水泥硅酸盐水泥熟料矿物的组成结构及其与胶凝性能的关系

C2S含量一般为 20%左右，在水泥熟料烧成过程中形成的硅酸
二钙，常常含有少量的杂质，如FeO、TiO2等——Belite（贝利
特）或B矿。
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二、硅酸盐水泥熟料矿物的结构
690oC
780-860oC
当温度降低到500℃后，β-C2S转变为γ-C2S，晶格进行重排，
比密度由β型的3.28转变为γ型的2.97，体积膨胀越10%，导
使比例恰当，才能使水泥熟料中生成适当的C 3 A和C 4 AF矿物。
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一、 硅酸盐水泥熟料中各氧化物的作用
(4) 氧化镁
含量不大时，以掺杂物的形态存在于其他水泥熟料
矿物和玻璃相中，此时对水泥安定性没有不良影响。
超过一定含量，以方镁石含量存在，引起水泥安定
性不良。(不超过5%)
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致熟料粉化。如果冷却速度很快，晶格重排来不及完成，
形成介稳的β-C2S。
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二、硅酸盐水泥熟料矿物的结构
β-C2S的结构特征
（1）在常温下存在的介稳的高温型矿物，因此，其结构具有
热力学的不稳定性。
（2）钙离子具有不规则配位，使其具有较高的活性。
（3）结构中的杂质和稳定剂的存在提高了其结构活性。
具有胶凝硬化能力的条件：
形成足够数量的水化物；这些水化物能否连生形成网状结构。
需满足两个必要条件：
形成水化物必须是稳定的，由水化物本身结构特性决定；
形成水化物有足够数量，能够彼此交叉，连生，在水泥浆体
空间形成连续的网状结构。由液相的过饱和度及其延续时间
决定。
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第四节
硅酸盐水泥的水化反应及机理
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硅酸盐水泥的水化反应及机理
一、水泥熟料单矿的水化
（一）C3S/C2S的水化
3 CaO▪SiO2 + nH2O—xCaO▪SiO2 ▪yH2O+(3x)Ca(OH)2
C3S+nH—C-S-H+(3-x)CH
C2S+mH—C-S-H+(2-x)CH
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水化产物
C-S-H ：近似组成，组成实际上变化范围很大，尤其是水
电场分布的不均匀性。
阳离子处于活性状态，即价键不饱和状态。
在一定意义上认为：熟料矿物水化实质是活性阳离子在水介
质作用下，与极性离子OH-或极性水分子互相作用并进入溶
液，使熟料矿物溶解和结体。
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水泥熟料矿物具有胶凝能力的本
质与条件
（2）阳离子的活性程度主要决定于阳离子与氧的距离及其键
元素掺杂使晶格排列的规律性受到某种程度影响
结晶结构的有序度降低，稳定性降低，水化能力增强
结构的有序度作为衡量结构不稳定程度的综合性指标。
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水泥熟料矿物具有胶凝能力的本
质与条件
（2）熟料矿物具有反应活性的另一个结构特征，在晶体结构
中存在活性阳离子，活性阳离子存在原因：
1）不规则的配位和配位数降低；2）结构的变形；3）在结构
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（二） 、硅酸盐水泥熟料的率值
1、硅率
3 + 1.3252
() =
1.4343 + 2.0464
SM越大，硅酸盐矿物含量越高，溶剂矿物越少，在煅烧
过程中出现液相越小，所需烧成温度越高；
SM越小，硅酸盐矿物太少而影响水泥强度，且由于液相过多，
易出现结大块、结圈等而影响窑的操作。SM最佳值：1.7~2.7。
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诱导期
反应速率极其缓慢，持续2~4h（水泥浆体保持
熟料中SiO2被CaO饱和形成C3S的程度
KH控制范围：0.82~0.94
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一、硅酸盐水泥熟料矿物组成计算
二、硅酸盐水泥熟料矿物的结构
三、水泥熟料矿物具有胶凝能力的本质与条件
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二、硅酸盐水泥熟料矿物的结构
水泥熟料矿物组成：
C3S、C2S、C3A、C4AF、玻璃体、f-CaO、f-MgO。
C3A水化速度较快。
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二、硅酸盐水泥熟料矿物的结构
C4AF的形貌特征
才利特或简称C矿。
高温时形成的一种固溶体，在铝原子取代铁原子时引起晶格
稳定性降低。
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二、硅酸盐水泥熟料矿物的结构
玻璃体：熟料的形成是由于熟料烧制部分熔融时部分液相
在较快冷却 时来不及析晶的结果。热力学不稳定的，所以
(3)氧化铝与氧化铁
与CaO作用生成C 3 A和C 4 AF。
