Transcript 第02章

第2章 硅酸盐水泥熟料的
化学组成与矿物组成
§1
§2
§3
§4
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硅酸盐水泥熟料的化学组成
硅酸盐水泥熟料的矿物组成
硅酸盐水泥熟料的率值
熟料矿物组成的测定与计算
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§1 硅酸水泥熟料的化学组成
概述
物质的性质取决于物质的结构，物质的结构
取决于物质的组成。
通过《物理化学》、《材料物理化学》等课
程的学习，同学们已经了解到物质的性质、结构
与组成三者之间存在着密切关系：参见图
水泥也一样，水泥的性能，也就是说水泥的
质量主要取决于熟料的质量，而熟料的质量则取
决于熟料的组成及熟料的结构。
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性质
组成
结构
一、主要化学成分
硅酸盐水泥熟料主要由CaO、SiO2、Al2O3、
Fe2O3四种氧化物组成。这四种氧化物通常占
95%以上，同时含有5%以下的其他氧化物，如
MgO、TiO2、P2O5以及碱（K2O与Na2O）等。
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CaO：
62-67%；
SiO2：
20-24%；
Al2O3：
4-7%；
Fe2O3：
2.5-6.0%
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1、 CaO
CaO是水泥熟料中最主要的氧化物，主要提
供熟料中四种主要矿物中的钙。
CaO含量直接影响水泥质量：
含量低，则生成硅酸三钙少，水泥质量差；
含量过高，影响熟料烧成，使f- CaO含量升
高。
熟料CaO主要来源于石灰石。
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2、 SiO2
提供水泥熟料中两种主要矿物硅酸三钙和硅酸二
钙中的硅，主要来源于粘土。SiO2的主要性质：
（1）在常温下是化学极不活泼的物质，只有在高温下
才能与碱反应形成硅酸盐；
（2）当有水存在并在高温蒸汽下加热时， SiO2可与
石灰反应；
（3） SiO2的光学性质随不同的稳定剂而变化；
（4） SiO2可分为可溶性和不可溶性两种，可溶性的
常可被石灰水等侵蚀。
自然界中，SiO2通常以石英的形式存在。
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3、 Al2O3
提供熟料矿物铝酸三钙和铁铝酸四钙中的铝。主
要来源于粘土。
在水泥中Al2O3以酸性氧化物的形式出现。在自然
界中少部为刚玉a- Al2O3，大部分以化合态存在。
水泥生产中使用的不是刚玉，而是化合态的Al2O3。
4、 Fe2O3
提供铁铝酸四钙中的铁。
注： Al2O3、Fe2O3即水泥熟料中熔剂性矿物铝酸
三钙和铁铝酸四钙的主要来源。
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二、次要成分
根据第七届国际水泥化学会议资料统计，熟
料中微量成分和元素有：（按含量由大至小）
MgO、K2O、SO3、Na2O、TiO2、Mn2O3、
P2O5、SrO、F-、Cl-、Cr2O等。
这些次要成分虽然数量不大，但对水泥熟料
的性能影响很大。
当这些微量成分（元素）在某一范围内时，
起有利作用，而超过范围时，却严重影响水泥性
能和熟料的烧成。
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§2 硅酸盐水泥熟料的矿物组成
一、概述
1、硅酸盐水泥熟料的矿物组成
硅酸盐水泥熟料实际上是一种结晶细小的人造岩
石（工艺岩石），它主要由四种矿物组成：
硅酸三钙C3S：（ 3CaO·SiO2或Ca3SiO5）44-62%；
硅酸二钙C2S：（2CaO·SiO2或Ca2SiO4）18-30%；
铝酸三钙C3A：（3 CaO·Al2O3或CaAl2O6）5-18%；
铁铝酸四钙C4AF：
（4CaO·Al2O3 · Fe2O3或CaO4Al2Fe2O10）10-18%。
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前两种为硅酸盐矿物，其总量约为75%。
后两种由于在1250-1280ºC开始，与MgO、碱
等熔融成液相，以促进C3S的形成，故称为熔剂性
矿物。
除以上四种主要矿物外，还有一些其他次要
矿物。
如：方镁石（结晶的MgO）、f-CaO、含碱化
合物、玻璃体等。
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2、硅酸盐熟料的岩相结构
图为某水泥熟料的岩相照片。
中间相：指C3A、C4AF及含碱化合物和玻
璃体。
是由液相凝固时形成的，在冷却过程中一
部分析晶，另一部分保持其液相。
