水泥熟料岩相分析.

材料岩相分析第六章硅酸盐水泥熟料的岩相分析§10-1硅酸盐水泥熟料的矿物组成一.A矿阿里特（Alite）是含有少量MgO、Al2O3和Fe2O3的硅酸三钙（3CaO·SiO2，简写为C3S）固溶体。纯的硅酸三钙属于三斜晶系。硅酸盐水泥熟料中的A矿晶体最常见的是单斜晶系，晶体外型为假六方片状或板状，有时出现短柱状等，图8-1-1、7-2、7-3（ρ为几何轴率）。正常煅烧熟料中A矿晶体的大小约20—30μm，呈边棱平直，六角板，柱状的自形晶（图9-3）。A矿的显微结构还有：譬如包裹着其他晶体的包裹结构（图9-4，图8-1-8）。图3包晶结构的阿里特晶体图4阿里特包裹f-CaO、C3A结构1%硝酸酒精图9-5是慢冷熟料A矿分解，周围环绕着析出的小颗粒C2S晶体的花环状结构。图12花环状结构A矿和片状C3A蒸馏水优质料图9-6是受酸性溶液浸蚀后形成的港湾状结构；图9-7是内外成份不同出现的环带结构，等等。在反光显微镜下，用1%的NH4Cl水溶液浸蚀光片后A矿呈兰色；用1%硝酸酒精浸蚀光片后，A矿呈棕色。二.B矿贝里特（Belite）是含有某些金属离子的硅酸二钙（2CaO·SiO2，简写为C2S）固溶体，有多种晶型。工厂水泥熟料中的B矿大部分为β型的，属单斜晶系。β-C2S一般呈圆粒状，常具有两组相互交叉的双晶纹（图7-4，图9-8，图8-1-2）。或一组平行的晶纹（图7-5，图9-9）。前者在烧成温度高并快速冷却的优质熟料中出现，后者在烧成温度较低而冷却速度又较慢的熟料中出现。图10无定形具有平行晶纹贝里特1%硝酸酒精溶液优质料因窑内还原气氛或其他工艺因素的影响，还会呈现手指状（图7-8，图9-10），树叶状（图9-11），花蕾状（图7-6）和脑状（图7-7，图9-12）B矿。图8梭状贝里特1%氯化铵溶液优质料因此，根据β-C2S的形态和双晶纹的变化，可以推断窑内的煅烧温度及热工制度。当β-C2S转变为γ-C2S时，体积要增大10%左右，大量转变时常会使熟料崩裂呈粉状（图7-9）。β-C2S在反光显微镜下，用1％NH4Cl水溶液或1%硝酸酒精浸蚀光片后，都呈现棕色或棕黄色。三.黑色中间体填充在A矿和B矿之间的铝酸盐相、铁铝酸盐相和组成不定的玻璃相，总称为中间体。中间体按反射率大小分为黑色中间体和白色中间体两大类。铝酸盐类矿物属黑色中间体，主要有铝酸三钙（3CaO·Al2O3，简写为C3A），属于等轴晶系。当铝氧率大（P1.6）而熟料又慢冷时，C3A晶体呈四方片状或叶片状（图7-10，图9-14，图8-1-16）。图12花环状结构A矿和片状C3A蒸馏水优质料快冷时则呈点滴状、点线状和骨骼状（图7-11，图9-15），也有呈针状或纤维状析晶的（图7-12）。当熟料出烧成带急冷时，C3A来不及析晶，则形成玻璃相物质。在反光显微镜下，用1%NH4Cl水溶液或1%硝酸酒精溶液浸蚀光片后，C3A呈暗色或灰色；用蒸馏水浸蚀光片后，C3A呈兰灰色。四.白色中间体主要是铁铝酸四钙（4CaO·Al2O3·Fe2O3，简写为C4AF），又称为C矿（才利特），它是水泥熟料中间体中反射率较大，色泽浅的部分（图7-14）。当熟料铝氧率较高（P1.38）而又快冷时，它以他形晶填充于A矿和B矿之间，或因来不及析晶而成玻璃相；当熟料的铝氧率较低（P1.38）而又慢冷时，它可呈棱柱状半自形晶出现（图7-15，图9-13，图8-1-17）。C4AF属斜方晶系。五.游离氧化钙又称游离石灰，常用f–CaO表示。它是没有与熟料中其它成份化合的氧化钙，属等轴晶系。1.一次游离氧化钙：又称残存游离氧化钙，是生料中残留下来的氧化钙，残存的原因大致有以下几种。①生料细度没有达到要求，石灰石（或混入的方解石）颗粒太粗，在煅烧过程中反应不完全，这种残留下来的氧化钙在镜下呈圆形或卵形，粒径较大，而且成堆聚集形成矿巢型分布（图7-16，图9-16）。②生料的饱和系数过高，硅酸率太低，在镜下能见到未化合的游离氧化钙以园粒状分布于A矿和B矿之间，或包裹于A矿中间（7-17，图7-18）。