水泥熟料矿物组成
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。
熟料的组成
射能力弱的黑色中间相是C3A;
硅酸盐矿物:C3S+C2S约75%
熔剂矿物:C3A和C4AF,以及氧化镁,碱等.
1.硅酸三钙(C3S)
C以3上S是.纯硅C酸3S盐只水有泥在熟2料06的5~主1要25矿0物ºC,温其度含内量才通稳常定在,5所0% 以 在室温下C3S呈介稳状态;它有三种晶系七种变形.
关于水泥四种矿物性质的比较:
1.水化速度: C3A>C3S>C4AF>C2S
2.水化热: C3A>C3S>C4AF>C2S
3.强度: C3S>C2S>C4AF>C3A
4.耐化学侵蚀:
C4AF>C2S>C3S>C3A 5.干缩性:
C3A>C3S>C2S>C4AF
三.熟料的率值
率值:各氧化物之间的比例。
(一)石灰饱和系数
在熟料四个主要氧化物中,CaO为碱性氧化物,SiO2, Al2O3和Fe2O3为酸性氧化物，两者相互化合生成四种 熟料矿物C3S、C2S、C3A和C4AF。
古特曼(A.Guttmann)和杰耳(F.Gille)认为酸性氧化物 形成碱性最高的矿物为C3S、C3A和C4AF，从而提出 了他们的石灰理论极限含量。为便于计算，可将 C4AF改写为C3A与CF，所以石灰理论极限含量计算 式为：
(2)铁相固溶体
在熟料中一般10~18%。熟料中含铁相较复杂，是 一系列的连续固溶体，一般用C4AF表示，称为铁铝 酸四钙，又称为Clite,C矿，属斜方晶系，常呈棱柱 状和圆粒状晶体,在反光镜下由于反射能力强，呈亮 白色，故通常称为白色中间相。
C4AF的水化速度在早期介于C3A与C3S之间，但随 后的发展不如C3S。早期强度类似C3A，后期还能不 断地增长，类似于C2S.抗冲击性能和抗硫酸盐性能 好，水化热较C3A低，含C4AF高的熟料难磨，所以 在道路水泥中和抗硫酸盐水泥中，C4AF含量应高些。
水泥材料学3-4-配料计算
由化学组成计算矿物组成
S=4.07C-7.60S-6.72A-1.43FC3S=4.07C-7.60S-6.72A-1.43F-2.86SO3 S=8.60S+5.07A+1.07FC2S=8.60S+5.07A+1.07F-3.07C+2.15SO3 A=2.65AC3A=2.65A-1.69F C4AF=3.04F CaSO4=1.70 SO3
45.84
0.81
99.90
水泥原料
替代钙质原料的工业废渣： 替代钙质原料的工业废渣： 电石渣—化工废渣 电石渣 化工废渣 糖滤泥—碳酸法制糖废渣 糖滤泥 碳酸法制糖废渣 碱渣—氯碱法制碱废渣 碱渣 氯碱法制碱废渣 白泥—造纸厂 白泥 造纸厂
水泥原料
硅铝质原料：主要提供SiO 硅铝质原料：主要提供SiO2、Al2O3 天然硅质原料：砂岩、 天然硅质原料：砂岩、页岩 主要成分： CaO、 主要成分： SiO2，少量CaO、Al2O3、Fe2O3 主要矿物： 主要矿物：石英 特点： 含量多，硬度大， 特点：SiO2含量多，硬度大，难磨
70%—90% 90%） 量70% 90%）
铁质校正原料的化学成分
编号 名称 烧失量 SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO FeO CuO 合计
1
低品位 铁矿石
—
46.09
10.37
42.70
0.73
0.14
—
—
100.03
2
尾矿
3.48
23.38
7.68
55.24
5.00
1.52
—
—
天然石灰质原料的化学成分
编号 名称 烧失量 SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO 合计
