水泥熟料岩相分析.ppt

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1、材料岩相分析第六章 硅酸盐水泥 熟料的岩相分析,10-1 硅酸盐水泥熟料的矿物组成,一. A矿 阿里特（Alite） 是含有少量MgO、Al2O3和Fe2O3的硅酸三钙（3CaOSiO2 ，简写为C3S ）固溶体。,纯的硅酸三钙属于三斜晶系。硅酸盐水泥熟料中的A矿晶体最常见的是单斜晶系，晶体外型为假六方片状或板状，有时出现短柱状等，图8-1-1、7-2、7-3（为几何轴率）。,正常煅烧熟料中A矿晶体的大小约2030m，呈边棱平直，六角板，柱状的自形晶（图9-3）。,A矿的显微结构还有：譬如包裹着其他晶体的包裹结构（图9-4，图8-1-8）。,图3 包晶结构的阿里特晶体,图4 阿里特包裹 f-C

2、aO、C3A结构 1%硝酸酒精,图9-5是慢冷熟料A矿分解，周围环绕着析出的小颗粒C2S晶体的花环状结构。,图12 花环状结构A矿和片状C3A 蒸馏水 优质料,图9-6是受酸性溶液浸蚀后形成的港湾状结构； 图9-7是内外成份不同出现的环带结构，等等。,在反光显微镜下，用 1% 的 NH4Cl 水溶液浸蚀光片后A矿呈兰色；用 1% 硝酸酒精浸蚀光片后，A矿呈棕色。,二. B矿 贝里特（Belite） 是含有某些金属离子的硅酸二钙（2CaOSiO2，简写为C2S ）固溶体，有多种晶型。工厂水泥熟料中的B矿大部分为型的，属单斜晶系。,- C2S 一般呈圆粒状，常具有两组相互交叉的双晶纹（图7-4，图

3、9-8，图8-1-2）。,或一组平行的晶纹（图7-5，图9-9）。 前者在烧成温度高并快速冷却的优质熟料中出现，后者在烧成温度较低而冷却速度又较慢的熟料中出现 。,图10 无定形具有平行晶纹贝里特 1%硝酸酒精溶液 优质料,因窑内还原气氛或其他工艺因素的影响，还会呈现手指状（图7-8，图9-10），树叶 状（图9-11），花蕾状（图7-6）和 脑状（图7-7，图9-12）B矿。,图8 梭状贝里特 1%氯化铵溶液 优质料,因此，根据-C2S的形态和双晶纹的变化，可以推断窑内的煅烧温度及热工制度。,当- C2S 转变为- C2S 时，体积要增大10%左右，大量转变时常会使熟料崩裂呈粉状（图7-9）

4、。,- C2S 在反光显微镜下，用 1NH4Cl 水溶液或 1% 硝酸酒精浸蚀光片后，都呈现棕色或棕黄色。,三. 黑色中间体 填充在A矿和B矿之间的铝酸盐相、铁铝酸盐相和组成不定的玻璃相，总称为中间体。中间体按反射率大小分为黑色中间体和白色中间体两大类。,铝酸盐类矿物属黑色中间体，主要有铝酸三钙（3CaOAl2O3 ，简写为 C3A ），属于等轴晶系。当铝氧率大（P1.6）而熟料又慢冷时，C3A晶体呈四方片状或叶片状（图7-10，图9-14，图8-1-16）。,图12 花环状结构A矿和片状C3A 蒸馏水 优质料,快冷时则呈 点滴状、点线状和骨骼状（图7-11，图9-15），也有呈针状或纤维状析

5、晶的（图7-12）。 当熟料出烧成带急冷时，C3A来不及析晶，则形成玻璃相物质。,在反光显微镜下，用 1% NH4Cl 水溶液或 1% 硝酸酒精溶液浸蚀光片后，C3A呈暗色或灰色；用蒸馏水浸蚀光片后，C3A呈兰灰色。,四. 白色中间体 主要是铁铝酸四钙（4CaOAl2O3Fe2O3， 简写为C4AF），又称为C矿（才利特），它是水泥熟料中间体中反射率较大，色泽浅的部分（图7-14）。,当熟料铝氧率较高（P1.38）而又快冷时，它以他形晶填充于A矿和B矿之间，或因来不及析晶而成玻璃相；当熟料的铝氧率较低（P1.38）而又慢冷时，它可呈棱柱状半自形晶出现（图7-15，图9-13，图8-1-17）。

