矿物材料的理论基础

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1、1 矿物材料的理论基础矿物材料的理论基础1.1 矿物材料的物理性质矿物材料的物理性质1.1.1 与重量有关的性质与重量有关的性质1、比重（密度）、比重（密度）-绝对密实下单位体积的材料重量绝对密实下单位体积的材料重量 =G/V G干燥状态下材料的重量干燥状态下材料的重量 V材料绝对密实体积材料绝对密实体积2、容重、容重自然状态下单位体积的重量自然状态下单位体积的重量 =G/V1 G自然状态下材料的重量自然状态下材料的重量 V1自然状态下材料的体积自然状态下材料的体积3、密实度、密实度材料体积内固体物质所占的比例。材料体积内固体物质所占的比例。当材料自然状态下吸水率不大时（即认为没当材料自然状态

2、下吸水率不大时（即认为没有吸水）：有吸水）： 密实度密实度d=（V/V1）100% =（ /）100%如：粘土砖如：粘土砖 =1850kg/m3，=2500kg/m3 密实度密实度d=（ /）100% =(1850/2500) 100%=74%解释：密实度与强度、吸水性、耐久性、导热解释：密实度与强度、吸水性、耐久性、导热性的关系性的关系4、空隙率、空隙率材料体积内空隙体积所占的比例材料体积内空隙体积所占的比例 P= =(1- ) =(1- )100%= 100%-d解释：空隙率与容重、强度、导热性、抗冻性、吸解释：空隙率与容重、强度、导热性、抗冻性、吸水性等关系。水性等关系。空隙：开口孔、封

3、闭孔空隙：开口孔、封闭孔V V1 1-V-VV1100%V VV1100% 1.1.2 与水有关的性质与水有关的性质1、吸水性（吸水率）、吸水性（吸水率）-材料在水中吸收水分的性质材料在水中吸收水分的性质 重量吸水率重量吸水率材料吸水重量占材料干燥重量的百分比材料吸水重量占材料干燥重量的百分比 W重重 体积吸水率体积吸水率材料吸水体积占材料干燥体积的百分比材料吸水体积占材料干燥体积的百分比 W体体 W重重=【（【（G湿湿-G干干）/ G干干】100% W体体=【（【（G湿湿-G干干）/ V1】100% G湿湿吸水饱和后的重量（吸水饱和后的重量（g）；）； G干干烘干至恒重时的重量烘干至恒重时的

4、重量（g）；）；V1干燥材料在自然状态下的体积（干燥材料在自然状态下的体积（cm3） 解释：空隙率与吸水率解释：空隙率与吸水率 空隙不大时空隙不大时重量吸水率；重量吸水率； 轻质材料、空隙大时轻质材料、空隙大时体积吸水率体积吸水率2、吸湿性、吸湿性材料在潮湿空气中吸收空气水分的性质材料在潮湿空气中吸收空气水分的性质（含水率）（含水率）-材料含水重量占材料干燥重量的百分数材料含水重量占材料干燥重量的百分数 W含含=【（【（G含含-G干干）/ G干干】100% 含水率与材料本身的成分、组织结构、环境温度、湿度等含水率与材料本身的成分、组织结构、环境温度、湿度等有关。温度有关。温度 湿度湿度 W含含

5、 相对湿度：在同温同压下，空气中实际所含水蒸汽的重量与相对湿度：在同温同压下，空气中实际所含水蒸汽的重量与饱和水蒸汽重量之比百分数。饱和水蒸汽重量之比百分数。 绝对干燥空气中绝对干燥空气中 相对湿度相对湿度=0 被水蒸汽饱和的空气中被水蒸汽饱和的空气中 相对湿度相对湿度=100% 材料随着空气湿度的变化：吸收空气水分材料随着空气湿度的变化：吸收空气水分-向外扩散水分向外扩散水分 吸湿性还水性平衡(空气湿度)3、耐水性、耐水性材料长期在饱和水作用下不破坏，其强材料长期在饱和水作用下不破坏，其强度也不显著降低的性质，称为耐水性。用软化系度也不显著降低的性质，称为耐水性。用软化系数表示。数表示。 K

6、软软=R饱饱/R干干 R饱饱材料在饱和水状态下的抗压强度材料在饱和水状态下的抗压强度 R干干材料在干燥状态下的抗压强度材料在干燥状态下的抗压强度 K软软=01 K软软0.85称为耐水材料称为耐水材料 一般材料，一般材料， W含含 结合力结合力 K软软 强度强度 潮湿或水浸环境，应潮湿或水浸环境，应K软软=0.85 0.9 潮湿较轻环境，应潮湿较轻环境，应K软软0.7 0.85 长期干燥处，长期干燥处， K软软可不考虑可不考虑4、抗冻性、抗冻性材料在吸水饱和状态下，抵抗多次冻结和融化材料在吸水饱和状态下，抵抗多次冻结和融化作用（冻融循环）而不破坏，同时也不严重降低强度的作用（冻融循环）而不破坏，

7、同时也不严重降低强度的性质，称为抗冻性。性质，称为抗冻性。一次冻融循环：在一次冻融循环：在-15的温度（水在微小的毛细管中低于的温度（水在微小的毛细管中低于-15才能冻结）冻结后，再在才能冻结）冻结后，再在20 的水中融化，此过的水中融化，此过程称为一次冻融循环。程称为一次冻融循环。冻融交替进行：易出现剥落、裂纹、重量损失、强度降低冻融交替进行：易出现剥落、裂纹、重量损失、强度降低解释：水结冰解释：水结冰体积膨胀体积膨胀9%左右左右对材料孔壁产生对材料孔壁产生1000kg/cm2左右的压力左右的压力压力反复作用，孔壁开裂压力反复作用，孔壁开裂冻融由表及里进行，破坏作用与孔隙被水充满程度有关，冻

