3.1 硅酸盐水泥熟料的化学组成
熟料矿物组成的测定
1. 岩相分析
基于在显微镜下测出单位面积中各矿物所占的百分率，再乘以相 应矿物的密度，得到各矿物的含量。 测定结果比较符合实际情况，但当矿物晶体较小时，可能因重叠 而产生误差。
2. X射线分析
基于熟料中各矿物的特征峰强度与单矿物特征峰强度之比以求得 其含量。 误差较小，但含量太低则不易测准。
(4)铝率IM ＞0.64时，C4 AF 3.04Fe2O3
本章要求
1 掌握硅酸盐水泥熟料中主要矿物的组成范围。
2 掌握C3S、C2S、C3A、铁相固溶体、f-CaO、
方镁石性能特点。
3 掌握硅酸盐水泥熟料的率值的计算方法及其
物理含义。
铁相固溶体（C2F－C8A3F )
C4AF实际是C2F-C8A3连续固溶体，在一般的硅酸盐水 泥熟料中，这种连续固溶体的化学成分接近于C4AF，简称 C 矿；矿物中也溶有少最MgO、SiO2等氧化物。C 矿在反 射光下呈白色，故又被称为白色中间相。 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。它 的水化热低，干缩变形小，耐磨，抗冲击，抗硫酸盐浸蚀 能力强。据研究发现：铁相固溶体的水化速率与其中的铝 的含量有直接关系，其含量越高，水化越快。
C3S加水调和后，凝结时间正常，水化较快， 早期强度高，强度增进率较大。其28 天强度、一 年强度是四种矿物中最高的。它的体积干缩性也 较小，抗冻性较好。但它的水化热较高，抗水性 较差，抗硫酸盐腐蚀能力也较差。另外，由于在 锻烧过程中，C3S形成需要较高的烧成温度和较 长的烧成时间，这给熟料的锻烧操作带来了困难。 因此，在实际生产中不能不切实际地追求C3S的 数量，否则将导致有害成分f-CaO增多，反而降 低熟料质量。
SiO2 3KH 60.06
（三）按水泥熟料化学成分计算矿物组成
⊙已知熟料的化学组成，计算出水泥的熟料矿物组成
1. 计算铝率IM； 2. 根据不同的IM值，按不同的公式计算石灰饱和系数KH； 3. 再分别计算C3S、C2S、C3A、C4AF等的含量。
(1)C3 S 3.8SiO2 N 2 3.8SiO2 3KH 2 (2)C2 S 2.87 SiO2 3 N 2.87 SiO2 3 3KH 8.61SiO2 1 KH (3)铝率IM 0.64时，C3 A 0 铝率IM 0.64时，C3 A 2.65 Al2O3 0.64Fe2O3
铝
公式:
p ( IM ) Al2O3 Fe2O3
率
含义： 表示C3A与C4AF的相对含量。在一定程度上反映了水泥煅烧
过程中高温液相的粘度。Fra bibliotek取值： 硅酸盐水泥熟料为0.8~1.7，抗硫酸盐水泥或低热水泥的铝率
可降至0.7左右。
当IM ＞0.64时，铝率与矿物组成之间的数学式为： IM 1.15C3 A 0.64 C4 AF Fe2O3除与全部的Al2O3结合成C4 AF 外
贝利特的结构特征
① 贝利特是在高温下存在的介稳的高温型矿物，其结构具有热力
学的不稳定性。
② 贝利特中的钙离子具有不规则配位，使其具有较高的活性。 ③ 在贝利特结构中的杂志和稳定剂的存在也提高了其结构活性。
3.3.3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。 铝酸钙（C3A、C12A7 、 C12A7· CaF2、C4A3Ŝ) C3A可固溶有少量SiO2、Fe2O3、MgO、R 2O等形成固溶 体，在反光镜下，其反光能力弱，呈暗灰色，并填充在A矿 与B矿中间，又称黑色中间相。 C3A与水结合后，水化迅速，凝结硬化很快，如不加石 膏等缓凝剂，易使水泥急凝。它的早期强度较高，但后期 强度增长不多，甚至倒缩。它的水化热高，干缩变形大， 抗硫酸盐浸蚀、抗碱性都较差。它的脆性也大，耐磨性差。 C3A中也可固溶少量SiO2、Fe2O3、MgO等氧化物。
硅酸盐水泥熟料的组成
水泥的质量主要取决于熟料的质量，优质熟料应该具有合适的矿物组成 和岩相结构。因而控制组成十分关键
硅砖 玻璃 酸性矿渣 硅灰石瓷 碱性矿渣 硅酸盐水泥 石灰质耐火材 料
SiO2
石英
半硅砖 瓷
火山灰 粘土 高铝砖 电熔莫来石 刚玉
CaO
图6.90
高铝水泥
Al2O3
CaO-Al2O3-SiO2系统中各种材料组成范围示意 图
粒状，常具有黑白交叉双晶条纹。
C2S与水作用时，水化速度较慢．早期强度较低， 但28 天以后强度仍能较快增长，一年后可接近场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。它的形成温度一般较低，C2S在1450 ℃ 以下易发生多种晶型转变，尤其在低于500 ℃ 时，由 β-C2S 转变为密度更小、活性很低的γ-C2S时，体积膨 胀10 % ，导致熟料粉化，且使熟料强度大大降低。这 种现象在通风不良、液相量较少、还原气氛较浓、冷 却较慢的立窑生产中较为多见。在烧成温度较高、冷 却较快的熟料中，由于C2S中固熔进少量Al2O3、 Fe2O3、MgO等，通常都可保留β型。这种β-C2S被称 为贝利特，简称B 矿。
