硅酸盐⽔泥熟料矿物组成及其配料计算
第⼀节硅酸盐⽔泥熟料矿物组成
如前所述，硅酸盐⽔泥熟料是以适当成分的⽣料烧到部分熔融，所得以硅酸钙为主要成分的烧结块。因此，在硅酸盐⽔泥熟料中CaO,SiO2,A1203,Fe2O3 不是以单独的氧化物存在，⽽是以两种或两种以上的氧化物经⾼温化学反应⽽⽣成的多种矿物的集合体。其结晶细⼩，⼀般为30-60µm 。因此可见，⽔泥熟料是⼀种多矿物组成的结晶细⼩的⼈⼯岩⽯。它主要有以下四种矿物： 硅酸三钙3Ca0.Si02 ，可简写为C3S ；
硅酸⼆钙2Ca0.Si02 ，可简写为C2S ；
铝酸三钙3Ca0.A1203 ，可简写为 C 3 A ；
决策天地铁相固溶体通常以铁铝酸四钙4Ca0 . A1203 . Fe203 作为代表式，可简写成C4AF,
此外，还有少量游离氧化钙(f-Ca0 ) 、⽅镁⽯（结晶氧化镁）、含碱矿物及玻璃体。通常熟料中C3S 和C悬空板
2S 含量约占75 ％左右，称为硅酸盐矿物。C3A 和C4AF 的理论含量约占22 ％左右。在⽔泥熟料锻烧过程中,C3A 和C4AF 以及氧化镁、碱等在1250℃- 1280℃会逐渐熔融形成液相，促进硅酸三钙的形成，故称熔剂矿物。 ⼀?硅酸三钙
C3S是硅酸盐⽔泥熟料的主要矿物。其含量通常为50％左右，有时甚⾄⾼达60％以上。纯C3S只有在2065-1250℃温度范围内才稳定。在2065℃以上不⼀致熔融为Ca0 和液相；在1250℃以下分解为C2S 和Ca0 ，但反应很慢，故纯C3S 在室温可呈介稳状态存在。C3S 有三种晶系七种变型：
1070 ℃1060 ℃990 ℃960 ℃920 ℃520 ℃
R ←―→ MⅢ←―→ MⅡ←―→ MⅠ←―→～T Ⅲ←―→ T Ⅱ←―→ T ⅠR 型为三⽅晶系，M 型为单斜晶系，T 型为三斜晶系，这些变型的晶体结构相近。但有⼈认为,R 型和M ，型的强度⽐T 型的⾼。
在硅酸盐⽔泥熟料中, C3S 并不以纯的形式存在，总含有少量氧化镁、氧化铝、氧化铁等形成固溶液，称为阿利特(Alite ）或 A 矿。
纯C3S 在常温下，通常只能为三斜晶系(T 型），如含有少量Mg0, A1203 , Fe2O3 , 503 ,
ZnO,Cr203,R20 等氧化物形成固溶体则为M 型或R 型。由于熟料中C3S 总含MgO,A12O3,
Fe2O3 以及其他氧化物，故阿利特通常为M 型或R 型。据认为锻烧温度的提⾼或锻烧时间的延长也有利于形成M ．型或R
型。
纯C3S 为⽩⾊，密度为 3. 14g /cm3 , 其晶体截⾯为六⾓形或棱柱形。单斜晶系的阿利特单晶为假六⽅⽚状或板状。在阿利特中常以C3S 和CaO 的包裹体存在。 C3S 凝结时间正常，⽔化较快，粒径40-50µm 的颗粒28d 可⽔化70 ％左右。放热较多，早期强度⾼且后期强度增进率较⼤，28d 强度可达⼀年强度的70 ％-80％，其28d 强度和⼀年强度在四种矿物中均最⾼。
阿利特的晶体尺⼨和发育程度会影响其反应能⼒，当烧成温度⾼时，阿利特晶形完整，晶体尺⼨适中，⼏何轴⽐⼤（晶体长度与宽度之⽐L/B>2-3) ，矿物分布均匀，界⾯清晰，熟料的强度较⾼。当加矿化剂或⽤急剧升温等锻烧⽅法时，虽然
含较多阿利特，⽽且晶体⽐较细⼩，但因发育完整、分布均匀，熟料强度也较⾼。因此，适当提⾼熟料中的硅酸三钙含量，并且当其岩相结构良好时，可以获得优质熟料。但硅酸三钙的⽔化热较⾼，抗⽔性较差，如要求⽔泥的⽔化热低、抗⽔性较⾼时，则熟料中的硅酸三钙含量要适当低⼀些。
