水泥材料学3-1-熟料组成

第3章硅酸盐水泥熟料研究目的与意义熟料是水泥的主要组成部分，水泥的质量主要决定于熟料的质量熟料矿物的组成和结构决定熟料性能熟料的形成过程、原料和制备条件影响矿物组成和结构定义凡以适当成分的生料烧制部分熔融，所得到的以硅酸钙为主要成分的产物，称为硅酸盐水泥熟料，简称熟料。特点：高温煅烧多矿物集合体人造岩石主要内容3.1硅酸盐水泥熟料组成与特性3.2硅酸盐水泥熟料的形成过程3.3硅酸盐水泥熟料的微观结构与分析方法3.4硅酸盐水泥熟料矿物组成设计与配料计算3.1硅酸盐水泥熟料组成及特性水泥熟料组成的表示方法化学组成：以主要氧化物表示水泥熟料组成矿物组成：以实际存在的能够发挥胶凝作用的化合物（固溶体）表示水泥熟料组成率值：氧化物之间或者矿物之间的相对比例关系，主要用于熟料设计和生产控制水泥熟料的组成硅酸盐水泥熟料的化学组成化学组成:CaO62-67%SiO220-24%Al2O34-7%Fe2O32.5-6.0%另外:MgO、K2O、Na2O、f-CaO等（5%）硅酸盐水泥熟料的矿物组成硅酸三钙---3CaO·SiO2，可简写为C3S硅酸二钙---2CaO·SiO2，可简写为C2S铝酸三钙---3CaO·Al2O3，可简写C3A铁相固溶体---通常以铁铝酸四钙4CaO·Al2O3·Fe2O3作为其代表式，可简写为C4AF玻璃体、方镁石、游离钙硅酸盐水泥熟料矿物组成的历史演变自1824年英国人JosephAspdin发明硅酸盐水泥以来，在发展过程中，硅酸盐水泥熟料的组成也在不断地变化。1935年，Paul.S对美国多家水泥厂的熟料成分进行了分析，矿物组成波动范围为C3S:32～53%、C2S:24～32%、C3A:6～15%和C4AF:8～13%。乔龄山和王文义等总结了近一个世纪以来世界部分国家水泥熟料组成的变化。硅酸盐水泥熟料矿物组成的历史演变DateDataSourceC3SC2SC3AC4AFf-CaOKHSMIM1935Averagevalueofsamplesfrom8USAplant482811101981Averagevalueof19samplesfrom8nations5523890.890.8812.711.571984Averagevalueof23samplesfrom14nations5621890.700.8892.801.701990fromUSAplants6018131995Averagevalueofsamplesfrom58Japanplants5818990.9012.601.86581996Averagevalueof6samplesfrom57Germanplant6513111972Averagevalueofoldrotarykilnsamplesfrom58Chinaplants50247141.000.8712.111.202004Averagevalueofoldrotarykilnsamplesfrom39Chinaplants56198131.110.8962.131.352004Averagevalueofnew-typerotarykilnsamplesfrom28Chinaplants55218100.990.8882.531.57硅酸盐水泥熟料矿物组成的历史演变在近一个世纪的进程中，熟料中C3S提高了约10%、C2S下降了约10%、C3A和铁相固溶体无明显变化。我国回转窑水泥熟料在1972年至2004年的30年间，其熟料中C3S约提高了5%、C2S约下降了3%、C3A和C4AF无明显变化。我国水泥熟料中C3S和C3A的含量均低于发达国家，而C2S和C4AF则相反。硅酸盐水泥熟料的矿物组成熟料矿物形成温度矿物名称C3SC2SC3AC4AF形成温度（℃）理论16501450900—1200实际1300—14501250900—1200硅酸盐水泥熟料的矿物组成硅酸盐水泥熟料矿物水化活性矿物名称C3SC2SC3AC4AF水化速度C3A＞C3S＞C4AF＞C2S凝结时间正常正常极短水化热高低高且集中强度发挥期28天前80%28天前20%，主要在一年后主要提供3天前强度介于C3A和C3S之间影响水化活性的因素矿物晶体尺寸和结构硅酸盐水泥熟料的矿物组成硅酸三钙及其固溶体Alite：CaO70.90—73.10%SiO224.90—25.30%Al2O30.70—2.47%MgO0.3—0.98%C3S是在1250℃以上通过C2S与CaO相互反应形成。