淺談水泥熟料微觀結(jié)構(gòu)及其質(zhì)量性能

（葛洲壩當(dāng)陽水泥有限公司 444103）

淺談水泥熟料微觀結(jié)構(gòu)及其質(zhì)量性能

李成恩

（葛洲壩當(dāng)陽水泥有限公司 444103）

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，促使建筑行業(yè)也有了質(zhì)的飛躍，然而在建筑中水泥的應(yīng)用是必不可少的，水泥熟料的質(zhì)量性能決定了建筑的安全性，對水泥熟料的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效的分析，進(jìn)而加強(qiáng)其質(zhì)量性能的確定。

水泥熟料；微觀結(jié)構(gòu)；質(zhì)量性能

引言：水泥熟料微觀結(jié)構(gòu)也就是其在顯微鏡下的形態(tài)，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(jié)構(gòu)與原材料和工藝因素密切相關(guān)，并從本質(zhì)上影響著熟料的性能。這樣，水泥熟料的微觀結(jié)構(gòu)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(nèi)經(jīng)過干燥、預(yù)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(dāng)?shù)谋壤渲贫伞Ｊ沂闹饕M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(jīng)過加熱發(fā)生一系列物理化學(xué)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(tài)下燒成的,通過固液相反應(yīng)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(tài)、色澤等,把熟料顆粒打碎,還可看到內(nèi)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(xué)的推斷。在光學(xué)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(jié)構(gòu)

水泥原料雖經(jīng)過優(yōu)化組合,化學(xué)成分的控制,粉磨均化,并在較佳狀態(tài)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(jié)構(gòu)。

3.1生料細(xì)度及均勻性的影響

生料細(xì)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(xì)部分,CaO含多。當(dāng)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(yīng)是不會順利的。粗顆粒的存在常使熟料中出現(xiàn)同種物相的礦巢結(jié)構(gòu)。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(jié)晶狀態(tài),關(guān)系到水泥熟料的性能。高溫熟料經(jīng)過快速冷卻,把阿利特、貝利特高溫型變體在常溫下予以穩(wěn)定,?？炖涫炝系娘@微結(jié)構(gòu)大體是：(1)阿利特結(jié)晶細(xì)小，一般在15um～40um,，邊角平直。(2)貝利特出現(xiàn)交叉雙晶紋。(3)中間相出現(xiàn)較多的玻璃質(zhì)或點(diǎn)滴狀黑色中間相，⑷游離氧化鈣偏少。慢冷熟料的顯微結(jié)構(gòu)大體是(1)阿里特較大，形狀不規(guī)則，有邊角鈍化現(xiàn)象或港灣狀，有時存在分解現(xiàn)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(huán)結(jié)構(gòu)。

3.3熱工制度的影響

風(fēng)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(chǎn)生影響，熟料易出現(xiàn)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(jié)構(gòu)是阿利特晶體大，游離氧化鈣和孔洞較少。但是由于發(fā)育完整的粗大的阿利特水化活性低，熟料強(qiáng)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(jié)構(gòu)表現(xiàn)為液相偏少，晶體發(fā)育不良，尺寸偏小，阿利特偏小邊角不平直；貝利特形狀不規(guī)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(jié)構(gòu)主要表現(xiàn)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(zhì)量性能預(yù)測

熟料的顯微結(jié)構(gòu)因工藝因素的不同而有多種變化。根據(jù)顯微結(jié)構(gòu)與熟料質(zhì)量的對比觀察,可判明不同質(zhì)量的熟料在顯微結(jié)構(gòu)上的特征,以及產(chǎn)生于外部的工藝因素。這樣熟料強(qiáng)度的發(fā)展等物性,可以根據(jù)顯微結(jié)構(gòu)來推測。

4.1阿利特、貝利特的大小

因窯內(nèi)燒成狀況不同阿利特和貝利特的大小會有顯著變化。當(dāng)原料喂入量過多,窯內(nèi)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(nèi)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(jié)晶速度與升溫速度相對應(yīng)。貝利特的大小標(biāo)志著在高溫下結(jié)晶的生長，它與高溫保持的時間相對應(yīng)，

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(zhì)。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(zhì)與高溫相的穩(wěn)定化相對應(yīng)，固溶量與生成溫度相對應(yīng)。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(zhuǎn)變?yōu)樾狈骄档摩痢唷Ｔ谵D(zhuǎn)變溫度的范圍內(nèi)被緩慢冷卻時,α相全部轉(zhuǎn)變?yōu)棣痢嗟耐瑫r,引起固溶雜質(zhì)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(wěn)定相水化活性大、阿利特的雙折射率、貝利特的色調(diào)等,可以推測水泥熟料的 28 天抗壓強(qiáng)度。同時利用上述評價結(jié)果,對于水泥窯作業(yè)條件的最佳化以及提高熟料質(zhì)量及其穩(wěn)定化有著極大的現(xiàn)實意義 。

4.4熟料質(zhì)量的預(yù)測

熟料的質(zhì)量,其中28天的水化強(qiáng)度是最重要的指標(biāo)。由于時效關(guān)系,28天強(qiáng)度的檢驗結(jié)果只起到質(zhì)量確認(rèn)作用,對于時刻變化的水泥熟料品位,窯的燒成狀態(tài), 其起不到檢驗結(jié)果的作用。因此,利用顯微鏡觀察水泥熟料的礦物形態(tài) , 進(jìn)行 28 天強(qiáng)度的推斷是最好的一種預(yù)測方法。

5.結(jié)語

水泥性能優(yōu)劣主要取決于熟料質(zhì)量。優(yōu)質(zhì)熟料應(yīng)該具有合適的礦物組成和良好的巖相結(jié)構(gòu)。因此，控制熟料的化學(xué)成分是水泥生產(chǎn)的中心環(huán)節(jié)之一，并對水泥熟料微觀結(jié)構(gòu)形態(tài)進(jìn)行詳細(xì)的分析，進(jìn)而確定水泥的質(zhì)量性能，確保其在實際的應(yīng)用中發(fā)揮最大的作用。

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