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二、熟料矿物结构特征与性质
（一）硅酸三钙（C3S）
C3S是熟料的主要矿物，占熟料总量的44-62%，
它的性能决定了熟料性能。
水泥熟料质量的好坏主要取决于C3S的含量
与C3S的形态。
1、纯C3S的性质
（1）主要化学性质
得。
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纯C3S可用3CaO+SiO2经过反复多次煅烧制
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C3S的稳定温度范围为：1250-2065ºC。
低于1250ºC时，发生分解：
C3S—C2S+CaO
高于2065ºC时，不一致熔融：
C3S—CaO+液相
注：在1250ºC以下， C3S虽然发生分解，但
进行得非常缓慢，以至在室温下通过急冷可得到
介稳的C3S，这是水泥生产工艺中的一个非常重要
的环节。
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（2） C3S的多晶变化
C3S有分属于三个晶系的七种晶型：
三方晶系的R型；单斜晶系的MI、MII、MIII
型；三斜晶系的TI、TII、TIII型。
R  M III  M II  M I
1070 0 C
1060 0 C
990 0 C
 TIII  TII  TI
980 0 C
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920 0 C
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620 0 C
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（3）结构
根据查沸竖模（Jeffer）：纯C3S为假想的三方晶
系：a=7（Å），b=25（ Å ），空间群R3m，为岛式
结构。
他认为C3S是[CaO6]和[SiO4]5-通过Ca++的不规则
配位联接的。
Ca++的不规则配位造成容纳其他离子的空间，这
些空间的存在就造成了C3S的活性。
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2、熟料中的C3S——C3S固熔体——A矿（Alite）阿利特
以上讨论的纯C3S在熟料中是不存在的。在生
产过程中，由于生料中并不是同一种化学组成的物
质，而是多种化学组成的物质的混合体，煅烧时
C3S晶格中不可避免地要掺入其他离子。
如Mg 2+、Al 3+、Fe 3+等。它们进入C3S晶胞取
代晶格结点上的Ca 2+，另一方面还可以进入原子间
隙形成间隙离子，这样就不可避免地形成固熔体。
A矿就是在C3S基质中熔有Mg 2+、Al 3+、Fe 3+
等离子的固熔体。
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（1）A矿的组成
研究表明，A矿的组成为C3S+ Mg2+、Al3+、Fe3+
等，但总的化学组成仍相当于纯C3S。
根据不同的生产过程，进入的外来离子的种类数
量各有所差异，因此，A矿的组成是不固定的。
一般：
MgO的极限含量为：1.0-1.5%；
Al2O3的极限含量为：6-7%。
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由于C3S中时入了其他离子，因此熟料中C3S
的结构与发生了相应的变化，但晶格变形不大，
只是在最邻近的原子之间的距离上发生了变化，
而远程不变。
一般认为A矿的组成为：
54CaO·16SiO2 · MgO · Al2O3 · Fe2O3
即：C54S16MA。
也有人认为是： C105S35M2A或C154S52M2等。
几种阿利特的组成范围见表。
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CaO
SiO2
Al2O3
Fe2O3
MgO
TiO2
K2O
Na2O
P2O5
70.90-73.10 %
24.90-25.30 %
0.70-2.47 %
0.4-1.6 %
0.3-0.98 %
0.2-0.4 %
0.2%左右
0.1 %左右
0.1 %左右
（2）A矿的结构
纯C3S在常温下，通常只能得留三斜晶系（T
型），如含有少量的MgO 、Al2O3、Fe2O3、SO3、
ZnO、 Cr2O3、R2O等稳定剂的固熔体，可保留
M型和R型。
由于熟料中C3S总含有上述氧化物，故阿利
特通常为M型或R型。
其特征有以下四个方面：
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1）阿利特是常温下存在的介稳的高温型矿物，
其结构是不稳定的，因此有较好的活性；
2）在C3S中进入Mg、Al等离子后，形成固熔体，
引起C3S的结构变形，提高了活性；
3）在C3S中Ca++的配位数为6，比正常的配位数
低（8-10），处于不规则状态，因而使Ca++有较
