Na₂O, P₂O₅ и др.), которые стабилизируют ту или иную полиморфную модификацию [5].

Кристаллы белита в клинкере имеют округлую или овальную форму и часто образуют сростки. Характерным признаком белита является наличие полисинтетических двойников, хорошо различимых под микроскопом, что связано с полиморфными превращениями при охлаждении [1].

Исследования сталеплавильных шлаков показывают, что их белитовая фаза может быть представлена как β-C₂S, так и γ-C₂S. Наличие реакционноспособной β-модификации делает такие шлаки потенциальным сырьём для получения вяжущих материалов, в то время как γ-C₂S требует дополнительной активации, например, гидротермальной обработки [4].

Роль в гидратации и твердении

Белит является медленно гидратирующейся фазой. Его вклад в прочность цементного камня становится значительным лишь после 28 суток твердения и продолжает увеличиваться в течение года и более [6].

Механизм реакции

Реакция гидратации белита описывается следующим суммарным уравнением [5]:

2(2CaO·SiO₂) + 4H₂O → 3CaO·2SiO₂·3H₂O (CSH) + Ca(OH)₂ (портландит)

Как и при гидратации алита, основными продуктами реакции являются низкоосновные гидросиликаты кальция (CSH-гель), обеспечивающие прочность, и портландит Ca(OH)₂. Однако количество выделяющегося портландита значительно меньше, чем при гидратации алита, что делает белитовые цементы более стойкими в сульфатных средах [6].

Термодинамический анализ показывает, что гидратация белита возможна с образованием различных гидросиликатов (C₂SH₂ или C₁‚₅SH₁‚₅). Расчеты тепловыделения (64 кал/г) хорошо согласуются с экспериментальными данными (60-62 кал/г при степени гидратации около 90%), что подтверждает корректность предложенных моделей [7].

Особенности гидратации различных модификаций

Гидравлическая активность различных полиморфных модификаций белита неодинакова:

  • β-C₂S гидратируется медленно, обеспечивая позднюю прочность. Продуктами его гидратации являются гидросиликаты кальция различного состава (C₂SH(A), C₂SH(B), C₂SH(C)), что способствует формированию прочной структуры [4].
  • α'-C₂S обладает более высокой скоростью гидратации, приближаясь к активности алита. Её стабилизация является важной задачей при создании быстротвердеющих белитовых цементов [2].
  • γ-C₂S в обычных условиях практически не гидратируется. Однако в автоклавных условиях (высокая температура и давление пара) она проявляет вяжущие свойства, гидратируясь с образованием низкопрочного гидросиликата типа C₂SH(A). Активизирующее воздействие на γ-C₂S оказывает кремнезёмистая среда: повышение концентрации SiO₂ в жидкой фазе ускоряет её гидратацию и позволяет получить более высокие прочностные показатели [4].

Технология получения и активизация

Традиционно белит образуется во вращающихся печах при обжиге клинкера в интервале температур 1000–1200°C в результате твердофазовых реакций. Для интенсификации твердения низкоосновных (белитовых) цементов используются различные методы активизации:

1. Стабилизация активных модификаций: Введение в сырьевую смесь специальных добавок (оксидов щелочных металлов, бора, бария) позволяет стабилизировать высокотемпературные модификации α' и β, обладающие повышенной гидравлической активностью [2][5].

2. Двухшихтовая технология: Предложен способ синтеза активного белитового клинкера с использованием техногенных материалов (например, отходов обогащения скарново-магнетитовых руд). Технология основана на раздельной подготовке легкоплавкой шихты (содержащей глинистый компонент и часть известняка) и известняковой шихты. Последующее смешение термически активированных компонентов и быстрый нагрев интенсифицируют образование активных фаз. В результате удаётся стабилизировать реакционноспособную форму α'm-C₂S и повысить прочность цементного камня на 12–68% по сравнению с обычной технологией [2].

3. Гидротермальная обработка: Для материалов, содержащих инертные модификации (например, γ-C₂S в сталеплавильных шлаках), эффективна автоклавная обработка. В условиях повышенного давления и температуры пара (183°C) гидратация γ-C₂S ускоряется, а в присутствии тонкомолотого кварцевого песка (источника SiO₂) образуются прочные гидросиликаты кальция, что позволяет получать вяжущие на основе отходов металлургии [4].

Размолоспособность белита

Белит относится к трудноразмалываемым минералам клинкера. Его измельчение требует больших затрат электроэнергии по сравнению с алитом. Исследования показывают, что применение добавок-диспергаторов (например, добавки ДР-3, получаемой на основе отходов производства) позволяет интенсифицировать процесс помола [8].

Адсорбция добавки ДР-3 на поверхности белита носит мономолекулярный характер и достигает насыщения при концентрации 0,04–0,05%. При помоле белита с 0,04% добавки удельная поверхность увеличивается на 11% быстрее по сравнению с помолом без добавки, что позволяет сократить время измельчения и снизить энергозатраты [8]. Большая эффективность влияния добавки на размолоспособность белита по сравнению с алитом объясняется более высоким значением поверхностного натяжения на границе "твёрдое тело–газ" для белита и его снижением при введении ПАВ.

