1、第三章第三章 硅酸盐水泥熟料的组成硅酸盐水泥熟料的组成概述：概述： 主要化学成分主要化学成分： CaO 62%67% SiO2 20%24% Al2O3 4% 7% Fe2O3 2.5%6% 其它氧化物其它氧化物：MgO SO3 Na2O K2O TiO2 P2O5等 95%95%5%5%缩写符号：缩写符号： C Ca O O C SiOC SiO2S AlS Al2O O3A FA FeO O3F F M MgO OM NM N aO ON KN K2O OK TiOK TiO2T T P P2O O5P COP CO2C SOC SO3S HS H2O OH H本章内容本章内容 1. 1.
2、 熟料的矿物组成熟料的矿物组成； 2. 2. 熟料的率值熟料的率值； 3. 3. 熟料矿物组成的计算。熟料矿物组成的计算。 第第2次课：理论课次课：理论课 主要教学主要教学内容内容：3.1熟料的矿物组成熟料的矿物组成 重点重点：1.1.熟料各熟料各矿物的存在形式、和矿物的存在形式、和水化特性。水化特性。 教学目的要求教学目的要求.掌握硅酸盐水泥熟料的化学组成与矿物组掌握硅酸盐水泥熟料的化学组成与矿物组成；成；.了解了解熟料各熟料各矿物的存在形式；掌握矿物的存在形式；掌握熟料各熟料各矿物的矿物的水化特性。水化特性。教学方法与手段：教学方法与手段： 讲授 板书与多媒体相结合 思考思考题题： 1.1
3、.简述各熟料矿物的简述各熟料矿物的水化水化特性。特性。 2.2.简要说明熔剂矿物对熟料煅烧和质量的影简要说明熔剂矿物对熟料煅烧和质量的影响。响。 3.3.熟料中的游离氧化钙、方镁石是怎样产生熟料中的游离氧化钙、方镁石是怎样产生的？它的存在对建筑物有什么不良影响？的？它的存在对建筑物有什么不良影响？在生产中采取哪些措施可以防止它的发生在生产中采取哪些措施可以防止它的发生? ?3.1 熟料的矿物组成熟料的矿物组成 主要矿物组成：主要矿物组成： 硅酸三钙：硅酸三钙：3CaOSiO2 (C3S) 硅酸二钙：硅酸二钙：2CaOSiO2 (C2S) 铝酸三钙：铝酸三钙： 3CaOAl2O3 (C3A) 铁
4、铝酸四钙：铁铝酸四钙：4CaO Al2O3 Fe2O3 (C4AF) 硅酸盐矿物硅酸盐矿物75%22%95%少量：少量： 游离氧化钙游离氧化钙f-CaO、方镁石方镁石 含碱矿物含碱矿物 玻璃体玻璃体熔剂矿物熔剂矿物硅酸三钙和硅酸二钙合称硅酸三钙和硅酸二钙合称硅酸盐矿物硅酸盐矿物，约占，约占75%75%左右。左右。铝酸三钙和铁铝酸四钙合称铝酸三钙和铁铝酸四钙合称熔剂矿物熔剂矿物，约占，约占22%22%左右。左右。硅酸盐矿物和熔剂矿物总和约占硅酸盐矿物和熔剂矿物总和约占95%95%左右。左右。 熟料矿物含量范围（熟料矿物含量范围（%） 熟料类别熟料类别 C C3 3S S C C2 2S S C
5、C3 3A A C C4 4AF AF 回转窑熟料回转窑熟料立窑熟料立窑熟料新型干法窑熟料新型干法窑熟料国内重点企业熟料国内重点企业熟料国外水泥企业熟料国外水泥企业熟料454565653838606053535454 57 57 151532322020333324242020 20 20 4 411114 47 78 87 7 8 8 101018181313202010101414 10 10 一、硅酸三钙一、硅酸三钙（50%，高的达60%）1.1.存在形式存在形式（矿物特性矿物特性）： 纯纯C C3 3S S T=2065 T=206512501250内稳定；内稳定； T 2065 T