高的活性；
4）在阿利特结构中存在着大尺寸的空穴，这些
空穴可以使OH-直接进入晶格中，这就决定了A
矿有较大的水化速度。
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（3）熟料中C3S的性质
1）具有很好的水硬性，硬度高，水化增进速率大，
决定了水泥的早期强度；
2）水化热大，完全水化时水化热为120Cal/g水泥；
C3A＞ C3S＞ C4AF＞ C2S
3）易磨性好： C3S ＞ C3A ＞ C4AF＞ C2S
4）水化速度快；
5）抗水性较差，抗硫酸盐的侵蚀较差；
6）生产时所需温度较高。
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（二）硅酸二钙C2S
硅酸二钙可由氧化钙和氧化硅反应生成。
2CaO+SiO2=2CaO· SiO2
它是硅酸盐水泥熟料的重要组分，含量一般为20-24%。
1、纯C2S的多晶转变与结构
（1）纯C2S在1450ºC以下，存在多晶转变；见图
（2）各种C2S变形的晶系和比重（差异较大）；
晶型
晶系
比重
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α
三方或六方
3.04
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α’
斜方
3.40
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β
单斜
3.28
上页
γ
斜方
2.97
下页
680～630℃
℃
0
16
±
10
1
1425±10℃
α
（粗晶）
690±20℃
β
H
＜500℃
H
60
（微晶）
±
10
℃
H
L
α'
11
α'
α
α'
α'
L
630～620℃
β
690±20℃
780～860℃
L
γ
α' α'
β属于位移性转变
α ' 属于半重建性转变
L
H
L
对于纯C2S，有水硬性的α、 αH’、 αL’、
β型在室温下都是不稳定的，有趋势转变为水硬性
微弱的γ型，而γ的比重最小，这一转变将导致体
积膨胀，以致发生粉化。
但在熟料中，含有 MgO 、Al2O3、Fe2O3、
SO3、 ZnO、 Cr2O3、R2O等，因此熟料中的C2S
也为固熔体。
根据固熔的氧化物的种类和数量，以及冷却开
始的温度与速率，生产中可以保留不同的高温型。
这也就是生产中必须对熟料进行急冷的原因之
一。也是水泥生产中的一个关键。
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（3） C2S各种晶型的主要特征
α’型的强度较β型的高。
α的强度试验结果不一致，有的高于β型，有的
低于β型，有的甚至在常温下只有微弱的水硬性与胶
凝性。
α型由于生成温度较高，且主要稳定剂氧化钠大
多与C3A形成固熔体，所以常温下α型C2S很少见。
较为稳定的α’型的主要稳定剂K2O数量也不多，
且α’、 β型结构比较相似，它们之间较容易转变，
因此在熟料中α与α’型较少存。
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而β型和γ型的转变，结构变化较大，虽
β-C2S也是不稳定的，但烧成温度较高、冷却
较快，且固熔有少早的Al2O3、Fe2O3、R2O等
氧化物的硅酸盐水泥熟料中，通常均保留β型。
性。
在熟料中由于β- C2S的保留使C2S具有活
如前所述，使熟料中C2S以β- C2S形式存
在，是水泥生产的技术关键之一。
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2、 C2S的固熔体—贝利特（Belite）—B矿
（1）贝利特的组成
固熔有少量氧化物的C2S称为贝利特，简称B矿。
贝利特固熔体的组成范围见下表：
成分
CaO
SiO2
Al2O3
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含量%
63.0-63.7
31.5-33.7
1.1-2.6
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成分
Fe2O3
MgO
TiO2
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含量%
0.7-2.2
0.2-0.6
0.2-1.0
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成分
K2O
Na2O
P2O5
上页
含量%
0.3-1.0
0.1-0.3
0.1-0.3
下页
（2）稳定剂对C2S水硬活性的影响
当C2S中固熔有少量As2O5、V2O5、 Cr2O3、
BaO 、 SrO 、P2O5等氧化物时，可以提高C2S水硬
活性的水硬活性，但采用不同氧化物时，其强度
发展存在明显差别。
（3）烧成温度对贝利特的影响
除了稳定剂的影响外，在熟料烧成过程中，
