硅酸鹽水泥熟料的礦物學(xué)研究

侯玉梅

（山西西山華通水泥有限公司，山西 太原 030205）

1 硅酸鹽水泥熟料概述

硅酸鹽水泥熟料是以石灰石和粘土為主要原料，經(jīng)破碎、配料、磨細(xì)制成生料，然后在水泥窯中煅燒而成的。水泥熟料按用途和特性分為：通用水泥熟料、低堿水泥熟料、中抗硫酸鹽水泥熟料、高抗硫酸鹽水泥熟料、中熱水泥熟料和低熱水泥熟料。

1.1 組成

硅酸鹽水泥熟料主要有CaO、SiO2、Fe2O3、Al2O3四種氧化物組成，在熟料中占95%，另5%為其他氧化物，如MgO、SO3等。

水泥熟料經(jīng)高溫煅燒后，CaO、SiO2、Fe2O3、Al2O3四種氧化物不是以單獨(dú)的氧化物存在，而是以兩種或兩種以上的氧化物反應(yīng)生成的多種礦物集合體。

硅酸鹽水泥熟料中主要形成四種礦物：硅酸三鈣，3 CaO·SiO2，簡(jiǎn)寫(xiě)C3S，占50～60%，稱阿利特（Alite） 或A礦；硅酸二鈣，2 CaO·SiO2，簡(jiǎn)寫(xiě)C2S,占20～25%，稱貝利特（Belite） 或B 礦；鋁酸三鈣，3CaO·Al2O3，簡(jiǎn)寫(xiě)C3A,占5～10%；鐵相固溶體，通常以鐵鋁酸四鈣表示，4CaO·Al2O3·Fe2O3，簡(jiǎn)寫(xiě)C4AF,占10～15%，稱才利特（Celite） 或C 礦。

1.2 熟料的化學(xué)組成

硅酸鹽水泥熟料中的主要化學(xué)成分是CaO、SiO2、Fe2O3、Al2O3四種氧化物，其總和通常占熟料總量的95%以上。此外，還含有少量的其他氧化物，如MgO，SO3，Na2O，K2O，TiO2，P2O5等，它們的總量通常占熟料的5%以下。當(dāng)用螢石或其他金屬尾礦作礦化劑生產(chǎn)硅酸鹽水泥熟料時(shí)，熟料中還會(huì)有少量的CaF2或其它微量金屬元素。在實(shí)際生產(chǎn)中，硅酸鹽水泥熟料中主要氧化物含量的波動(dòng)范圍一般為：CaO 是62%～67%，SiO2是20%～24%，Al2O3 是4%～7%，，F(xiàn)e2O3是2.5%～6%。在某些特定生產(chǎn)條件下，由于原料及生產(chǎn)工藝過(guò)程的差異，硅酸鹽水泥熟料的各主要氧化物含量也有可能略為偏離上述范圍，甚至由于某些生產(chǎn)所用的原料、燃料帶入的MgO，SO3等含量較高，致使有的硅酸鹽水泥熟料中的次要氧化物含量總和有可能高于5%。

2 水泥熟料的礦物成分

對(duì)所取樣品分別制成光片，在偏/反兩用研究型顯微鏡下進(jìn)行分析。首先滴加蒸餾水侵蝕光片觀察游離CaO 的形態(tài)、分布及百分含量，再滴加1%氯化銨溶液侵蝕后觀察A礦、B 礦等礦物的鏡下特征。水泥熟料的礦物組成及體積百分含量列于表1。

從表中可看出，三個(gè)生產(chǎn)線上的水泥熟料的礦物組成主要包括C3S、C2S、C4AF、C3A，還有少量的方鎂石、金屬硫化物和游離氧化鈣。經(jīng)與《硅酸鹽巖相學(xué)》中一級(jí)熟料礦物組成含量比較，差別不大，中間體含量也同上述化學(xué)分析的硅酸率值對(duì)應(yīng)，經(jīng)初步分析，水泥熟料性能較為復(fù)合標(biāo)準(zhǔn)，但仍需對(duì)另一重要反映指標(biāo)-礦物特征進(jìn)行分析研究。