6、C4AF属斜方晶系。,五. 游离氧化钙 又称游离石灰，常用 f CaO 表示 。 它是没有与熟料中其它成份化合的氧化钙，属等轴晶系。,1. 一次游离氧化钙：又称残存游离氧化钙，是生料中残留下来的氧化钙，残存的原因大致有以下几种。, 生料细度没有达到要求，石灰石（或混入的方解石）颗粒太粗，在煅烧过程中反应不完全，这种残留下来的氧化钙在镜下呈圆形或卵形，粒径较大，而且成堆聚集形成矿巢型分布（图7-16，图9-16）。, 生料的饱和系数过高，硅酸率太低，在镜下能见到未化合的游离氧化钙以园粒状分布于A矿和B矿之间，或包裹于A矿中间（7-17，图7-18）。, 煅烧温度过低，液相量少，粘度大，CaO没有

7、被充分地吸收生成C3S，而呈游离状态残存下来。,2. 二次游离氧化钙：又称次生游离氧化钙。 它是A矿中分解出来的CaO，大致有以下两种。, 熟料在高温下慢冷，A矿在1250 C左右停留的时间过长，将分解为B矿和游离氧化钙，此时A矿边缘往往出现许多小粒B矿，形成花环结构A矿，同时出现一些极细小的游离氧化钙溶入液相或聚集成团形成蠕虫状结构（图7-19，图8-1-23）, 发生阳离子置换，Fe2+ 离子进入A矿使A矿由不稳定到分解，同时置换出游离氧化钙，形成所谓蠕虫状结构的B矿和 f-CaO。,在反光显微镜下，用蒸馏水浸蚀光片35秒钟，游离氧化钙呈现彩虹色，极易辨认。,图14 游离氧化钙矿巢 蒸馏水

8、 优质料,六. 方镁石： 是单独析晶的游离氧化镁（MgO），属等轴晶系。 方镁石在反光显微镜下突起高，一般呈三角形或多角形小晶体，其表面略显粉红色。,图16 粉红色突起较高的方镁石 1%氢氧化钾溶液 优质料,当熟料中MgO的成份高达一定数量时，MgO便会从中间体中单独析晶出来（图7-20，图8-1-14）。,七. 玻璃相：成份不定，含有多量的Al2O3和Fe2O3组分。 在偏光显微镜下玻璃相与结晶相不易识别，但在反射光下用10%KOH水溶液及1%硝酸酒精溶液腐蚀后，玻璃相呈暗黑色的包裹体。,八. 孔洞 是熟料中的气相在冷却过程中形成的，在视域中孔洞呈凹下去的圆形、三角形或不规则多角形等。由于光

9、线漫反射的原因，孔洞部分显得较为黯淡，当提升或下降镜筒时，孔洞大小也随之变化。,孔洞在镜下呈现的颜色主要决定于光片抛光粉的颜色。煅烧正常的熟料中的孔洞大小为80100m，呈圆形，而且分布较均匀。,10-2 熟料岩相结构类型与强度的关系,一. 熟料矿物形态特征的描述 见表7-1，水泥熟料常见矿物形态。,除表以外，还常用下列几种矿物集合体形态的术语。 1. 矿巢：是一种矿物的不规则堆聚，且在矿物颗粒间有明显界线。, B矿巢：由原料中粗粒长石、石英或矿渣形成，粗大的B矿几乎紧紧连在一起，见图9-26 ，图8-1-12, 游离氧化钙矿巢：是由粗粒石灰石在煅烧中CaO没有被完全吸收形成的，图7-22，图

10、9-21。,当生料中有粗粒白云石时，还会形成方镁石与游离氧化钙的等粒结构矿巢，见图7-23，图9-27 。,2. 共析晶体： 固溶体的组分在一定温度下分离出来，同时析出形成几种独立的晶体。如析出的二次B矿小粒（图7-47）。,3. 孔隙率 镜下的孔隙率是指孔洞的面积S孔与 熟料矿物的总面积S矿之比（S孔/S矿100%）。煅烧良好的熟料孔隙率一般在25%30%，立升重为1450 g/L 左右。,二. 熟料的岩相结构构造类型 1.构造类型：矿物集合体、玻璃体及孔洞的之间的排列、充填方式。 块状构造：熟料中矿物大小相似、排布均匀、孔洞较少、形状规则，正常煅烧的熟料有此构造。, 多孔构造：镜下孔洞较多