如果烧成温度偏低、液相量不足、 C2S含量过多、
冷却较慢、大窑通风不良造成还原气氛严重都会
影响到C2S的性能。
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更需值得注意的是： C2S在低于500ºC的温度下，
容易由比重为3.28的β型转变为比重为2.97的γ型，
体积膨胀10%，从而导致熟料粉化。
当然液相较多时，可使熔剂矿物形成玻璃体将
β-C2S晶体包住；在迅速冷却的条件下，可使其越过
β型向γ型的转变温度（ 500ºC ），而使β型保留
下来。
熟料的粉化产物，视转变的程度，主要为不同比
例的β-C2S和γ-C2S的混合物，甚至大部分转变为γ
型，因而水泥强度降低，严重时完全失去强度。
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3、贝利特的结构特征
（1） β-C2S是在常温下存在的介稳高温型矿物，
因此其结构上具有热力学不稳定性；
（2）β-C2S中，Ca++具有不规则的配位，因此βC2S具有较高的活性；
（3）在β-C2S中杂质和稳定剂的存在引起了晶格
的变化，从而也提高了它的稳定性；
（4）在β-C2S中不具有C3S结构中的空穴，这就是
C2S水化速度比较慢的原因。
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4、贝利特的主要性质
（1） β-C2S具有良好的水硬性；
（2）与水作用速度较慢，早期强度低，后期强度
高，一年后可超过A矿；
（3）干缩变形比C3A小，但比C3S大；
（4）易磨性较差，四种矿物中与C4AF的易磨性相
当；
（5）抗水、抗硫酸盐性较好。
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（三）中间相
中间相——填充在阿利特、贝利特之间的铝
酸盐、铁酸盐、组成不定的玻璃体和含碱化合物
等。
1、铝酸盐
熟料中的铝酸钙，主要是C3A，有时还可能
是七铝酸十二钙C12A，但其组成大部分为C3A 。
（1） C3A的结构特征（3个方面）
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1）在C3A晶体中， Ca++具有不规则配位数，其中处
于配位为6的Ca++以及配位数为12的联接很松散，故
有较高的活性；
2）在C3A结构中， Al3+也有两种配位数，而且[AlO4]
四面体是变形的，因此Al3+也有较高的活性；
3）在C3A中有较大的空穴， OH-可以进入到空穴中，
因此C3A水化速度较高。
（2）C3A的性质（6个方面）
1）水化迅速，强度发展快，但绝对强度小，后期强
度可能出现倒缩，同时干缩变形大，如果水泥中不
加缓凝剂—石膏，则会出现闪凝；
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2）水化热大，完全水化时，207Cal/g；
3）抗硫酸盐的侵蚀性能差；
4）易磨性与C3S相当；
5）弹性、塑性较大；
6）在熟料煅烧过程中，C3A高温形成液相，是熟
料煅烧不可缺少的，但当C3A占液相的比例较大
时，液相粘度大，不利于煅烧。
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2、铁铝酸钙
熟料中含铁相比较复杂，是化学组成为C8A3FC2F的一系列固熔体，也有人认为其组成为C6A2FC6AF2之间，通常称为铁相固熔体。
在一般硅酸盐水泥熟料中，其组成接近铁铝酸四
钙C4AF，所以常用C4AF来代替熟料中的铁相固熔体。
当熟料中Al2O3/Fe2O3＜ 0.64时，则生成C4AF和
铁酸二钙C2F的固熔体。
C4AF的固熔体又称为才利特（Celite）或C矿。
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（1）才利特—C矿的结构特征
它是高温形成的一种固熔体，在Al3+取代Fe3+时，
引起了晶格稳定性的降低，从而使C矿具有了活性。
（2）C矿的性质（7个方面）
1）与水反应较快，早期强度发展介于C3A和C3S之
间，后期强度不断增高，类似C2S；
2）水化热较C3A低；
3）抗冲击性能好；
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4）干缩性小；
5）易磨性较差，与C2S相当；
6）抗硫酸盐侵蚀性能较好；
7）在熟料煅烧过程中，也形成液相，而且液
相粘度小，过多时易出现结大块、结溜，使熟
料烧成困难。
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3、玻璃体
在熟料煅烧过程中，熔融液相如能在平衡条件
下冷却，则全部可结晶析出晶体，而不存在玻璃体。
但在生产中熟料通常冷却较快，有部分液相来不及
结晶成为玻璃体。
玻璃体的主成成分CaO、Al2O3、Fe2O3，也有
少量MgO和碱等。
玻璃体实际上是热力学不稳定的，具有一定的
活性。