⼆?硅酸⼆钙
C2S 在熟料中含量⼀般为20 ％左右，是硅酸盐⽔泥熟料的主要矿物之⼀，熟料中硅酸⼆钙并不是以纯的形式存在，⽽是与少量MgO,A1203,Fe2O3,R20 等氧化物形成固溶体，通常称为贝利特(Belite ) 或 B 矿。纯C2S 在1450℃以下有下列多晶转变。1425 ℃1160 ℃630— 680 ℃＜500 ℃
α ====== α H ＝＝＝α L ＝＝＝＝＝β --- →γ
↑＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿↓
780— 860℃
(H ⼀⾼温型，L ⼀低温型）
在室温下, α，α H ，α L ，β等变形都是不稳定的，有转变成Y 型的趋势。在熟料中α，αH 型⼀般较少存在，在烧成温度较⾼、冷却较快的熟料中，由于固溶有少量A120, , Mg0 , Fe2O3 等氧化物，可以β型存在。通常所指的硅酸⼆钙或 B 矿即为β型硅酸⼆钙。
α，αH 型C2S 强度较⾼，⽽Y 型C2S ⼏乎⽆⽔硬性。在⽴窑⽣产中，若通风不良、还原⽓氛严重、烧成温度低、液相量不⾜、冷却较慢，则硅酸⼆钙在低于500℃下易由密度为 3. 28g /cm' 的R 型转变为密度 2. 97g /cm3 的Y 型，体积膨胀10 ％⽽导致熟料粉化。但若液相量多，可使溶剂矿物形成玻璃体将⼑型硅酸⼆钙晶体包围住，并采⽤迅速冷却⽅法使之越过γ型转变温度⽽保留下来。
贝利特为单斜晶系，在硅酸盐⽔泥熟料中常呈圆粒状，这是因为贝利特的棱⾓已溶进液相⽽其余部分未溶进液相之故。已全部溶进液相⽽在冷却过程中结晶出来的贝利特则可以⾃⾏出现⽽呈其他形状。
在反射光下，正常温度烧成的熟料中，贝利特有交叉双晶条纹，⽽烧成温度低冷却慢者，则呈现平⾏双晶条纹。
纯硅酸⼆钙⾊洁⽩，当含有Fe203, 时呈棕黄⾊。贝利特⽔化反应较慢,28d 仅⽔化20%左右，凝结硬化缓慢，早期强度较低但后期强度增长率较⾼，在⼀年后可赶上阿利特。贝利特的⽔化热较⼩，抗⽔性较好。在中低热⽔泥和抗硫酸盐⽔泥中，适当提⾼贝利特含量⽽降低阿利特含量是有利的。
中间相
填充在阿利特、贝利特之间的物质通称中间相，它可包括铝酸盐、铁酸盐、组成不定的玻璃体和含碱化合物以及游离氧化钙和⽅镁⽯。但以包裹体形式存在于阿利特和贝利特中的游离氧化钙和⽅镁⽯除外。中间相在熟料缎烧过程中，熔融成为液相，冷却时，部分液相结晶，部分液相来不及结晶⽽凝固成玻璃体。
（⼀）铝酸钙
熟料中铝酸钙主要是铝酸三钙，有时还可能有七铝酸⼗⼆钙。在掺氟化钙作矿化剂的熟料中可能存在
C 11 A 7 · CaF2 ，⽽在同时掺氟化钙和硫酸钙作矿化剂低温烧成的熟料中可以是 C 11 A 7 · CaF2 和 C 4 A 2 S ⽽⽆ C 3 A 。纯 C 3 A 为等轴晶系，⽆多晶转化。 C 3 A 也可固溶部分氧化物，如K2O,Na20 , Si02 ,
Fe203 等，随固溶的碱含量的增加，⽴⽅晶体的C,A 向斜⽅晶体NCB A, 转变。
结晶完善的 C 3 A 常呈⽴⽅、⼋⾯体或⼗⼆⾯体。但在⽔泥熟料中其形状随
冷却速率⽽异。氧化铝含量⾼⽽慢冷的熟料，才可能结晶出完整的⼤晶体，⼀般则
溶⼊玻璃相或呈不规则微晶析出。
C 3A 在熟料中的潜在含量为7-15％。纯C3A为⽆⾊晶体，密度为3.04g /cm3 ，