③煅烧温度过低，液相量少，粘度大，CaO没有被充分地吸收生成C3S，而呈游离状态残存下来。2.二次游离氧化钙：又称次生游离氧化钙。它是A矿中分解出来的CaO，大致有以下两种。①熟料在高温下慢冷，A矿在1250°C左右停留的时间过长，将分解为B矿和游离氧化钙，此时A矿边缘往往出现许多小粒B矿，形成花环结构A矿，同时出现一些极细小的游离氧化钙溶入液相或聚集成团形成蠕虫状结构（图7-19，图8-1-23）②发生阳离子置换，Fe2+离子进入A矿使A矿由不稳定到分解，同时置换出游离氧化钙，形成所谓蠕虫状结构的B矿和f-CaO。在反光显微镜下，用蒸馏水浸蚀光片3~5秒钟，游离氧化钙呈现彩虹色，极易辨认。图14游离氧化钙矿巢蒸馏水优质料六.方镁石：是单独析晶的游离氧化镁（MgO），属等轴晶系。方镁石在反光显微镜下突起高，一般呈三角形或多角形小晶体，其表面略显粉红色。图16粉红色突起较高的方镁石1%氢氧化钾溶液优质料当熟料中MgO的成份高达一定数量时，MgO便会从中间体中单独析晶出来（图7-20，图8-1-14）。七.玻璃相：成份不定，含有多量的Al2O3和Fe2O3组分。在偏光显微镜下玻璃相与结晶相不易识别，但在反射光下用10%KOH水溶液及1%硝酸酒精溶液腐蚀后，玻璃相呈暗黑色的包裹体。八.孔洞是熟料中的气相在冷却过程中形成的，在视域中孔洞呈凹下去的圆形、三角形或不规则多角形等。由于光线漫反射的原因，孔洞部分显得较为黯淡，当提升或下降镜筒时，孔洞大小也随之变化。孔洞在镜下呈现的颜色主要决定于光片抛光粉的颜色。煅烧正常的熟料中的孔洞大小为80~100μm，呈圆形，而且分布较均匀。§10-2熟料岩相结构类型与强度的关系一.熟料矿物形态特征的描述见表7-1，水泥熟料常见矿物形态。除表以外，还常用下列几种矿物集合体形态的术语。1.矿巢：是一种矿物的不规则堆聚，且在矿物颗粒间有明显界线。①B矿巢：由原料中粗粒长石、石英或矿渣形成，粗大的B矿几乎紧紧连在一起，见图9-26，图8-1-12②游离氧化钙矿巢：是由粗粒石灰石在煅烧中CaO没有被完全吸收形成的，图7-22，图9-21。当生料中有粗粒白云石时，还会形成方镁石与游离氧化钙的等粒结构矿巢，见图7-23，图9-27。2.共析晶体：固溶体的组分在一定温度下分离出来，同时析出形成几种独立的晶体。如析出的二次B矿小粒（图7-47）。3.孔隙率镜下的孔隙率是指孔洞的面积S孔与熟料矿物的总面积S矿之比（S孔/S矿×100%）。煅烧良好的熟料孔隙率一般在25%～30%，立升重为1450g/L左右。二.熟料的岩相结构构造类型1.构造类型：矿物集合体、玻璃体及孔洞的之间的排列、充填方式。①块状构造：熟料中矿物大小相似、排布均匀、孔洞较少、形状规则，正常煅烧的熟料有此构造。②多孔构造：镜下孔洞较多、孔径较大，部分正常煅烧的多孔状熟料及欠烧熟料有此构造。③层状构造：熟料中分层，各层矿物的组成、颗粒大小不同。旋窑中的圈料、窑皮料及轻烧、急烧熟料有此构造。2.结构类型：矿物结晶程度，颗粒大小形状及其相互间的关系。①均齐结构：A矿和B矿清晰，结晶大小均齐，分布均匀，彼此被20%—30%的中间体隔开。A矿晶形完整、边棱整齐光洁、包裹物少，大小在30µm左右，数量约为50%—60%。B矿晶体园度较好，有清晰的双晶纹，含量约20%—30%。孔洞较少，大小在80µm左右。这是正常煅烧的优质熟料岩相结构，图7-24，图9-25，见表7-2。②斑状结构：A矿和B矿清晰，但大小不均齐，分布不均匀。A矿边棱不光洁，已有部分分解和溶蚀现象。B矿园度不好，有时还能见到大堆的f-CaO矿巢。见图7-25，图9-37，再见表7-3。③多孔结构：A矿晶体发育不良，颗粒细小，边棱有严重的分解和溶蚀现象，体内有包裹物。B矿晶形不规则。中间体数量少。孔隙率高达50%—60%。镜下常见到大堆的f-CaO矿巢。这是配方不良，煅烧不足熟料的岩相结构，见图7-26，表7-4。