8、融由表及里进行，破坏作用与孔隙被水充满程度有关，冻融此数愈多，破坏愈严重冻融此数愈多，破坏愈严重规定：冬季室外温度低于规定：冬季室外温度低于-15 的地区，重要的工程覆面材的地区，重要的工程覆面材料必须进行抗冻性试验。料必须进行抗冻性试验。5、抗渗性、抗渗性材料在水、油等液体压力作用下，抵抗材料在水、油等液体压力作用下，抵抗渗透的性质，称为抗渗性（不透水性）渗透的性质，称为抗渗性（不透水性）材料受压力水、油等液体压力作用时，液体将会沿材料受压力水、油等液体压力作用时，液体将会沿着材料内部开口连通空隙渗透。着材料内部开口连通空隙渗透。渗透系数：渗透系数：K=Wd/AtH （ml/cm2h）W渗水

9、量（渗水量（ml） d试件厚度（试件厚度（cm）A透水面积（透水面积（ cm2） t透水时间（透水时间（h）H水压力（水压力（cm）透水性好坏与空隙率及空隙特征有关，绝对密实材透水性好坏与空隙率及空隙特征有关，绝对密实材料或具有封闭空隙的材料则不透水。料或具有封闭空隙的材料则不透水。1.1.3 与热有关的性质与热有关的性质1、导热性、导热性热量由材料的一面传至另一面的性质，称为导热量由材料的一面传至另一面的性质，称为导热性。用导热系数热性。用导热系数表示。表示。 Q通过材料的热量（通过材料的热量（KCal）；）； F传热面积（传热面积（m2）；）； Z传热时间（传热时间（h）；）； t1-t2

10、材料两面的温度差（材料两面的温度差（ ） a传热厚度（传热厚度（m）导热系数定义：在规定的传热条件下，材料两面温度差为导热系数定义：在规定的传热条件下，材料两面温度差为1 ，在，在1小时内通过垂直于热方向的面积为小时内通过垂直于热方向的面积为1m2，厚度为，厚度为1m所传递热量的千卡数。所传递热量的千卡数。说明材料传递热量能力，说明材料传递热量能力， 保温性能愈好，保温性能愈好， 与空隙率与空隙率有关，空隙率有关，空隙率 ，材料受潮后，材料受潮后 （如水（如水=0.5，冰，冰=2.0）估应注意防潮。）估应注意防潮。一般一般范围为范围为0.0253.00kcal/mh ，0.2的材料称为保的材料

11、称为保温材料。温材料。= (KCal/mh) QaFZ(t1-t2)2、热容量、热容量材料在加热时吸收热量，冷却时放出热材料在加热时吸收热量，冷却时放出热量的性质，称为比热（也称为热容量系数）：量的性质，称为比热（也称为热容量系数）：1kg材料的温度升高（或降低材料的温度升高（或降低1，所吸收（或放，所吸收（或放出）的热量，用出）的热量，用C（kcal/kg ）表示。）表示。 Q材料吸收或放出的热量（材料吸收或放出的热量（KCal）；）； F材料的重量（材料的重量（kg）；）； t2-t1材料受热（或冷却）前后的温度差（材料受热（或冷却）前后的温度差（ ） 材料的热容量大，则对保持内部温度稳定

12、有利。材料的热容量大，则对保持内部温度稳定有利。C= (KCal/kg) QG(t2-t1)3、热膨胀系数、热膨胀系数材料的温度升高或降低，体积会有材料的温度升高或降低，体积会有膨胀或收缩，其比率如果以面上两点的距离计算膨胀或收缩，其比率如果以面上两点的距离计算时，称为热膨胀系数，如果以材料的体积计算时，时，称为热膨胀系数，如果以材料的体积计算时，则成为体膨胀系数。单位为则成为体膨胀系数。单位为1/。 线膨胀系数线膨胀系数材料由于温度上升或下降材料由于温度上升或下降1 所引起所引起的线度增长或缩短与其在的线度增长或缩短与其在0 时的线度之比值，时的线度之比值，称为线膨胀系数。称为线膨胀系数。如

13、：钢筋的线膨胀系数为（如：钢筋的线膨胀系数为（10-12）10-6/ 混凝土的线膨胀系数为（混凝土的线膨胀系数为（5.8-12.6）10-6/ 4、软化点、闪火点（闪点）、着火点（燃点）、软化点、闪火点（闪点）、着火点（燃点）如：沥青等材料如：沥青等材料材料达到或超过闪火点或着火点温度时，表材料达到或超过闪火点或着火点温度时，表明有发生爆炸和火灾的可能性。明有发生爆炸和火灾的可能性。加热加热固态软化趋于液固态软化趋于液态时的起点温度，态时的起点温度，称为软化点称为软化点升温升温在一定条件下与在一定条件下与火焰接触。初时火焰接触。初时发生蓝色闪光时发生蓝色闪光时的温度的温度升温升温与火接触而产生

14、与火接触而产生火焰能持续燃烧火焰能持续燃烧5秒钟以上时的秒钟以上时的温度温度材料材料1.2 矿物材料的力学性质矿物材料的力学性质1.2.1 强度强度材料在外力作用下抵抗破坏的能材料在外力作用下抵抗破坏的能力，称为强度。力，称为强度。主要有抗压、抗拉、抗弯、抗剪强度主要有抗压、抗拉、抗弯、抗剪强度抗拉抗压抗弯（抗折）L抗剪抗拉、抗压、抗剪强度计算：抗拉、抗压、抗剪强度计算：P破坏时的荷载（破坏时的荷载（kg） A材料的受力面积（材料的受力面积（cm2）抗弯（抗折）强度（矩形截面）计算：抗弯（抗折）强度（矩形截面）计算：L两支点间的距离（两支点间的距离（cm） b截面宽度（截面宽度（cm）H截面高

