华北理工无机材料岩相分析课件第8章 硅酸盐水泥熟料岩相分析

第八章

硅酸盐水泥熟料岩相分析本章要点：●硅酸盐水泥熟料的矿物组成;●A矿、B矿的鉴定特征；●

硅酸盐水泥熟料的岩相结构类型及特征；●

根据岩相结构分析，评定硅酸盐水泥熟料的质量；

●原料、工艺条件对硅酸盐水泥熟料岩相结构的影响。第八章

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§8.1概述

●水泥:凡细磨成粉末，加入适量水后成为塑性浆体，能在空气中和水中硬化，并将砂、石等散状颗粒或纤维物料牢固地胶结在一起的水硬性胶凝材料，统称为水泥。☆用水泥制作的混凝土是重要的建筑材料和工程材料，广泛用于建筑、水利、道路和国防等工程中。

●

水泥种类:按性质和用途分一般用途水泥：如普通水泥、矿渣水泥等；特种用途水泥：如大坝水泥、油井水泥等。第八章

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§8.1概述●生产水泥的原料：石灰石、粘土、少量石膏及其他混合料。●主要工艺过程：生料制备—熟料煅烧—水泥粉磨，简称“两磨一烧”。第八章

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§8.1概述●硅酸盐水泥熟料：以适当成分的生料，烧至部分熔融，所得到的以硅酸钙为主要成分的粒状或块状物料，是由多种矿物组成的集合体。●水泥熟料的成分和显微结构特征能直接反映生产工艺条件，水泥熟料岩相分析是控制生产和提高产品质量的一种重要手段。第八章

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§8.2硅酸盐水泥原料简介●水泥原料分三类：石灰质原料、粘土质原料和辅助原料1、石灰质原料：以碳酸钙为主要成分的原料，是熟料中氧化钙的主要来源，在生料中占80%左右。★主要为石灰岩、白垩、贝壳、珊瑚礁、泥灰岩、大理岩等。其中以石灰岩使用最普遍。★主要矿物成分是方解石（＞90%）,杂质成分有白云石、菱镁矿、石英、长石、粘土矿物等。第八章

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§8.2硅酸盐水泥原料简介★原料要求：⑴方解石为隐晶质，粒度<1um。⑵化学成分：

CaO≥48%，

MgO≤3%，K2O+Na2O≤0.6%，SO3≤0.1%，SiO2≤4%，氯离子≤0.015%

（矿产工业要求参考手册）第八章

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§8.2硅酸盐水泥原料简介2、粘土质原料：指含碱、碱土的硅酸盐。在生料中占11-17%，提供熟料中所需的SiO2、Al2O3和Fe2O3。★主要化学成分为SiO2、Al2O3，少量Fe2O3。★使用最普遍的为粘土、黄土、页岩等。★原料要求：SiO260%-67%，Al2O34-18%，MgO≤3%，K2O+Na2O≤4%。

Al2O3低，熟料中中间相少，SiO2低，生成C2S多而C3S少。第八章

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§8.2硅酸盐水泥原料简介3、辅助原料：包括校正原料、矿化剂、缓凝剂。●校正原料：如果仅用石灰质原料和粘土质原料配置生料，会遇到Fe2O3、SiO2、Al2O3的不足，为弥补其不足，需选用该成分较高的原料，叫校正原料。一般有三种：

硅质：砂岩、河砂、粉砂岩等，SiO270-90%

铁质：天然铁矿物、硫铁矿渣。

铝质：煤矸石、铁矾土、铝土矿等。●矿化剂：萤石●缓凝剂：石膏第八章

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§8.3硅酸盐水泥熟料的矿物组成■水泥的质量主要取决于熟料的质量。控制熟料的化学成分和物相组成，是水泥生产的中心环节之一。

1、熟料的化学成分硅酸盐水泥熟料主要由CaO、Si02、A1203和Fe203组成，约占熟料总成分的95％，其他氧化物MgO、S03、Ti02、P205和K20、Na20等约5％。化学成分一般为：Ca062～67%，Si0220～24%，A12034-7%，Fe2032.5-6%。

第八章

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§8.3硅酸盐水泥熟料的矿物组成2、熟料的矿物组成●主要物相：硅酸三钙(3CaO·Si02，C3S)、硅酸二钙(2CaO·Si02，C2S)、铝酸三钙(3CaO·A1203，C3A)、铁铝酸四钙(4CaO·A1203·Fe203，C4AF)。●少量游离氧化钙(f-CaO)、方镁石、富碱矿物和玻璃体等。●