水泥生产工艺及水泥熟料的形成
水泥生产工艺及水泥熟料的形成水泥生料经过连续升温，达到相应的温度时，其煅烧会发生一系列物理化学变化，最后形成熟料。
硅酸盐水泥熟料主要由硅酸三钙（C3S）、硅酸盐二钙（C2S）、铝酸三钙（C3A）、铁铝酸四钙（C4AF）等矿物所组成。
硅酸盐水泥生料通常是用石灰石、黏土及少量铁矿石等按适当的比例配制而成。
石灰石的主要组成是碳酸钙（CaCO3）和少量的碳酸镁（MgCO3），黏土的主要矿物是高岭石（2SiO2·Al2O3·2H2O）及蒙脱石（4SiO2·Al2O3·9H2O)等，铁矿石的主要组成是氧化铁（Fe2O3）。
硅酸盐水泥熟料形成的过程，实际上是石灰石、黏土、铁矿石等主要原料经过加热，发生一系列物理化学变化形成C3A、C4AF、C2S和C3S等矿物的过程，不论窑型的变化如何，其过程是不变的。
一、煅烧过程物理化学变化水泥生料在加热煅烧过程中所发生的（一）自由水的蒸发（二）黏土质原料脱水和分解（三）石灰石的分解（四）固相反应（五）熟料烧成（六）熟料的冷却（一）自由水的蒸发无论是干法生产还是湿法生产，入窑生料都带有一定量的自由水分，由于加热，物料温度逐渐升高，物料中的水分首先蒸发，物料逐渐被烘干，其温度逐渐上升，温度升到100~150℃时，生料自由水分全部被排除，这一过程也称为干燥过程。
（二）黏土质原料脱水和分解黏土主要由含水硅酸铝所组成，其中二氧化硅和氧化铝的比例波动于2：1~4：1之间。
当生料烘干后，被继续加热，温度上升较快，当温度升到450℃时，黏土中的主要组成高岭土（Al2O3·2SiO2·2H2O）失去结构水，变为偏高岭石（2SiO2·Al2O3）。
高岭土进行脱水分解反应时，在失去化学结合水的同时，本身结构也受到破坏，变成游离的无定形的三氧化二铝和二氧化硅，其具有较高的化学活性，为下一步与氧化钙反应创造了有利条件。
在900-950℃，由无定形物质转变为晶体，同时放出热量。
水泥熟料组成及特性
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第四节 水泥熟料组成及特性
③C3A结构特征
结构中的铝离子、钙离子具有较高活性； 结构中存在较大的“空穴”，水化速度快。
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第四节 水泥熟料组成及特性
④C4AF结构特征
C4AF也称才利特或C矿。在透射光下，呈黄 褐色或褐色的晶体，有很高的折射率。其结 构特征为： 高温时形成一种固溶体，在铝原子取代铁 原子时引起晶格稳定性降低。
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大的水化速度。
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第四节 水泥熟料组成及特性
②C2S结构特征
C2S称为贝利特或简称B矿（因为没有纯的C2S ，固溶有MgO，Al2O3，Fe2O3 等） 。 C2S有4种晶型，在2130℃下烧至熔融为α型，1420°C为α′型，温度降至 675℃转变为β型，降到300~400℃转变为γ型。 强度以α型最高，以后随温度降低和晶型转变而降低，到γ型几乎没有强度， 体积膨胀10％，造成熟料粉化。
C4AF---呈棱柱状或圆粒状，反光能力强，在反光镜下呈亮白色，称为白色中间相。
School of Highway, Chang’an University长安大学公路学院来自第四节 水泥熟料组成及特性
①C3S结构特征
C3S称为阿利特或简称A矿（因为没有纯的C3S ，固