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（1）熟料中玻璃体对水泥性能的影响
1）影响水泥的颜色；
2）玻璃体较多时，能包围C2S，使C2S不易转化；
3）玻璃体提高时，水泥的抗硫酸盐性能增强。
（2）液相对煅烧的影响
1）液量与煅烧的关系
C3A、C4AF在煅烧过程中，熔融液相可以促
进C3S的形成，这是它们的一个重要作用。
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如果物料中熔剂性矿物过少，使熟料易生烧、欠
烧，氧化钙不易被吸收完全，导致熟料中f-CaO增高。
相反，如果熔剂性矿物过多，则在窑内易结大块、
结瘤、结圈等，使煅烧困难。
2）液相的粘度对煅烧的影响
液相的粘度随C3A/C4AF的比例变化而发生变化，
C4AF多，液相粘度低，有利于液相中离子的扩散，
促进C3A的形成，但C4AF过多，使烧成范围变窄，不
利于窑的操作。相反C3A/C4AF增大，液相粘度增大，
不利于离子的扩散。因此生产中应控制好熔剂性矿物
的比例与含量，当然配料是一个关键。
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综上所述，硅酸盐水泥熟料是一
种多矿物集合体，熟料的强度主要取
决于单矿物的强度；但并不是四种单
矿物强度的加和，矿物相互之间有一
定的促进和影响作用。
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（四）游离氧化钙和方镁石
当配料不当、生料过粗或煅烧不良时，熟料
中就会出现没有被吸收的以游离状态存在的氧化
钙，称为游离氧化钙，常写成f-CaO（或fCaO），
也称为游离石灰（Free Lime或f-CaO ）。
1、 f-CaO的形成原因与类型
熟料中f-CaO主要有两种：一次f-CaO和二次
f-CaO。
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1）一次f-CaO
成因：
A、配料不当，CaO配得过高；
B、生料过粗；
C、生料成分不均匀；
D、煅烧不良。
危害：它是经过高温死烧的，不仅量大，而
且由于死烧使其更致密，对水泥危害很大，
尤其影响水泥长期安定性。
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2）二次f-CaO
成因：
主要是由于冷却速度慢，或者由于阳离子置换
了A矿，引起A矿的分解而析出的：
C3S—C2S+ CaO
危害：
二次f-CaO结晶细小，是一种新生的CaO，活
性较高，主要引起水泥早期安定性不良。
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2、 f-CaO的危害与含量控制
f-CaO与水反应生成氢氧化钙时，体积膨胀97.9%，
在硬化水泥石内部造成局部应力，因此，随着f-CaO含
量的增加，首先抗拉（抗折）强度降低，进而3天后强
度倒缩，严重时引起安定性不良。
在烧成条件下死烧的一次f-CaO结构比较致密，水
化很慢，活性差，通常要在加水3天后反应才比较明显，
因此一次f-CaO是引起安定性不良的主要原因；二次fCaO部分可能在混凝土拌制过程中已经发生反应，因
此对硬化后混凝土影响减小，当然在拌制过程中未反
的那部分二次f-CaO同样是对安定性有影响的。
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f-CaO的含量控制，一般情况下：
湿法窑：≤ 1.0%；
干法窑：≤ 1.5%；
立窑：2.3-2.5%。机立窑为低值，普立窑为高值。
实际立窑生产的普遍偏高，曾经有些厂高于10%。
立窑熟料f-CaO含量可比回转窑熟料略为放宽，
是因为立窑熟料二次f-CaO较高，未经高温死烧，虽
熟料强度不高，但因二次f-CaO水化速度较快，对建
筑物的危害不大。
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3、方镁石
方镁石是指游离状态的MgO晶体。
在熟料煅烧过程中， MgO一部分可与熟料矿物结
合成固熔体，并熔于液相中；但也有一部分则以游离
状态存在在熟料中。这部分就会危害水泥的安定性。
MgO的存在对水泥的影响：应从两个方面理解
有利的一面：当熟料中含有少量的MgO时，能降
低熟料液相温度，增加液相量，降低液相粘度，有利
于熟料形成，还能改善熟料色泽。在熟料中MgO的固
熔总量可达到2%，其中在阿利特中可溶解1-2%，
C4AF中可熔0.4-3.2%，而在C2S和C3A中通常小于1%。
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不利的一面：多余的MgO结晶析出来，呈游离
方镁石。而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；水化生成氢氧化镁时，
体积膨胀148%，也会导致水泥安定性不良。
因此在水泥生产过程中应严格控制MgO的含量，
其主要方法就是加强原材料的控制。
