材料工程技术专业《硅酸盐水泥熟料的矿物组成》

硅酸盐水泥熟料的矿物组成

在硅酸盐水泥熟料中，CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3等并不是以单独的氧化物存在，而是以两种或两种以上的氧化物反响组合成各种不同的氧化物集合体，即以多种熟料矿物的形态存在。这些熟料矿物结晶细小，通常为30～60um，因此，可以说硅酸盐水泥熟料是一种多矿物组成的、结晶细小的人造岩石。

1．熟料的矿物组成

硅酸盐水泥熟料中的主要矿物有以下四种：

硅酸三钙：3CaO·SiO2简写成C3S

硅酸二钙：2CaO·SiO2 简写成C2S

铝酸三钙：3CaO·Al2O3 简写成C3A

铁铝酸四钙：4CaO·Al2O3·Fe2O3简写成C4AF

另外，还有少量的游离氧化钙〔ƒ-CaO〕、方镁石〔即结晶氧化镁〕、含碱矿物以及玻璃体等。

硅酸三钙和硅酸二钙合称硅酸盐矿物，约占75%左右，要求最低为66%以上,它们是熟料的主要组分。

铝酸三钙和铁铝酸四钙合称熔剂矿物，约占22%左右。

硅酸盐矿物和熔剂矿物总和约占95%左右。

对于中等水化热、中等抗硫酸盐水泥熟料中的C3A≤％，C3S ＜％；高抗硫酸盐的水泥熟料中的C3A≤％，C3S＜％。

硅酸三钙和硅酸二钙都是硅酸盐矿物，硅酸盐水泥熟料的名称也由此而来。在煅烧过程中，铝酸三钙和铁铝酸四钙与氧化镁、

碱等在1250～1280℃开始会逐渐熔融成液相以促进硅酸三钙的顺利形成，因而把它们称之为熔剂性矿物。

四种主要矿物的含量一般范围及国内外局部水泥生产企业生产数据见表4-2。

表4-2 熟料矿物含量范围〔%〕

〔1〕硅酸三钙

①形成条件及其存在形式

硅酸三钙是硅酸水泥熟料中的主要矿物，通常，它是在高温液相作用下，由先导形成的固相硅酸二钙吸收氧化钙而成。

现代研究及测试技术一致证明：水泥熟料中的硅酸三钙并不是以纯的C3S形式存在，而总是与少量的其他氧化物如A12O3、Fe2O3、MgO、R2O等形成固溶体。这种固溶体在反光显微镜下的岩相照片为黑色多角形颗粒，将其定名为阿利物〔Alite〕，简称A矿。

②矿物水化特性

硅酸三钙加水调和后，在其为断的与水发生反响的过程中，具有如下特性：

ａ水化较快，水化反响主要在28d以内进行，约经一年后水化过程根本完成；

ｂ早期强度高，强度的绝对值和强度的增进率较大。其28d 强度可以到达它一年强度的70%~80%，就28d或一年的强度来说，在四种主要矿物中硅酸三钙最高，它对水泥的性能起着主导作用。

ｃ水化热较高，水化过程中释放出约500J/g的水化热；抗水性较差。因此，如果要求水泥的水化热较低，抗水性较好时那么宜适当降低熟料中的C3S含量。

〔2〕硅酸二钙

硅酸二钙由C a O与SiO2化合而成，是硅酸盐水泥熟料中的主要矿物之一。

①多晶转变

纯C3S在1450℃以下亦有同质多晶现象，通常有四种晶型，即α-C2S、ά- C2S、β- C2S 、γ- C2S。

常温下，有水硬性的α-C2S、高温型άH-C2S、低温型άH-C2S、β-C2S都是不稳定的，有趋势要转变为结构中Ca2离子的配位数相当规那么的、几乎没有水硬性的γ-C2S。因γ-C2S的密度cm3，而β-C2S密度是cm3，故发生β→γ转变时，伴随着体积膨胀10%，结果是熟料崩溃，生产中称之为粉化。

