.4 硅酸盐水泥熟料的组成
2.4.1 熟料的化学组成
硅酸盐水泥熟料主要由CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3四种氧化物组成，含量占95%以上，此外还有少量其它氧化物。四种主要氧化物含量的波动范围为：
CaO 62～67% SiO2 20～24%
Al2O3 4～7% Fe2O3 2.5～6.0%
水泥熟料中各氧化物的含量对水泥的性质有极大影响，从氧化物的含量，大致可推断水泥的性质。
2.4.2 熟料的矿物组成
硅酸盐水泥熟料中主要由以下四种矿物组成：
硅酸三钙 3CaO•SiO2，通常简写为C3S；
硅酸二钙 2CaO•SiO2，通常简写为C2S；
铝酸三钙 3CaO•Al2O3，通常简写为C3A；
铁铝酸四钙 4CaO•Al2O3•Fe2O3，通常简写为C4AF。
这四种主要矿物组成决定硅酸盐水泥的主要性质，在硅酸盐水泥熟料中，四种矿物占95%以上，C3S和C2S含量约占75%左右，称为硅酸盐矿物；C3A和C4AF约占22%左右，它们在1250～1280℃会熔融形成液相，促进C3S形成，称为熔剂矿物。
通常硅酸盐水泥熟料中，以上四种矿物组成含量波动范围如下：
C3S 37～60% C2S 15～37%
C3A 7～15% C4AF 10～18%
另外，还有少量的游离氧化钙（f－CaO）、方镁石（结晶氧化镁）、含碱矿物和玻璃体等。
2.4.3 熟料的物理性能要求
水泥熟料的性能在很大程度上决定了水泥的性能，熟料是水泥厂的半成品，近年来也越来越多地作为商品出售。JC/853－1999对硅酸盐水泥熟料的物理性能提出了具体要求：
初凝时间不得早于45min，终凝时间不得迟于390min；
沸煮法检验安定性合格；
抗压强度不低于下表所列数值：
水泥熟料类型 强度等级 抗压强度/MPa
硅酸盐水泥熟料的矿物组成
在硅酸盐水泥熟料中，CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3等并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反响组合成各种不同的氧化物集合体，即以多种熟料矿物的形态存在。这些熟料矿物结晶细小，通常为30～60um，因此，可以说硅酸盐水泥熟料是一种多矿物组成的、结晶细小的人造岩石。
1．熟料的矿物组成
硅酸盐水泥熟料中的主要矿物有以下四种：
硅酸三钙：3CaO·SiO2 简写成C3S
硅酸二钙：2CaO·SiO2 简写成C2S
铝酸三钙：3CaO·Al2O3 简写成C3A
铁铝酸四钙：4CaO·Al2O3·Fe2O3 简写成C4AF
另外，还有少量的游离氧化钙〔ƒ-CaO〕、方镁石〔即结晶氧化镁〕、含碱矿物以及玻璃体等。
硅酸三钙和硅酸二钙合称硅酸盐矿物，约占75%左右，要求最低为66%以上,它们是熟料的主要组分。
铝酸三钙和铁铝酸四钙合称熔剂矿物，约占22%左右。
硅酸盐矿物和熔剂矿物总和约占95%左右。
对于中等水化热、中等抗硫酸盐水泥熟料中的C3A≤％，C3S＜％；高抗硫酸盐的水泥熟料中的C3A≤％，C3S＜％ 。
硅酸三钙和硅酸二钙都是硅酸盐矿物，硅酸盐水泥熟料的名称也由此而来。在煅烧过程中，铝酸三钙和铁铝酸四钙与氧化镁、碱等在1250～1280℃开始会逐渐熔融成液相以促进硅酸三钙的顺利形成，因而把它们称之为熔剂性矿物。
四种主要矿物的含量一般范围及国内外局部水泥生产企业生产数据见表4-2。
表4-2 熟料矿物含量范围〔%〕
熟 料 类 别 C3S C2S C3A C4AF
国内新型干法窑熟料〔2021均〕
国内重点水泥企业熟料〔56家平均〕
国外水泥企业熟料〔23家平均〕 53
54
57 24
20210 8
7
8 10
14
10
2．熟料矿物的特性
生料成分对熟料煅烧的影响
生料成分对熟料煅烧的影响
