浅谈水泥熟料微观结构及其质量性能

2017-04-13

四川水泥 2017年4期

关键词：显微结构利特阿利

（葛洲坝当阳水泥有限公司 444103）

浅谈水泥熟料微观结构及其质量性能

李成恩

（葛洲坝当阳水泥有限公司 444103）

随着经济的发展，促使建筑行业也有了质的飞跃，然而在建筑中水泥的应用是必不可少的，水泥熟料的质量性能决定了建筑的安全性，对水泥熟料的微观结构进行有效的分析，进而加强其质量性能的确定。

水泥熟料；微观结构；质量性能

引言：水泥熟料微观结构也就是其在显微镜下的形态，其会因原材料和工艺因素的不同而有显著的变化。也就是熟料微观结构与原材料和工艺因素密切相关，并从本质上影响着熟料的性能。这样，水泥熟料的微观结构不仅记录了矿物的形成和生长的全过程，也反映了全过程的工艺因素，以及因工艺因素不同而变化了的水泥熟料诸多物性。

1.水泥熟料的形成

生料在窑内经过干燥、预热、分解、烧成及冷却等阶段形成熟料。硅酸盐水泥熟料主要由硅酸三钙（C3S）、硅酸盐二钙（C2S）、铝酸三钙（C3A）、铁铝酸四钙（C4AF）等矿物所组成。生料通常是用石灰石、黏土及少量铁矿石等按适当的比例配制而成。石灰石的主要组成是碳酸钙（CaCO3）和少量的碳酸镁（MgCO3），黏土的主要矿物是高岭石（SiO2·2Al2O3·2H2O）及蒙脱石(Al,Mg)2[(OH)2|Si4O10](Na,Ca)x*nH2O 等，铁矿石的主要组成是氧化铁（Fe2O3）。硅酸盐水泥熟料形成的过程，实际上是石灰石、黏土、铁矿石等主要原料经过加热发生一系列物理化学变化形成C3A、C4AF、C2S和C3S等矿物的过程，不论窑型的变化如何，其过程是不变的。

2.水泥熟料的特征

水泥熟料是以石灰石和粘土等作为原料在部份熔融状态下烧成的,通过固液相反应形成矿物。因此它的成分是不均一的,是多种矿物的集合体。我们用肉眼观察熟料,从外观可以看到颗粒大小、形状、表面状态、色泽等,把熟料颗粒打碎,还可看到内部的致密程度等。从这些我们就可初步推断熟料烧成的情况如何。而用显微镜观察熟料实际上是肉眼观察的延伸,会得到更多的信息,从而作出更为科学的推断。在光学显微镜下观察熟料,可以看到20 ～ 60μm 的呈六角板状的阿利特相、20～30μm 的呈圆形并具特定双晶条纹的贝利特相、填充于阿利特和贝利特晶体之间的黑色铝酸三钙相以及白色中间物铁固溶体相。

3.水泥熟料的微观结构

水泥原料虽经过优化组合,化学成分的控制,粉磨均化,并在较佳状态下烧成熟料。但在显微镜下观察熟料,看到的并不是比例不变、均匀分布的显微结构。

3.1生料细度及均匀性的影响

生料细度控制比较重要，特别是0.2mm筛子筛余控制，一般小于1.5%，生料中颗粒较粗的部分,SiO2含量多。而颗粒较细部分,CaO含多。当生料的均匀性不好,其中又存在200μm 粗粒的不均齐原料时,熟料的烧成反应是不会顺利的。粗颗粒的存在常使熟料中出现同种物相的矿巢结构。但晶粒界限线明显。有较多的贝利特和游离氧化钙及方镁石矿巢，

3.2熟料冷却速度的影响

高温熟料的冷却速度直接影响到矿物的结晶状态,关系到水泥熟料的性能。高温熟料经过快速冷却,把阿利特、贝利特高温型变体在常温下予以稳定,。快冷熟料的显微结构大体是：(1)阿利特结晶细小，一般在15um～40um,，边角平直。(2)贝利特出现交叉双晶纹。(3)中间相出现较多的玻璃质或点滴状黑色中间相，⑷游离氧化钙偏少。慢冷熟料的显微结构大体是(1)阿里特较大，形状不规则，有边角钝化现象或港湾状，有时存在分解现像，析出二次游离氧化钙和贝利特，围绕在阿利特周围，呈花环结构。