溶有MgO，Al2O3，Fe2O3 等）。其晶体断面 为六角形和棱柱形。
硅酸盐水泥熟料中的四种矿物成分的分子
硅酸盐水泥熟料中的四种矿物成分的分子硅酸盐水泥熟料是由多种矿物成分组成的，其中包括四种主要的矿物成分：三钙硅酸盐（C3S）、双钙硅酸盐（C2S）、三钙铝酸盐（C3A）和四钙铝酸盐（C4AF）。
这些矿物成分对水泥的性能和特性有着重要影响。
下面将详细介绍这四种矿物成分的分子结构。
1. 三钙硅酸盐（C3S）三钙硅酸盐是水泥中最主要的矿物成分之一，占据了大约50%至60%的比例。
其化学式为Ca3SiO5，由氧化钙、氧化硅和氧原子组成。
三钙硅酸盐在高温下形成，其晶体结构为正交晶系。
每个晶胞中含有两个不同的晶体结构单元：六面体的Ca2+离子和四面体的SiO4基团。
2. 双钙硅酸盐（C2S）双钙硅酸盐是水泥中第二主要的矿物成分，占据了大约20%至30%的比例。
其化学式为Ca2SiO4，由氧化钙和氧化硅组成。
双钙硅酸盐在高温下形成，其晶体结构为三方晶系。
每个晶胞中含有两个不同的晶体结构单元：六面体的Ca2+离子和四面体的SiO4基团。
3. 三钙铝酸盐（C3A）三钙铝酸盐是水泥中第三主要的矿物成分，占据了大约5%至10%的比例。
其化学式为Ca3Al2O6，由氧化钙和氧化铝组成。
三钙铝酸盐在高温下形成，其晶体结构为六方晶系。
每个晶胞中含有两个不同的晶体结构单元：六面体的Ca2+离子和四面体的AlO4基团。
4. 四钙铝酸盐（C4AF）四钙铝酸盐是水泥中第四主要的矿物成分，占据了大约5%至10%的比例。
其化学式为Ca4Al2Fe2O10，由氧化钙、氧化铝和氧化铁组成。
四钙铝酸盐在高温下形成，其晶体结构为六方晶系。
每个晶胞中含有两个不同的晶体结构单元：六面体的Ca2+离子和四面体的AlO4基团、FeO4基团。
总之，硅酸盐水泥熟料中的四种主要矿物成分分别是三钙硅酸盐（C3S）、双钙硅酸盐（C2S）、三钙铝酸盐（C3A）和四钙铝酸盐（C4AF）。
这些矿物成分在高温下形成，其晶体结构各不相同，但都包含氧化钙和氧化硅或氧化铝等元素。
第一节硅酸盐水泥熟料矿物组成
第一节硅酸盐水泥熟料矿物组成如前所述，硅酸盐水泥熟料是以适当成分的生料烧到部分熔融，所得以硅酸钙为主要成分的烧结块。
因此，在硅酸盐水泥熟料中CaO,SiO2,A1203,Fe2O3 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经高温化学反应而生成的多种矿物的集合体。
其结晶细小，一般为30^-60Icm 。
因此可见，水泥熟料是一种多矿物组成的结晶细小的人工岩石。
它主要有以下四种矿物：硅酸三钙一～3Ca0 ．'3i02 ，可简写为C3S ；硅酸二钙2Ca0 · Si02 ，可简写为C2S ；铝酸三钙3Ca0 · A1203 ，可简写为 C 3 A ；铁相固溶体通常以铁铝酸四钙4Ca0 . A1203 . Fe203 作为代表式，可简写成 C 4 AF,此外，还有少量游离氧化钙(.f-Ca0 ) 、方镁石（结晶氧化镁）、含碱矿物及玻璃体。
通常熟料中C3S 和C2S 含量约占75 ％左右，称为硅酸盐矿物。
C3-ft 和C,AF 的理论含量约占22 ％左右。
在水泥熟料锻烧过程中,C 3 A 和C,AF 以及氧化镁、碱等在1250 ^ - 12800C 会逐渐熔融形成液相，促进硅酸三钙的形成，故称熔剂矿物。
一• 硅酸三钙C3S 是硅酸盐水泥熟料的主要矿物。
其含量通常为50 ％左右，有时甚至高达60 ％以上。
纯C3S 只有在2065^ 12500C 温度范围内才稳定。
在20650C 以上不一致熔融为Ca0 和液相；在1250 0 C 以下分解为CZS 和Ca0 ，但反应很慢，故纯C,S 在室温可呈介稳状态存在。