C3S和C2S含量通常约占75％，称为硅酸盐矿物；●

C3A和C4AF含量约占22％，称为熔剂矿物。第八章

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§8.3硅酸盐水泥熟料的矿物组成（1）A矿（Alite）:●含少量Mg0、Al2O3、Fe203的硅酸三钙固熔体。熔点2060℃。●是熟料中的主要成分（50%左右），它使水泥水化后获得较高的机械强度，特别是对早期强度起着重要作用。●C3S六种变体：三斜晶系-Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型，单斜晶系-Ⅰ、Ⅱ型，斜方晶系。硅酸盐水泥中常见的是单斜晶系的A矿。第八章

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§8.3硅酸盐水泥熟料的矿物组成★A矿镜下特征：假六方片状或板状、短柱状，高正突起，无色，不完全解理，平行消光，干涉色一级灰白。粒度0.01-0.025mm。反光镜下，用1%的NH4Cl溶液浸蚀光片后，A矿呈蓝色；用1%硝酸酒精浸蚀光片后，A矿呈棕色。★不同的形态反映不同的工艺过程：※高质量水泥熟料中的A矿呈六角板状和短柱状，大小均一；※长柱状A矿出现在中间相多的熟料中，温度高，煅烧不好；第八章

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§8.3硅酸盐水泥熟料的矿物组成※当生料中含有粗粒石英或燧石结核时，则形成含有大量包裹体的A矿，包裹有C2S、CaO或MgO。※缓冷水泥熟料中，因受酸性液相熔融会出现具有B矿花环的A矿；熔蚀强烈时出现港弯状的A矿。六角板状和短柱状A矿长柱状A矿长柱状的A矿含大量包裹物的A矿具环带结构A矿熔蚀严重的A矿，呈港湾状具B矿花环的A矿第八章

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§8.3硅酸盐水泥熟料的矿物组成（2）B矿（Belite）:●含有Al、Fe、K、Na、Ti、V、Co等离子的硅酸二钙固熔体，属正硅酸盐。●C2S有多种变体：α、α′、β和γ型。●熟料中主要为β-C2S，属单斜晶系，是水泥熟料的主要矿物（约20%）。●

β-C2S能使水泥后期机械强度缓慢增长，水化慢，抗硫酸盐。在500℃以下，β-C2S转变成γ-C2S体积膨胀10%左右，引起熟料的粉化，用少量的B、P、V等可抑制β-C2S的晶型转变。第八章

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§8.3硅酸盐水泥熟料的矿物组成●B矿镜下特征：纯者无色，含Fe时呈棕色。其形状随冷却条件而异，多呈圆粒状。干涉色一级黄，具聚片双晶，平行消光或斜消光。反光镜下，用1%的NH4Cl或硝酸酒精浸蚀光片后，均呈棕色或棕黄色。

●不同的工艺条件，B矿会出现不同形态：※正常条件下，B矿呈光滑的圆粒状或椭圆状，表面光滑无纹。※具两组交叉双晶纹的B矿：煅烧温度较高（＞1420℃）且冷却较快的熟料中。第八章

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§8.3硅酸盐水泥熟料的矿物组成※具平行双晶纹的B矿：煅烧温度低（＜1400℃）或冷却速度较慢的熟料中。※花蕾状和脑状B矿：表面许多龟裂，貌似脑状，因冷却速度较快，由应力作用引起的裂纹（或固熔体组分分离的结果）。※树叶状、骨骼状、手指状B矿：还原气氛下煅烧熟料中。★根据B矿的形态和双晶纹的变化，可推断煅烧温度及热工制度。表面光滑的圆粒状B矿具两组细交叉双晶纹的B矿具交叉双晶纹的B矿具两组粗交叉双晶纹的B矿具平行双晶纹的B矿具平行双晶纹的B矿脑状B矿脑状B矿花蕾状B矿手指状、树叶状B矿第八章

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§8.3硅酸盐水泥熟料的矿物组成（3）铝酸三钙（C3A）●熟料中约占10%，等轴晶系。无色透明，正高突起。反射率较低，反光下呈黑灰色，故称黑色中间体。用蒸馏水浸蚀光片后，C3A呈蓝色。●形状随冷却条件而异：※快冷、高质量熟料，C3A呈点滴状、点线状微晶。

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§8.3硅酸盐水泥熟料的矿物组成铝量高、缓冷，C3A呈四方片状或叶片状；含C3A高的水泥，早期强度增长速率较快。C3A水化迅速，放热量大，凝结快，如不加石膏等缓冲剂，易使水泥急凝。C3A干缩变形大，抗硫酸盐性能差。第八章

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§8.3硅酸盐水泥熟料的矿物组成（4）铁铝酸四钙（C4AF）