15、度（截面高度（cm）一般情况下，容重一般情况下，容重 空隙率空隙率 R 、R弯弯 根据根据R 、R弯弯可将材料划分为若干标号或等级。可将材料划分为若干标号或等级。R= (Kg/cm2) PAR弯（折）= (Kg/cm2) 3PL2bh21.2.2 变形性质变形性质1、弹性、弹性材料在外力作用下产生变形，取消外力后，能够材料在外力作用下产生变形，取消外力后，能够完全恢复原来形状的性质，称为弹性。这种可以完全恢复完全恢复原来形状的性质，称为弹性。这种可以完全恢复的变形，称为弹性变形。的变形，称为弹性变形。2、塑性、塑性材料在外力作用下产生变形，取消外力后，变形材料在外力作用下产生变形，取消外力后，

16、变形不能完全恢复，并且不产生裂缝的性质性质，称为塑性。不能完全恢复，并且不产生裂缝的性质性质，称为塑性。这种不能恢复的变形，称为塑性变形（永久变形）。这种不能恢复的变形，称为塑性变形（永久变形）。有些材料：外力不大时有些材料：外力不大时弹性变形；外力超出限度后弹性变形；外力超出限度后塑性塑性变形。如钢材等。变形。如钢材等。还有些材料：弹性变形与塑性变形同时产生，去掉荷载后，还有些材料：弹性变形与塑性变形同时产生，去掉荷载后，弹性变形可恢复，塑性变形不能恢复。如混凝土。弹性变形可恢复，塑性变形不能恢复。如混凝土。1.3 矿物材料的化学性质矿物材料的化学性质矿物材料的化学组成矿物材料的化学组成矿物

17、材料多为无机材料：多数是金属和非金矿物材料多为无机材料：多数是金属和非金属的含氧盐和氢氧化物，如硅酸盐、碳酸属的含氧盐和氢氧化物，如硅酸盐、碳酸盐、硫酸盐、铝酸盐等。盐、硫酸盐、铝酸盐等。常见元素：常见元素：Si、Ca、Mg、Al、S、Fe、K、Na等。等。地球中元素含量前五位：地球中元素含量前五位： 氧、硅、铝、铁、钙氧、硅、铝、铁、钙1、硅（、硅（Si）-最常见、分布最广的非金属。例：河沙、海沙最常见、分布最广的非金属。例：河沙、海沙等主要成分（等主要成分（SiO2）主要以石英存在，是生产陶瓷、玻璃、混凝土、硅酸盐建主要以石英存在，是生产陶瓷、玻璃、混凝土、硅酸盐建筑制品的不可缺少的原料。

18、筑制品的不可缺少的原料。 SiO2的性质：无色透明、熔点的性质：无色透明、熔点1713，晶体，晶体SiO2不溶于不溶于水，不与酸发生反应，遇强碱逐渐反应生成硅酸盐而使水，不与酸发生反应，遇强碱逐渐反应生成硅酸盐而使SiO2溶解。溶解。无定形无定形SiO2和微细晶体和微细晶体SiO2与强碱共沸，与碳酸盐在高温与强碱共沸，与碳酸盐在高温下发生反应，生成相应的硅酸盐，如：下发生反应，生成相应的硅酸盐，如： SiO2+NaCO3Na2SiO3+CO2（生产水玻璃）（生产水玻璃）无定形无定形SiO2或玻璃质或玻璃质SiO2与与Ca(OH)2反应生成水化硅酸钙，反应生成水化硅酸钙，生产硅酸盐水泥或生产硅酸

19、盐建筑制品中发生此类反应。生产硅酸盐水泥或生产硅酸盐建筑制品中发生此类反应。高温高压下，晶体高温高压下，晶体SiO2与与Ca(OH)2也发生此类反也发生此类反应（灰砂砖生产合成硅酸钙材料），控制应（灰砂砖生产合成硅酸钙材料），控制CaO/ SiO2比和蒸压条件，可得到不同钙硅比的水化物。比和蒸压条件，可得到不同钙硅比的水化物。如：雪硅钙石如：雪硅钙石(1.52.0)Cao SiO2 nH2O、硬硅、硬硅钙石钙石6Cao 6SiO2 H2O等，用此法生产的硅酸钙等，用此法生产的硅酸钙板可作防火隔墙，轻质隔墙等。板可作防火隔墙，轻质隔墙等。将硅酸盐用其他酸处理，可析出硅酸。硅酸是一将硅酸盐用其他酸

20、处理，可析出硅酸。硅酸是一种可以形成胶体溶液的典型代表（具有耐水、耐种可以形成胶体溶液的典型代表（具有耐水、耐酸等特性，可用作防水、防酸材料。酸等特性，可用作防水、防酸材料。2、钙（、钙（Ca）以各种化合物形式存在，地壳中钙的含量占地壳以各种化合物形式存在，地壳中钙的含量占地壳重量的重量的3.3%天然主要含钙矿物：大理石（天然主要含钙矿物：大理石（CaCO3），石灰石），石灰石（CaCO3），）， 硬石膏（硬石膏（CaSO4），软石膏），软石膏（CaSO42H2O），磷石灰（），磷石灰（Ca3(PO4)2），硅灰），硅灰石（石（CaOSiO2） ，钙长石（，钙长石（CaOAl2O32SiO2）

21、等等人工含钙矿物材料：消石灰人工含钙矿物材料：消石灰Ca(OH)2，建筑石，建筑石膏（膏（CaSO41/2H2O），）， 各种钙硅酸盐（如各种钙硅酸盐（如3CaOSiO2，2CaOSiO2）,铝酸盐（如铝酸盐（如3CaOAl2O3，12CaO7Al2O3）钙的反应：钙的反应：1）煅烧碳酸钙）煅烧碳酸钙生石灰生石灰2）生石灰加水）生石灰加水消石灰消石灰+热量（体积膨胀）热量（体积膨胀）3）潮湿的）潮湿的Ca(OH)2通通CO2 CaCO3+H2O（体积收缩）（体积收缩）4）CaCO3不溶于水，但水中有不溶于水，但水中有CO2 存在时，便反应生成可存在时，便反应生成可溶性的碳酸氢钙溶性的碳酸氢钙碳