C,S 有三种晶系七种变型：1070 0 C 1060 0 C 990 0 C 960 0 C 920 0 C 520 0 CR ←―― → M Ⅲ←――→ M Ⅱ←――→ M Ⅰ←――→ ～T Ⅲ←――→ T Ⅱ←――→ T ⅠR 型为三方晶系，M 型为单斜晶系，T 型为三斜晶系，这些变型的晶体结构相近。
第三章 熟料的组成
KH实际上表示了熟料中C3S与C2S百分含量的 比例。KH越大，则硅酸盐矿物中的C3S的比例 越高，熟料强度越好，故提高KH有利于提高 水泥熟料质量。但KH过高，熟料煅烧困难， 必须提高煅烧温度，延长煅烧时间，否则会出 现f-CaO，同时窑的产量低，热耗高，窑衬工 作条件恶化。 为使熟料顺利形成，不致因过多的游离石灰而 影响熟料的质量，通常，在工厂条件下，石灰 饱和系数一般控制在0.82~0.96之间。 值得一提的是，各国用于控制石灰含量的率值 公式有所不同，常见的有： 水硬率HM，石灰标准值KSt，李和派克石灰 饱和系数LSF。
KH
C3 S 0.8837C2 S C3 S 1.3256C2 S
从上式中可知： 当C3S=0时，KH=0.667，这时，熟料中只有 C2S，C3A，C4AF而无C3S； 当C2S=0时,KH=1，此时，熟料中无C2S，只 有C3S,C3A,C4AF。 所以KH值介于0.667~1.0之间。
CaO CaO游 1.65 Al2O3 0.35Fe2O3 0.7 SO3 2.8( SiO2 SiO2 游 )
KH
KH
CaO CaO游 1.1 Al2O3 0.7 Fe2O3 0.7 SO3 2.8( SiO2 SiO2 游 )
石灰饱和系数与矿物组成的关系可用下式表示：
四.熟料矿物组成的计算
（一）石灰饱和系数法 （二）鲍格法（代数法） （三）熟料真实矿物组成与计算矿物组 成的差异 1.固溶体的影响 2.冷却条件的影响 3.碱和其他微组分的影响
思考题
1.推导石灰饱和系数KH公式？ 2.KH过低和过高将会对熟料质量、窑的操作产生怎样 的影响？ 3. SM过低和过高将会对熟料质量、窑的操作产生怎样 的影响？ 4 .下列水泥是什么品种的水泥？ A. 91.5%熟料，5%石灰石，3.5%石膏; B. 91%熟料，5%矿渣，4%石膏; C. 96%熟料，4%石膏; D. 82%熟料，15%矿渣，3%石膏; E. 81.5%熟料，5%窑灰，10%火山灰，3.5%石 膏;
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硅酸盐水泥熟料的矿物组成
硅酸三钙3CaO·SiO2，可简写为C3S，50%左右，有时高达60%以上；
硅酸二钙2CaO·SiO2，可简写为C2S，20-33%
铝酸三钙3CaO·Al2O3：可简写为C3A，7-15%
铁相固溶体：常以铁铝酸四钙4CaO· Al2O3· Fe2O3代替，可简写为C4AF，10-18%。
另外，还有少量的游离氧化钙(f-CaO)、方镁石(结晶氧化镁f-MgO)、合碱矿物以及玻璃体等。
使用萤石或萤石、石膏复合做矿化剂的硅酸盐水泥熟料中，还有氟铝酸钙（C11A7·CaF2）、硫铝酸盐矿物等。
硅酸三钙的化学性质:
加水调和后，凝结时间正常，水化较快，粒径为40-45μm的硅酸三钙颗粒加水后28天，可以水化70%左右。
强度发展比较快，早期强度高，强度增进率较大，28天强度可以达到一年强度的70-80%，四种熟料矿物中强度最高。
水化热较高，抗水性较差。
硅酸二钙的化学性质
C2S与水作用时，水化速度较慢，至28天龄期仅水化20%左右，凝结硬化缓慢，早期强度较低，28天以后强度仍能较快增长，一年后可接近C3S。
