Процессы клинкерообразования, происходящие при температурах 1300—1450 С в присутствии значительного количества жидкой фазы, включают:
- плавление ферритной и алюминатной фаз и некоторого количества белита (образование расплава);
- образование гранул;
- реакцию между свободным СаО с непрореагировавшим кремнеземом и некоторым количеством белита с образованием алита в расплаве;
- полиморфное превращение белита в α-форму;
- рекристаллизацию и рост кристаллов алита и белита;
- испарение летучих компонентов.
С повышением температуры обжига до 1450…1750 C в клинкерах образуется на 5…10% больше алита, чем это соответствует расчету. Неравновесное повышение содержание алита объясняется внедрением в решетку C3S ионов Mg2+, Al3+, Fe3+, Na+ с образованием твердых растворов. Одновременно возможен термический распад C3А и C4AF и вступлением выделяющимся при этом СаО в реакцию с C2S с образованием дополнительного количества C3S. Соответственно при этом в клинкере снижается доля таких минералов как C2S, C3А и C4AF.
Время пребывания сырьевой смеси в зоне спекания во вращающейся печи составляет 15…30 мин при температуре 1300…1450 C. Сокращение времени пребывания материала в зоне спекания до нескольких минут приводит к появлению в клинкере СаОсвоб. Увеличение продолжительности обжига более эффективно при низких температурах, чем при высоких, поскольку в последнем случае степень завершенности реакций быстро достигает высоких значений.
Явление замедления скорости усвоения СаО по мере увеличения длительности изометрической выдержки вызвано рядом причин:
- уменьшением концентрации реагирующих СаО и C2S в обжигаемом материале;
- неравномерностью распределения остаточных количеств этих минералов в массе спекающегося клинкера, что увеличивает время перемещения составляющих их ионов к зонам активного роста кристаллов C3S (неравномерность распределения C2S и СаО наиболее сильно проявляется при содержании в шихте крупных исходных зерен СаСО3).
- возможным частичным распадом некоторых соединений (C2S и C2А) при плавлении в температурных перепадах.
На практике достичь полного усвоения СаО трудно, поэтому в клинкерах с высоким значением КН допускается до 1% СаОсвоб.
Скорость роста кристаллов C3Sпри температуре 1000C медленная, а при температуре 1600 C кристаллы вырастают до размеров 1…3 мм за несколько секунд. С увеличением времени пребывания материала в зоне максимальных температур структура кристаллов алита становится более однородной, но размеры растут медленно в результате установления динамического равновесия между твердой и жидкой фазами. Незначительный рост кристаллов алита происходит за счет растворения отдельных нестабильных его частиц и переотложения их на более стабильных кристаллах этого минерала.
Для 28-суточной прочности цементного камня оптимальный размер кристаллов алита составляет около 15 мкм, а более крупные кристаллы менее реакционноспособны и твердеют более медленно.