淺談水泥熟料微觀結構及其質量性能

（葛洲壩當陽水泥有限公司 444103）

淺談水泥熟料微觀結構及其質量性能

李成恩

（葛洲壩當陽水泥有限公司 444103）

隨著經濟的發展，促使建筑行業也有了質的飛躍，然而在建筑中水泥的應用是必不可少的，水泥熟料的質量性能決定了建筑的安全性，對水泥熟料的微觀結構進行有效的分析，進而加強其質量性能的確定。

水泥熟料；微觀結構；質量性能

引言：水泥熟料微觀結構也就是其在顯微鏡下的形態，其會因原材料和工藝因素的不同而有顯著的變化。也就是熟料微觀結構與原材料和工藝因素密切相關，并從本質上影響著熟料的性能。這樣，水泥熟料的微觀結構不僅記錄了礦物的形成和生長的全過程，也反映了全過程的工藝因素，以及因工藝因素不同而變化了的水泥熟料諸多物性。

1.水泥熟料的形成

生料在窯內經過干燥、預熱、分解、燒成及冷卻等階段形成熟料。硅酸鹽水泥熟料主要由硅酸三鈣（C3S）、硅酸鹽二鈣（C2S）、鋁酸三鈣（C3A）、鐵鋁酸四鈣（C4AF）等礦物所組成。生料通常是用石灰石、黏土及少量鐵礦石等按適當的比例配制而成。石灰石的主要組成是碳酸鈣（CaCO3）和少量的碳酸鎂（MgCO3），黏土的主要礦物是高嶺石（SiO2·2Al2O3·2H2O）及蒙脫石(Al,Mg)2[(OH)2|Si4O10](Na,Ca)x*nH2O 等，鐵礦石的主要組成是氧化鐵（Fe2O3）。硅酸鹽水泥熟料形成的過程，實際上是石灰石、黏土、鐵礦石等主要原料經過加熱發生一系列物理化學變化形成C3A、C4AF、C2S和C3S等 礦物的過程，不論窯型的變化如何，其過程是不變的。

2.水泥熟料的特征

水泥熟料是以石灰石和粘土等作為原料在部份熔融狀態下燒成的,通過固液相反應形成礦物。因此它的成分是不均一的,是多種礦物的集合體。我們用肉眼觀察熟料,從外觀可以看到顆粒大小、形狀、表面狀態、色澤等,把熟料顆粒打碎,還可看到內部的致密程度等。從這些我們就可初步推斷熟料燒成的情況如何。而用顯微鏡觀察熟料實際上是肉眼觀察的延伸,會得到更多的信息,從而作出更為科學的推斷。在光學顯微鏡下觀察熟料,可以看到20 ～ 60μm 的呈 六角板狀的阿利特相、20～30μm 的呈圓形并具特定雙晶條紋的貝利特相、填充于阿利特和貝利特晶體之間的黑色鋁酸三鈣相以及白色中間物鐵固溶體相。

3.水泥熟料的微觀結構

水泥原料雖經過優化組合,化學成分的控制,粉磨均化,并在較佳狀態下燒成熟料。但在顯微鏡下觀察熟料,看到的并不是比例不變、均勻分布的顯微結構。

3.1生料細度及均勻性的影響

生料細度控制比較重要，特別是0.2mm篩子篩余控制，一般小于1.5%，生料中顆粒較粗的部分,SiO2含量多。而顆粒較細部分,CaO含多。當生料的均勻性不好,其中又存在200μm 粗粒的不均齊原料時,熟料的燒成反應是不會順利的。粗顆粒的存在常使熟料中出現同種物相的礦巢結構。但晶粒界限線明顯。有較多的貝利特和游離氧化鈣及方鎂石礦巢，

3.2熟料冷卻速度的影響

高溫熟料的冷卻速度直接影響到礦物的結晶狀態,關系到水泥熟料的性能。高溫熟料經過快速冷卻,把阿利特、貝利特高溫型變體在常溫下予以穩定,。快冷熟料的顯微結構大體是：(1)阿利特結晶細小，一般在15um～40um,，邊角平直。(2)貝利特出現交叉雙晶紋。(3)中間相出現較多的玻璃質或點滴狀黑色中間相，⑷游離氧化鈣偏少。慢冷熟料的顯微結構大體是(1)阿里特較大，形狀不規則，有邊角鈍化現象或港灣狀，有時存在分解現像，析出二次游離氧化鈣和貝利特，圍繞在阿利特周圍，呈花環結構。