当然方镁石结晶大小，随冷却速度不同而变化，
快冷结晶细小，可相应加快MgO的水化反应速度，
因此生产中应加强熟料的冷却。
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（五）关于熟料矿物组成的综合讨论
1、从CaO 含量分析
熟料中CaO的低限大约为62%（以避免熟料中C2S
过多），过低的CaO含量会增加C2S，降低水泥的胶
凝性，甚至会导致熟料的粉化。
CaO的高限为67%，此时要求全部酸性氧化物
（氧化硅、氧化铝、氧化铁）与石灰生铝酸三钙、铁
铝酸四钙和硅酸三钙，几乎不存在硅酸二钙，以求避
免反应不完全而增加f-CaO。
生产时一般倾向于CaO含量稍高一些，以使熟料
中含有较多的硅酸三钙。
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2、从Al2O3和Fe2O3含量分析
Al2O3和Fe2O3含量太少时，由于要求有较高的温度，而
加大煅烧难度。
Al2O3含量太高时，液相粘度太大，不利于熟料的形成；
同时此种熟料水化时凝结非常快，而难以控制。当C3A含量
大约高于15%时，有时加石膏也不足以控制规定的凝结时间。
C4AF不象C3A那样引起急凝，故有时Fe2O3多一些是允
许的；但Fe2O3过多时，易使窑内结大块、结瘤和结圈，操作
困难。
总之，熟料成分必须控制适当，生产中应加强配料与材
料的选择。
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§3 熟料的率值
一、硅率（SM）
也称为硅酸率，代号SM，以前我国与前苏联用n
表示。
1、表达式
SiO 2
SM 
Al2O3  Fe2O3
式中SiO2、Al2O3、Fe2O3分别表示熟料中各氧
化物的重量百分数。
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2、物理意义
SM表示熟料中SiO2与Al2O3、Fe2O3之和的重量
比，也表示了熟料中硅酸盐矿物与熔剂矿物的比例。
3、生产应用与控制
（1）SM大时，液相量小，不利于离子扩散，煅烧
困难，生成的C3S少，相应C2S含量增多，当CaO含
量高时，会导致f-CaO增加。
这种情况下生产的水泥熟料凝结和硬化缓慢，
早期强度差，且易粉化；同时煅烧困难。
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（2）SM过小，说明液相量多，这样虽有助于C3S
的形成，但会在窑内结圈、结大块，导致煅烧操
作困难。
同时由于硅酸盐矿物少，而影响水泥强度。
总之，如果熟料中的CaO是固定的，SM大，
SiO2平均得到的Ca就少，生成较多的C2S；SM小
时， SiO2平均得到的Ca就多些，生成较多的C3S。
硅酸盐水泥熟料SM一般在1.7-2.7之间。
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二、铝率（IM）
也称铝氧率或铁率，以IM表示，我国曾用P表示。
1、表达式
Al2 O 3
IM 
Fe 2 O 3
式中Al2O3、Fe2O3分别表示熟料中各氧化物的
质量百分数。
2、物理意义
IM说明熟料中Al2O3、Fe2O3含量的质量比，也
表示熟料中矿物中C3A与C4AF的比例。
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3、生产应用
在生产过程中， C3A与C4AF都成液相，但它们
的液相性质不同， C3A粘度大， C4AF粘度小。因此
IM也反映了液相粘度的大小。
（1）当IM大时， C3A含量高，液相粘度大，离子扩
散困难，难烧。例：白水泥，不能含铁以保证白度。
（2）当IM小时， C4AF相对增多，液相粘度较小，
有利于离子扩散，但粘度过小，烧结范围窄，生产上
不易操作与控制。例：道路水泥，增大C4AF以增加
耐磨性。
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（3）当IM=0.64时，正好是1mol Al2O3对1mol Fe2O3，
此时矿物组成就会发生变化，熟料中无C3A只有
C4AF。
实际生产中，IM一般在0.9-1.7之间。
4、硅率、铝率与矿物组成之间的数学关系
当IM＞ 0.64时，可推导得到SM及IM与矿物组
成的关系为：
C3S  1.325C2S
SM 
1.434C3A  2.046C4 AF
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1.15C3A
IM 
 0.64
C4 AF
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三、石灰饱和系数（KH）
前苏联学者金德和容克根据古特曼和杰耳的石
灰理论极限含量提出了石灰饱和系数KH（也称为
石灰饱和比）。
他们认为在实际生产中硅酸盐水泥熟料中四大
矿物中， Al2O3和Fe2O3始终为CaO所饱和，唯独