熔融温度为1533℃, 反光镜下，快冷呈点滴状，慢冷呈矩形或柱形。因反光能⼒差，呈暗灰⾊，故称⿊⾊中间相。
C 3A ⽔化迅速，放热多，凝结很快，若不加⽯膏等缓凝剂，易使⽔泥急凝；硬
化快，强度3d 内就发挥出来，但绝对值不⾼，以后⼏乎不增长，甚⾄倒缩。⼲缩
变形⼤，抗硫酸盐性能差。
（⼆）铁相固溶体
铁相固溶体在熟料中的潜在含量为10-18 ％。熟料中含铁相较复杂，有⼈认
为是 C 2F - C 8A 3F 连续固溶体中的⼀个成分，也有⼈认为是 C 6A 2F -C6AF2 连
续固溶体的⼀部分。在⼀般硅酸盐⽔泥熟料中，其成分接近C4AF ，故多⽤C4AF 代
表熟料中铁相的组成。也有⼈认为，当熟料中Mg0 含量较⾼或含有CaF2 等降低
液相粘度的组分时，铁相固溶体的组成为 C 6A 2F 。若熟料中A1203/Fe203<0. 64 ，则可⽣成铁酸⼆钙。
铁铝酸四钙的⽔化速度早期介于铝酸三钙和硅酸三钙之间，但随后的发展不如
硅酸三钙。早期强度类似于铝酸三钙，后期还能不断增长，类似硅酸⼆钙。抗冲击
性能和抗硫酸盐性能好，⽔化热较铝酸三钙低，但含C4AF ⾼的熟料难磨。在道路
⽔泥和抗硫酸盐⽔泥中，铁铝酸四钙的含量⾼为好。
含铁相的⽔化速率和⽔化产物性质决定于相的A1203/Fe203 ⽐，研究发现:C 6A 2F ⽔化速度⽐C4AF 快，这是因为其含有较多的A1203 之故C6AF2 ⽔化较慢，凝结也慢 C 2F 的⽔化最慢，有⼀定⽔硬性。
（三）玻璃体
硅酸盐⽔泥熟料锻烧过程中，熔融液相若在平衡状态下冷却，则可全部结晶出
C3A ,C4AF 和含碱化合物等⽽不存在玻璃体。但在⼯⼚⽣产条件下冷却速度较快，
有部分液相来不及结晶⽽成为过冷液体，即玻璃体．在玻璃体中，质点排列⽆序，
组成也不定．其主要成分为AL2O3 、Fe2O3 , Ca0 ，还有少量MgO 和碱等．玻
璃体在熟料中的含量随冷却条件⽽异，快冷则玻璃体含量多⽽C,A,C,AF 等晶体少，反之则玻璃体含量少⽽C3A,C4AF 晶体多．据认为，普通冷却熟料中，玻璃体含量
约为2%-21%；急冷熟料玻璃体约8%-22%；慢冷熟料玻璃体只有0 ～ 2 ％。
铝酸三钙和铁铝酸四钙在锻烧过程中熔融成液相，可以促进硅酸三钙的顺利形成，这是它们的⼀个重要作⽤。如果物料中熔剂矿物过少，则易⽣烧使氧化钙不易
被吸收完全，从⽽导致熟料中游离氧化钙增加，影响熟料的质量，降低窑的产量并
增加燃料的消耗。如果熔剂矿物过多，物料在窑内易结⼤块，甚⾄在回转窑内结圈，
在⽴窑内结炉瘤等，严重影响回转窑和⽴窑的正常⽣产。
三?游离氧化钙和⽅镁⽯
游离氧化钙是指经⾼温锻烧⽽仍未化合的氧化钙，也称游离⽯灰。经⾼温锻烧的
游离氧化钙结构⽐较致密，⽔化很慢，通常要在3d 后才明显，⽔化⽣成氢氧化钙
体积增加97.9％，在硬化的⽔泥浆中造成局部膨胀应⼒。随着游离氧化钙的增加，⾸先是抗折强度下降，进⽽引起3d 以后强度倒缩，严重时引起性不良。因此，
在熟料缎烧中要严格控制游离氧化钙含量。我国回转窑⼀般控制在 1.5 ％以下，
⽽⽴窑在 2.5 ％以下。因为⽴窑熟料的游离氧化物中有⼀部分是没有经过⾼温死
烧⽽出窑的⽣料。这种⽣料中的游离氧化钙⽔化快，对硬化⽔泥浆的破坏⼒不⼤。
游离氧化钙在偏光镜下为⽆⾊圆形颗粒，有明显解理。在反光镜下⽤蒸馏⽔浸蚀后
双面钟
呈彩虹⾊。