3 礦物特征分析

3.1 一線水泥熟料礦物特征分析

對(duì)一線水泥熟料礦物進(jìn)行外觀分析，能得出以下結(jié)論，熟料呈現(xiàn)灰色或灰黑色，按照切面將求樣品進(jìn)行截開(kāi)，并沒(méi)有出現(xiàn)黃心現(xiàn)象，內(nèi)部質(zhì)地堅(jiān)硬，外部比較疏松。取樣制片在顯微鏡下進(jìn)行觀察，能發(fā)現(xiàn)硅酸鹽水泥熟料整體結(jié)構(gòu)均勻，而且結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)塊狀分布。溶蝕現(xiàn)象明顯，相應(yīng)的氣孔分布均勻，但存在眾多不規(guī)則的小氣孔，同時(shí)具有不規(guī)則的形態(tài)。

對(duì)一線水泥熟料礦物進(jìn)行礦物分析，可得出以下結(jié)論，礦物當(dāng)中含有少量的氧化鈣，金屬硫化物呈現(xiàn)點(diǎn)狀分布在白色中間體中，同時(shí)受溶蝕形成菱角狀，可判斷出對(duì)水泥熟料在窯內(nèi)停留太長(zhǎng)的時(shí)間，同時(shí)具有短而粗的交叉雙晶紋，由此可判斷燒成溫度較高。

3.2 二線水泥熟料特征分析

熟料外觀整體呈灰黑色，沿切面將球團(tuán)狀樣品截開(kāi)，樣品熟料的核部無(wú)黃心現(xiàn)象。鏡下特征同一線熟料相似，結(jié)構(gòu)較均勻，呈均齊結(jié)構(gòu)。硅酸鹽礦物晶體整體發(fā)育較完整，大小較均齊，邊棱較光潔，局部晶體有輕微的熔蝕現(xiàn)象。氣孔分布較均勻，氣孔率高于一線，約30～35%。

其中A 礦多呈粒狀、長(zhǎng)柱狀，粒徑大小較均齊，一般為10μm～35μm，邊棱較為光潔，局部有熔蝕現(xiàn)象。分布較均勻，少量中含有B 礦和游離氧化鈣。B 礦比一線集中分布程度高，多呈圓粒狀，粒徑一般為25μm～50μm。氣孔處發(fā)現(xiàn)有少量粒徑較大B 礦，部分存在于A 礦中，含有少量的邊毛狀B 礦，如圖1、2。C4AF 分布較均勻，多呈他形或不定形分布于A 礦或B 礦晶粒間，呈乳白色。C3A 呈他形粒狀或片狀分布于白色中間體中。方鎂石（MgO） 比一線較多，多呈渾圓粒狀或他形晶，主要分布于A、B 礦中。

圖1

圖2

從顯微結(jié)構(gòu)上看A 礦局部呈受溶蝕的棱角狀，說(shuō)明可能是熟料在窯內(nèi)停留時(shí)間長(zhǎng)、冷卻速度慢。A 礦中含有少量B 礦說(shuō)明可能冷卻速度較慢導(dǎo)致A 礦分解包圍B 礦。B 礦含量較一線多，且集中分布程度高，可能是由于物料摻入局部不均勻所致；部分B 礦呈邊毛狀也說(shuō)明冷卻速度緩慢。黑色中間體呈他形粒狀或片狀也說(shuō)明冷卻緩慢所致。

3.3 三線水泥熟料特征分析。

對(duì)三線水泥熟料礦物進(jìn)行外觀分析，可得出以下結(jié)論，熟料呈現(xiàn)灰色或灰黑色，按照切面將求樣品進(jìn)行截開(kāi)，具有輕微的黃心現(xiàn)象。取樣制片在顯微鏡下進(jìn)行觀察，可發(fā)現(xiàn)硅酸鹽水泥熟料整體結(jié)構(gòu)均勻，并且結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)塊狀分布。溶蝕現(xiàn)象比較明顯，相應(yīng)的氣孔分布不均勻，但存在眾多大小不一、不規(guī)則的小氣孔。

4 結(jié)語(yǔ)

總之，水泥的生產(chǎn)是一個(gè)高能耗的過(guò)程，同時(shí)又排出許多污染物及工業(yè)廢棄物。若生產(chǎn)的水泥性能不合格，必然引發(fā)資源的過(guò)渡浪費(fèi)。硅酸鹽水泥的生產(chǎn)工藝是“兩磨一燒”，這其中作為水泥的重要組成部分，水泥熟料的性能對(duì)水泥的影響至關(guān)重要。