Лабораторная работа по дисциплине "Строительство"

Диаграмма состояния системы CaO-SiO₂.

Диаграмма состояния системы CaO-SiO₂ построена, в основном, по данным Г. Ранкина и Ф. Райта с учетом сведений о характере плавления трехкальциевого силиката.

На оси  абсцисс показана концентрация данных компонентов от 0 до 100% без прерываний и сокращений. Точки в начале и  конце оси соответствуют 100%-му содержанию компонента, обозначение которого стоит в этой точке.

На оси  ординат показана температура компонентов  от 0 до 2570^˚ также без прерываний и сокращений.

В системе  CaO-SiO₂ существуют следующие бинарные соединения: однокальциевый силикат (метасиликат кальция) CaO·SiO₂или CaSiO₃; трехкальциевый дисиликат 3CaO·2SiO₂или Ca₃Si₂O₇; двухкальциевый силикат (ортосиликат кальция) 2CaO·SiO₂ или Ca₂SiO₄; трехкальциевый силикат 3CaO·SiO₂или Ca₃SiO₅.

Метасиликат кальция CaO-SiO₂ имеет две полиморфные модификации: низкотемпературную форму β-CaO-SiO₂(волластонит), устойчивую до 1125˚С, выше которой она переходит в высокотемпературную форму α-CaO·SiO₂(псевдоволластонит), плавящуюся конгруэнтно при 1544˚С.

Трехкальциевый дисиликат 3CaO·SiO₂плавится инконгруэнтно при 1464˚С, разлагаясь на жидкость состава (мас.%): 58,2 CaOи 41,8 SiO₂и кристаллы α-2CaO·SiO₂. Имеются данные о существовании двух полиморфных модификаций 3CaO·2SiO₂ – ранкинита и низкотемпературной разновидности – килхоанита (на диаграмме не показаны).

Двухкальциевый силикат 2CaO·SiO₂ — конгруэнтно плавящееся при 2130°С соединение, обладающее сложным и до конца не изученным полиморфизмом. На приведена диаграмма состояния однокомпонентной системы 2CaO-SiO₂, предложенная X. Бредигом,в соответствии с которой ортосиликат существует в четырехполиморфных формах: α, α' β и γ. Три из них энантиотропные, т.е.имеют температурные области стабильного существования, низкотемпературнаяγ-форма до 850,α-форма при 850…1450˚ и высокотемпературная α-форма при 1450…2130˚С. Четвертая, β-форма при обычном давлении не имеет температурной области стабильного существования, т.е. является метастабильной (ниже 675˚С) и монотропной по отношению к γ-форме, т.е. при охлаждении α'-форма сначала переходит в метастабильную β-форму, а последняя в устойчивую при низкой температуре γ-форму. Переход β→ γсопровождается значительным уменьшением плотности и увеличением удельного объема (на 13%), что приводит к саморассыпанию спеченных препаратов 2CaO·SiO₂ (предотвратить переход β→ γможно, например, за счет кристаллохимической стабилизации).

Еще одним  соединением в системе CaO-SiO₂ является трехкальциевый силикат 3CaO·SiO₂. Это соединение имеет область стабильного существования от 1250 до 2070˚С плавится инконгруэнтно на жидкость состава (мас. %): 73,6 CaO, 26,4 SiO₂ и кристаллы CaO.

В высококремнеземистых составах этой системы наблюдается фазовое разделение однородного расплава на две несмешивающиеся жидкости, причем при 1698˚С в трехфазном инвариантном равновесии с кристобалитом находится жидкость, содержащая (мас. %): 0,6 CaOи 99,4 SiO₂, и жидкость, содержащая (мас. %): 28,0 CaOи 72,0 SiO₂.

Значение  системы CaO-SiO₂ определяется тем, что существующие в ней соединения являются важной составной частью многих технических продуктов – цементов, доломитовых и других огнеупоров, некоторых видов керамики, шлаков черной металлургии и т.д. В частности, 3CaO·SiO₂ в виде минерала алита является главным минералом портландцемента (алит представляет собой твердый раствор в 3CaO·SiO₂ небольшого количества примесных оксидов, прежде всего Al₂O₃и MgO). В состав портландцемента входит также β-форма 2CaO·SiO₂в виде минерала белита. 

 

 

 

Задача №1.

Точка H. Находится в частной диаграмме 3-го типа между соединениями C₂Sи C₃S. В Н₁ при t = 2100˚ из жидкости начинают выпадать кристаллы C₂S. Изменение состава жидкости идет до точки эвтектики Н₂ при t= 2000˚С. Здесь протекает реакция α-C₂S +Ж→ C₃S, в результате которой жидкость полностью исчезает, т.к. по правилу конечных фаз должна получиться система из соединений C₂S и CaO.

В точке H₃ при t = 1440˚C происходит полиморфное превращение α-C₂S в     α′-C₂S.

В точке H₄ при t = 1250˚C происходит распад C₃S на CaO и α′-C₂S, т.е. прекращает свое существование.

В точке H₅ при t = 675˚C происходит полиморфное превращение α′-C₂S в        γ-C₂S и в дальнейшем происходит остывание.

                 

 

                    

 

 

Задача №2.

Требуется найти соотношение между фазами (в процентах), образовавшимися при  охлаждении расплава, содержащего 15% CaO при полной кристаллизации.

Точка М. Соответствует 15%-му содержанию CaO и находится в частной диаграмме между соединениями CS и SiO₂. Найдем соотношение между фазами, образовавшимися при охлаждении расплава. Для этого опустим из точки М на ось абсцисс перпендикуляр, измерим расстояние от получившейся точки пересечения до точки с обозначением «CS» и до точки с обозначением «SiO₂», а так же измерим расстояние между точками «CS» и «SiO₂» в мм. М₁-СS = 48 мм. М₁-SiO₂ = 22 мм. СS-SiO₂ = 70 мм.

Теперь  выразим отношение между длинами  отрезков М₁-СS и М₁-SiO₂ в процентах. По правилу рычага полученные значения и будут искомыми и будут соответствовать соотношениям между фазами, то есть содержание CS = 68,57%, а SiO₂= 31,43%.

                           

 

 

Задача №3.

Требуется определить температуру, при которой  образуется 60% жидкой фазы в смеси, содержащей 10% SiO₂.

Точка К. Соответствует 10%-му содержанию SiO₂ и находится в частной диаграмме между соединениями CaO и C₃S. Искомая температура находится в интервале 2070˚-2570˚С.

В К₁ при температуре 2350˚С  выпадают первые кристаллы CaO. Состав жидкой фазы изменяется до точки перитектики М при 2070˚С. Расстояние от точки К₁ до левой оси ординат можно принять за 60% жидкой фазы, затем измерив его. По соотношению длин отрезков определяется длина отрезка, соответствующая 40% твердой фазы. К₁-CaO = 19 мм., К₁-Т = 12,67 мм., CaO-Т = 31,67 мм.

Полученный  отрезок располагается на температуре 2350 ºС, которая и будет искомой.