当烧成温度较高，冷却较快，且固溶有少量A12O3、Fe2O3、

R2O、MgO等的熟料中，通常均可保存有水硬性的 -C2S。

②矿物特性

硅酸二钙通常因溶有少量氧化物A12O3、Fe2O3、MgO、R2O 等面呈固溶体存在。这种固溶少量氧化物的硅酸二钙称贝利特〔Belite〕，简称B矿。在硅酸盐水泥熟料中，贝利特呈圆粒状，但也可见其他不规那么形状。这是由于熟料在煅烧过程中，先固相反响形成的贝利特，其边棱再溶进液相，在液相中吸收CaO 反响生成阿利特所致。在反光显微镜下，工艺条件正常的熟料中贝利特具有黑白交叉双晶条纹；在烧成温度低且冷却缓慢的熟料中，常发现有平行双晶。

③水化特性

慢得多，至28d龄期仅水化2021右，凝结硬化缓慢。

ｂ早期强度低，但28d以后强度仍能较快增长，一年后其强度可以赶上甚至超过阿利特的强度

，是四种矿物中最小者；抗水性好，因而对大体积工程或处于侵蚀性大的工程用水泥，适当提高贝利特含量，降低阿利特含量是有利的。

〔3〕铝酸三钙

铝酸三钙在熟料煅烧中起熔剂的作用，亦被称之为熔剂性矿物，它和铁铝酸四钙在1250～1280℃时熔融成液相，从而促使硅酸三钙顺利生成。

①矿物特征

铝酸三钙也可以固溶有少量SiO2、Fe2O3、MgO、R2O等而成固溶体。

铝酸三钙晶型随原材料性质、熟料形成与冷却工艺的不同而有所差异，尤其是受熟料冷却速度的影响最大。通常，在氧化铝含量高的慢冷熟中，结晶出较完整的晶体，在反光镜下呈矩形或粒形；当冷却速度快时，铝酸三钙溶入玻璃相或呈不规那么的微晶体析出，在反光镜下成点滴状。

在反光镜下，铝酸三钙的反光能力弱，呈暗灰色，并填充在A矿与B矿中间，故又称之为黑色中间相。

②水化特性

ａ水化迅速，凝结很快，如不加石膏等缓凝剂，易使水泥急凝。

ｂ早期强度较高，但绝对值不高。它的强度3d之内就大局部发挥出来，以后却几乎不再增长，甚至倒缩。

ｃ水化热高，干缩变形大，脆性大，耐磨性差，抗硫酸盐性能差。故制造抗硫酸盐水泥或大体积混凝土工程用水泥时，应将铝酸三钙控制在较低的范围之内。

〔4〕铁铝酸四钙

铁铝酸四钙〔C4AF〕代表的是硅酸盐水泥熟料中一系列连续的铁相固溶体。通常铁铝酸四钙中溶有少量的MgO、SiO2等

氧化物，故又称为才利特〔Celite〕或C矿。它也是一种熔剂性矿物。

①矿物特征

铁铝酸四钙常显棱柱和圆粒状晶体。在反光镜下由于它反射能力强，呈亮白色，并填充在A矿和B矿间，故通常又把它称作为白色中间相。

②水化特性

ａ水化速度在早期介于铝酸三钙与硅酸三钙之间，但随后的开展不如硅酸三钙。

ｂ早期强度类似于铝酸三钙，而后期还能不断增长，类似于硅酸二钙。

ｃ水化热较铝酸三钙低，其抗冲击性能和抗硫酸盐性能较好。因此，制造抗硫酸盐水泥或大体积工程用水泥时，适当提高铁铝酸四钙的含量是有利的。

〔5〕玻璃体

工厂实际生产条件下，硅酸盐水泥熟料中的局部熔融液相被快速冷却来不及结晶而成为过冷凝体称为玻璃体。在玻璃体中，质点排列无序，组成也不定。其主要成分Al2O3、Fe2O3、CaO，还有少量的MgO和碱〔Na2OK2O〕等。

玻璃体在熟料中的含量取决于熟料煅烧时形成液相量和冷却条件。当液相一定，玻璃体含量那么随冷却速度而异。快冷时