Изучение реакций взаимодействия Na2O и портландцементных клинкерных минералов в интервале температур 1100 – 1200℃

Изучены реакции взаимодействия основных клинкерных минералов с оксидом натрия при обжиге в интервале температур 1100 – 1200℃. Показано, что оксид натрия в первую очередь реагирует с оксидом алюминия в алюмоферрите кальция, а затем с оксидом железа. Выполнены обжиги цементной сырьевой смеси с присутствием карбоната натрия в интервале температур 1100 - 1400℃, которые показали, что в печах с высокой интенсивностью циркуляции солей щелочных металлов возможно образование алюмината натрия, феррит натрия и натриево-кальциевый силикат. В работе показано, что Na2SO4 не вступает во взаимодействие с портландцементными клинкерными минералами.

Цель работы: изучение реакций взаимодействия Na2O и портландцементных клинкерных минералов C2S, C3A и C4AF при температурах обжига 1100 – 1200℃.
Задачи исследования:
1 - определить влияние оксида натрия на C3A при температуре обжига 1150℃;
2 - определить влияние оксида натрия на C4AF при температуре обжига 1200℃;
3 - определить влияние оксида натрия на C2S при температуре обжига 1100℃;
4 - определить влияние оксида натрия на процессы минералообразования в портландцементной сырьевой смеси.

Во вращающих печах цементного производства развита циркуляция щелочных соединений. Щелочные хлориды, сульфаты, поступающие с сырьевой смесью в печной агрегат в небольшом количестве, при обжиге накапливаются в обжигаемом материале и их содержание в печи значительно увеличивается, вследствие возгонки при высоких температурах. Влияние данных соединений на клинкерообразование и качество цемента изучались многими исследователями. Но влияние солей щелочных металлов на процессы минералообразования в портландцементной сырьевой смеси в интервале температур обжига 1100-1300°С не изучены, что доказывает актуальность данной работы.

 

Методы исследования:в качестве метода исследования использовался рентгенофазовый анализ обожженных образцов.

Материалы:

Для синтезирования клинкерных минералов (C₃A, C₄AF и C₂S) использовались следующие химические реактивы квалификации «ч»: CaCO₃, Al₂O₃, Fe₂O₃, SiO₂

Для приготовления исследуемых смесей, которые содержали не только синтезированные клинкерные минералы, но и соли щелочных металлов требовались такие химические реактивы квалификации «ч», как Na₂CO₃ и Na₂SO₄ .

Влияние оксида натрия на процессы минералообразования, протекающие в цементной сырьевой смеси, изучалось на рядовом шламе ЗАО «Белгородский цемент», имеющем следующий химический соста: SiO₂=14,03%; Al₂O₃=3,49%; Fe₂O₃=2,84%; CaO=43,17%; MgO=0,42%; SO₃=0,09%; K₂O=0,5%; Na₂O=0,16%; TiO₂=0,25%.

В результате проделанной работы получили результаты о взаимодействии солей щелочных металлов с основными клинкерными минералами C₃A, C₄AF  и C₂S  в интервале температур от 1100°C до 1200°C :

1. Карбонат натрия взаимодействует с C₃A при температуре 1150°C в мольном отношении 1:3 с образованием Na₂O·Al₂O₃ и CaO по реакции:

3CaO·Al₂O₃+Na₂CO₃=Na₂O·Al₂O₃+3CaO+CO₂

2. Сульфат натрия не взаимодействует с C₃A при температуре 1150°C.

3. Карбонат натрия взаимодействует с C₄AF при температуре 1200°C постадийно: сначала, реагируя с Al₂O₃, обогащает клинкерный минерал Fe₂O₃ с образованием C₆AF₂, Na₂O·Al₂O₃ и CaO (мольное соотношение 1:1), а затем – с C₂F, получая Na₂O·Fe₂O₃, Na₂O·Al₂O₃ и CaO (мольное соотношение 1:3). Химические реакции:

1 ступень взаимодействия:

4CaO·Al₂O₃·Fe₂O₃+Na₂CO₃=2CaO·Fe₂O₃+Na₂O·Al₂O₃+2CaO+CO₂

2 ступень взаимодействия:

2CaO·Fe₂O₃+Na₂CO₃=Na₂O·Fe₂O₃+2CaO+CO₂

4. Сульфат натрия не взаимодействует с C₄AF при температуре 1200°C.

5. Карбонат натрия взаимодействует с C₂S при температуре 1100°C с образованием NCS и CaO (мольное соотношение 1:3), а также способствует стабилизации данного клинкерного минерала в ß-модификацию (мольное соотношение 3:1; 1:1 и 1:3). Реакция взаимодействия:

2CaO·SiO₂+Na₂CO₃=Na₂O·CaO·SiO₂+CaO+CO₂

6. Сульфат натрия не взаимодействует с C₂S при температуре 1100°C, и также как карбонат натрия способствует стабилизации данного клинкерного минерала в ß-модификацию во всех исследованных мольных отношениях.

7. При обжиге цементной сырьевой смеси с присутствием карбоната натрия в интервале температур обжига 1100 -1400°C образуются такие же продукты реакций, что и при взаимодействии чистых клинкерных минералов и карбоната натрия.

(ПОЛУЧЕННЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ПОДТВЕРЖДЕНЫ РЕНТГЕНОФАЗОВЫМ АНАЛИЗОМ, КОТОРЫЙ ПРИВЕДЕН В ПРЕЗЕНТАЦИИ)

1. Лисиенко, В.Г. Вращающиеся печи: теплотехника, управление и экология: Справоч-ное издание: В 2-х книгах. Книга 1 / В.Г. Лисиенко, Я.М. Щелоков, М.Г. Ладыгичев; под ред. В.Г. Лисиенко. – М.: Теплотехник, 2004. – 688 с.

We studied the reaction of the main clinker minerals with Na2O upon firing in the temperature range 1100 - 1200 ℃. In the first place Na2O reacts with Al2O3 in C4AF and then Na2O reacts with Fe2O3. Na2SO4 does not react with the Portland cement clinker minerals.