22、酸氢钙不稳定，易失去碳酸氢钙不稳定，易失去CO2又成为又成为CaCO3用途：石灰石是生产石灰、水泥、和涂料等原料之一；用途：石灰石是生产石灰、水泥、和涂料等原料之一；大理石是装饰材料（原出之云南大理，故称大理石）；大理石是装饰材料（原出之云南大理，故称大理石）；石膏是生产建筑石膏的原料，也是生产水泥的原料之一。石膏是生产建筑石膏的原料，也是生产水泥的原料之一。CaCO3 CaO+CO2880CaO +H2O Ca(OH)2 Ca(OH)2+CO2 +nH2O CaCO3+(n+1) H2O （碳化反应） CaCO3+ CO2 +H2O Ca(HCO3)2Ca(HCO3)2 CaCO3+ CO2

23、 +H2O 3、镁（、镁（Mg）多以碳酸盐、硅酸盐形式存在。如菱镁矿（多以碳酸盐、硅酸盐形式存在。如菱镁矿（MgCO3），），白云石（白云石（ MgCO3 CaCO3 ），滑石（），滑石（ 3MgO 4SiO2 H2O）和石棉等）和石棉等煅烧煅烧MgCO3 MgCO3 MgO(菱苦土）菱苦土）+CO2 MgO熔点高（近熔点高（近3000） 生产耐火材料生产耐火材料 MgO用其盐类溶液调制后，有胶凝性，生产门窗、墙板、用其盐类溶液调制后，有胶凝性，生产门窗、墙板、家具、瓦等家具、瓦等石棉：石棉为纤维结构，主要品种：温石棉【石棉：石棉为纤维结构，主要品种：温石棉【Mg3(Si2O5)(OH)4、青

24、石棉【、青石棉【NaMgFe3(Si4O11)(OH)2、铁石棉【铁石棉【(MgFe6)7(Si4O11)(OH)2 石棉用于生产石棉板、石棉瓦等石棉用于生产石棉板、石棉瓦等400 4、铝（、铝（Al）自然界中分布最广的金属。含量在氧、硅之后，自然界中分布最广的金属。含量在氧、硅之后，居第三位。居第三位。Al的性质：白色金属，密度的性质：白色金属，密度2.7，熔点，熔点660，沸，沸点点2447 ，莫氏硬度，莫氏硬度3，有色金属，良好的导电，有色金属，良好的导电性、反辐射性和耐腐蚀性。性、反辐射性和耐腐蚀性。Al的氧化：空气中氧化成氧化铝薄膜，此薄膜可阻的氧化：空气中氧化成氧化铝薄膜，此薄膜可

25、阻止进一步氧化。止进一步氧化。Al的粉末在空气中加热能剧烈燃的粉末在空气中加热能剧烈燃烧，放出大量热，如下式：烧，放出大量热，如下式： 2Al+3/2O2 Al2O3+1644kJAl粉的用途：发泡剂（发气剂）（加气混凝土、粉的用途：发泡剂（发气剂）（加气混凝土、加气砌块）；配置金属用涂料。保存应防火。加气砌块）；配置金属用涂料。保存应防火。燃烧氧化铝（氧化铝（Al2O3）的性质：白色，极难熔，不溶于水。自）的性质：白色，极难熔，不溶于水。自然界中以结晶状态存在的称为刚玉，莫氏硬度然界中以结晶状态存在的称为刚玉，莫氏硬度9，仅次于，仅次于金刚石，相对密度金刚石，相对密度3.984.03。刚玉中

26、若含杂质氧化铬，。刚玉中若含杂质氧化铬，则呈红色（即为红宝石），若含铁、钛的氧化物，则呈蓝则呈红色（即为红宝石），若含铁、钛的氧化物，则呈蓝色（即为蓝宝石）。含氧化铁的粒状天然刚玉或熔融矾土色（即为蓝宝石）。含氧化铁的粒状天然刚玉或熔融矾土制的氧化铝，可用来制造磨具（如砂轮、砂纸等），称为制的氧化铝，可用来制造磨具（如砂轮、砂纸等），称为金刚砂。金刚砂。氢氧化铝氢氧化铝Al(OH)3两性化合物两性化合物氢氧化铝凝胶（也称为铝胶）氢氧化铝凝胶（也称为铝胶）-铝酸盐水泥水化产物之一，铝酸盐水泥水化产物之一，即为铝胶。铝胶增加了水泥的密实度；铝胶加热或在溶液即为铝胶。铝胶增加了水泥的密实度；铝胶加热

27、或在溶液中长期放置，可析出晶体中长期放置，可析出晶体Al2O3H2O与酸作用生成含与酸作用生成含Al离子水化物离子水化物Al(H2O)63+的盐的盐与碱作用生成含阴离子与碱作用生成含阴离子 Al(OH)4- 的盐的盐 （铝酸盐）（铝酸盐）5、碳（、碳（C）自然界中存在形态自然界中存在形态自然界中与自然界中与C有关的重要矿物材料：石灰石、大有关的重要矿物材料：石灰石、大理石、白云石、菱镁矿等。其中的理石、白云石、菱镁矿等。其中的CaCO3或或MgCO3不溶于水，易与酸作用：不溶于水，易与酸作用： CaCO3+2HClCaCl2+H2O+CO2 故，大理石或汉白玉的雕饰不耐酸，不能用于含故，大理石

28、或汉白玉的雕饰不耐酸，不能用于含酸蒸汽的环境中酸蒸汽的环境中游离态：金刚石、石墨、无定型碳化合态：CO2、碳酸盐矿物石灰中通入石灰中通入CO2气体，可生成气体，可生成CaCO3： Ca(OH)2+CO2+nH2OCaCO3 +(n+1)H2O用此原理可将易溶的氢氧化钙制品变成不溶的碳酸用此原理可将易溶的氢氧化钙制品变成不溶的碳酸钙制品，即碳化。钙制品，即碳化。碳化的作用：提高防水性能，增加制品强度碳化的作用：提高防水性能，增加制品强度自然界的碳化现象：混凝土表面、石灰乳粉刷的墙自然界的碳化现象：混凝土表面、石灰乳粉刷的墙面面碳化层碳化层CO2的性质：无色，略有酸味的气体；大气中含的性质：无色，