6、2065 不一致熔融为不一致熔融为CaOCaO与液相与液相 T T 1250 C1250 C3 3S CS C2 2S+CaOS+CaO （反应慢，常温下（反应慢，常温下C C3 3S S呈介稳状态）呈介稳状态） 熟料中熟料中C C3 3S S并不以纯的形式存在，而是形成固溶并不以纯的形式存在，而是形成固溶 体，称体，称阿利特或阿利特或A A矿矿 2.2.形态形态 固溶体反光显微镜下呈黑色多角形颗粒。固溶体反光显微镜下呈黑色多角形颗粒。3.3.水化特性水化特性 凝结时间正常，水化较快，水化反应主要凝结时间正常，水化较快，水化反应主要在在28d28d以内进行，约经一年后水化过程基本以内进行，约经
7、一年后水化过程基本结束。结束。 早期强度高，强度的绝对值和增进率较大早期强度高，强度的绝对值和增进率较大, ,居四种矿物之首居四种矿物之首。其。其28d28d强度可达到一年强强度可达到一年强度的度的70%70%80%80%。 水化热较高；抗水性较差。水化热较高；抗水性较差。 易磨性好，干缩变形小。易磨性好，干缩变形小。 二、硅酸二钙（二、硅酸二钙（20%20%）1.1.存在形式存在形式多晶转变：多晶转变： -C2S - C2S - C2S - C2S熟料中熟料中C C2 2S S通常固溶有少量氧化物形成固溶体，通常固溶有少量氧化物形成固溶体，称称贝利特贝利特 （BeliteBelite），），
8、简称简称B B矿矿。500常温下，有水硬性，不稳定常温下，有水硬性，不稳定几乎无水硬性几乎无水硬性 密度密度(g/cm3):3.28 2.97 体积膨胀体积膨胀10%，熟料粉化，熟料粉化2.2.形态：形态： 反光显微镜下呈圆粒状，也可见其他不规则反光显微镜下呈圆粒状，也可见其他不规则形状。正常熟料中具有黑白交叉双晶条纹；低温形状。正常熟料中具有黑白交叉双晶条纹；低温煅烧且慢冷熟料中常发现有平行双晶。煅烧且慢冷熟料中常发现有平行双晶。3.3.水化特性水化特性 水化反应慢，水化反应慢，28d28d水化水化20%20%，凝结硬化慢；，凝结硬化慢； 早期强度低，早期强度低， 28d28d后强度较快增长
9、，一年后强度较快增长，一年后赶超后赶超A A矿。矿。 水化热小；抗水性好；抗蚀性好。水化热小；抗水性好；抗蚀性好。 易磨性差。易磨性差。三三. .中间相中间相 填充在填充在阿利特、贝利特之间的铝酸盐、铁酸盐、组阿利特、贝利特之间的铝酸盐、铁酸盐、组成不定的玻璃体和含碱化合物等统称为成不定的玻璃体和含碱化合物等统称为中间相中间相。 1.1.铝酸三钙铝酸三钙 （C C3A+CA+C12A A7）形态：形态： 快冷时呈点滴状，慢冷时呈矩形或柱状，反光能快冷时呈点滴状，慢冷时呈矩形或柱状，反光能力弱，呈暗灰色，一般称为力弱，呈暗灰色，一般称为黑色中间相黑色中间相 水化特性水化特性 水化迅速，放热量大，
10、凝结较快；水化迅速，放热量大，凝结较快；早期强度较高，但绝对值不高，其强度早期强度较高，但绝对值不高，其强度3d3d之内大部分之内大部分发挥出来，以后几乎不增长，甚至倒缩；发挥出来，以后几乎不增长，甚至倒缩；干缩变形大，抗硫酸盐性能差。干缩变形大，抗硫酸盐性能差。2.2.铁相固溶体（铁相固溶体（C4AF）形态：形态： 铁铝酸四钙代表的是一系列连续的铁相固溶体。铁铝酸四钙代表的是一系列连续的铁相固溶体。通常固溶有少量的通常固溶有少量的MgOMgO、 SiO2SiO2等氧化物，又称等氧化物，又称才利特才利特 （CeliteCelite）或）或C C矿矿。在反光。在反光 镜下其反射能力强，呈亮镜下其
