ВЛИЯНИЕ ТЕРМОУДАРА НА РАЗВИТИЕ ТРЕЩИН И РАЗМАЛЫВАЕМОСТЬ КЛИНКЕРА
Напряжения в клинкерных минералах возникают в результате различных процессов: термоудара, полиморфных превращений, разности коэффициентов расширения различных фаз, анизотропии сжатия, градиента температур по глубине клинкерных зерен. При быстром охлаждении клинкера (термическом ударе) в материале появляется термоупругая энергия, расходуемая на образование напряжения в виде удельной энергии разрыва. Превышение концентрации напряжений сверх вокруг уже существующих микротрешин способствует их развитию и может привести к разрыву. Характер распространения трещин зависит от их размеров.
Д. Хассельман [20] показал, что область нестабильности ограничена двумя критическими значениями размеров трещин. Критическая разность температур, вызывающая распространение трещин, проходит через минимум (рис. 5.10). При повторении термического удара разрушения гранул не происходит. В мелких трещинах, образовавшихся в области нестабильности, концентрируются напряжения, превышающие удельную энергию разрыва. Трещины увеличиваются в размерах. Достигнув длины, соответствующей кривым, выполненным сплошной линией, данные трещины все еще обладают кинетической энергией. Увеличиваясь, трещины достигают размеров, соответствующих пунктирным линиям, рассчитанным в соответствии с [20]. Таким образом, лучше иметь мелкозернистые клинкеры, так как удельная энергия разрыва в данном случае будет меньше, а более мелкие микротрещины останутся в зоне нестабильности. Авторами [15] изучено влияние режима охлаждения цементного клинкера на развитие трещин. Клинкеры, минералогический состав которых приведен в табл. 5.6, охлаждали по следующим режимам:
1) медленное, со скоростью 300 °С/ч;
2) быстрое охлаждение клинкера с температурой 1450 °С проточной водой, имеющей температуру 20 °С;
3) то же, но при температуре клинкера 1250*0. Процесс трещинообразования изучен в оптическом микроскопе с использованием полированных шлифов, подвергнутых обработке в 2 %-м водном растворе буры. Зафиксировано два типа трещин: широкие радиальные микротрещины, пересекающие гранулу, иногда с разрушением, и микротрещины, образуюшиеся главным образом в зернах C3S обладающего наиболее высокой хрупкостью. Реже образуются трещины в промежуточной фазе. Чем интенсивнее термоудар, тем сильнее растрескивание под действием возникающих микротрещин, однако образование микротрещин при этом менее существенно. Наименьшую стойкость против термоудара обнаруживают гранулы клинкера с большим содержанием С3А — они разрываются на несколько частей, в то время как гранулы клинкера, содержащего большое количество QAF, более стойки к термоудару ввиду более низкой хрупкости этой фазы.
Клинкер, подвергнутый резкому охлаждению водой от температуры 1250 °С, почти не имеегг микротрещин, гранулы остаются целыми. Однако такой режим охлаждения способствует заметному увеличению микротрешин.
При медленном охлаждении микротрешины отсутствуют, а количество образующихся значительно меньше.
Способность клинкера к образованию трешин при термоударе зависит от разницы между коэффициентами расширения клинкерных минералов и промежуточной фазы.
При быстром охлаждении клинкера от температуры 1450 °С промежуточная фаза затвердевает преимущественно в виде стекла. Коэффициент объемного расширения стекла и C3S отличаются незначительно, поэтому при напряжениях, возникающих в клинкере, образуется меньшее количество трещин. Часть упругой энергии, которая зависит от модуля Юнга Е, уменьшающегося с повышением температуры, рассеивается в пластично-вязком расплаве вплоть до его затвердевания. Хрупкая стекловидная фаза при повышенной упругой энергии вызывает быстрое нестабильное распространение трешии вплоть до разрушения гранул. Теоретическое количество энергии, необходимое для разрушения гранул, составляет около 1 Дж. Избыточная энергия рассеивается в виде кинетической и акустической; ее теоретическое значение — 3—4 Дж.
При быстром охлаждении клинкера, предварительно остывшего до 1250 °С, когда промежуточная фаза уже частично закристаллизовалась, в C3S возникают максимальные напряжения. Свободной термоупругой энергии недостаточно для полного разрушения гранул. Теоретически необходимая энергия, расходуемая на растрескивание C3S, того же порядка, что и свободная термоупругая энергия. Образующиеся в хрупких кристаллах C3S трещины поглощают основное количество энергии. Возможности растрескивания промежуточной фазы и разрушения зерен клинкера также ограничены. Таким образом, образование мнкротрещин и C3S предотвращает дальнейшее их распространение по всему объему гранулы.
Изучена размалываемость клинкеров разного состава, полученных по различным режимам охлаждения (рис. 5.11). Во всех случаях клинкера, охлажденные от 1250 °С, размалываются лучше. Эго относится в первую очередь к клинкерам с большим содержанием С3А, как к более хрупким и чувствительным к термоудару, чем C4AF. Различие в размалываемости клинкеров, быстро и медленно охлажденных от 1450 °С, незначительно.
Авторы приходят к выводу о том, что для каждого клинкера существует присущая только ему оптимальная температура, близкая к температуре затвердевания, ниже которой необходимо дальнейшее быстрое охлаждение, сопровождающееся образованием максимального количества микротрещин в C3S. Этот минерал концентрирует значительную часть напряжений, препятствуя разрыву гранул. Размалываемость клинкера улучшается. Термоудары при более высоких температурах не приводят к существенному улучшению размалываемости.