③ 在硅酸三钙结构中，钙离子的配位数是6，比正常的配位数低，并且 处于不规则状态，因而使钙离子具有较高的活性。
3.3.2硅酸二钙（C2S )
熟料中硅酸二钙通常固溶有少量氧化物如 Al2O3 、 Fe2O3 、 MgO 、 R 2O 等形成固溶体，称贝
利特（ Belite ），简称 B 矿。在反光显微镜下呈圆
3. 红外光谱分析
硅酸盐水泥熟料矿物的结构
主要矿物组成：
硅酸三钙：3CaO· SiO2 (C3S) 硅酸盐矿物~75% 硅酸二钙：2CaO· SiO2 (C2S) ~95% 铝酸三钙： 3CaO· Al2O3 (C3A) ~22% 铁铝酸四钙：4CaO·Al2O3 · Fe2O3 (C4AF)
其它： 游离氧化钙：f-CaO 方镁石：（即结晶氧化镁） 熔剂矿物
玻璃体：
3.2 硅酸盐水泥熟料的矿物组成
在硅酸盐水泥熟料中，氧化钙、氧化硅、氧化铝和氧化铁 并不是以单独的氧化物存在，而是经高温燃烧后，以两种或 两种以上的氧化物反应生成的多种矿物集合体，其结晶细小， 通常，在硅酸盐水泥熟料中主要形成四种矿物； 硅酸三钙 3CaO· SiO2，可简写为C3S，38-55%； 硅酸二钙 2CaO· SiO2，可简写为C2S，20-33% 铝酸三钙 3CaO· Al2O3：可简写为C3A: 4-15% 铁相固溶体 通常以铁铝酸四钙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。 使用萤石或萤石加石膏作矿化剂的硅酸盐水泥熟料中，还 有氟铝酸钙（C11A7· CaF2）、硫铝酸钙（3CA· CaSO4，简写 为C4A3Ŝ）等。
硅酸三钙的结构特征
① 硅酸三钙是在常温下存在的介稳的高温型矿物。其结构是热力学不 稳定的。
② 在硅酸三钙结构中，进入了Al3+与Mg2+离子并形成固溶体，固溶程
度越高，活性越大。比如在C54S16MA结构中，由于Al3+离子取代 Si4+离子，同时为了补偿静电而引入Mg2+，因而引起了硅酸三钙的
变形，提高了其活性。
3.3 硅酸盐水泥熟料矿物性质
3.3.1硅酸三钙（C3S )
存在形式：
纯 C3S 只在 2065℃~1250℃ 温度范围内稳定，在 2065℃以上不一致熔融为 CaO 与液相；在1250℃以下分 解为C2S和CaO。
熟料中 C3S 不纯，总是与少量的其 他氧化物如 Al2O3 、 Fe2O3 、 MgO 、 R2O 等形成固溶体。在反光显微镜 下为黑色多角形颗粒，又称阿利特 （Alite），简称A矿。
大
经过高温， 水化较慢
较大
3.4 硅酸盐水泥熟料的率值及其意义
硅
公式: n(SM)=
率
SiO2 Al2O3 Fe2O3
含义： 反映了熟料矿物中硅酸盐矿物与熔剂矿物之间的数量对比关系。 取值： 硅酸盐水泥为1.7~2.7，白色硅酸盐水泥可高达4.0左右。
当IM＞0.64时，硅率与矿物组成之间的数学式为： C3 S 1.325C2 S SM 1.434C3 A 2.046C4 AF
游离氧化钙（f-CaO)
种 类 产生原因 特 点
结构疏松 多孔、
对水泥 安定性 的影响
不大
欠烧游离氧化 熟料煅烧过程中因欠烧、漏 钙（欠烧f生，在1100~1200℃低温下 CaO） 形成
一次游离氧化 因配料不当、生料过粗或煅 呈“死烧 钙（一次f烧不良，尚未与S、A、F反 状态”， CaO） 应而残留的CaO 结构致密， 二次游离氧化 钙（二次f熟料慢冷或还原气氛下， CaO） C3S分解而形成的
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 Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、R 2O 不及晶体稳定，水化热较大；可改善熟
主要成分 含量 性能
取决于液相量及冷却条件，一般2%~22%
料性能与易磨性。
游离氧化钙和方镁石
游离氧化钙（f-CaO）指经高温煅烧而仍未化合的氧 化钙。其水化反应如下： CaO+H2O→Ca(OH)2 此反应的产生导致：体积膨胀97.9%，严重时，抗 折强度降低，3天以后强度倒缩，甚至导致安定性不良。 通常回转窑控制在1.5%以下，立窑控制在2.5%以下。 方镁石（游离状态的MgO晶体） MgO一般存在于铁相固溶体、A矿、玻璃体或者 以方镁石出现。方镁石与水会发生如下反应，但反应 速率慢。 MgO+H2O→Mg(OH)2