基于偏光顯微鏡的水泥熟料顯微結(jié)構(gòu)分析

基于偏光顯微鏡的水泥熟料顯微結(jié)構(gòu)分析

0熟料燒結(jié)中存在問題用顯微鏡研究水泥沉淀，主要集中在對(duì)水泥沉淀力學(xué)的研究上，或?qū)炷脸恋韥單⒔Y(jié)構(gòu)的研究上。結(jié)構(gòu)研究不足。顯微結(jié)構(gòu)研究的目的,用以判定熟料的產(chǎn)品質(zhì)量,而熟料顯微結(jié)構(gòu)和工藝過程的關(guān)系,很少有文獻(xiàn)涉及。筆者以立窯正常料、過燒料、欠燒料為對(duì)象,利用偏光顯微鏡通過結(jié)構(gòu)學(xué)的分析,確定燒結(jié)過程中物理化學(xué)條件變化,判定熟料燒結(jié)中存在的問題,為熟料工藝優(yōu)化提供理論依據(jù)。水泥熟料顯微結(jié)構(gòu),在化學(xué)成分確定后,受窯內(nèi)溫度、通風(fēng)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(jié)晶形態(tài)、晶體大小和存在方式,直接記錄了燒結(jié)過程中物理化學(xué)條件的變化,也是水泥燒結(jié)工藝的完整記錄。由于熟料燒結(jié)過程中,影響熟料礦物形成的物理化學(xué)條件比較復(fù)雜,僅涉及溫度制約所引起的顯微結(jié)構(gòu)的變化,其他影響不作討論。現(xiàn)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(duì)象,研究其顯微結(jié)構(gòu)特征。1熟料的成分立窯熟料化學(xué)成分、料率值、各齡凈漿抗壓強(qiáng)度及密度數(shù)據(jù)表1～表3。2顯微結(jié)構(gòu)分析2.1組成結(jié)構(gòu)的特征正常熟料指密度大于1.30,齡期強(qiáng)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(jié)構(gòu)見(圖1～圖6)。正常熟料各礦物顯微結(jié)構(gòu)特征:(1)C3S半自形,具有一組底面解理,礦物粒經(jīng)0.05～0.12mm,一級(jí)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?jǐn)?shù)大于70%。不同粒級(jí)的C3S集中成團(tuán)分布,結(jié)晶形態(tài)比較完整,可見少數(shù)包體和環(huán)帶結(jié)構(gòu)(圖1～圖2)。(2)C2S它形粒狀,切面成各種不規(guī)則形態(tài),無色,平行消光,一級(jí)灰白干涉色。正高突起,粒經(jīng)0.025～0.1mm,體積分?jǐn)?shù)約9%。C2S含有大量沒有完全偏析的雜質(zhì)組分(圖3),結(jié)晶形態(tài)嚴(yán)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(jí)灰干涉色,由于受自身顏色的影響,干涉色成黃棕,強(qiáng)吸收性,Ng’=深黃棕、Nm=黃棕、Np’=淡黃。多充填于C2S和C3S的結(jié)晶空隙內(nèi),可見對(duì)C3S的交代(圖5)。從中間相的存在方式可以看出,中間相的結(jié)晶時(shí)間晚于C3S和C2S,而且為容體的析晶產(chǎn)物。由于中間相沒有完全形成組分分離,因而只以一種狀態(tài)出現(xiàn)。從以上正常出料的顯微結(jié)構(gòu)中可以看到,該立窯升溫梯度波動(dòng)比較大。首先C2S形成段的升溫速度比較正常,所以C2S結(jié)晶比較充分。C3S結(jié)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(huán)帶結(jié)構(gòu)發(fā)育?？傮w上C2S結(jié)晶溫度基本正常但是有波動(dòng)。C3S高溫段延續(xù)時(shí)間過長,溫度分布不均勻,局域可以看到溫度回落造成了對(duì)C2S的交代以及C3S的環(huán)帶結(jié)構(gòu)(圖2)。其原因,主要是燒結(jié)過程的溫度梯度變化波動(dòng)幅度過大,窯內(nèi)通風(fēng)不暢,造成窯內(nèi)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(jié)構(gòu)看,是液態(tài)析晶的結(jié)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(jié)晶,形成混容結(jié)構(gòu)。