11、、孔径较大，部分正常煅烧的多孔状熟料及欠烧熟料有此构造。 层状构造：熟料中分层，各层矿物的组成、颗粒大小不同。旋窑中的圈料、窑皮料及轻烧、急烧熟料有此构造。,2. 结构类型：矿物结晶程度，颗粒大小形 状及其相互间的关系。, 均齐结构：A矿和B矿清晰，结晶大小均齐，分布均匀，彼此被20%30%的中间体隔开。A矿晶形完整、边棱整齐光洁、包裹物少，大小在30 m左右，数量约为50%60% 。B矿晶体园度较好，有清晰的双晶纹，含量约20%30% 。孔洞较少，大小在80m左右。这是正常煅烧的优质熟料岩相结构，图7-24，图9-25，见表7-2 。, 斑状结构： A矿和B矿清晰，但大小不均齐，分布不均匀。

12、 A矿边棱不光洁，已有部分分解和溶蚀现象。 B矿园度不好，有时还能见到大堆的f-CaO矿巢。见图7-25，图9-37，再见表7-3。, 多孔结构：A矿晶体发育不良，颗粒细小，边棱有严重的分解和溶蚀现象，体内有包裹物。 B矿晶形不规则。中间体数量少。孔隙率高达50%60%。镜下常见到大堆的 f-CaO矿巢。这是配方不良，煅烧不足熟料的岩相结构，见图7-26，表7-4。,三. 熟料岩相结构类型与强度的关系 一级熟料：岩相特征为均齐结构，图7-27，图9-25，见表7-8 。,2. 二级熟料：岩相 结构基本上与斑状结构接近。A矿和B矿清晰，但大小不均齐，分布不均匀。 A矿边棱不光洁，体内有包裹物。

13、B矿园度不好，含量多，可达30%以上。中间体少，分布不均。游离氧化钙较高，有时能见到 f-CaO矿巢。孔隙率比一级熟料高，且大而不规则。图7-28，见表7-9 。,3. 三级熟料：岩相 结构类似于多孔结构。 A矿晶体发育不良，颗粒细小，10m以下的占多数，含量较少； B矿晶形不规则，含量增加到30%40%，成堆分布；中间体数量少，矿物间相互接触；游离氧化钙呈矿巢型分布；孔洞多而大（孔径达100200 m ，孔隙率高达50%60%），见图7-29 。,熟料岩相结构与强度的关系总是遵循下列规律变化：强度由高到低，熟料矿物岩相结构的变化规律为： A矿形态由规则的长柱状、板状依次到不规则状； A矿大小

14、由均齐到不均齐，晶体尺寸依次变小，并至细晶成堆；, A矿和B矿之间分布依次由均匀变为不均匀； B矿是圆形且具清晰的二组双晶纹，依次到小圆粒无双晶纹，手指状，树枝状； B矿数量由少到多，由均匀到成堆分布； 中间相含量逐渐减少；, 黑色中间体由点滴状、点线状、骨骼状依次到叶片状、板状； 白色中间体的反射率由高到低； 游离氧化钙的数量依次递增，由少量到小堆，直到形成fCaO矿巢； 孔洞由少到多，由圆形到不规则，分布由均匀到不均匀，孔隙率由小到大。,10-3 原料对熟料岩相结构的影响,主要原料有：石灰质原料、粘土质原料、硅质原料及铁质原料等。,一. 石灰质原料 石灰岩用得最多，其主要矿物成分为方解石，

15、其次有白云石、方镁石、石英、燧石等，它们的光学性质见表7-13。,1. 方解石尺寸大小的影响 获得熟料中的CaO。制水泥用的石灰岩，以隐晶质的最好，其中方解石晶体尺寸在1m左右，见图9-19，图8-1-5。易磨性好，比表面积小，料间固相反应好，好煅烧，熟料强度高。,经过变质作用的石灰岩，方解石晶体尺寸可以增大10到几十倍，而且石灰岩的结构坚硬致密，颗粒间结合力增强，易磨性差。易磨性差的石灰岩往往在生料中留下粗颗粒的石灰石，是形成游离氧化钙矿巢的主要原因。见图9-20，图8-1-6，图9-21。,2. 石灰岩成分和性质的影响 石灰岩的白云岩化，方镁石析晶严重，严重影响水泥的安定性，图8-1-7。

