硅酸盐水泥的生产和矿物组成

（一）硅酸盐水泥的分类

硅酸盐水泥分为两种类型：不掺加混合材料的称为Ⅱ型硅酸盐水泥（代号P·Ⅰ）；掺加混合材料不超过5%的称为Ⅱ型硅酸盐水泥（代号P·Ⅱ）。

硅酸盐水泥熟料是由主要含CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3 的原料，按适当比例磨细煅烧至部分熔融而得到的以硅酸钙为主要成分的物料。

（二）硅酸盐水泥的生产工艺

生产硅酸盐水泥的原料主要是石灰质原料（如石灰石、白垩等）和黏土质原料（如黏土、黄土和页岩等）两类，一般常配以辅助原料（如铁矿石、砂岩等）。石灰质原料主要提供CaO，粘土质原料主要提供SiO2、Al2O3 及少量的Fe2O3，辅助原料常用以校正Fe2O3 或SiO2 的不足。

硅酸盐水泥的生产过程分为制备生料、煅烧熟料，粉磨水泥三个主要阶段，该生产工艺过程可概括为“两磨一烧”，如图4-1 所示。

图4-1　硅酸盐水泥生产工艺流程

煅烧是水泥生产的主要过程，生料要经历干燥（100 ～200℃）、预热（300 ～500℃）、分解（500～900℃黏土脱水分解成为SiO2 和Al2O3，后期石灰石分解为CaO 和CO2）、烧成（1 000～1 200℃生成铝酸三钙、铁铝酸四钙和硅酸二钙，1 300～1 450℃生成硅酸三钙）和冷却几个阶段。

（三）硅酸盐水泥熟料的矿物组成及其特性

硅酸盐水泥熟料中的主要矿物成分为硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙和铁铝酸四钙，以及少量有害的游离氧化钙（CaO）、氧化镁（MgO）、氧化钾（K2O）、氧化钠（Na2O）与三氧化硫（SO3）。硅酸盐水泥熟料中的主要矿物组成见表4-1。

表4-1　硅酸盐水泥熟料矿物组成及含量

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前两种矿物称为硅酸盐矿物，一般占总量的75%～82%；后两种称为熔剂矿物，一般占总量的18%～25%。

水泥熟料中各种矿物单独与水作用时所表现出的特性各不相同，其特性见表4-2。

表4-2　硅酸盐水泥熟料主要矿物的特性

由表4-2 可知，硅酸三钙的水化速率较快，水化热较大，且主要在水化反应早期释放。强度最高，且能不断得到增长，是决定水泥强度等级高低的最主要矿物。

硅酸二钙的水化速率最慢，水化热最小，且主要在后期释放。早期强度不高，但后期强度增长率较高，是保证水泥后期强度增长的主要矿物。

铝酸三钙的水化速率极快，水化热最大，且主要在早期释放，硬化时体积减缩也最大。早期强度增长率很快，但强度不高，而且以后几乎不再增长，甚至降低，铝酸三钙是影响水泥凝结时间的主要矿物之一。

铁铝酸四钙的水化速率较快，仅次于铝酸三钙，水化热中等，强度较低。脆性较其他矿小，当含量增多时，有助于水泥抗拉强度的提高。

各矿物的抗压强度随时间的增长情况如图4-2 所示。

图4-2　水泥熟料矿物的强度增长曲线

由上述可知，几种矿物成分的性能表现各不相同，它们在熟料中的相对含量改变时，水泥的技术性质也随之改变。例如，要使水泥具有快硬高强的性能，应适当提高熟料中C3S 及C3A 的相对含量；若要求水泥的发热量较低，可适当提高C2S 及C4FA 的含量而控制C3S 及C3A 的含量。因此，掌握硅酸盐水泥熟料中各矿物成分的含量及特性，就可以大致了解该水泥的性能特点。