Belite

Belite to minerał przemysłowy ważny w produkcji cementu portlandzkiego . Jego głównym składnikiem jest krzemian dwuwapniowy, Ca ₂ SiO ₄ , czasami formułowany jako 2 CaO · SiO ₂ (C ₂ S w notacji chemika cementu ).

Etymologia

Nazwę nadał Törnebohm w 1897 r. Kryształowi zidentyfikowanemu podczas mikroskopowych badań cementu portlandzkiego. Belite to nazwa powszechnie stosowana w przemyśle cementowym, ale nie jest uznaną nazwą mineralną. Występuje naturalnie jako minerał larnit , a nazwa pochodzi od Larne w Irlandii Północnej , miasta położonego najbliżej Scawt Hill , gdzie została odkryta.

Skład i struktura

Uproszczona struktura krystaliczna belitu

Belit znajdujący się w cemencie portlandzkim różni się składem od czystego krzemianu diwapniowego . Jest roztworem stałym i oprócz CaO i SiO2 _zawiera niewielkie ilości innych tlenków . Typowy skład:

Tlenek	% masy
CaO	63,5
SiO2 _{_}	31,5
Al2O3 _{_} _ _{_}	2.1
Fe ₂ O ₃	0,9
MgO	0,5
TAK ₃	0,1
Na ₂ O	0,1
K ₂ O	0,9
TiO2 _{_}	0,2
P ₂ O ₅	0,2

Na tej podstawie wzór można wyrazić jako Ca _1,94 Mg _0,02 Na _0,01 K _0,03 Fe _0,02 Al _0,07 Si _0,90 P _0,01 O _3,93 . W praktyce skład zmienia się wraz z masowym składem klinkieru , z zastrzeżeniem pewnych ograniczeń. Zastąpienie jonów wapnia lub jonów ortokrzemianowych wymaga utrzymania równowagi ładunków elektrycznych. Na przykład ograniczoną liczbę ortokrzemianowych ( SiO
⁴⁻₄ ) można zastąpić jonami siarczanowymi ( SO
²⁻₄ ), pod warunkiem, że na każdy jon siarczanowy podstawione są również dwa jony glinianowe ( AlO
⁵⁻_{4 ).}

Polimorfy

Krzemian diwapniowy jest trwały i można go łatwo otrzymać z reaktywnego CaO i SiO2 _w temperaturze 300°C. Forma niskotemperaturowa to γ-belit, czyli wapienny oliwin . Ta forma nie uwadnia się i unika się jej w produkcji cementu.

Wraz ze wzrostem temperatury przechodzi przez kilka stanów polimorficznych :

Temp.°C	Nazwa	Kryształ
>1425	α	Sześciokątny
1160-1425	α' _H	Rombowy
680-1160	α' _L	Rombowy
500-680	β	Jednoskośny
<500	γ	Rombowy

Uwodnienie

Belit jest minerałem w cemencie portlandzkim odpowiedzialnym za rozwój „późnej” wytrzymałości . Drugi krzemian, alit , zapewnia „wczesną” wytrzymałość ze względu na swoją wyższą reaktywność. Belit reaguje z wodą (z grubsza), tworząc hydraty krzemianu wapnia (CSH) i portlandyt (Ca(OH) ₂ ) zgodnie z reakcją:

${\ Displaystyle {\ ce {\ underbrace {{2 Ca2SiO4}} _ {{Belite}}+ \underbrace{{4 H2O}}_{{Woda}}-> 3 CaO . 2 SiO2. 3 H2O + \podszewka{{Ca(OH)2}}_{{Portlandyt}}}}}$

Ta szybka reakcja jest „chemicznie analogiczna” do powolnego naturalnego uwodnienia forsterytu ( magnezowego elementu końcowego oliwinu ), prowadzącego do powstania w przyrodzie serpentyn i brucytu , chociaż kinetyka hydratacji słabo skrystalizowanego sztucznego belitu jest znacznie szybsza niż powolne wietrzenie dobrze skrystalizowanego Mgo- oliwinu w warunkach naturalnych.