11、反射能力强，呈亮白色，并填充在白色，并填充在A A矿与矿与B B 矿之间，也称矿之间，也称白色中间相。白色中间相。水化特性水化特性：水化速度早期介于水化速度早期介于C C3 3A A、C C3 3S S间，后期的发展不间，后期的发展不C C3 3S S；早期强度似早期强度似C C3 3A A，后期能增长，似，后期能增长，似C C2 2S S水化热较水化热较C C3 3A A低，抗冲击性能和抗硫酸盐性能较好。低，抗冲击性能和抗硫酸盐性能较好。 3.玻璃体玻璃体 形成: 部分熔融液相被快速冷却来不及结晶而成为过冷凝体 主要成分: Al2O3、Fe2O3、CaO、少量MgO和R2O 含量: 取决于液
12、相量及冷却条件 性能: 不及晶体稳定，水化热较大；可改善熟料性能与易磨性28d内绝对强度内绝对强度：C3SC4AFC3AC2S水水 化化 速速 度度：C3A C4AF C3SC2S水水 化化 热热： C3A C3S C4AF C2S四种矿物性能比较四四.游离氧化钙与方镁石（游离氧化钙与方镁石（MgOMgO） 1.游离氧化钙（游离氧化钙（f-CaO） 定义定义 当配料不当，生料过粗或煅烧不良时，熟料中出现没当配料不当，生料过粗或煅烧不良时，熟料中出现没有被吸收的以游离状态存在的氧化钙，称为游离氧化有被吸收的以游离状态存在的氧化钙，称为游离氧化钙（钙（f fCaOCaO），又称游离石灰。），又称游
13、离石灰。 特征特征 游离氧化钙在偏光显微镜下为无色圆形颗粒，有游离氧化钙在偏光显微镜下为无色圆形颗粒，有明显解理。在反光镜下用蒸溜水浸蚀后呈彩虹色。明显解理。在反光镜下用蒸溜水浸蚀后呈彩虹色。游离氧化钙产生原因：游离氧化钙产生原因：配料不当，生料过粗或煅烧不良配料不当，生料过粗或煅烧不良熟料慢冷或在还原气氛下熟料慢冷或在还原气氛下C C3S S分解，分解，熟料中的碱等取代熟料中的碱等取代C C3 3S S 、C C2 2S S、 C C3A A中的中的C CaO O，形成二，形成二次游离氧化钙。次游离氧化钙。游离氧化钙危害：游离氧化钙危害： 死烧的游离氧化钙结构致密，水化很慢，水化生成死烧的游
14、离氧化钙结构致密，水化很慢，水化生成氢氧化钙时体积膨胀氢氧化钙时体积膨胀97.9%97.9%，在硬化水泥石内部产生膨，在硬化水泥石内部产生膨胀应力。因此，随着游离氧化钙增加，抗拉、抗折强胀应力。因此，随着游离氧化钙增加，抗拉、抗折强度降低，使度降低，使3 3天以后强度倒缩，严重时引起安定性不良。天以后强度倒缩，严重时引起安定性不良。控制：控制：回转窑熟料回转窑熟料 1.0 % %，立窑，立窑2.8 % %。2.2.方镁石（结晶方镁石（结晶MgOMgO） 指游离状态的氧化镁晶体。指游离状态的氧化镁晶体。 产生：产生：碳酸镁高温下分解碳酸镁高温下分解 一部分氧化镁存在于玻璃体中，一部分结晶呈一部分