Влияние на свойства бетона

Содержание и модификационный состав белита оказывают следующее влияние на характеристики цемента и бетона:

  • Прочность в поздние сроки: Обеспечивает длительный (годами) рост прочности бетона, что важно для массивных и ответственных сооружений.
  • Тепловыделение: Низкая экзотермия при гидратации (примерно в 2–3 раза ниже, чем у алита) [6] позволяет использовать высокобелитовые цементы при возведении массивных конструкций (плотины, фундаменты) для предотвращения термического растрескивания.
  • Сульфатостойкость: Малое количество выделяющегося при гидратации портландита снижает риск образования эттрингита и других экспансивных фаз при сульфатной агрессии, что повышает долговечность бетона [2].
  • Долговечность: Цементный камень на основе белита отличается более плотной и стабильной микроструктурой, что способствует повышению стойкости в агрессивных средах и морозостойкости.

Нормативные документы

  • ГОСТ 31108-2020 «Цементы общестроительные. Технические условия»
  • ГОСТ 22266-2013 «Цементы сульфатостойкие. Технические условия»

См. также

Примечания

  1. ↑ 1,0 1,1 1,2 1,3 Бутт Ю.М., Тимашев В.В. Портландцемент (минералогический и гранулометрический составы, процессы модифицирования и гидратации). — М.: Стройиздат, 1974. — 328 с.
  2. ↑ 2,0 2,1 2,2 2,3 2,4 2,5 Miryuk, О. А. Activation of cement clinker with high content of belite / О. А. Miryuk // Комплексное использование минерального сырья. – 2020. – No. 2(313). – P. 38-45. – DOI 10.31643/2020/6445.15.
  3. ↑ Рамачандран В.С., Фельдман Р.Ф., Коллепарди М. и др. Добавки в бетон: Справочное пособие / Под ред. В.С. Рамачандрана. — М.: Стройиздат, 1988. — 575 с. — ISBN 5-274-00208-0.
  4. ↑ 4,0 4,1 4,2 4,3 4,4 Кудеярова, Н. П. Активность белитовых фаз сталеплавильных шлаков в автоклавных условиях / Н. П. Кудеярова, Н. П. Бушуева, Е. Д. Старичкова // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. – 2017. – № 9. – С. 106-112. – DOI 10.12737/article_59cd0ba91a4025.78067185.
  5. ↑ 5,0 5,1 5,2 Тейлор Х. Химия цемента / Пер. с англ. — М.: Мир, 1996. — 560 с. — ISBN 5-03-002731-9.
  6. ↑ 6,0 6,1 6,2 Невилль А.М. Свойства бетона / Пер. с англ. — М.: Издательство литературы по строительству, 1972. — 344 с.
  7. ↑ Рахимбаев, И. Ш. Термодинамический анализ гидратации алита и белита / И. Ш. Рахимбаев // Техника и технология силикатов. – 2015. – Т. 22, № 2. – С. 21-25.
  8. ↑ 8,0 8,1 Кудеярова, Н. П. Исследование влияния добавки-диспергатора на размолоспособность силикатных фаз цементного клинкера / Н. П. Кудеярова, Д. В. Ломаченко // Сухие строительные смеси. – 2013. – № 4. – С. 34-35.


Литература

  • Бутт Ю.М., Тимашев В.В. Портландцемент (минералогический и гранулометрический составы, процессы модифицирования и гидратации). — М.: Стройиздат, 1974. — 328 с.
  • Тейлор Х. Химия цемента. — М.: Мир, 1996. — 560 с. ISBN 5-03-002731-9
  • Невилль А.М. Свойства бетона. — М.: Издательство литературы по строительству, 1972. — 344 с.
  • Рамачандран В.С., Фельдман Р.Ф., Коллепарди М. и др. Добавки в бетон: Справочное пособие / Под ред. В.С. Рамачандрана. — М.: Стройиздат, 1988. — 575 с. ISBN 5-274-00208-0
  • Кузнецова Т.В., Кудряшов И.В. Физическая химия силикатов. — М.: Высш. шк., 1986. — 368 с.
  • Сулименко Л.М. Общая технология силикатов. — М.: Инфра-М, 2004. — 335 с.
  • Miryuk O.A. Activation of cement clinker with high content of belite // Комплексное использование минерального сырья. – 2020. – № 2(313). – С. 38-45. – DOI 10.31643/2020/6445.15.
  • Кудеярова Н.П., Бушуева Н.П., Старичкова Е.Д. Активность белитовых фаз сталеплавильных шлаков в автоклавных условиях // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. – 2017. – № 9. – С. 106-112. – DOI 10.12737/article_59cd0ba91a4025.78067185.
  • Кудеярова Н.П., Ломаченко Д.В. Исследование влияния добавки-диспергатора на размолоспособность силикатных фаз цементного клинкера // Сухие строительные смеси. – 2013. – № 4. – С. 34-35.
  • Рахимбаев И.Ш. Термодинамический анализ гидратации алита и белита // Техника и технология силикатов. – 2015. – Т. 22, № 2. – С. 21-25.
  • Горшков В.С., Тимашев В.В. Методы физико-химического анализа вяжущих веществ. — М.: Высш. шк., 1963. — 287 с.


Источник — «https://stroytechnolog.ru/wiki/index.php?title=Белит&oldid=2474»