⽅镁⽯是指游离状态的Mg0 晶体。Mg0 由于与SIO2,FeM 的化学亲和⼒很⼩，在熟料锻烧过程中⼀般不参与化学反应。它以下列三种形式存在于熟料中：①溶解
于C4AF,C,S 中形成固溶体；②溶于玻璃体中；③以游离状态的⽅镁⽯形式存在。
据认为，前两种形式的Mg0 含量约为熟料的2％，它们对硬化⽔泥浆体⽆破坏作⽤，⽽以⽅镁⽯形式存在时，由于⽔化速度⽐游离氧化钙要慢，要在0. 5-1 年后才明显。⽔化⽣成氢氧化镁时，体积膨胀148 ％，也会导致性不良。⽅镁⽯膨胀
的严重程度与晶体尺⼨、含量均有关系。尺⼨1µm时，含量 5 ％才引起微膨胀，
尺⼨5-7µm时，含量 3 ％就引起严重膨胀。国家标准规定硅酸盐⽔泥中氧化镁含
量不得超过 5. 0 ％。在⽣产中应尽量采取快冷措施减⼩⽅镁⽯的晶体尺⼨。
第⼆节熟料的率值
因为硅酸盐⽔泥熟料是由两种或两种以上的氧化物化合⽽成，因此在⽔泥⽣产中控
制各氧化物之间的⽐例即率值，⽐单独控制各氧化物的含量更能反映出对熟料矿物
组成和性能的影响。故常⽤表⽰各氧化物之间相对含量的率值来作为⽣产的控制指标。
⼀?⽔硬率(Hydraulic Modulus
⽔硬率是1868 年德国⼈⽶夏埃利斯(W. Michaelis) 提出的作为控制熟料适纯铝酸钙水泥
宜⽯灰含量的⼀个系数。它是熟料中氧化钙与酸性氧化物之和的质量百分数的⽐值，常⽤HM 表⽰，其计算式为：CaO HM= SiO2 ＋A12O3, +Fe2O3 （1-3-1 ）
其中CaO, SiO2 , A1203, Fe2O3 分别代表熟料中各氧化物的质量百分数。⽔
硬率通常在 1.8-2.4 之间。⽔硬率假定各酸性氧化物所结合的氧化钙是相同的，
实际上并⾮如此。当各酸性氧化物的总和不变⽽它们之间的⽐例发⽣变化时，所需
的氧化钙并不相同。因此只控制同样的⽔硬率，并不能保证熟料有相同的矿物组成。
只有同时也控制各酸性氧化物之间的⽐例，才能保证熟料矿物组成的稳定。因此后
来库尔(H. HAD 提出了控制熟料酸性氧化物之间的关系的率值：硅率和铝率。
⼆?硅率或硅酸率（ Silica Modulus ）
硅率⼜称硅酸率，它表⽰熟料中Si02 的百分含量与AL2O3 和Fe2O3, 百分
含量之⽐，⽤SM
表⽰：（1-3-2 ）
通常硅酸盐⽔泥的硅率在 1.7-2.7 之间。但⽩⾊硅酸盐⽔泥的硅率可达4.0 甚
⾄更⾼。
硅率除了表⽰熟料的Si02 与A1203 和Fe2O3 的质量百分⽐外，还表⽰了熟
料中硅酸盐矿物与溶剂矿物的⽐例关系，相应地反映了熟料的质量和易烧性。当
A120,/Fe2O3 ⼤于0.64 时，硅率与矿物组成的关系为：
（1-3-3 ）
式中C3S,C2S,C3A ,C4AF 分别代表熟料中各矿物的质量百分数。从1-3-3 式
可见，硅率随硅酸盐矿物与熔剂矿物之⽐⽽增减。若熟料硅率过⾼，则由于⾼温液
相量显著减少，熟料缎烧困难，硅酸三钙不易形成，如果氧化钙含量低，那么硅酸
⼆钙含量过多⽽熟料易粉化。硅率过低，则熟料因硅酸盐矿物少⽽强度低，且由于
液相量过多，易出现结⼤块、结炉瘤、结圈等，影响窑的操作。
三?铝率或铁率（ Iron Modulus ）
铝率⼜称铁率，以IM 表⽰。其计算式为：
（1-3-4 ）
铝率通常在0. 9-1. 7 之间。抗硫酸盐⽔泥或低热⽔泥的铝率可低⾄0. 7 。
铝率表⽰熟料中氧化铝与氧化铁的质量百分⽐，也表⽰熟料中铝酸三钙与铁铝
酸四钙的⽐例关系，因⽽也关系到熟料的凝结快慢。同时还关系到熟料液相粘度，