SiO2可能不完全被CaO所饱和生成C3S，而存在一
部分C2S，否则熟料将会出现f- CaO，因此应在
SiO2前加一系数KH，即：
CaO=KH·2.8 SiO2 +1.65 Al2O3 +0.35 Fe2O3
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1、KH表达式
当IM≥ 0.64时，（此时熟料中四种矿物都可能存在）
CaO  1.65Al2O3  0.35Fe2O3
KH 
2.8SiO2
当IM＜ 0.64时，（此时熟料中可能不存在C3A）
CaO  1.1Al2O3  0.7 Fe2O3
KH 
2.8SiO2
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2 物理意义
石灰饱和系数KH值表示：熟料中全部SiO2生成
硅酸钙（C2S和C3S）所需CaO与全部SiO2生成C3S所
需CaO的最大含量比。
也表示熟料中SiO2被CaO饱和形成C3S的程度。
3 讨论
（1）考虑熟料中f-CaO、石膏和不溶性残渣SiO2的
影响，KH修正为：
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当IM≥ 0.64时，
CaO  CaO   1.65Al O  0.35Fe O
KH 
2.8SiO  SiO 
游
2
3
2
3
 0.7SO3 
2游
2
当IM＜ 0.64时，
CaO  CaO   1.1Al O  0.7Fe O
KH 
2.8SiO  SiO 
游
2
2
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3
2
3
 0.7SO3 
2游
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（2）当KH=1.0时，此时形成的矿物为C3S、C3A、
C4AF，而无C2S；
（3）当KH=0.667时，形成的矿物为C2S、C3A和
C4AF，而无C3S；
4、KH的应用
（1）KH大时
熟料中C3S多， C2S相对减少，因此熟料的强度较
高，早期强度增进速率大，但煅烧温度会增高。
如果KH过高，生产温度达不到，会引起游离氧化
钙增加，导致安定性不良。
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（2）KH小时
熟料中C3S少， C2S多，早强会降低，但后强可
能增高，生产上表现为煅烧容易，但如果冷却不发，
则会产生γ- C2S，使熟料粉化。
（3）控制范围
KH=0.82-0.96
工业上实际控制在：0.88-0.94；
新型干法窑一般控制在：0.86-0.92之间。
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综上所述，率值就是用来表示熟料化学组成或
矿物组成相对含量的系数。
它们与熟料质量及生料易烧性有较好的相关性，
是生产控制中的主要指标。
我国目前采用KH、SM、IM三个率值控制生产。
生产中应根据具体情况，不同的窑型、不同的
原材料、不同的均化等工艺条件，应选取适合的率
值，同时三个率值需要适应，不能过于强调某一率
值的高与低。
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§4 熟料矿物组成的测定与计算
一、熟料矿物组成的测定方法
1、岩相分析
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。
这种方法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。
这是一种较为普通的方法。
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2、X射线
根据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。这种方法误差较小，
但含量太低时不易测出、测准。
3、红外光谱分析
这种方法误差也较小。
4、电子探针、X射线光谱分析、扫描电镜
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二、熟料矿物组成的计算
1、已知熟料化学成分计算率值
（1）在不考虑f-CaO、残渣SiO2、SO3时
当IM≥ 0.64时，
CaO  1.65Al2O3  0.35Fe2O3
KH 
2.8SiO2
当IM＜ 0.64时，
CaO  1.1Al2O3  0.7 Fe2O3
KH 
2.8SiO2
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（2）在考虑f-CaO、残渣SiO2、SO3时
当IM≥ 0.64时，
CaO  CaO   1.65Al O  0.35Fe O
KH 
2.8SiO  SiO 
游
2
3
2
3
 0.7SO3 
2游
2
当IM＜ 0.64时，