由于局部物理化學(xué)環(huán)境的劇烈變化,形成了中間相對(duì)對(duì)C3S的交代。正常熟料的顯微結(jié)構(gòu)特征,反映了該立窯熟料生產(chǎn)過程中,窯內(nèi)通風(fēng)、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(qiáng)度低、水化速度快、抗壓強(qiáng)度較差的特征。雖然各齡期凈漿抗壓強(qiáng)度基本符合標(biāo)準(zhǔn),但是終凝強(qiáng)度比較差。2.2過燒熟料礦物結(jié)構(gòu)特征過燒熟料,由于過燒條件的不同,可以有多種顯微結(jié)構(gòu)形式。高溫還原條件下的過燒熟料,主要表現(xiàn)為鐵的還原。生料中的三價(jià)鐵,在還原氣氛下轉(zhuǎn)化為二價(jià)形成析鐵。另外筆者通過大量的薄片觀察發(fā)現(xiàn),隨著還原溫度和窯內(nèi)溫度、通風(fēng)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(yīng)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(jié)構(gòu)與正常熟料相差比較大(圖7～圖8)。過燒熟料礦物結(jié)構(gòu)特征通過薄片研究發(fā)現(xiàn),過燒熟料顯微結(jié)構(gòu)變化,C2S最為敏感。不同的過燒條件,C2S的形態(tài)、光性特征差異非常大。升溫速度正常,高溫超出了設(shè)計(jì)范圍,雖然C2S結(jié)晶正常,熟料結(jié)構(gòu)沒有發(fā)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(jí)灰白至一級(jí)黃干涉色,隨著結(jié)晶溫度增高,盡管熟料結(jié)晶速度正常,但干涉色可以從一級(jí)黃紅到二級(jí)藍(lán),因而C2S的干涉色,可以作為判別窯內(nèi)溫度的標(biāo)型特征。當(dāng)溫度進(jìn)一步升高,C2S干涉色達(dá)到一級(jí)紅,C2S集合成為團(tuán)快狀(圖8)。這種結(jié)構(gòu)方式,一般發(fā)生在高溫?zé)蓭У姆磸?fù)燒結(jié),C2S充分結(jié)晶所形成的β-C2S顯微結(jié)構(gòu)形式。所以圖7是略高于正常結(jié)晶溫度的過燒料的顯微微結(jié)構(gòu)特征,圖8是連續(xù)高溫?zé)Y(jié)過燒料的顯微結(jié)構(gòu)特征。前者是局部溫度過高、窯內(nèi)溫度、通風(fēng)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(jīng)達(dá)到C2S的結(jié)晶溫度上限且持續(xù)時(shí)間比較長所形成。過燒熟料中C2S首先表現(xiàn)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(xiàn)為顏色變深,多色性不明顯,中間相中的鐵質(zhì),具有游離的趨勢。表現(xiàn)為還原氣氛下的快速析晶特征。2.3欠燒料顯微結(jié)構(gòu)欠燒熟料的顯微結(jié)構(gòu),具有兩種類型。第一類為有生料結(jié)構(gòu)的欠燒料,結(jié)構(gòu)特征(圖9)為生料礦物殘留比較多,大部分硅質(zhì)組分沒有完全熔融,鈣質(zhì)組分已經(jīng)分解,可見少量硅酸鈣骸晶(由于結(jié)晶不完全,無法確認(rèn)礦物類型)。這種結(jié)構(gòu)主要由漏料所引起。第二類為物理化學(xué)條件已經(jīng)達(dá)到C2S結(jié)晶溫度,升溫速度和冷卻速度均過快所形成(圖10)。應(yīng)該屬于急燒而沒有達(dá)到C3S結(jié)晶的物理化學(xué)條件所形成的顯微結(jié)構(gòu),但是考慮到礦物結(jié)晶的不完全,筆者將其歸為欠燒料。該類熟料的顯微結(jié)構(gòu)特征為C3S體積分?jǐn)?shù)低,礦物結(jié)晶不完整,C2S體積分?jǐn)?shù)高干涉色比較正常。中間相基本消失,代之出現(xiàn)有少量的玻璃質(zhì),反映燒結(jié)時(shí)間短、冷卻速度快,所有礦物基本沒有完全結(jié)晶,液相沒有完全析晶所致。3物理化學(xué)條件失衡引起的顯微結(jié)構(gòu)變化利用偏光顯微鏡研究水泥