约占熟料的10-18%，又称C矿（Celite)，斜方晶系。常呈柱状、圆粒状，极高正突起，多色性明显（黑褐-浅褐），平行消光，干涉色红棕-棕黄色，二轴（-），晶粒小，一般难以观察。其反射力较硅酸盐强，反光下呈白色，故称白色中间体。C4AF水化后，早期强度高。第八章

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§8.3硅酸盐水泥熟料的矿物组成（5）f-CaO

等轴晶系，N=1.837，常呈圆形粒状，无色，有三组解理。反光镜下，用蒸馏水浸蚀光片3-5秒，f-CaO呈现彩虹色，极易辨认。※影响水泥的安定性和强度，是有害组分。产生原因：配料不当、生料过粗、煅烧温度不高、冷却速度太慢等都能引起f-CaO的产生。第八章

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§8.3硅酸盐水泥熟料的矿物组成（6）方镁石：单独析晶的游离MgO。等轴晶系，晶体呈立方体或八面体，无色透明，N=1.736，熔点2800℃。突起高，一般呈三角形或多边形小晶体，表面略显粉红色。反光镜下突起明显（硬度较高5.5-6）并带有黑边。※水化时产生体积膨胀也是熟料中的有害成分。（7）玻璃相：约占熟料的6-10%，含有多量的Fe2O3、Al2O3组分，呈非晶态物质存在于中间体中。因熔体冷却快，来不及结晶而形成。§8.4硅酸盐水泥熟料岩相结构类型一、构造类型熟料构造：指组成熟料的矿物集合体、玻璃体及孔洞之间的排列与充填方式。低倍镜下观察。●块状构造：矿物大小相近，排布均匀，无方向性；孔洞少，形态规则，分布均匀，熟料致密。●多孔状构造：镜下孔洞较多，孔径较大，形态不规则，矿物沿孔洞分布，无方向性。（欠烧）●层状构造：矿物平行排列或近似定向排列，熟料外观呈层状，各层的矿物组成、颗粒大小及形状不同。（轻烧、急烧）§8.4硅酸盐水泥熟料岩相结构类型二、结构类型熟料的岩相结构：指熟料中矿物的结晶程度、颗粒大小、形状及其相互关系。一般熟料具有砂岩型结构。●均齐结构：A、B矿成粒状，大小均匀，被20-30%的中间体隔开。A矿含量较多（50-60%），粒度0.02-0.03mm，形态完整，边棱光洁，包体少。B矿圆度较好，有清晰的一、二组双晶纹。孔洞少，形态规则，分布均匀，大小在0.08mm左右。属一级品熟料。均齐结构类型熟料一级熟料的岩相结构§8.4硅酸盐水泥熟料岩相结构类型

●斑状结构：A矿、B矿结晶清晰，但大小悬殊（200-5um）且分布不均。B矿圆度不好，成堆聚集。A矿边棱不光洁另聚一处，有部分分解或熔蚀现象，并有B矿或f-CaO包体。属二级品。●多孔结构：晶体无定型，发育不好，颗粒细小。A矿少，边棱不完整，有严重分解或熔蚀现象，常有小颗粒围绕A矿，包裹体多。中间体数量少且分布不均。气孔多且大小、形状、分布不均。煅烧温度不够，属三级品。斑状结构类型熟料二级熟料结构多孔结构熟料三级熟料结构§8.5水泥熟料显微结构与其质量的关系一、显微结构与强度间的一般规律强度由强变差，其显微结构的规律表现为：1.A矿的形状：由规则的六角板状不规则；2.A矿由均齐不均齐，且晶体依次变小，并多细晶堆；3.A、B矿之间的分布依次由均匀不均匀；4.B矿圆形数量依次递减，树叶状、手指状及不定形数量逐渐增加；5.中间体含量逐渐减少，且C3A由点线状柱、片状；6.f-CaO的数量依次递增，少量的小堆大堆的矿巢。§8.5水泥熟料显微结构与其质量的关系二、高强度水泥熟料的结构特点1.外观特征：熟料结粒均齐、灰黑色、质地致密。2.A矿晶形完整，大小均齐，尺寸偏大（0.03-0.04mm），边光洁，熔蚀少，分布均匀，含量高，无包体；3.B矿呈圆粒状，多具交叉细双晶纹并呈小堆聚合；4.A矿、B矿分布均匀，呈均齐结构；5.中间体含量偏多，多为玻璃相或微晶，C3A呈点线状；f-CaO少，呈小堆分布。§8.6生产工艺条件对熟料岩相结构的影响一、配料率值的影响率值：表示熟料中各氧化物间相对含量的系数。★石灰饱和系数KH：SiO2生成硅酸钙（C2S+C3S）所需的CaO含量，与SiO2理论上全部生成C3S所需CaO含量的比值。即熟料中的SiO2被CaO饱和成C3S的程度。KH与物相组成的关系：