它的水化热低，体积干缩性小，抗水性和抗硫酸盐浸蚀能力较强。
中间相:填充在阿利特、贝利特之间的物质通称为中间相，它包括铝酸盐、铁酸盐、组成不定的玻璃体、含碱化合物、游离氧化钙及方镁石等。
铝酸三钙的化学性能：铝酸三钙水化迅速，放热多，凝结硬化很快，如不加石膏等缓凝剂，易使水泥急凝。
铝酸三钙硬化也很快，水化3天内就大部分发挥出来，早期强度较高，但绝对值不高，以后几乎不再增长，甚至倒缩。
干缩变形大，抗硫酸盐浸蚀性能差。
铁相固溶体：C4AF水化硬化速度较快，因而早期强度较高，仅次于C3A。
与C3A不同的是它的后期强度也较高，类似C2S。
抗冲击，抗硫酸盐浸蚀能力强，水化热较铝酸三钙低。
游离氧化钙性能：1过烧的游离氧化钙结构比较致密，水化很慢，通常在加水3d以后反应比较明显。
2游离氧化钙水化生成氢氧化钙时，体积膨胀97.9%。
3 随着游离氧化钙含量的增加，试体抗拉、抗折强度降低，3d以后强度倒缩，严重时甚至引起安定性不良。
方镁石的水化比游离氧化钙更为缓慢，要几个月甚至几年才明显起来。
方镁石水化生成氢氧化镁时，体积膨胀148%，导致体积安定性不良。
方镁石膨胀的严重程度与其含量、晶体尺寸等都有关系。
方镁石晶体小于1μm，含量5%时，只引起轻微膨胀；方镁石晶体5-7μm，含量3%时，就会严重膨胀。
率值：用来控制熟料中各氧化物含量和彼此间比例关系的系数，称为率值。
水硬率的物理意义：表示熟料中氧化钙与酸性氧化物之和的质量百分数的比值，常用HM表示影响：水硬率假定各酸性氧化物所结合的氧化钙是相同的。
当各酸性氧化物的总和不变，它们之间的比例变化时，所需的氧化钙不同。
硅率的物理意义：硅率又称硅酸率，它表示熟料中SiO2的百分含量与Al2O3和Fe2O3百分含量之比，用SM或n表示。
影响：熟料硅率过高，由于高温液相量显著减少，熟料煅烧困难，硅酸三钙不易形成，如果熟料中游离氧化钙含量低，硅酸二钙含量多时，熟料易于粉化。
熟料硅率过低，则熟料因硅酸盐矿物太少而强度低，且由于液相量过多，易出现结大块，结炉瘤，结圈等，影响窑的操作。
铝率的物理意义：又称铝氧率或铁率，它表示熟料中Al2O3 与Fe2O3 质量百分比，用IM 或p表示。
影响：铝率高，熟料中铝酸三钙多，液相粘度大，物料难烧，水泥凝结快。
铝率过低，虽然液相粘度小，液相中质点易扩散对硅酸三钙形成有利，但烧结范围窄，窑内易结大块，不利于窑的操作。
石灰饱和系数KH表示熟料中氧化硅被氧化钙饱和成硅酸三钙的程度
影响：KH实际上表示了熟料中C3S与C2S百分含量的比例。
KH越大，则硅酸盐矿物中的C3S的比例越高，熟料质量（主要为强度）越好，故提高KH有利于提高水泥质量。
KH过高，熟料煅烧困难，保温时间长，否则会出现游离CaO，同时窑的产量低，热耗高，窑衬工作条件恶化。
硅酸盐水泥熟料各主要氧化物的组成范围是多少？
四种主要氧化物的波动范围一般为：
CaO:62-67％；SiO2:20-24％；Al2O3:4.0-7.0％；Fe2O3:2.5-6.0％。
3、什么是熟料的粉化？怎样才能避免？
熟料粉化主要是由于C2S在低于500℃时发生晶型转变所致。
粉化后的熟料一般呈黄色，也有呈青灰色或白色的粉状。
粉化后的熟料强度很低，甚至没有强度，所以粉化的结果会造成熟料质量的严重下降。
避免措施：配料适当；煅烧时合理用风，及时减少粉煤用量，保证正常煅烧；熟料出窑后尽快冷却，冷却机用风要合理
4、熟料中哪些物相会影响水泥的安定性？
（1）熟料中游离氧化钙过多（2）熟料中所含的游离氧化镁过多或掺入石膏过多
熟料矿物组成的选择
(1)水泥品种和强度等级(2)原料品质(3)燃料品质(4)生料成分的均匀性
(5)窑型和规格(6)生料的易烧性。