基于偏光顯微鏡的水泥熟料顯微結構分析

0熟料燒結中存在問題用顯微鏡研究水泥沉淀，主要集中在對水泥沉淀力學的研究上，或對混凝土沉淀亞微結構的研究上。結構研究不足。顯微結構研究的目的,用以判定熟料的產品質量,而熟料顯微結構和工藝過程的關系,很少有文獻涉及。筆者以立窯正常料、過燒料、欠燒料為對象,利用偏光顯微鏡通過結構學的分析,確定燒結過程中物理化學條件變化,判定熟料燒結中存在的問題,為熟料工藝優化提供理論依據。水泥熟料顯微結構,在化學成分確定后,受窯內溫度、通風量和氧分布的制約。水泥熟料中硅酸二鈣(C2S)、硅酸三鈣(C3S)、鋁酸三鈣(C3F)、鐵鋁酸四鈣(C4AF)結晶形態、晶體大小和存在方式,直接記錄了燒結過程中物理化學條件的變化,也是水泥燒結工藝的完整記錄。由于熟料燒結過程中,影響熟料礦物形成的物理化學條件比較復雜,僅涉及溫度制約所引起的顯微結構的變化,其他影響不作討論。現以陜西某水泥廠立窯水泥熟料(正常熟料、過燒及欠燒熟料)為研究對象,研究其顯微結構特征。1熟料的成分立窯熟料化學成分、料率值、各齡凈漿抗壓強度及密度數據表1～表3。2顯微結構分析2.1組成結構的特征正常熟料指密度大于1.30,齡期強度大于3d/20MPa和大于28d/45MPa的熟料。熟料外觀多以球狀或橢球狀為主,外表灰色,斷面淺灰色,其切面顯微結構見(圖1～圖6)。正常熟料各礦物顯微結構特征:(1)C3S半自形,具有一組底面解理,礦物粒經0.05～0.12mm,一級深灰干涉色,平行消光。單偏光下,無色,正高突起(N>1.72),體積分數大于70%。不同粒級的C3S集中成團分布,結晶形態比較完整,可見少數包體和環帶結構(圖1～圖2)。(2)C2S它形粒狀,切面成各種不規則形態,無色,平行消光,一級灰白干涉色。正高突起,粒經0.025～0.1mm,體積分數約9%。C2S含有大量沒有完全偏析的雜質組分(圖3),結晶形態嚴格受制于C3S(圖4)。C2S在熟料中多成集中分布形式,可見交代C3S(圖3)。(3)中間相(C3S、C4AF),單偏光下呈深黃棕色。一級灰干涉色,由于受自身顏色的影響,干涉色成黃棕,強吸收性,Ng’=深黃棕、Nm=黃棕、Np’=淡黃。多充填于C2S和C3S的結晶空隙內,可見對C3S的交代(圖5)。從中間相的存在方式可以看出,中間相的結晶時間晚于C3S和C2S,而且為容體的析晶產物。由于中間相沒有完全形成組分分離,因而只以一種狀態出現。從以上正常出料的顯微結構中可以看到,該立窯升溫梯度波動比較大。首先C2S形成段的升溫速度比較正常,所以C2S結晶比較充分。C3S結晶條件不完全,成分偏析不徹底,包體含量比較多,晶體大小相差懸殊,環帶結構發育。總體上C2S結晶溫度基本正常但是有波動。C3S高溫段延續時間過長,溫度分布不均勻,局域可以看到溫度回落造成了對C2S的交代以及C3S的環帶結構(圖2)。其原因,主要是燒結過程的溫度梯度變化波動幅度過大,窯內通風不暢,造成窯內氧分布不均勻,所以C3S粒度不均勻和包體含量增高。中間相的形成,從其顯微結構看,是液態析晶的結果,而且析晶速度過快,沒有形成鐵、鋁的離子分離,故而中間相成分沒有完全分離結晶,形成混容結構。由于局部物理化學環境的劇烈變化,形成了中間相對對C3S的交代。正常熟料的顯微結構特征,反映了該立窯熟料生產過程中,窯內通風、氧分布不均勻,分布和溫度變化大。因而造成燒成熟料具有抗磨強度低、水化速度快、抗壓強度較差的特征。雖然各齡期凈漿抗壓強度基本符合標準,但是終凝強度比較差。2.2過燒熟料礦物結構特征過燒熟料,由于過燒條件的不同,可以有多種顯微結構形式。高溫還原條件下的過燒熟料,主要表現為鐵的還原。生料中的三價鐵,在還原氣氛下轉化為二價形成析鐵。另外筆者通過大量的薄片觀察發現,隨著還原溫度和窯內溫度、通風量和氧的分布不同,只要存在過燒條件,則C2S干涉色有不同程度的變化,總體比正常料的C2S干涉色要高(應屬β-C2S)。過燒熟料的一般物理特征為立升密度大。熟料肉眼觀察,屬于正常熟料的表觀特征,但其顯微結構與正常熟料相差比較大(圖7～圖8)。過燒熟料礦物結構特征通過薄片研究發現,過燒熟料顯微結構變化,C2S最為敏感。不同的過燒條件,C2S的形態、光性特征差異非常大。升溫速度正常,高溫超出了設計范圍,雖然C2S結晶正常,熟料結構沒有發生改變,但是C2S干涉色隨著溫度的升高而變高(圖7)。一般正常熟料,C2S一級灰白至一級黃干涉色,隨著結晶溫度增高,盡管熟料結晶速度正常,但干涉色可以從一級黃紅到二級藍,因而C2S的干涉色,可以作為判別窯內溫度的標型特征。當溫度進一步升高,C2S干涉色達到一級紅,C2S集合成為團快狀(圖8)。這種結構方式,一般發生在高溫燒成帶的反復燒結,C2S充分結晶所形成的β-C2S顯微結構形式。所以圖7是略高于正常結晶溫度的過燒料的顯微微結構特征,圖8是連續高溫燒結過燒料的顯微結構特征。前者是局部溫度過高、窯內溫度、通風量和氧分布條件基本正常所形成;后者是在沒有死燒的條件下,是由局部溫度已經達到C2S的結晶溫度上限且持續時間比較長所形成。過燒熟料中C2S首先表現為晶體凈化,包體減少。隨著溫度的升高,C3S含量減少而且粒徑變得粗大,C2S含量增多干涉色變高而且連成一片(圖8)。中間相在過燒熟料中表現為顏色變深,多色性不明顯,中間相中的鐵質,具有游離的趨勢。表現為還原氣氛下的快速析晶特征。2.3欠燒料顯微結構欠燒熟料的顯微結構,具有兩種類型。第一類為有生料結構的欠燒料,結構特征(圖9)為生料礦物殘留比較多,大部分硅質組分沒有完全熔融,鈣質組分已經分解,可見少量硅酸鈣骸晶(由于結晶不完全,無法確認礦物類型)。這種結構主要由漏料所引起。第二類為物理化學條件已經達到C2S結晶溫度,升溫速度和冷卻速度均過快所形成(圖10)。應該屬于急燒而沒有達到C3S結晶的物理化學條件所形成的顯微結構,但是考慮到礦物結晶的不完全,筆者將其歸為欠燒料。該類熟料的顯微結構特征為C3S體積分數低,礦物結晶不完整,C2S體積分數高干涉色比較正常。中間相基本消失,代之出現有少量的玻璃質,反映燒結時間短、冷卻速度快,所有礦物基本沒有完全結晶,液相沒有完全析晶所致。3物理化學條件失衡引起的顯微結構變化利用偏光顯微鏡研究水泥