C3S及其同质多晶体的形成受到一些离子的影响（SO3、F-、金属离子等）C3S及其同质多晶体在结构上相似，仅有微小畸变由硅氧四面体组成空间群结构,钙离子联结硅氧四面体,以八面体配位于没有与硅离子联结的氧离子。每个分子单胞有三个八面体空洞，大到足可容纳其他原子。A矿显微结构结晶良好的A矿A矿尺寸不均，分堆分布理想A矿晶体形态为六方板状、柱状或片状常见单斜晶系发育不完整的A矿、晶形不规则短柱状和少量板状A矿具有层带状结构的A矿A矿物形态与成因分析矿物切面图描述原因分析A板状（六角形）常见发育良好的A矿晶体柱状、长柱状煅烧温度高、液相量富或KH高的情况下棱角圆钝窑内还原气氛、煤灰投落使液相碱度降低A矿受液相熔蚀而造成熔蚀凹缺原因同上边毛分解慢冷熟料A矿刚开始分解花环结构慢冷熟料A矿分解贴近A矿的细粒B矿高温烧成熟料中常见贴近A矿的腰子形B矿原因同上A矿的裂纹高MgO熟料、高SiO2（燧石）熟料、慢冷熟料A矿中的包裹体可能有B矿和ƒ-CaOA矿慢冷分解、急烧A矿快速生成包围B矿、含燧石灰岩烧成的熟料环带构造晶体内外固溶体成分不同，分解时形成环带构造飞砂料A矿（麻点）煤灰集中降落形成的无定形A矿烧成温度低或欠烧熟料中常见硅酸盐水泥熟料的矿物组成硅酸二钙及其固溶体Blite：CaO63—63.7%SiO231.5—33.7%Al2O31.1—2.6%MgO0.2—0.6%C2S的晶体结构B矿显微结构B矿群手指状、树叶状B矿B矿的晶体形貌特征是常呈近圆粒状半自形晶常具有两组相互交叉的双晶纹特殊条件下可见手指状、树枝状等B矿矿巢及发育不完整的A、B矿B矿矿巢及发育不完整的A矿具有爪状结构的B矿和麻面、形状不规则的B矿矿巢具有交叉双晶纹的B矿矿巢B矿物形态与成因分析矿物切面图描述原因分析B圆形光滑B矿正常B矿的形成平行聚片双晶烧成温度低于1420℃时形成细而长的交叉双晶纹烧成温度高而快冷熟料中常见短而粗的交叉双晶纹烧成温度较高，慢冷熟料中B矿双晶纹偏析固溶体分离造成边毛状B矿还原气氛和慢冷熟料中的B矿手指状B矿还原气氛和慢冷熟料中的B矿树枝状B矿严重的还原气氛下生成的CFS，后来CFS与C2S固溶体分解造成树枝状B矿无定形B矿欠烧熟料或烧成温度不足的熟料中的B矿葡萄状B矿由β-C2S转化γ-C2S、欠烧熟料中的B矿橄榄石化B矿严重的还原气氛下CFS与C2S形成固溶体B矿裂纹含燧石灰岩烧成的熟料、慢冷β-C2S转化为γ-C2S硅酸盐水泥熟料的矿物组成铝酸三钙及其固溶体铝酸钙（C3A）中固溶有SiO22.1—4.0%；Fe2O34.4—6.0%；MgO0.4—1.0%；K2O0.4—1.1%铁相固溶体中含有SiO20.6—1.2%；MgO0.4—3.2%；K2O0—0.1%黑色中间相的形态与成因分析矿物切面图描述原因分析黑色中间相点滴状C3A快冷熟料中的C3A点线状C3A原因同上长柱状C3A含碱高的熟料中的C3A晶体点滴状C3A慢冷熟料中的C3A晶体矩形状C3A慢冷熟料中的C3A晶体点滴状C3A慢冷熟料中的C3A晶体•没有多晶转化•具有一定成分•钙原子连结AlO4四面体•每个分子单胞有8个半径为1.47埃的空穴•钠和钾可置换钙，使C3A结晶格子发生变化•正交晶系•Mg、Si、Ti、Mn、Cr均能进入C4AF晶格，引起晶格变化硅酸盐水泥熟料的矿物组成游离氧化钙f-CaO没有参与熟料矿物形成反应的剩余氧化钙f-CaO游离钙显微结构A矿与游离钙游离钙硅酸盐水泥熟料的矿物组成方镁石（游离氧化镁）玻璃相（存在于中间相中，含有较多Al2O3和Fe2O3，熟料液相高温骤冷形成）气孔水泥熟料的组成的表示方法率值石灰饱和系数（KH）：熟料中实际与氧化硅反应生成硅酸钙（硅酸三钙+硅酸二钙）的氧化钙含量与氧化硅全部生成硅酸三钙所需要的氧化钙最大含量的比值。氧化硅被氧化钙饱和形成硅酸三钙的程度。硅酸率：硅酸盐矿物与熔剂矿物的比例。铝氧率：铝酸盐矿物与铁铝酸盐矿物的比例。