一硅酸盐水泥熟料的组成
1. 化学组成及矿物组成
硅酸盐水泥熟料中的主要化学成分是CaO,SiO2,Al2O3,Fe2O3四种氧化物，其总和通常占熟料总量的95%以上。此外还有少量的其他氧化物，如：MgO,SO3,Na2O,K2O,TiO2,P2O5等，它们的总量通常占熟料的5%以下。硅酸盐水泥熟料中各主要氧化物的波动范围一般为：CaO(62%~67%),SiO2(20%~24), Al2O3(4%~7%),
Fe2O3(2.5%~6%).硅酸盐水泥熟料中的四种主要矿物：
C3S(45%~65%), C2S(15%~32%),
C3A(4%~11%),C4AF(10%~18%)。另外，还有少量的游离氧化钙，方镁石，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为75%左右，合称为硅酸盐矿物，它们是熟料中的主要组分，铝酸三钙和铁铝酸四钙含量占22%左右。在煅烧过程中，它们与氧化镁，碱等在1250~1280度开始，会逐渐熔融成液相以促进硅酸三钙的顺利形成，因而把它们称之为溶剂型矿物。硅酸盐矿物和溶剂型矿物在熟料中占总量的95%左右。
2.化学成分与矿物组成间的关系
熟料中的主要矿物均由各主要氧化物经高温煅烧化合而成，熟料矿物组成取决于化学组成，控制合适的熟料化学成分是获得优质水泥熟料的中心环节，根据熟料的化学成分也可以推测出熟料中各种矿物的相对含量高低。
（一）CaO
CaO是水泥熟料中的最重要的化学成分，它能与SiO2,Al2O3,Fe2O3经过一系列复杂的反应过程生成C3S, C2S, C3A
C4AF等矿物，适量增加熟料氧化钙含量有利于提高硅酸三钙含量。但并不是说氧化钙越高越好，因氧化钙过多易造成反应不完全而增加未化合的氧化钙（即游离氧化钙）的含量，从而影响水泥的安定性如果熟料中氧化钙过低，则生成硅酸三钙太少，硅酸二钙却相应增加。会降低水泥的胶凝性。
水泥生产工艺及水泥熟料的形成
水泥生料经过连续升温，达到相应的温度时，其煅烧会发生一系列物理化学变化，最后形成熟料。硅酸盐水泥熟料主要由硅酸三钙（C3S）、硅酸盐二钙（C2S）、铝酸三钙（C3A）、铁铝酸四钙（C4AF） 等矿物所组成。
硅酸盐水泥生料通常是用石灰石、黏土及少量铁矿石等按适当的比例配制而成。石灰石的主要组成是碳酸钙（CaCO3）和少量的碳酸镁（MgCO3），黏土的主要矿物是高岭石（2SiO2·Al2O3·2H2O）及蒙脱石（4SiO2·Al2O3·9H2O)等，铁矿石的主要组成是氧化铁（Fe2O3）。
硅酸盐水泥熟料形成的过程，实际上是石灰石、黏土、铁矿石等主要原料经过加热，发生一系列物理化学变化形成C3A、C4AF、C2S和C3S等 矿物的过程，不论窑型的变化如何，其过程是不变的。
一、煅烧过程物理化学变化
水泥生料在加热煅烧过程中所发生的
（一）自由水的蒸发
（二）黏土质原料脱水和分解
（三）石灰石的分解
（四）固相反应
（五）熟料烧成 （六）熟料的冷却
（一）自由水的蒸发
无论是干法生产还是湿法生产，入窑生料都带有一定量的自由水分，由于加热，物料温度逐渐升高，物料中的水分首先蒸发，物料逐渐被烘干，其温度逐渐上升，温度升到100~150℃时，生料自由水分全部被排除，这一过程也称为干燥过程。
（二）黏土质原料脱水和分解
黏土主要由含水硅酸铝所组成，其中二氧化硅和氧化铝的比例波动于2：1~4：1之间。当生料烘干后，被继续加热，温度上升较快，当温度升到450℃时，黏土中的主要组成高岭土（Al2O3·2SiO2·2H2O）失去结构水，变为偏高岭石（2SiO2·Al2O3）。
高岭土进行脱水分解反应时，在失去化学结合水的同时，本身结构也受到破坏，变成游离的无定形的三氧化二铝和二氧化硅，其具有较高的化学活性，为下一步与氧化钙反应创造了有利条件。在900-950℃，由无定形物质转变为晶体，同时放出热量。