16、,周围SiO2与方解石发生置换反应，形成高SiO2矿物，特别是燧石结核，易磨性差，熟料中A矿数量减少，包裹物多（图9-22）。,二. 粘土质原料 获得熟料中所需的SiO2和Al2O3 。粘土也是熟料中碱金属氧化物（K2O、Na2O） 的主要来源 ，易生成高碱的钠铝酸钙（Na2O8CaO3Al2O3）（NC8A3）和钾硅酸钙（K2O23CaO12SiO2）（KC23S12）。图9-23，图9-24，图8-1-9，图8-1-10。,图17 树枝状 K C23S12 晶体,图17 树枝状 K C23S12 晶体,三. 硅质原料 当粘土中含较多的石英或者用石英砂作原料校正时，石英含量达10%以上的生料

17、将会出现窜料难烧现象，若石英的含量从2.5降低到1.5，熟料产量就可提高10%以上。石英的粒度愈大，熟料抗压强度降低的百分率亦就愈多，粗粒石英会出现B类矿巢（图9-26，图8-1-11）。,10-4 生产工艺条件对熟料岩相结构的影响,一. 配料率值的影响 石灰饱和系数KH：表示SiO2被CaO的饱和程度，亦表示了C3S与C2S的相对量。KH高则A矿多，KH低则B矿多。,在岩相分析时可根据镜下实测的C3S和C2S数量来计算KH值，公式：,还可根据A矿中的包裹体成分来判断KH的大小：KH 0.90 时，一般A矿包裹物常为C2S（图7-30，图8-1-8）。,KH 0.90时，则A矿包裹物常见 fC

18、aO；当KH0.90时，则A矿包裹体中两者都可能存在（图7-31）。,硅酸率n：表示硅酸盐矿物（C3SC2S）与溶剂矿物（C3AC4AF）的相对含量。n高则煅烧过程中会出现液相量不足，熟料烧成困难；n低则因硅酸盐矿物太少而使水泥强度降低，两种不同n的熟料岩相结构见图7-32。,在岩相分析时，可用测定熟料主要矿物的百分含量来计算硅酸率 还可以熟料中间体的数量来估计硅酸率。,铝率（铁率）P：表示熔剂矿物C3A与C4AF的相对含量。P高则煅烧时液相粘度大，P低则粘度小。岩相分析时可用实测的C3A和C4AF的含量计算P：,当P 1.38时，C4AF以白色菱柱状半自形晶出现，而C3A以他形充填与C4AF

19、中间（图8-1-17，图9-13）。,当P 1.38时，C3A以灰色四方片状、条带状或半自形晶出现，而C4AF以他形填隙于C3A中间（图8-1-16，图9-14）。,当P1.38时，C3A和C4AF均以半自形或他形晶出现并互相填隙（图9-15 ，图7-33 ，图8-1-22）。,二. 生料细度和均化的影响 1.细度：若入窑生料的颗粒以小于100m为主时，容易烧出显微结构均匀的熟料（图9-25）。,当有粗粒原料混入时，生料局部失去均匀性，窑里反应就不完全 ，如大粒石灰石易形成fCaO矿巢（图8-1-13，图9-21）。,粗粒长石、石英会形成B矿巢（图9-26，图8-1-12，8-1-11）；粗粒

20、白云石会形成方镁石和 f -CaO的等粒状矿巢（图9-27，图8-1-14）。,2. 均化：生料均化不好，在岩相结构上可见到熟料矿物严重分布不均（图7-34，图8-1-15，图9-28），且晶体大小不一，中间体分布亦不均匀。,三.煅烧温度和时间的影响 普通熟料的烧成都有一个温度范围和一个时间范围，正常煅烧熟料的反应过程为：物料温度升达1300以上时，熔剂矿物熔融成液相，C2S（固相反应生成）和CaO溶入液相内，相互反应生长C3S。,温度升高到1450左右时，生成的C3S晶格中再溶入较多的铝酸盐、铁铝酸盐和MgO，形成固溶体，当熟料再次下降到1300时，烧成可以说是完成了，此过程（物料在烧成带）