${\ Displaystyle {\ ce {\ underbrace {{2 Mg2SiO4}} _{{Forsteryt}}+\podszewka{{3H2O}}_{{Woda}}-> \podszewka{{Mg3Si2O5(OH)4}}_{{serpentyna}}+ \podszewka{{Mg(OH)2} }_{{brucyt }}}}}$

hydratu [3 CaO · 2 SiO ₂ · 3 H ₂ O] jest nazywana fazą „ CSH ”. Rośnie jako masa zazębiających się igieł, które zapewniają wytrzymałość uwodnionego systemu cementowego. Stosunkowo wysoka reaktywność belitu jest pożądana w produkcji cementu portlandzkiego i należy rygorystycznie unikać tworzenia się niereaktywnej formy γ. Osiąga się to poprzez szybkie schładzanie, tworząc kryształy, które są małe, zniekształcone i wysoce wadliwe. Wady zapewniają miejsca do początkowego ataku wody. Brak schłodzenia klinkieru szybko prowadzi do inwersji belitu do formy γ. Forma γ ma zasadniczo inną strukturę i gęstość, tak że inwersja prowadzi do degradacji kryształu i otaczającej go matrycy, a także może wywołać rozkład sąsiedniego alitu . Makroskopowo obserwuje się to jako „pylenie”: grudki klinkieru opadają na drobny pył .

Wykrycie

Przekrój klinkieru 0,15 x 0,15 mm

Minerały w klinkierze cementu portlandzkiego można obserwować i oznaczać ilościowo za pomocą mikroskopii petrograficznej . Kulki klinkieru są cięte i szlifowane na płaską, wypolerowaną powierzchnię. Odsłonięte minerały są widoczne i możliwe do zidentyfikowania poprzez wytrawienie powierzchni. Powierzchnię można następnie obserwować w świetle odbitym za pomocą mikroskopu optycznego . Na przykładzie bryła klinkieru została wypolerowana i wytrawiona fluorowodoru . Alit pokazuje się jako brązowy, belit jako niebieski, a fazy topnienia jako białe. mikroskopię elektronową , w którym to przypadku minerały można zidentyfikować za pomocą analizy mikrosondą . Preferowaną metodą dokładnego oznaczania ilościowego minerałów jest dyfrakcja promieni rentgenowskich na sproszkowanym klinkierze przy użyciu techniki analizy Rietvelda . Belit jest znacznie trudniejszy do zmielenia w młynie cementowym niż alit.

Zobacz też

Reakcja hydratacji forsterytu (oliwinu) podczas serpentynizacji
CCN , notacja chemika cementu

^ Jean-Pierre Bournazel, Yves Malier, Micheline Moranville Regourd, 1998, Beton, od materiału do struktury RILEM Publications, ISBN 2-912143-04-7 .
^ Jeleń, William Alexander; Howie, RA; Zussman, J (1997-05-01). „Larnit” . Dikrzemiany i krzemiany pierścieniowe . s. 248–249. ISBN 978-1-897799-89-5 .
^ Taylor HFW (1990), Cement Chemistry , Academic Press, 1990, ISBN 0-12-683900-X , s. 10-11.

[1] Jean-Pierre Bournazel, Yves Malier, Micheline Moranville Regourd, 1998, Beton, od materiału do struktury RILEM Publications, ISBN 2-912143-04-7 .

[2] Jeleń, William Alexander; Howie, RA; Zussman, J (1997-05-01). „Larnit” . Dikrzemiany i krzemiany pierścieniowe . s. 248–249. ISBN 978-1-897799-89-5 .

[3] Taylor HFW (1990), Cement Chemistry , Academic Press, 1990, ISBN 0-12-683900-X , s. 10-11.