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Clinker di cemento portland: il calcolo Bogue

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Il calcolo Bogue è usato per calcolare le proporzioni approssimative dei quattro minerali principali nel clinker di cemento Portland.
Il calcolo Bogue standard si riferisce al clinker di cemento, piuttosto che al cemento, ma può essere adattato all’uso con il cemento. Anche se il risultato è solo approssimativo, il calcolo è estremamente utile e ampiamente utilizzato nell’industria del cemento.

Il calcolo presuppone che i quattro minerali principali del clinker siano minerali puri con composizioni:

Alite: C3S, o silicato tricalcico

Belite: C2S, o silicato dicalcico

Fase alluminata: C3A, o alluminato tricalcico

Fase ferritica: C4AF, o aluminoferrite tetracalcica

È importante ricordare che queste composizioni presunte sono solo approssimazioni alle composizioni reali dei minerali.

Il clinker è fatto combinando calce e silice e anche calce con allumina e ferro. Se una parte della calce rimane non combinata (cosa che quasi certamente accadrà) dobbiamo sottrarla dal contenuto totale di calce prima di fare il calcolo per ottenere la migliore stima delle proporzioni dei quattro principali minerali di clinker presenti. Per questo motivo, un’analisi del clinker dà normalmente una cifra per la calce libera non combinata.
(NB: Se si desidera solo calcolare le proporzioni minerali potenziali in un clinker, la correzione per la calce libera non combinata può essere ignorata; il calcolo darà quindi le proporzioni minerali del clinker assumendo che tutta la calce si sia combinata).
Il calcolo è semplice in linea di principio:

In primo luogo, secondo le composizioni minerali assunte, la fase ferrite è l’unico minerale a contenere ferro. Il contenuto di ferro del clinker fissa quindi il contenuto di ferrite.

In secondo luogo, il contenuto di alluminato è fissato dal contenuto totale di allumina del clinker, meno l’allumina nella fase ferritica. Questo può ora essere calcolato, dato che la quantità di fase ferritica è stata calcolata.

In terzo luogo, si assume che tutta la silice sia presente come belite e il prossimo calcolo determina quanta calce è necessaria per formare belite dal contenuto totale di silice del clinker. Ci sarà un’eccedenza di calce.

In quarto luogo, l’eccedenza di calce viene assegnata alla belite, convertendone una parte in alite.

In pratica, il suddetto processo di assegnazione degli ossidi può essere ridotto alle seguenti equazioni, in cui gli ossidi rappresentano le percentuali di peso degli ossidi nel clinker:

CALCO DEL BOGUE

C3S=4.0710CaO-7.6024SiO2-1.4297Fe2O3-6.7187Al2O3

C2S=8.6024SiO2+1.0785Fe2O3+5.0683Al2O3-3.0710CaO

C3A=2.6504Al2O3-1.6920Fe2O3

C4AF=3.0432Fe2O3

Clinkeranalysis
SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO K2O Na2O SO3 LOI IR Total
21.5 5.2 2.8 66.6 1.0 0.6 0.2 1.0 1.5 0.5 98.9
Freelime = 1.0% CaO

Worked example of a Bogue calculation:

Using the above analysis, the calculation is as follows:

Combined CaO = (66.6% – 1.0% free lime) = 65.6%

This is the figure we use for CaO in the calculation.

From the analysis, we have:

CaO=65.6%; SiO2=21.5%; Al2O3=5.2% and Fe2O3=2.8%

The Bogue calculation is therefore:

C3S=4.0710CaO-7.6024SiO2-1.4297Fe2O3-6.7187Al2O3

C2S=8.6024SiO2+1.1Fe2O3+5.0683Al2O3-3.0710CaO

C3A=2.6504Al2O3-1.6920Fe2O3

C4AF=3.0432Fe2O3

Therefore:

C3S=(4.0710 x 65.6)-(7.6024 x 21.5)-(1.4297 x 2.8)-(6.718 x 5.2)

C2S=(8.6024 x 21.5)+(1.0785 x 2.8)+(5.0683 x 5.2)-(3.0710 x 65.6)

C3A=(2.6504 x 5.2)-(1.6920 x 2.8)

C4AF=3.0432 x 2.8

So:

C3S=64,7%

C2S=12,9%

C3A=9,0%

C4AF=8,5%

Va sottolineato che il calcolo Bogue non dà le quantità “vere” delle quattro fasi principali di clinker presenti, anche se questo viene talvolta dimenticato. I risultati del calcolo Bogue differiscono dalle quantità “vere” (spesso chiamate proporzioni di fase) principalmente perché le composizioni minerali effettive differiscono – spesso solo leggermente, ma occasionalmente di più e in particolare nel caso della fase ferritica, dalle composizioni di fase pure assunte nel calcolo.

Per regolare il calcolo per l’uso con il cemento Portland, è necessario considerare prima quali altri materiali possono essere presenti nel cemento. Se il cemento è una miscela di solo clinker e gesso, il calcio legato al gesso può essere considerato approssimativamente deducendo (0,7 x SO3) dal CaO totale. Si noti che questo non tiene conto del solfato di clinker presente come solfato di potassio o di sodio e quindi si introdurrà un piccolo errore.

Una regolazione simile può essere effettuata per il calcare; il contenuto di calcare può essere stimato determinando il contenuto di CO2 del cemento e calcolando il CaO corrispondente. Se sono presenti scorie o ceneri volanti, in linea di principio la formula potrebbe essere regolata per tenerne conto, ma la composizione delle scorie o delle ceneri dovrebbe essere conosciuta con precisione e in pratica questo non è un aggiustamento fatto normalmente.

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The following pages have more details on clinker composition, reactions in the kiln and cement milling:

Cement notation/Clinker compositional parameters/Combinability/Reactions in the kiln/Cement milling

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