29、略有酸味的气体；大气中含量约为万分之三；量约为万分之三；20时，时，1m3的水能溶解的水能溶解0.88m3的的CO2气体，气体，0 时则能溶解时则能溶解1.7m3的的CO2气体；气体；CO2溶于水形成碳酸（弱酸），它对水泥溶于水形成碳酸（弱酸），它对水泥的腐蚀作用较强。的腐蚀作用较强。6、铁（、铁（Fe）自然界中分布次广的金属。主要存在形式：磁铁自然界中分布次广的金属。主要存在形式：磁铁矿（矿（Fe3O4）、赤铁矿（）、赤铁矿（Fe2O3）、褐铁矿（）、褐铁矿（ Fe2O3nH2O n=0.5-4）、硫铁矿（）、硫铁矿（FeS2）中。）中。铁在矿物材料中主要是着色元素，主要以铁在矿物材料中主要

30、是着色元素，主要以Fe2O3、 FeO、络阴离子、络阴离子FeO42-存在。存在。红砖着色主要是红砖着色主要是Fe2O3、青砖着色主要是、青砖着色主要是FeO，釉面，釉面砖（抛光砖等）、白水泥往往由于砖（抛光砖等）、白水泥往往由于Fe2O3含量高，含量高，造成白度下降。造成白度下降。氧化铁经加热发生分解（还原反应），产生气体：氧化铁经加热发生分解（还原反应），产生气体： 6 Fe2O34Fe3O4+O2 Fe3O4+CO 3FeO+CO2 Fe2O3+CO 2FeO+CO2 是轻骨料粘土陶粒和页岩陶粒焙烧膨胀的原因之一。是轻骨料粘土陶粒和页岩陶粒焙烧膨胀的原因之一。铁的化合物具有不同颜色，可作

31、为饰面着色物：铁的化合物具有不同颜色，可作为饰面着色物：FeCl36H2O-深黄色；深黄色；Fe2O3-综红色；综红色；Fe2O3nH2O-黄色；黄色；Fe3O4-黑色黑色可用来制作彩色水泥、水磨石、人造大理石、彩色可用来制作彩色水泥、水磨石、人造大理石、彩色混凝土、涂料等。混凝土、涂料等。在陶瓷原料中铁是有害物质，通常采用磁选的方在陶瓷原料中铁是有害物质，通常采用磁选的方式除去。式除去。7、硫（、硫（S）自然界存在形式：单质、硫化物、硫酸盐。自然界存在形式：单质、硫化物、硫酸盐。单质硫：黄色晶体，相对密度单质硫：黄色晶体，相对密度2.07，熔点，熔点119，不溶于水，不溶于水，主要用作生产硫

32、酸等。将其熔化后浸渍水泥制品，可提高主要用作生产硫酸等。将其熔化后浸渍水泥制品，可提高制品的防水和抗渗性能。当用圆柱形试模浇注混凝土抗压制品的防水和抗渗性能。当用圆柱形试模浇注混凝土抗压强度试件时，可用热硫磺浇至表面并加压，使试件表面平强度试件时，可用热硫磺浇至表面并加压，使试件表面平整，称为整，称为“压顶压顶”。含硫矿物原料：二水石膏（含硫矿物原料：二水石膏（CaSO42H2O），无水石膏），无水石膏（CaSO4）工业副产品工业副产品石膏废渣：主要化学成分石膏废渣：主要化学成分CaSO42H2O和和CaSO4或二者混合物。或二者混合物。石膏作用：生产石膏胶凝材料（建筑石膏和高强石膏）、石膏作

33、用：生产石膏胶凝材料（建筑石膏和高强石膏）、水泥（做缓凝剂）、硅酸盐建筑制品等。水泥（做缓凝剂）、硅酸盐建筑制品等。8、碱金属（、碱金属（K和和Na）地壳中地壳中Na占占2.4%，K占占2.35%。含。含K、Na元素的元素的物料煅烧时，可降低煅烧温度。物料煅烧时，可降低煅烧温度。钾长石（钾长石（K2OAl2O36SiO2）、钠长石（）、钠长石（ Na2OAl2O36SiO2）是建筑陶瓷的熔剂性原料，）是建筑陶瓷的熔剂性原料，也可熔制建筑玻璃。也可熔制建筑玻璃。碱金属是强还原剂，可以在煅烧中形成还原气氛，碱金属是强还原剂，可以在煅烧中形成还原气氛，很多钠盐都形成含有大量结晶水的化合物，如很多钠盐

34、都形成含有大量结晶水的化合物，如NaCO37H2O，NaCO310H2O等等1.4 矿物材料的化学反应矿物材料的化学反应1.4.1 化学反应类型化学反应类型反应类型很多，主要从两个方面反应类型很多，主要从两个方面只介绍生产过程发生的类型只介绍生产过程发生的类型1、固相反应、固相反应固体直接参与化学反应，并起化学变固体直接参与化学反应，并起化学变化的反应。化的反应。临界换位温度临界换位温度大于此温度，结晶物质表面的若干大于此温度，结晶物质表面的若干原子或离子有可能跳出原来的位置，与周围其他原子或离子有可能跳出原来的位置，与周围其他原子或离子产生原子或离子产生“换位作用换位作用”，即发生固相反应，

35、即发生固相反应，产生新的化合物。产生新的化合物。每一材料均有临界换位温度，通常与其熔点每一材料均有临界换位温度，通常与其熔点Tf有关有关金属为金属为0.3-0.4 Tf ，盐类为，盐类为0.57 Tf ，硅酸盐为，硅酸盐为0.8-0.9 Tf生产过程发生的生产过程发生的使用过程发生的使用过程发生的纯固相反应纯固相反应 A(S)+B(S)C(S) 如烧水泥，生成硅酸二钙、铝酸三钙、铁如烧水泥，生成硅酸二钙、铝酸三钙、铁 铝酸四钙等铝酸四钙等有液相参加的固相反应有液相参加的固相反应A(S)+B(L)C(S) 如：如：CaO+H2O Ca(OH)2 烧水泥、烧砖、瓦、陶瓷等均有此反应烧水泥、烧砖、瓦