CaO  CaO   1.1Al O  0.7Fe O
KH 
2.8SiO  SiO 
游
2
2
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3
2
3
 0.7SO3 
2游
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SiO 2
SM 
Al2O3  Fe2O3
Al2 O 3
IM 
Fe 2 O 3
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2、由化学成分或率值计算矿物组成
C3 S  3.8SiO2 3KH  2 %
 4.07CaO  7.60SiO2  6.72Al2 O3  1.43Fe2 O3 %
C 2 S  8.6SiO2 1  KH  %
 8.6SiO2  5.07Al2 O3  1.07Fe2 O3  3.07CaO %
C 3 A  2.65 Al 2 O3  0.64 Fe 2 O3  % 
C4 AF  3.04Fe2 O3 当IM  0.64时
C4 AF  4.77Fe2 O3 当IM  0.64时
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3、由矿物组成（质量百分数）计算各率值
C3 S  0.8838C 2 S
KH 
C3 S  1.3256C 2 S
C3 S  1.3254C 2 S
SM 
1.4314C3 A  2.0464C 4 AF
1.1501C3 A
IM 
 0.6383
C 4 AF
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4、由矿物组成计算化学成分
SiO2  0.2631C 3 S  0.3488C 2 S % 
Al2 O3  0.3773C 3 A  0.2098C 4 AF % 
Fe2 O3  0.3286C 4 AF % 
CaO  0.7369C 3 S  0.6512C 2 S  0.6227C 3 A
 0.4616C 4 AF  0.4119CaSO4 % 
SO3  0.5881CaSO4 % 
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5、由率值计算化学成分
Fe2 O3 

2.8KH  1 IM  1
SM  2.65IM  1.35
Al2 O3  IM  Fe2 O3 % 
SiO2  SM   Al2 O3  Fe2 O3  % 
CaO    SiO2  Al2 O3  Fe2 O3  % 
式中  CaO  SiO2  Al2 O3  Fe2 O3
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% 
三、讨论
1、熟料矿物组成的测定与计算问题
上述从化学成分计算熟料矿物组成的计算式，
是假定在完全平衡条件下，而且形成的熟料矿物为
纯矿物而不是固熔体，也无其他杂质的影响。
实际上熟料反应和冷却不可能处于平衡状态，
和实际生产情况有一定差别。
因此，计算的矿物组成与显微镜、X射线、红
外光谱等测定的矿物组成有一定误差。
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由此可知，要用计算方法求得熟料的准确矿物
组成显然是比较困难的。但生产实践证明，虽然化
学成分计算矿物组成有一定误差，但所得结果基本
还能说明它对煅烧和对熟料性质的影响；另一方面，
当欲设计某种矿物组成的水泥时，它是计算生料组
成的唯一可能的方法。
因此，这种方法在水泥工业中仍然得到广泛应
用。
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2、熟料化学成分、矿物组成、率值三者换算的问题
根据上述公式，三者中只要知道一方面数据，均
可计算其他两方面参数。
3、三个率值KH、SM、IM对熟料性质及煅烧的影响
（再讨论）
（1）KH愈高，说明熟料中C3S/C2S比值愈高，在SM
一定时， C3S愈多， C2S愈少。
（2）SM愈高，硅酸盐矿物愈多，熔剂矿物愈少。但
SM的高低，并不能决定矿物的含量，应视KH、IM的
高低而定，如SM低，虽然KH高， C3S含量不一定高。
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（3）IM高，熟料中C3A/C4AF比会增高，但如
SM高，因总的熔剂矿物少，含量也不一定多。
为此，要使熟料既易烧成，又能获得较高的
质量，必须对三个率值、四种矿物或四种化学成
分加以控制，力求相互协调，配合适当。
同时还应视各厂的原燃材料和设备等具体情
况选择合理的组成，才能设计出较为合理的配料
方案。
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请加强课后复习！
祝各位愉快！
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