3.3热工制度的影响

风煤料匹配、窑速的快慢等某些因素，会对熟料的煅烧温度和煅烧时间产生影响，熟料易出现过烧、欠烧和急烧几类状况。(1)熟料烧成温度过高，或在烧成带停留时间过长的熟料称为过烧熟料，岩相结构是阿利特晶体大，游离氧化钙和孔洞较少。但是由于发育完整的粗大的阿利特水化活性低，熟料强度低于正常熟料。(2)烧成温度低或者停留时间短的熟料称为欠烧熟料，其岩相结构表现为液相偏少，晶体发育不良，尺寸偏小，阿利特偏小边角不平直；贝利特形状不规则，表面无交叉双晶纹，并有大量矿巢；游离氧化钙偏多，孔洞较多。(3)烧成温度偏高但是停留时间不足，在猛火急烧的情况下烧成的熟料称为急烧熟料，岩相结构主要表现为，阿利特大小不均齐，贝利特交叉双晶纹不明显，游离氧化钙偏多。

4.水泥熟料的质量性能预测

熟料的显微结构因工艺因素的不同而有多种变化。根据显微结构与熟料质量的对比观察,可判明不同质量的熟料在显微结构上的特征,以及产生于外部的工艺因素。这样熟料强度的发展等物性,可以根据显微结构来推测。

4.1阿利特、贝利特的大小

因窑内烧成状况不同阿利特和贝利特的大小会有显著变化。当原料喂入量过多,窑内温度会有所下降,由此使阿利特和贝利特晶体变小。相反为之利特和贝利特晶体就会变大。为此,长时间的保持较高的窑温,阿利特、贝利特生长的就快，在1450℃以上时,保持30 min 生成了90～100μm 的大型的阿利特。这样,熟料中阿利特和贝利特的大小,因窑内的温度分布和被烧物料的移动速度而变化敏锐。阿利特的大小即结晶速度与升温速度相对应。贝利特的大小标志着在高温下结晶的生长，它与高温保持的时间相对应，

4.2阿利特的双折射率

一般在高温下烧成的熟料 ,阿利特具有高双折射率,而在低温下烧成的阿利特则具有低双折射率。双折射率值的大小因固溶量的多少而不同。在高温下生成的阿利特,大多固溶有适量的MgO等杂质。高双折射率相含有多量MgO成为单斜晶系高温相MⅢ,而低双折射率相是含MgO量不多的单斜晶系低温相MⅠ。因此,阿利特的双折射率因固溶了杂质与高温相的稳定化相对应，固溶量与生成温度相对应。所以,利用阿利特双折射率的测定,就可以判明熟料的烧成温度。

4.3贝利特的颜色

贝利特在高温下是六方晶系的α相,被冷却则转变为斜方晶系的α’相。在转变温度的范围内被缓慢冷却时,α相全部转变为α’相的同时,引起固溶杂质的出溶作用。使贝利特粒子黄浊。而借助黄浊的程度可判定冷却的速度。如此, 利用阿利特,贝利特晶体的大小、因含适量的高温稳定相水化活性大、阿利特的双折射率、贝利特的色调等,可以推测水泥熟料的 28 天抗压强度。同时利用上述评价结果,对于水泥窑作业条件的最佳化以及提高熟料质量及其稳定化有着极大的现实意义。

4.4熟料质量的预测

熟料的质量,其中28天的水化强度是最重要的指标。由于时效关系,28天强度的检验结果只起到质量确认作用,对于时刻变化的水泥熟料品位,窑的烧成状态, 其起不到检验结果的作用。因此,利用显微镜观察水泥熟料的矿物形态 , 进行 28 天强度的推断是最好的一种预测方法。