15、氧化镁存在于玻璃体中，一部分结晶呈游离状态。当熟料快冷时，结晶细小，慢冷时晶体游离状态。当熟料快冷时，结晶细小，慢冷时晶体发育较大，结构致密。发育较大，结构致密。 危害危害 水化很慢，水化时，固体体积膨胀水化很慢，水化时，固体体积膨胀148%148%，引起水，引起水泥的安定性不良。泥的安定性不良。 控制：控制： 水泥水泥5，压蒸安定性和格可放宽到，压蒸安定性和格可放宽到6 第第3次课：理论课次课：理论课 主要教学主要教学内容内容：3.2 熟料的率值熟料的率值 3.3 熟料矿物组成计算熟料矿物组成计算 重点重点：1.各率值的公式、物理意义及其对熟料煅烧和各率值的公式、物理意义及其对熟料煅烧和性能
16、的影响。性能的影响。 2.熟练掌握硅酸盐水泥熟料的率值的计算与控制；熟练掌握硅酸盐水泥熟料的率值的计算与控制； 教学目的要求：教学目的要求： 1.掌握掌握各率值的公式、物理意义及其对熟料煅烧和性各率值的公式、物理意义及其对熟料煅烧和性能的影响。能的影响。 2.熟练掌握硅酸盐水泥熟料的率值的计算与控制；熟练掌握硅酸盐水泥熟料的率值的计算与控制； 3.利用相关计算式对熟料的率值、化学组成、矿物组利用相关计算式对熟料的率值、化学组成、矿物组成进行测算和换算。成进行测算和换算。 教学方法与手段：教学方法与手段： 讲授 板书与多媒体相结合作业题作业题: :1.1.简述各熟料率值对熟料煅烧和质量的影响。简
17、述各熟料率值对熟料煅烧和质量的影响。2.2.简述石灰饱和系数的物理意义简述石灰饱和系数的物理意义. .3.2 熟料的率值熟料的率值 率值：率值：硅酸盐水泥熟料中各硅酸盐水泥熟料中各主要氧化物主要氧化物含量含量之间的之间的比例比例称作率值。称作率值。 表示化学成分与矿物组成之间的关系、水泥熟表示化学成分与矿物组成之间的关系、水泥熟料的性能及其对煅烧的影响。料的性能及其对煅烧的影响。 我国主要采用我国主要采用石灰饱和系数石灰饱和系数（KHKH）、）、硅硅率（率（SMSM）、）、铝率铝率（IMIM）三个率值。）三个率值。 一一. .水硬率水硬率公式：公式：物理意义：物理意义： 熟料中氧化钙与酸性氧化
18、物之和的质量百分熟料中氧化钙与酸性氧化物之和的质量百分数的比值。数的比值。 式中式中CaOCaO、SiOSiO2、AlAl2O O3 3、FeFe2O O3 分别代表熟料中分别代表熟料中各氧化物的各氧化物的质量百分数质量百分数 一般取一般取1.82.422323( )CaOHM mSiOAl OFe O二、硅率（硅酸率二、硅率（硅酸率 SMSM或或n n表示）表示）公式：公式：物理意义：物理意义： 熟料中熟料中SiOSiO2 2含量与含量与AlAl2 2O O3 3、FeFe2 2O O3 3之和的质量比。之和的质量比。也表示了熟料中硅酸盐矿物（也表示了熟料中硅酸盐矿物（C C3 3S+CS+
19、C2 2S S）、熔剂矿物）、熔剂矿物（C C3 3A+CA+C4 4AFAF）的比例。）的比例。 一般取一般取1.72.732322OFeOAlSiO)SM(n或SMSM值对熟料煅烧和性能的影响：值对熟料煅烧和性能的影响： SMSM值过高，表示硅酸盐矿物多，熔剂矿物少，值过高，表示硅酸盐矿物多，熔剂矿物少，由于煅烧时液相量显著减少，熟料煅烧困难；特由于煅烧时液相量显著减少，熟料煅烧困难；特别当氧化钙含量低，硅酸二钙含量多时熟料易于别当氧化钙含量低，硅酸二钙含量多时熟料易于分化。分化。SMSM过低，则熟料中硅酸盐矿物太少而影响过低，则熟料中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
