Belite

Belite är ett industriellt mineral som är viktigt vid tillverkning av Portlandcement . Dess huvudbeståndsdel är dikalciumsilikat, Ca ₂ SiO ₄ , ibland formulerad som 2 CaO · SiO ₂ (C ₂ S i cementkemist beteckning ).

Etymologi

Namnet gavs av Törnebohm 1897 till en kristall som identifierades i mikroskopisk undersökning av Portlandcement. Belite är ett namn som är vanligt förekommande inom cementindustrin, men är inte ett erkänt mineralnamn. Det förekommer naturligt som mineralet larnite , namnet kommer från Larne , Nordirland , den närmaste staden till Scawt Hill där den upptäcktes.

Sammansättning och struktur

Förenklad kristallstruktur av belit

Beliten som finns i Portlandcement skiljer sig i sammansättning från rent dikalciumsilikat . Det är en fast lösning och innehåller mindre mängder andra oxider förutom CaO och SiO ₂ . En typisk komposition:

Oxid	massa %
CaO	63,5
SiO ₂	31,5
Al2O3 _{_} _ _{_}	2.1
Fe ₂ O ₃	0,9
MgO	0,5
SÅ ₃	0,1
Na2O _{_} _	0,1
K ₂ O	0,9
TiO ₂	0,2
P2O5 _{_} _ _{_}	0,2

Baserat på detta kan formeln uttryckas som 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 . I praktiken varierar sammansättningen med klinkerns bulksammansättning, med vissa gränser. Ersättning av kalciumjoner eller ortosilikatjoner kräver att elektriska laddningar hålls i balans. Till exempel kan ett begränsat antal ortosilikatjoner ( SiO
⁴⁻₄ ) ersättas med sulfatjoner ( SO
²⁻₄ ), förutsatt att för varje sulfatjon även två aluminatjoner ( AlO
⁵⁻₄ ) ersätts.

Polymorfer

Dikalciumsilikat är stabilt och framställs lätt av reaktiv CaO och SiO ₂ vid 300 °C. Lågtemperaturformen är γ-belite, eller limeolivin . Denna form hydratiserar inte och undviks vid cementtillverkning.

När temperaturen stiger, passerar den genom flera polymorfa tillstånd:

Temperatur°C	namn	Kristall
>1425	α	Hexagonal
1160–1425	α'H _{_}	Ortorhombisk
680-1160	α'L _{_}	Ortorhombisk
500-680	β	Monoklinisk
<500	γ	Ortorhombisk

Hydrering

Belite är mineralet i Portland cement som ansvarar för utvecklingen av "sen" styrka . Det andra silikatet, alite , bidrar med "tidig" styrka, på grund av dess högre reaktivitet. Belite reagerar med vatten (ungefär) för att bilda kalciumsilikathydrater (CSH) och portlandit (Ca(OH) ₂ ) enligt reaktionen:

${\ce {\underbrace{{2 Ca2SiO4} {{Belite}}+ \underbrace{{4 H2O}}_{{Vatten}}-> 3 CaO . 2 SiO2. 3 H2O + \underbrace{{Ca(OH)2}}_{{Portlandite}}}}$

Denna snabba reaktion är "kemiskt analog" med den långsamma naturliga hydratiseringen av forsterit (magnesiumänddelen av olivin ) som leder till bildandet av serpentin och brucit i naturen, även om kinetiken för hydratisering av dåligt kristalliserad artificiell belit är mycket snabbare än långsam vittring av välkristalliserat Mgolivin under naturliga förhållanden.

${\ce {\underbrace{{2 Mg2SiO4}} _{{Forsterite}}+\underbrace{{3H2O}}_{{Vatten}}-> \underbrace{{Mg3Si2O5(OH)4}}_{{serpentine }}+ \underbrace{{Mg(OH)2} }_{{brucite }}}}$

Hydratfasen , [3 CaO · 2 Si02 _· 3 H2O _] , hänvisas till som " CSH "-fasen. Den växer som en massa av sammankopplade nålar som ger styrkan hos det hydratiserade cementsystemet. Relativt hög belitreaktivitet är önskvärd vid tillverkning av portlandcement, och bildningen av den oreaktiva y-formen måste noggrant undvikas. Detta uppnås genom snabb kylning och bildar kristaller som är små, förvrängda och mycket defekta. Defekter ger platser för initial vattenattack. Underlåtenhet att kyla klinkern leder snabbt till inversion av belit till y-formen. γ-formen har en väsentligt annorlunda struktur och densitet, så att inversion leder till nedbrytning av kristallen och dess omgivande matris, och kan också utlösa nedbrytning av den närliggande aliten . Detta observeras makroskopiskt som "dammning": klinkerknölarna faller till ett fint damm .

Upptäckt

Klinkersektion 0,15 x 0,15 mm

Mineralerna i Portland cementklinker kan observeras och kvantifieras genom petrografisk mikroskopi. Klinkernodulerna skärs och slipas till en plan, polerad yta. De exponerade mineralerna görs synliga och identifierbara genom etsning av ytan. Ytan kan sedan observeras i reflekterat ljus med optisk mikroskopi . I exemplet har en klinkerknöl polerats och etsat med vätefluoridånga . Aliten visas som brun, beliten som blå och smältfaserna som vita. Elektronmikroskopi kan också användas, i vilket fall mineralerna kan identifieras genom mikrosondanalys . Den föredragna metoden för att kvantifiera mineralerna exakt är röntgendiffraktion på den pulveriserade klinkern, med användning av Rietvelds analysteknik. Belite är mycket svårare att mala i en cementkvarn än alit.

Se även

Hydreringsreaktion av forsterit (olivin) vid serpentinisering
CCN , cementkemistnotation

^ Jean-Pierre Bournazel, Yves Malier, Micheline Moranville Regourd, 1998, Betong, från material till struktur RILEM-publikationer, ISBN 2-912143-04-7 .
^ Rådjur William Alexander; Howie, R.A; Zussman, J (1997-05-01). "Larnit" . Disilikater och ringsilikater . 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, Betong, från material till struktur RILEM-publikationer, ISBN 2-912143-04-7 .

[2] Rådjur William Alexander; Howie, R.A; Zussman, J (1997-05-01). "Larnit" . Disilikater och ringsilikater . 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.