从⽽影响熟料的锻烧的难易，熟料铝率与矿物组成的关系如下：
（1-3-5 ）
从1-3-5 式可见，铝率⾼，熟料中铝酸三钙多，液相粘度⼤，物料难烧，⽔
泥凝结快。但铝率过低，虽然液相粘度⼩，液相中质点易扩散对硅酸三钙形成有利，
但烧结范围窄，窑内易结⼤块，不利于窑的操作。
有些国家，如⽇本采⽤HM, SM 和IM 三个率值来控制熟料成分，结果还⽐较
满意。我国从⽇本引进的冀东⽔泥⼚也⽤此三个率值来控制⽣产。但不少学者认为
⽔硬率的意义不明确，因此，⼜提出了不同的与⽯灰最⼤含量有关的计算公式，常
见的有KH 和LSF 。
四、⽯灰饱和系数 KH
古特曼与杰⽿认为，酸性氧化物形成的碱性最⾼的矿物为C3S,C2S,C3A,C4AF ，从⽽提出了他们的⽯灰理论极限含量。为便于计算，将C4AF 改写成“ C3A " 和“CF" ，令"CA" 与 C 3 A 相加，那么每 1 ％酸性氧化物所斋⽯灰含量分别为：
1 ％A1203 所需：CaO= 3×56.08/101.96=1.65
1 %Fe203 所需CaO=56.08/159.7=0.35
1 %SiO
2 形成C3S 所需CaO=3×56.08/60.09=2.8
由每 1 ％酸性氧化物所需⽯灰量乘以相应的酸性氧化物含量，就可得⽯灰理
论极限含量计算式：
CaO ＝2.80SiO2＋1.65AL203+ 0.35Fe203 ( 1-3-6 )
⾦德和容克认为，在实际⽣产中，氧化铝和氧化铁始终为氧化钙所饱和，⽽
Si02 ：可能不完全饱和成C3S ⽽存在⼀部分C2S, 否则熟料就会出现游离氧化钙。因此就在SiO2 之前加⼀⽯灰饱和系数KH 。故Ca0=KH X 2.80SiO2 ＋ 1. 65AL203+0.35Fe203 ( 1-3-7 )
将1-3-7 改写成
（1-3-8 ）
因此，⽯灰饱和系数KH 是熟料中全部氧化硅⽣成硅酸钙(C3S-I-CzS) 所需
的氧化钙含量与全部⼆氧化硅理论上全部⽣成硅酸三钙所需的氧化钙含量的⽐值，也即表⽰熟料中氧化硅被氧化钙饱和成硅酸三钙的程度。
式1-3-8 适⽤于IM>0. 64 的熟料。若IM<0. 64 ，则熟料组成为
C3S,C2S,C4AF 和C2F同理将C4AF 改写成(C2AF+C2F)，令C2A与C2F 相加，根
据矿物组成C3S,C2S,C2F 和C2F+“C2A ”可得：
（1-3-9 ）
考虑到熟料中还有游离Ca0 、游离Si0 ：和⽯膏，故式1-3-8 ，1-3-9 将假山的堆叠
写成：
（A/F ≥ 0.6 ）（1-3-10 ）
（A/F ＜0.64 ）（1-3-11 ）硅酸盐⽔泥熟料KH 值在0. 82-0. 94 之间，我国湿法回转窑KH 值⼀般控
制在0. 89 ⼠0. 0l 左右。
⽯灰饱和系数与矿物组成的关系可⽤下⾯数学式表⽰：
文件传输第三节（1-3-12 ）
从上可见，当C3 S = 0 时KH= 0. 667, 即当KH = 0. 667 时，熟料中只有C2S,C3A 和C4AF ⽽⽆C3S . 当KH=1 时，熟料中⽆
C2S ⽽只
有C3S,C3A 和C4AF, 故实际上KH 值介于0.667-1.0之间。
KH 实际上表⽰了熟料中C3S 与C2S 百分含量的⽐例。KH 越⼤，则硅酸盐矿物中的C3S 的⽐例越⾼，熟料质量（主要为强
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