20、大块、结水泥强度，且由于液相过多，易出现结大块、结炉瘤、结圈等，影响窑的操作炉瘤、结圈等，影响窑的操作 一般取值：一般取值：1.71.72.7 2.7 三三. .铝率（又称铝氧率或铁率）铝率（又称铝氧率或铁率）公式：公式：物理意义：物理意义： 表示熟料中表示熟料中AlAl2 2O O3 3 和和 FeFe2 2O O3 3含量的质量比，也含量的质量比，也表示了熟料熔剂矿物中表示了熟料熔剂矿物中C C3 3A A和和C C4 4AFAF的比例。反的比例。反应应煅煅烧过程中液相的性质（主要是液相的粘度，烧过程中液相的性质（主要是液相的粘度，C C3 3A A形形成的液相粘度大，成的液相粘度大，C
21、C4 4AFAF形成的液相粘度小）形成的液相粘度小） 3232OFeOAl)IM(p或IMIM值熟料煅烧和性能的影响值熟料煅烧和性能的影响 铝率高低，在一定程度上反映了水泥煅烧过铝率高低，在一定程度上反映了水泥煅烧过程中高温液相的粘度。程中高温液相的粘度。 IMIM值值高，高，熟料中熟料中C C3 3A A多，相多，相应的应的C C4 4AFAF少，液相粘度大，物料难烧；少，液相粘度大，物料难烧； IMIM值过低，值过低，虽然液相粘度较小，液相中质点易于扩散，对虽然液相粘度较小，液相中质点易于扩散，对C C3 3S S 的形成有利，但烧结范围变窄，窑内易结大块，的形成有利，但烧结范围变窄，窑内
22、易结大块，不利于窑的操作。不利于窑的操作。 一般取一般取0.81.7 四四. .石灰饱和系数石灰饱和系数(KH)(KH)物理意义物理意义： 石灰饱和系数表示熟料中全部氧化硅生石灰饱和系数表示熟料中全部氧化硅生成硅酸钙所需的氧化钙含量与全部氧化硅生成硅酸钙所需的氧化钙含量与全部氧化硅生成硅酸三钙所需氧化钙最大含量的比值，也成硅酸三钙所需氧化钙最大含量的比值，也即表示熟料中氧化硅被氧化钙饱和形成硅酸即表示熟料中氧化硅被氧化钙饱和形成硅酸三钙的程度。三钙的程度。23232SiO8.2OFe35.0OAl65.1CaOKH数学表达式：数学表达式：式中：式中：CaOCaO、SiOSiO2 2、AlAl2
23、 2O O3 3、FeFe2 2O O3 3、SOSO3 3分别为熟料分别为熟料中相应氧化物的质量百分数；中相应氧化物的质量百分数；（IM0.64）讨论：讨论： 从理论上讲：从理论上讲：KHKH值高，则值高，则C C3 3S S较多，较多，C C2 2S S较少。较少。 1. 1. KH=1KH=1，矿物组成为，矿物组成为C C3 3S S、C C3 3A A 、C C4 4AFAF，而无，而无C C2 2S S； KHKH0.667,形成矿物为形成矿物为C C2 2S S 、C C3 3A A 和和C C4 4AFAF，而无，而无C C3 3S S2. 2. KHKH1 1，熟料中必有游离氧
24、化钙存在；，熟料中必有游离氧化钙存在； KHKH1，而，而IM0.64 时，时，形成形成C C3 3S S、C C2 2S S、C C3 3A A、C C4 4AF AF 3.3. IM0.64 ( (Fe 过剩过剩) )，形成，形成C C3 3S S、C C2 2S S、C2F、C C4 4AFAF， 此时石灰饱和系数为：此时石灰饱和系数为： （IM0.64）232321.10.72.8CaOAl OFe OKHSiO4.4.考虑到熟料中还有考虑到熟料中还有f-CaOf-CaO、f-SiOf-SiO2 2和石膏，和石膏，此时：此时： （IM0.64 ）2323322()(1.650.350.