3.3熱工制度的影響

風煤料匹配、窯速的快慢等某些因素，會對熟料的煅燒溫度和煅燒時間產生影響，熟料易出現過燒、欠燒和急燒幾類狀況。(1)熟料燒成溫度過高，或在燒成帶停留時間過長的熟料稱為過燒熟料，巖相結構是阿利特晶體大，游離氧化鈣和孔洞較少。但是由于發育完整的粗大的阿利特水化活性低，熟料強度低于正常熟料。(2)燒成溫度低或者停留時間短的熟料稱為欠燒熟料，其巖相結構表現為液相偏少，晶體發育不良，尺寸偏小，阿利特偏小邊角不平直；貝利特形狀不規則，表面無交叉雙晶紋，并有大量礦巢；游離氧化鈣偏多，孔洞較多。(3)燒成溫度偏高但是停留時間不足，在猛火急燒的情況下燒成的熟料稱為急燒熟料，巖相結構主要表現為，阿利特大小不均齊，貝利特交叉雙晶紋不明顯，游離氧化鈣偏多。

4.水泥熟料的質量性能預測

熟料的顯微結構因工藝因素的不同而有多種變化。根據顯微結構與熟料質量的對比觀察,可判明不同質量的熟料在顯微結構上的特征,以及產生于外部的工藝因素。這樣熟料強度的發展等物性,可以根據顯微結構來推測。

4.1阿利特、貝利特的大小

因窯內燒成狀況不同阿利特和貝利特的大小會有顯著變化。當原料喂入量過多,窯內溫度會有所下降,由此使阿利特和貝利特晶體變小。相反為之利特和貝利特晶體就會變大。為此,長時間的保持較高的窯溫,阿利特、貝利特生長的就快，在1450℃以上時,保持30 min 生成了90～100μm 的大型的阿利特。這樣,熟料中阿利特和貝利特的大小,因窯內的溫度分布和被燒物料的移動速度而變化敏銳。阿利特的大小即結晶速度與升溫速度相對應。貝利特的大小標志著在高溫下結晶的生長，它與高溫保持的時間相對應，

4.2阿利特的雙折射率

一般在高溫下燒成的熟料 ,阿利特具有高雙折射率,而在低溫下燒成的阿利特則具有低雙折射率。雙折射率值的大小因固溶量的多少而不同。在高溫下生成的阿利特,大多固溶有適量的MgO等雜質。高雙折射率相含有多量MgO成為單斜晶系高溫相MⅢ,而低雙折射率相是含MgO量不多的單斜晶系低溫相MⅠ。因此,阿利特的雙折射率因固溶了雜質與高溫相的穩定化相對應，固溶量與生成溫度相對應。所以,利用阿利特雙折射率的測定,就可以判明熟料的燒成溫度。

4.3貝利特的顏色

貝利特在高溫下是六方晶系的α相,被冷卻則轉變為斜方晶系的α’相。在轉變溫度的范圍內被緩慢冷卻時,α相全部轉變為α’相的同時,引起固溶雜質的出溶作用。使貝利特粒子黃濁。而借助黃濁的程度可判定冷卻的速度。如此, 利用阿利特,貝利特晶體的大小、因含適量的高溫穩定相水化活性大、阿利特的雙折射率、貝利特的色調等,可以推測水泥熟料的 28 天抗壓強度。同時利用上述評價結果,對于水泥窯作業條件的最佳化以及提高熟料質量及其穩定化有著極大的現實意義 。

4.4熟料質量的預測

熟料的質量,其中28天的水化強度是最重要的指標。由于時效關系,28天強度的檢驗結果只起到質量確認作用,對于時刻變化的水泥熟料品位,窯的燒成狀態, 其起不到檢驗結果的作用。因此,利用顯微鏡觀察水泥熟料的礦物形態 , 進行 28 天強度的推斷是最好的一種預測方法。

5.結語

水泥性能優劣主要取決于熟料質量。優質熟料應該具有合適的礦物組成和良好的巖相結構。因此，控制熟料的化學成分是水泥生產的中心環節之一，并對水泥熟料微觀結構形態進行詳細的分析，進而確定水泥的質量性能，確保其在實際的應用中發揮最大的作用。

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