注意：CaO-Al 2 O 3 -Fe 2 O 3 体系反应过程中，首先是CaO与
Al 2 O 3 生成C 3 A,随后C 3 A与Fe 2 O 3 反应生成C 4 AF，只有当
Fe 2 O 3 与之作用结束，才有C 3 A矿物存在。
考虑熟料矿物组成时，既要使Al 2 O 3 与Fe 2 O 3 总量适当，又要
（二）、硅酸盐水泥熟料的率值
1、硅率
物理意义：
2
() =
2 3 + 2 3
水泥熟料矿物中硅酸盐矿物与溶剂矿物（C3A+C4AF）之间的数
量对比关系。当铝率大于0.64时，硅率与矿物组成之间的数学式为：
3 + 1.3252
() =
1.4343 + 2.0464
硅酸盐水泥熟料四种矿物中，Al2O3和Fe2O3始终被CaO饱和
SiO2可能不完全被CaO饱和生成C3S，存在一部分C2S，否
则熟料中出现游离氧化钙，影响水泥质量
引入石灰饱和系数KH概念
石灰用量：CaO=KH*2.8SiO2+1.65Al2O3+0.35 Fe2O3
− 1.652 3 − 0.35 2 3
硅酸盐水泥：0.8~1.7。注意：抗硫酸盐水泥或低热水泥的铝率低至0.7.
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（二） 、硅酸盐水泥熟料的率值
3、石灰饱和系数(KH)
硅酸盐水泥熟料有C3S、C2S、C3A、C4AF组成，控制CaO含
量是决定水泥质量关键。
酸性氧化物形成碱性最高的矿物为C3S、C3A、C4AF，据此提
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二、硅酸盐水泥熟料矿物的结构
C3S是硅酸盐水泥的主要矿物，其含量通常在50%左右。C3S
在1250℃以上是稳定的，如果在此稳定下缓慢冷却时会分解。
3 · 2 = 2 · 2 +
C3S按上式分解速率，随温度的降低迅速减弱，在急冷的条
件下，分解速率小到可以忽略。
具有一定的活性。
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一、硅酸盐水泥熟料矿物组成计算
二、硅酸盐水泥熟料矿物的结构
三、水泥熟料矿物具有胶凝能力的本质与条件
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水泥熟料矿物具有胶凝能力的本
质与条件
（1）熟料矿物的反应活性，决定于其结构的不稳定性，原因：
1）介稳的高型矿物；2）矿物中形成有限固溶体；3）微量
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二、硅酸盐水泥熟料矿物的结构
[SiO4]4-四面体向一个方向排列，联系它们的Ca2+的配位数为
6，少于正常的8~12，配位数低，因而不稳定；
[CaO6]10-八面体中O的分布也不规则，5个O集中在一边，另
一边只有一个O，因而在结构中存在较大孔穴。
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二、硅酸盐水泥熟料矿物的结构
=
2.82
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（二） 、硅酸盐水泥熟料的率值
3、石灰饱和系数(KH)
− 1.652 3 − 0.35 2 3
=
2.82
物理意义：
熟料中（全部SiO2生成C3S和C2S所需的CaO含量）与（全部
SiO2生成C3S所需CaO最大含量）的比值
含量会发生很大的变化。其结晶度很差，是由各维度上都
非常细小的，属于胶体尺寸范围（小于1微米）的粒子组
成。因此成为C-S-H gel。
CH：氢氧化钙，有固定组成的晶体物质。
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阶段1
2
3
4
5
（水
化 6
放
热 诱
）速 4 导
率 前
期
2
阶段4
cal/gh
放
热
速
率
1
阶段3
阶段2
阶段5
诱导期
加速期
（1）C3S是在常温下存在的介稳的高温型矿物，因而其结构是
热力学不稳定的。
（2）在硅酸三钙结构中，进入了Al3+与Mg2+离子并形成固熔体，
固熔程度越高，活性越大。
（3）在硅酸三钙结构中，钙离子的配位数为6，比正常的配位
数低，并且处于不规则状态，因而使钙离子具有较高的活性。
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二、硅酸盐水泥熟料矿物的结构
1.153
+0.64
4
IM<0.64, Al2O3含量无多余，不可能形成C3A，Fe2O3与全部
Al2O3一起结合生成C4AF，多余的Fe2O3与CaO生成C2F。
铝率越高，熟料中的C3A越多，但C4AF较少，则液相粘
度大，物料难烧；铝率过低，虽然液相粘度较小，有利于C3S
烧成，但烧成范围变窄，易结大块，不利于窑的操作。
2、铝率
IM(p) =
l23
2 3
当Al2O3与Fe2O3的摩尔比大于1(质量比大于0.64)时，在水泥熟料
中才能形成C4AF又形成C3A，此时，铝率与矿物组成的关系式：
I() =
1.153
+0.64
4
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（二） 、硅酸盐水泥熟料的率值
2、铝率
I() =
(一)、硅酸盐水泥熟料中各氧化物的作用
(1)氧化钙
水泥熟料主要成分，与酸性氧化物结合生成C 3 S、C 2 S 、
C 3 A、C 4 AF等熟料矿物。
C 3 S由CaO和C 2 S形成，CaO含量直接影响C 3 S含量。
CaO含量少，C 3 S少，CaO过多，其中一部分以游离
氧化钙存在，安定性不良，含量控制62-68%.