25、7)2.8()CaOf CaOAl OFe OSOKHSiOf SiO 因 此 ，因 此 ， 熟 料 的熟 料 的 K HK H 值 应 控 制 在值 应 控 制 在0.6670.6671 1间。间。 实际生产中，为使熟料顺利形成，实际生产中，为使熟料顺利形成，又不产生过多的游离氧化钙，通常又不产生过多的游离氧化钙，通常KHKH值值控制在控制在0.870.870.960.96。熟料率值的控制熟料率值的控制 在工厂生产中，为了使熟料顺利烧成，在工厂生产中，为了使熟料顺利烧成，保证熟料的质量，应同时控制保证熟料的质量，应同时控制KHKH、n n、p p这这三个率值，并使三率值相应配合适当。三个率值
26、，并使三率值相应配合适当。3.3 熟料矿物组成的计算熟料矿物组成的计算 获得熟料的矿物组成的方法：获得熟料的矿物组成的方法： 仪器分析法：如岩相分析；仪器分析法：如岩相分析；X射线分析；红外光射线分析；红外光谱分析等。谱分析等。理论计算法。理论计算法。 化学法化学法C C3 3S=3.80S=3.80（3KH-23KH-2）SiOSiO2C C2 2S=8.60(1-KH) SiOS=8.60(1-KH) SiO2 2C C3 3A=2.65(AlA=2.65(Al2 2O O3 3-0.64Fe-0.64Fe2 2O O3 3) )C C4 4AF=3.04FeAF=3.04Fe2 2O O
27、3 3式中：式中：SiOSiO2 2、AlAl2 2O O3 3、FeFe2 2O O3 3分别是熟料中相应分别是熟料中相应氧化物的百分含量（氧化物的百分含量（% %）。）。KHKH是熟料的石灰饱和系数。是熟料的石灰饱和系数。代数法：（也称鲍格法）代数法：（也称鲍格法）C C3 3S=4.07S-7.60S-6.72A-1.43F-2.86 SOS=4.07S-7.60S-6.72A-1.43F-2.86 SO3 3C C2 2S=8.60S+5.07A+1.07F+2.15SOS=8.60S+5.07A+1.07F+2.15SO3 3-3.07C=2.87S-0.754 C-3.07C=2.
28、87S-0.754 C3 3S SC C3 3A=2.65A-1.69FA=2.65A-1.69FC C4 4AF=3.04FAF=3.04FCaSOCaSO4 4=1.70 SO=1.70 SO3 3式中：式中：C C、S S、A A、F F、SOSO3 3分别代表熟料中分别代表熟料中CaOCaO、SiOSiO2 2、AlAl2 2O O3 3、FeFe2 2O O3 3 、SOSO3 3的百分含量。的百分含量。以上公式适用于：以上公式适用于：IM0.64IM0.64【例【例2.1】已熟料化学成分如表2.11所示，试求熟料的率值和矿物组成。 按化学法公式可求得熟料矿物组成：按化学法公式可求得
29、熟料矿物组成： C3S3.80（3KH2）SiO2-3.80（30.8772）21.4051.31% C3S8.60（1KH）SiO2-8.60（10.877）21.4022.64% C3A2.65（Al-2O30.64Fe-2O3）-2.65（6.220.644.35）9.11% C-4AF3.04Fe2O33.044.3513.22%3.4 熟料矿物组成的选择熟料矿物组成的选择选择熟料矿物组成应考虑的因素选择熟料矿物组成应考虑的因素 ：(1)水泥品种和标号；水泥品种和标号； (2)原料品质；原料品质； (3)燃料品质燃料品质(4)生料细度和均匀性；生料细度和均匀性； (5)窑型与规格；窑型与规格；(6) 生料易烧性。生料易烧性。