三.熟料岩相结构类型与强度的关系1.一级熟料：岩相特征为均齐结构，图7-27，图9-25，见表7-8。2.二级熟料：岩相结构基本上与斑状结构接近。A矿和B矿清晰，但大小不均齐，分布不均匀。A矿边棱不光洁，体内有包裹物。B矿园度不好，含量多，可达30%以上。中间体少，分布不均。游离氧化钙较高，有时能见到f-CaO矿巢。孔隙率比一级熟料高，且大而不规则。图7-28，见表7-9。3.三级熟料：岩相结构类似于多孔结构。A矿晶体发育不良，颗粒细小，10µm以下的占多数，含量较少；B矿晶形不规则，含量增加到30%—40%，成堆分布；中间体数量少，矿物间相互接触；游离氧化钙呈矿巢型分布；孔洞多而大（孔径达100—200µm，孔隙率高达50%—60%），见图7-29。熟料岩相结构与强度的关系总是遵循下列规律变化：强度由高到低，熟料矿物岩相结构的变化规律为：①A矿形态由规则的长柱状、板状依次到不规则状；②A矿大小由均齐到不均齐，晶体尺寸依次变小，并至细晶成堆；③A矿和B矿之间分布依次由均匀变为不均匀；④B矿是圆形且具清晰的二组双晶纹，依次到小圆粒无双晶纹，手指状，树枝状；⑤B矿数量由少到多，由均匀到成堆分布；⑥中间相含量逐渐减少；⑦黑色中间体由点滴状、点线状、骨骼状依次到叶片状、板状；⑧白色中间体的反射率由高到低；⑨游离氧化钙的数量依次递增，由少量到小堆，直到形成f－CaO矿巢；⑩孔洞由少到多，由圆形到不规则，分布由均匀到不均匀，孔隙率由小到大。§10-3原料对熟料岩相结构的影响主要原料有：石灰质原料、粘土质原料、硅质原料及铁质原料等。一.石灰质原料石灰岩用得最多，其主要矿物成分为方解石，其次有白云石、方镁石、石英、燧石等，它们的光学性质见表7-13。1.方解石尺寸大小的影响获得熟料中的CaO。制水泥用的石灰岩，以隐晶质的最好，其中方解石晶体尺寸在1μm左右，见图9-19，图8-1-5。易磨性好，比表面积小，料间固相反应好，好煅烧，熟料强度高。经过变质作用的石灰岩，方解石晶体尺寸可以增大10到几十倍，而且石灰岩的结构坚硬致密，颗粒间结合力增强，易磨性差。易磨性差的石灰岩往往在生料中留下粗颗粒的石灰石，是形成游离氧化钙矿巢的主要原因。见图9-20，图8-1-6，图9-21。2.石灰岩成分和性质的影响①石灰岩的白云岩化，方镁石析晶严重，严重影响水泥的安定性，图8-1-7。②周围SiO2与方解石发生置换反应，形成高SiO2矿物，特别是燧石结核，易磨性差，熟料中A矿数量减少，包裹物多（图9-22）。二.粘土质原料获得熟料中所需的SiO2和Al2O3。粘土也是熟料中碱金属氧化物（K2O、Na2O）的主要来源，易生成高碱的钠铝酸钙（Na2O·8CaO·3Al2O3）（NC8A3）和钾硅酸钙（K2O·23CaO·12SiO2）（KC23S12）。图9-23，图9-24，图8-1-9，图8-1-10。图17树枝状KC23S12晶体图17树枝状KC23S12晶体三.硅质原料当粘土中含较多的石英或者用石英砂作原料校正时，石英含量达10%以上的生料将会出现窜料难烧现象，若石英的含量从2.5％降低到1.5％，熟料产量就可提高10%以上。石英的粒度愈大，熟料抗压强度降低的百分率亦就愈多，粗粒石英会出现B类矿巢（图9-26，图8-1-11）。§10-4生产工艺条件对熟料岩相结构的影响一.配料率值的影响石灰饱和系数KH：表示SiO2被CaO的饱和程度，亦表示了C3S与C2S的相对量。KH高则A矿多，KH低则B矿多。在岩相分析时可根据镜下实测的C3S和C2S数量来计算KH值，公式：32320.88381.3256CSCSKHCSCS还可根据A矿中的包裹体成分来判断KH的大小：KH0.90时，一般A矿包裹物常为C2S（图7-30，图8-1-8）。KH0.90时，则A矿包裹物常见f－CaO；当KH≈0.90时，则A矿包裹体中两者都可能存在（图7-31）。硅酸率n：表示硅酸盐矿物（C3S＋C2S）与溶剂