36、、陶瓷等均有此反应有气相参加的固相反应有气相参加的固相反应 A(S)A (S) + A”(S) 如碳酸盐分解如碳酸盐分解 A(S)+B(g)C (S) + D(g) 如金属氧化物被如金属氧化物被还原反应。还原反应。注：注：S固体，固体，L液体，液体，g气体气体固固固固相相相相反反反反应应应应2、水化反应、水化反应物质与水所起的化合作用称为水化。物质与水所起的化合作用称为水化。包括水解。水解包括水解。水解化合物和水发生的复分解反应化合物和水发生的复分解反应如：如：FeCl3的水解：的水解： FeCl3+H2OFe(OH)3+HCl也包括无水化合物和水作用生成含水化合物的反应。也包括无水化合物和水

37、作用生成含水化合物的反应。如：石灰的消解反应：如：石灰的消解反应：CaO+H2O Ca(OH)2水化反应多为放热反应，并有体积增大。水化反应多为放热反应，并有体积增大。水分子在化合物中的存在形式很多，如结构水、结水分子在化合物中的存在形式很多，如结构水、结晶水、凝胶水、吸附水等。晶水、凝胶水、吸附水等。水化物加温后，可脱水，结构破坏，从而体积收缩。水化物加温后，可脱水，结构破坏，从而体积收缩。3、溶解和结晶、溶解和结晶溶解溶解溶质的分子、原子或离子均匀分散到溶剂中，称为溶溶质的分子、原子或离子均匀分散到溶剂中，称为溶解。此分散体系称为溶液。此溶液是广义的，可是液体，解。此分散体系称为溶液。此溶

38、液是广义的，可是液体，也可是气体和固体。也可是气体和固体。结晶结晶在一定温度下，当可溶性晶体溶解于溶液时，晶体表在一定温度下，当可溶性晶体溶解于溶液时，晶体表面的质点进入溶剂，被溶解的质点在溶液中不停地运动，面的质点进入溶剂，被溶解的质点在溶液中不停地运动，当它们撞到晶体表面时，可能重新被吸引回到晶体上来，当它们撞到晶体表面时，可能重新被吸引回到晶体上来，称为结晶。称为结晶。当溶解当溶解 结晶，此溶液称为饱和溶液。结晶，此溶液称为饱和溶液。当温度降低或溶剂蒸发时，溶液浓度升高，析出晶体，达新当温度降低或溶剂蒸发时，溶液浓度升高，析出晶体，达新平衡。平衡。晶芽（晶核）晶芽（晶核）-熔体过冷或溶液

39、过饱和熔体过冷或溶液过饱和质点聚集质点聚集产生微产生微晶粒（晶核）晶粒（晶核） 晶核长大晶核长大晶粒。晶粒。晶核可是自发的，也可是人工加入的。晶核可是自发的，也可是人工加入的。平衡4、多相反应、多相反应反应物处于不同的相中，也叫非均相反应，矿物材反应物处于不同的相中，也叫非均相反应，矿物材料中发生的反应基本上都属于多相反应。料中发生的反应基本上都属于多相反应。气体或液体在固体表面上的反应步骤：气体或液体在固体表面上的反应步骤：1）反应物分子向固体表面扩散；）反应物分子向固体表面扩散；2）反应物分子被吸附在固体表面上；）反应物分子被吸附在固体表面上；3）反应物在固体表面上发生反应，形成产物；）反

40、应物在固体表面上发生反应，形成产物；4）生成物分子从固体表面上解析；）生成物分子从固体表面上解析；5）生成物分子通过扩散离开固体表面。）生成物分子通过扩散离开固体表面。影响多相反应速度的因素：反应物浓度、温度、吸影响多相反应速度的因素：反应物浓度、温度、吸附作用和扩散作用。附作用和扩散作用。1.4.2 生产过程中矿物材料的化学变化生产过程中矿物材料的化学变化1、高温固相反应（常压）、高温固相反应（常压）实例实例 ：石灰的生产：石灰的生产 1）原料：含）原料：含CaCO3的岩石：石灰石、大理石碎块、鲕状石的岩石：石灰石、大理石碎块、鲕状石灰石、贝壳石灰石、白垩等。灰石、贝壳石灰石、白垩等。2）

41、CaCO3 CaO+CO2-78kJ/mol3）生产中温度常为）生产中温度常为1000，过高使其中粘土熔融，使石灰，过高使其中粘土熔融，使石灰消解速度极慢，不利于使用消解速度极慢，不利于使用4）生石灰（）生石灰（CaO）体积较煅烧前收缩）体积较煅烧前收缩10%-15%5）原料中粘土）原料中粘土8% CaO为气硬性石灰为气硬性石灰作石灰料较好作石灰料较好6）原料中粘土）原料中粘土8% CaO为水硬性石灰为水硬性石灰作水泥料较好作水泥料较好7）消化速度）消化速度10min 快速消化石灰；消化速度快速消化石灰；消化速度=10-30min 中速消化石灰；消化速度中速消化石灰；消化速度 30min 慢速

42、消化慢速消化石灰石灰8）消化后最高温度）消化后最高温度70 高热石灰；消化后最高温度高热石灰；消化后最高温度 70 低热石灰；低热石灰；898.6实例实例：建筑石膏（：建筑石膏（CaSO41/2H2O）的生产）的生产1）原料）原料天然二水石膏（软石膏天然二水石膏（软石膏CaSO42H2O），也可用工），也可用工业废渣为原料，如磷石膏、氟石膏、盐石膏、乳石膏、黄业废渣为原料，如磷石膏、氟石膏、盐石膏、乳石膏、黄石膏、苏打石膏等石膏、苏打石膏等2）反应：）反应： 型型致密、完整、晶体粗大，饱和高压蒸汽下脱水；致密、完整、晶体粗大，饱和高压蒸汽下脱水； 型型片状、不规则、晶粒细小，大气相通条件下脱水