21、约1015分钟。此熟料为正常熟料。,如果生产工艺中的某一个或几个环节控制不当，就会出现欠烧、轻烧、急烧及过烧等煅烧不正常的熟料。,1.欠烧熟料：烧成温度不足，物料还没有烧结。欠烧熟料在1300左右烧成的。它的岩相特征是：A矿极少，呈无定形，晶体细小，约在 510 m 间，大多数矿物为C2S ，中间体少。熟料中孔洞大而多，形态不规则（图7-35，图9-36，图8-120）。,2. 轻烧熟料：熟料的中心部分出现欠烧而外观为正常煅烧熟料。它的岩相特征是：熟料有明显的分层构造，料球中心部分A矿少，B矿多，中间体少，游离氧化钙高；外层A矿多，晶体发育好，中间体丰富（图7-36）。,3.急烧熟料：温度偏高

22、，烧成时间不足的熟料。急烧熟料与轻烧熟料在岩相上有共同的特征：里层部分A矿形状不够完整，晶体大小悬殊，大者100m以上，小的不到10 m（图9-37，图8-1-21）；B矿呈圆形或不规则的手指状、交叉晶纹不明显，A矿和B矿分布不均匀，fCaO较多。,4. 过烧熟料：烧成温度过高或在烧成带停留时间过长的熟料。其岩相特征是：A矿晶体粗大，有些可达几百微米，常呈板状或长柱状，几何轴比较大（图9-35，图8-1-19），有熔融和分解现象。游离CaO较少，孔隙率低。,四. 冷却制度的影响 熟料出烧成带后即进入冷却带，熟料质量与冷却速度亦有极大的关系，在保证熟料煅烧正常条件下，水泥生产中总是设法加速熟料的

23、冷却，因急冷有以下几个明显的优点：, 急冷可以避免A矿分解和C2S转化为C2S。 急冷可以避免C3A析晶呈板状或片状大晶体，而降低水泥的抗硫酸性能。 可以避免高MgO熟料中方镁石的析晶，而影响水泥的安定性。 急冷使熟料球产生内应力而提高熟料的易磨性。,急冷熟料的岩相特征： A矿晶体发育良好，晶体边棱整齐光洁（图7-37）； B矿呈圆形，有二组细而密的双晶纹（图8-1-2）, C3A析晶呈点滴状、点线状、树枝状（图8-1-22） 白色中间体细小难辨认 。,慢冷熟料岩相特征： A矿晶体形状不规则，边棱圆钝（图8-1-28a），形成港湾状及花环状结构（图8-1-24，图7-38），有时还可见到A矿的

24、分解现象（图8-1-23）。, B矿形状不规则，双晶纹粗而短（图8-1-26，图8-1-27），有时还会有排列整齐的二次B矿析晶（图8-1-25，图9-39），有些B矿已裂成手指状或树叶状（图8-1-29）。, C3A结晶呈片状或板状（图8-1-16，图8-1-24、25） C4AF常呈显晶质出现（图8-1-17）。高MgO熟料能见方镁石。,五. 窑内气氛的影响 正常熟料是微氧化气氛下烧成的，熟料颗粒为灰黑微带绿色。如果窑内出现还原气氛，随还原程度不同，将出现黄芯料、绿芯料、白芯料和析铁熟料，它们外层黑壳的显微结构与正常熟料相同，内芯部分则明显不同。,首先反映在A矿数量随还原程度的增加而减少，

25、熔蚀和花环等分解现象亦随之加剧。这一般是由于煤灰降落被裹入物料内，使中心部分的SiO2、Al2O3含量增加而降低了KH值，并且Fe2O3还原成的FeO对C3S还有分解作用的缘故。,其次是B矿数量相应增多，这是A矿分解的缘故； B矿形状不规则：这是由于高温下FeO与SiO2、CaO反应逐步生成低熔的钙铁橄榄石（CFS），以及CFS与C2S之间可生成有限固溶体的缘故。,然后在1230以下C2S和CFS离溶形成共析结构，在接近1230或高于1230时，CFS开始溶入液相，而残留部分形成手指状B矿（图7-39，图8-1-29），待其全部溶入液相则留下树叶状B矿（图8-1-30）。,图7 梭状和手指状贝里特 1%氯化铵溶液,图8 梭状贝里特 1%氯化铵溶液,黄芯熟料中主要矿物为为橄榄石化B矿（图7-40）；绿芯料中形成有钙锰绿色橄榄石化的B矿。,还原更为严重时则形成白芯料，此时各种不规则形状的B矿已连成一片（图9-41，图8-1-33）。,当还原气氛特别强烈时，则有球形的金属铁出现，其反射率较大成亮白色（图9-42，图8-1-34）。,图15 圆形亮白的金属铁和空洞 蒸馏水浸蚀 黄芯料,