KH=(C3S+0.8838C2S)/(C3S+1.3256C2S)C2S=0时,KH=1，即熟料中没有C2S；C3S=0时，KH=0.667，即熟料中没有C3S。KH值一般为0.82-0.92，既有C3S，又有C2S。§8.6生产工艺条件对熟料岩相结构的影响★硅酸率n（又称硅率SM）：表示硅酸盐矿物（C3S+C2S）与溶剂矿物（C3A+C4AF）的相对含量之比。

n=(C3S+1.3254C2S)/(1.4341C3A+2.046C4AF)

＊n过高，煅烧过程中液相不足，熟料烧成困难；中间体含量减少，硅酸盐相可直接接触。＊n过低，硅酸盐矿物含量少，熟料强度低；且液相过多，易出现结块、炉瘤等现象。＊n一般在1.7-2.5间，通常控制在2-2.2。§8.6生产工艺条件对熟料岩相结构的影响★铝氧率（铁率）p：表示溶剂矿物C3A与C4AF的相对含量。P=0.6383+1.1501C3A/C4AFP提高，C3A增加，煅烧时液相粘度增大,物料难以烧结，水泥凝结快。P过低，烧结范围小，易结块，不利于窑的操作。P值通常在0.9-1.7之间。§8.6生产工艺条件对熟料岩相结构的影响※从中间体结晶形态判断P值：P＜1.38，C4AF呈半自形棱柱状，C3A以他形充填其中。P＞1.38，C3A呈灰色四方片状或自形到半自形长条状，C4AF呈他形充填其中。P=1.38，黑、白中间体均出现半自形，互相填隙。§8.6生产工艺条件对熟料岩相结构的影响※中间体结晶模糊不清时，根据硅酸盐矿物形态判断P值：

P＞1.38，液相粘度大，A矿棱角不显著；B矿圆度不好。

P＜1.38，液相粘度低，A矿晶形发育好，棱角显著，形态完整，晶体大；B矿呈圆球体。§8.6生产工艺条件对熟料岩相结构的影响二、生料粉磨细度和均化的影响控制生料细度主要是防止大颗粒原料的混入，以致反应不完全。如大粒石灰石易形成游离氧化钙矿巢等。＊生料均化不好，A、B矿分层排列或呈堆聚集。＊生料均化好的熟料岩相结构：A矿发育良好，A、B矿分布均匀，大小均齐；中间体含量多，分布均匀；f-CaO少；孔洞小而圆且分布均匀。（均齐结构）§8.6生产工艺条件对熟料岩相结构的影响三、烧成温度的影响★正常煅烧熟料，其温度从1300℃-1450℃-1300℃，熟料在期间一般停留10-15分钟。★几种煅烧不正常的熟料：1.欠烧熟料：烧成温度不足，生料没有烧结。＊外观：色浅、结粒细小、粉尘多、疏松易碎、无光泽。＊岩相特征：A矿极少，呈无定形，晶体细小，约5-10u之间，大多数矿物为γ-C2S；中间体少；孔洞大而多，形态不规则。欠烧熟料欠烧熟料§8.6生产工艺条件对熟料岩相结构的影响2.轻烧熟料：烧成时间不足或窑内预热不好（火焰短或煤燃烧不充分或料球水分大）。熟料中心部分欠烧，外观正常。★显微结构特征：①从全貌看，晶体细小，孔洞多，中间相少，A、B矿分布不均。②熟料有明显的分层构造，中心部分A矿少B矿多，f-CaO多；外缘A矿多，晶形好，中间体多，属正常熟料特征。轻烧使A、B矿分布不均匀轻烧熟料边缘岩相结构§8.6生产工艺条件对熟料岩相结构的影响3.急烧（快烧）熟料：烧成时间不足（物料急速加热）的熟料。外层正常，而内层欠烧。岩相特征：熟料中心向外，显微结构有显著变化，外层为正常熟料结构，里层为欠烧熟料结构。矿物晶体大小悬殊，并有显著的分层构造。4.过烧熟料：烧成温度过高或高温停留时间长的熟料。岩相特点：熟料结粒粗大，致密。A矿晶体粗大，常呈板状或长柱状，有熔蚀和分解；f-CaO少，孔隙率低。§8.6生产工艺条件对熟料岩相结构的影响四、冷却制度的影响熟料由烧成带进入冷却带，在冷却带中进行液相的冷凝和矿物相变，冷却制度对熟料的岩相结构有明显的影响。在保证熟料煅烧正常条件下，总设法加速熟料的冷却速度。★急冷的优点：①使A矿、B矿处于介稳定状态，避免C3S的分解和β-C2S转化为γ-C2S；②避免C3