43、。片状、不规则、晶粒细小，大气相通条件下脱水。3）用途：粉刷、抹灰、各种石膏板、人造大理石）用途：粉刷、抹灰、各种石膏板、人造大理石4）石膏加热至）石膏加热至400750硬石膏（硬石膏（CaSO4），难溶于），难溶于水，不能单独硬化，加入激发剂后则有一定水化和硬化能水，不能单独硬化，加入激发剂后则有一定水化和硬化能力。力。激发剂：激发剂：1）5%硫酸钠（或硫酸氢钠）硫酸钠（或硫酸氢钠）+1%铁矾或铜矾的混铁矾或铜矾的混合物；合物；2）1%-5%石灰或石灰与少量半水石膏的混合物；石灰或石灰与少量半水石膏的混合物；3）2%硫酸铝或硫酸锌。硫酸铝或硫酸锌。CaSO42H2O CaSO41/2H2O+

44、1/2H2O107170（天然二水石膏）（或型熟石膏）实例实例：烧土制品：烧土制品：1）原料）原料粘土为主，主要工艺：配料粘土为主，主要工艺：配料-成型成型-焙烧焙烧例：粘土砖、瓦，陶瓷等。砖瓦烧成温度例：粘土砖、瓦，陶瓷等。砖瓦烧成温度950 1050；陶瓷泥料主要原料：高岭土、长石、石英等，烧成温度陶瓷泥料主要原料：高岭土、长石、石英等，烧成温度1200 13002）烧成过程的化学反应）烧成过程的化学反应A、结构水的排出：、结构水的排出： 如高岭土如高岭土 Al2O32SiO22H2O Al2O32SiO2+2H2OB、碳酸盐的分解：、碳酸盐的分解：CaCO3 CaO+CO2 MgCO3

45、MgO+CO2 4FeCO3+O2 2Fe2O3+4CO2 MgCO3CaCO3 MgO+CaO+CO2480600 55010005007508001000730950C、碳素、硫化物及有机物的氧化：、碳素、硫化物及有机物的氧化： C+O2 CO2 FeS2+O2 FeS+SO2 4FeS+7O2 2Fe2O3+4SO2D、石英的晶型转变：、石英的晶型转变：-石英石英 石英（有石英（有2%线膨胀）线膨胀） 鳞石英（大体积）鳞石英（大体积）SiO2+FeOFeSiO3（硅酸铁）（硅酸铁）E、高温阶段的反应（、高温阶段的反应（950 烧成温度）：烧成温度）： 还原焰烧成的反应还原焰烧成的反应 F

46、e2O3+CO 2FeO+CO2 2Fe2O3+C 4FeO+CO2 FeO+SiO2 FeSiO3 CaSO4 +CO CaO+SO2+ CO260035045050080057387090010001100110011501100 氧化焰烧成的反应：氧化焰烧成的反应： CaSO4 2CaO+2SO2+O2 2Na2SO4 2Na2O+2SO2+O2高温阶段，粘土矿物分解出无定型高温阶段，粘土矿物分解出无定型Al2O3和和SiO2，此，此Al2O3在在900 转变为转变为- Al2O3，从，从1100 开始形成莫来石，反应开始形成莫来石，反应为：为：3(-Al2O3)+2 SiO2 3Al2

47、O32SiO2（莫来石）（莫来石）反应完毕后保温（高温）一段时间反应完毕后保温（高温）一段时间冷却至常温冷却至常温制品制品莫来石制品由结晶相、玻璃相及气孔组成莫来石制品由结晶相、玻璃相及气孔组成100011001100实例实例：硅酸盐水泥：硅酸盐水泥-水硬性胶凝材料水硬性胶凝材料1）生产工艺：）生产工艺： 石灰石石灰石+粘土原料等粘土原料等煅烧煅烧水泥熟料水泥熟料 水泥熟料水泥熟料+少量石膏、粉煤灰等少量石膏、粉煤灰等磨细磨细硅酸盐水泥硅酸盐水泥2）高温煅烧反应过程：）高温煅烧反应过程：A、500800 粘土脱水分解粘土脱水分解无定型无定型Al2O3和和SiO2B、600 以上，石灰质原料中以

48、上，石灰质原料中CaCO3开始分解，生成开始分解，生成 CaO+CO2C、800 以上，生成以上，生成CaOAl2O3、2CaOFe2O3， 2CaOSiO2开始形成开始形成D、800 900 ，12CaO7Al2O3开始形成开始形成E、900 1000 ，2CaOAl2O3SiO2形成，随后又重新分形成，随后又重新分解，解，3CaOAl2O3与与4CaOAl2O3Fe2O3开始形成，所有开始形成，所有CaCO3分解完毕，游离分解完毕，游离CaO达最大值达最大值F、1100 1200 ，大量生成，大量生成3CaOAl2O3，4CaOAl2O3Fe2O3和和2CaOSiO2生成量达最大生成量达最

49、大G、 1260 1300 ，水泥生料开始熔融，出现液相，生料，水泥生料开始熔融，出现液相，生料中的中的MgO一部分以方镁石小晶体析出，一部分分散于液相一部分以方镁石小晶体析出，一部分分散于液相中中H、 1300 1450 ，3CaOAl2O3和和4CaOAl2O3Fe2O3熔熔融，液相中融，液相中2CaOSiO2吸收吸收CaO形成形成3CaOSiO2I、煅烧冷却后、煅烧冷却后水泥熟料水泥熟料水泥熟料主要成分：水泥熟料主要成分：3CaOSiO2，-2CaOSiO2， 3CaOAl2O3和和4CaOAl2O3Fe2O3，还有少量游离的，还有少量游离的MgO、CaO和玻璃相。和玻璃相。2、水化反应

