第十四章 无机材料的制备

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1、第十四章无机材料的制备传统无机非金属材料包括水泥、陶瓷、玻璃和耐火材料，将无机材料科学基础的基本理论和它们的制备工艺原理结合起来，从而加深对理论的理解，进一步培养科学的思维方法。第一节水泥的制备主要讲授硅酸盐水泥的生产方法、制备原理和工艺过程。一．生产方法水泥的生产方法可归纳为：两磨一烧。硅酸盐水泥的生产分为三个阶段：石灰质原料、粘土质原料与少量校正原料经破碎后，按一定比例配合、磨细，并配合为成分合适、质量均匀的生料，称为生料的制备；生料在水泥窑内煅烧至部分熔融所得以硅酸盐为主要成分的硅酸盐水泥熟

2、料，称为熟料煅烧；熟料加适量石膏，有时还加适量混合材料或外加剂共同磨细为水泥，称为水泥粉磨。二．硅酸盐水泥熟料的煅烧1．生料在煅烧过程中的物理与化学变化1.干燥与脱水干燥即物料中自由水的蒸发，而脱水则是粘土矿物分解放出结晶水。粘土矿物—高岭土在500-600℃下失去结晶水，主要形成非晶质的偏高岭土，因此高岭土脱水后活性较高，其反应式为：Al2O3.2SiO2.2H2O→Al2O3.2SiO2+2H2O2.碳酸盐分解生料中的碳酸钙在煅烧过程中发生分解放出二氧化碳，其反应式如下：CaCO3→CaO+C

3、O2吸热反应影响碳酸钙分解的因素：a.温度：高，分解速度增加b.窑系统的CO2分压：通风良好，CO2分压低，有利于分解c.生料细度、悬浮分散程度d.原料的种类和性质。3.固相反应在碳酸钙分解的同时，石灰质和粘土质组分间，通过质点的相互扩散，进行固相反应，过程如下：~800℃：CaO.Al2O3、CaO.Fe2O3、与2CaO.SiO2（C2S）开始形成800~900℃：开始形成12CaO.7Al2O3。900~1100℃：2CaO.Al2O3.SiO2(C2AS)形成后又分解。开始形成3CaO.A

4、lO3(C3A)和4CaO.Al2O3.Fe2O3(C4AF)。1100~1200℃：大量形成C3A和C4AF,C2S含量达到最大值。固相反应一般包含相界面上的反应和物质迁移两个过程。提高质点的迁移速率、颗粒粒度的控制（窄分布，避免少量大颗粒的存在）；生料的混合均匀，可以增大各组分间接触，也有利于加速固相反应；矿化剂的引入可以加速固相反应。4.液相和熟料的烧结通常水泥熟料在出现液相以前，硅酸三钙不会大量生成。到达最低共熔温度（约1250℃）后，开始出现液相。液相主要由氧化铁、氧化铝、氧化钙所组成，

5、还会有氧化镁、碱等其它组分。在高温液相作用下，水泥熟料逐渐烧结，并伴随着体积收缩。同时，硅酸二钙与游离氧化钙都逐步溶解于液相中，以钙离子扩散与硅酸根离子、硅酸二钙反应，形成硅酸盐水泥的主要矿物硅酸三钙。反应式如下：C2S+CaO→（液相）C3S随着温度升高和时间的延长，液相量增加，液相粘度减少，氧化钙、硅酸二钙不断溶解、扩散，硅酸三钙晶核不断形成，并使小晶体逐渐发育长大，得到发育良好的阿利特晶体，完成熟料的烧结过程。熟料烧结形成阿利特的过程，与液相形成温度、液相量、液相性质以及氧化钙、硅酸二钙溶解

6、于液相的溶解速度、离子扩散速度等各种因素有关。最低共熔温度：组分的性质和数目都影响系统的最低共熔温度。矿化剂与其他微量元素如氧化钒、氧化锌等将影响最低共熔温度。液相量：液相量不仅与组分的性质，而且与组分的含量、熟料烧结温度等有关。液相粘度：液相粘度对硅酸三钙的形成影响较大。粘度小，液相中质点的扩散速度增加，有利于硅酸三钙的形成。液相的粘度和液相的组成、结构等有关。还与煅烧方法有关，快速升温煅烧的熟料液相粘度小于慢速升温的熟料。液相的表面张力：液相的表面张力愈小，愈易润湿熟料颗粒或固相物质，有利于固

7、相反应与固液相反应，促进硅酸三钙的形成。氧化钙溶解于熟料液相的速率：与氧化钙的颗粒粒度有关。5.熟料的冷却熟料的冷却从烧结温度开始，同时进行液相的凝固与相变两个过程。平衡冷却、淬冷、独立析晶三个过程得到的矿物组成差别很大。煅烧良好和急冷的熟料保持细小并发育完整的阿利特晶体。三．硅酸盐水泥熟料的组成1.硅酸盐水泥熟料主要由氧化钙、氧化硅、氧化铝和氧化铁四种氧化物组成，通常在熟料中占95%左右。同时含有约5%的少量氧化物，如氧化镁、硫酐、氧化钛、氧化磷及碱等。现代生产的硅酸盐水泥熟料，各主要氧化物含量

8、的波动范围为：氧化钙62~67%；氧化硅20~40%；氧化铝4~7%；氧化铁2.5~6%。2.硅酸盐水泥熟料中主要形成四种矿物：硅酸三钙3CaO.SiO2简写为C3S；硅酸二钙2CaO.SiO2简写为C2S；铝酸三钙3CaO.AlO3简写为C3A；铁相固溶体4CaO.Al2O3.Fe2O3简写为C4AF。另外，还有少量的游离氧化钙（f-CaO）、方镁石（结晶氧化镁）、含碱矿物以及玻璃体等。通常，熟料中硅酸三钙和硅酸二钙的含量占75%左右，合成硅酸盐矿物；铝酸三钙和铁铝酸四钙含量占2