能的大小。阳离子的半径其重要作用。原因：
阴离子(如O2-)呈紧密堆积时，其中所留下的能够容纳阳离子
的空间有限：
1）阳离子半径小于孔隙允许范围，不影响紧密堆积状态；
2）阳离子半径大于允许范围，阳离子将阴离子紧密堆积体撑
开，离子结合疏松，键能减小。
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水泥熟料矿物具有胶凝能力的本
质与条件
出石灰理论极限含量。为便于计算，C4AF改写为C3A与CF。
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（二） 、硅酸盐水泥熟料的率值
3、石灰饱和系数(KH)
每1%SiO2形成C3S所需石灰量
每1%Al2O3形成C3A所需石灰量
每1%Fe2O3形成CF所需石灰量
3 ∗ 3 ∗ 56.08
=
=
= 2.8
2
在常温下保持介稳状态，从热力学观点看，是不稳定的。
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二、硅酸盐水泥熟料矿物的结构
在水泥熟料中一般含有MgO、Al2O3以及其他少量氧化物，
它们能进入C3S的晶格并形成固熔体，因此水泥中的C3S一般
不是以纯的C3S形式存在的，而是含有MgO、Al2O3的固熔
体。——Alite阿利特或简称A矿。
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(一)、 硅酸盐水泥熟料中各氧化物的作用
(2)二氧化硅
水泥熟料矿物主要成分之一，其含量决定水泥熟料中
硅酸钙矿物数量.
CaO含量一定，SiO 2 含量影响C 3 S与C 2 S相对含量，
较高含量SiO 2 使C 3 S生成量较少，含量控制20-24% 。
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(一)、 硅酸盐水泥熟料中各氧化物的作用
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二、硅酸盐水泥熟料矿物的结构
C3A的结构特征
（1）钙离子具有不规则的配位数，其中处于配位数为6的钙
离子和配位数为12但联系松散的钙离子，均有较大活性。
（2）铝离子也具有两种配位情况，且[AIO4]5- 是变了形的，
因此具有较大活性。
（3）C3A具有较大孔穴，OH- 很容易进入晶格内部，因此
注意：白色硅酸盐水泥熟料SM高达4.0左右
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（二） 、硅酸盐水泥熟料的率
值
2、铝率
l23
IM(p) =
物理意义：
2 3
水泥熟料矿物中氧化铝与氧化铁的质量比。如果Al2O3与Fe2O3
的总含量已经确定，铝率表示C3A与C4AF的相对含量。
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（二）、硅酸盐水泥熟料的率值
60.09
3 ∗ 3 ∗ 56.08
=
=
= 1.65
l23
101.96

56.08
=
=
= 0.35
e23 159.70
石灰理论极限用量：CaO=2.8SiO2+1.65Al2O3+0.35Fe2O3
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（二） 、硅酸盐水泥熟料的率值
3、石灰饱和系数(KH)
/
几十分钟
若干小时
减速期
稳定期
若干天
0.1
C3S水化放热速率
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1
10
100
时间/h
硅酸三钙水化放热速率
诱导前期
开始与水接触时，钙离子和氢氧根离子迅
速地从每个C3S粒子的表面释放出来；pH值在
几分钟内上升至大于12，溶液具有强碱性。
加水后立即发生急剧化学反应，但持续时
间较短，在15min内结束。