50、、水化反应矿物材料矿物材料+水水水化反应水化反应凝结硬化凝结硬化胶结散粒材料胶结散粒材料形成形成坚硬的人造石坚硬的人造石1）石灰的水化反应）石灰的水化反应 CaO+H2O Ca(OH)2+65.9kJ/mol 体积膨胀体积膨胀1-2.5倍倍 （熟石灰、消石灰）（熟石灰、消石灰）石灰浆（胶体体系）石灰浆（胶体体系）继续水化反应继续水化反应胶粒增多，胶粒间距胶粒增多，胶粒间距减少减少水化膜变薄水化膜变薄粒子间范德华力粒子间范德华力触变性凝聚结构触变性凝聚结构细胶粒溶解、大胶粒长大细胶粒溶解、大胶粒长大结晶结构结晶结构水分蒸发水分蒸发结晶量结晶量增大增大强度升高强度升高硬化石灰浆吸收空气中的硬化石灰

51、浆吸收空气中的CO2 碳化反应碳化反应 Ca(OH)2+CO2+nH2O CaCO3+(n+1)H2OCaCO3结晶与结晶与Ca(OH)2结晶相互交织结晶相互交织获最终强度获最终强度2）建筑石膏的水化反应）建筑石膏的水化反应 CaSO41/2H2O+3/2H2O CaSO42H2O+0.192kJ/mol 半水石膏溶解半水石膏溶解半水石膏饱和溶液半水石膏饱和溶液二水石膏（溶二水石膏（溶解度比半水石膏小）解度比半水石膏小） 二水石膏析出二水石膏析出上式平衡上式平衡打破，反应向右进行（即不停溶解，不停析晶，打破，反应向右进行（即不停溶解，不停析晶，直到半水石膏全部溶解）直到半水石膏全部溶解）溶解后

52、溶解后溶液中形成二水石膏凝聚结构溶液中形成二水石膏凝聚结构晶体长大晶体长大形成结晶结构网形成结晶结构网达到较高强度达到较高强度石灰和石膏均为气硬性胶凝材料（空气中硬化后不石灰和石膏均为气硬性胶凝材料（空气中硬化后不再溶解）。再溶解）。3）硅酸盐水泥的水化反应比较复杂，主要有如下几种：）硅酸盐水泥的水化反应比较复杂，主要有如下几种：A、硅酸盐矿物的水化反应：水化反应的产物统称为水化硅、硅酸盐矿物的水化反应：水化反应的产物统称为水化硅酸钙凝胶，可用酸钙凝胶，可用C-S-H表示表示3CaOSiO2(硅酸三钙硅酸三钙)+nH2O xCaOSiO2yH2O+(3-x)Ca(OH)22CaOSiO2(-硅

53、酸二钙硅酸二钙)+mH2O xCaOSiO2yH2O+(2-x)Ca(OH)2B、铝酸钙矿物的水化反应、铝酸钙矿物的水化反应 2(3CaOAl2O3+21H2O 4CaOAl2O313H2O+2CaOAl2O38H2O 2(3CaOAl2O36H2O)+8H2O 3CaOAl2O36H2O+Ca(OH)2+6H2O 4CaOAl2O313H2OC、铁铝酸四钙矿物的水化反应，一般生成水化铝酸钙的含铁固溶体和、铁铝酸四钙矿物的水化反应，一般生成水化铝酸钙的含铁固溶体和水化铁酸钙凝胶体水化铁酸钙凝胶体 4CaOAl2O3Fe2O3+H2O 3CaO(Al,Fe)2O3nH2O+CaOFe2O3mH2

54、OD、石膏的作用：在水泥中起缓凝作用、石膏的作用：在水泥中起缓凝作用 3CaOAl2O36H2O+3(CaSO42H2O)+19H2O 3CaOAl2O33CaSO431H2O4CaOAl2O312H2O+3(CaSO42H2O)+13H2O 4CaOAl2O33CaSO431H2O水泥的水化先从表面进行，由表到里。水泥的水化先从表面进行，由表到里。水泥水化产物粒度在胶体范围内。水泥颗粒存在裂水泥水化产物粒度在胶体范围内。水泥颗粒存在裂缝缝水化产生大量小颗粒水化产生大量小颗粒水化产物膨胀水化产物膨胀使水使水泥颗粒变为胶体颗粒泥颗粒变为胶体颗粒颗粒在溶液中布朗运动颗粒在溶液中布朗运动分子间力分子

55、间力凝胶体凝胶体失去流动性和可逆性失去流动性和可逆性析出析出微晶粒（有触变性）微晶粒（有触变性）结晶成网状结构结晶成网状结构获得固获得固体强度体强度3、水热合成反应、水热合成反应工艺：将钙质原料（石灰）与硅质原料工艺：将钙质原料（石灰）与硅质原料水热合成水热合成水化硅酸盐水化硅酸盐如：灰砂砖、加气混凝土、各种硅酸盐砌块、墙板、如：灰砂砖、加气混凝土、各种硅酸盐砌块、墙板、硅酸钙材料等。硅酸钙材料等。工艺分两种：工艺分两种：1）蒸压工艺）蒸压工艺 2）蒸养工艺）蒸养工艺硅质原料为结晶态，一般用蒸压，如河砂、山砂原硅质原料为结晶态，一般用蒸压，如河砂、山砂原矿等；硅质原料为无定形二氧化硅，一般用蒸

56、养，矿等；硅质原料为无定形二氧化硅，一般用蒸养，如页岩、粉煤灰等。但蒸压更好。如页岩、粉煤灰等。但蒸压更好。A、硅酸钙材料：是以硅酸钙水化物为主的材料，、硅酸钙材料：是以硅酸钙水化物为主的材料，多制成板材多制成板材产物取决于：原料的种类、细度、杂质、产物取决于：原料的种类、细度、杂质、CaO/SiO2比、反应温度及时间等比、反应温度及时间等反应产物可能有：雪硅钙石凝胶反应产物可能有：雪硅钙石凝胶(1.5-2.0) CaOSiO2nH2O，C-S-H()(CaO/SiO2 2)；C-S-H()(CaO/SiO2 =0.8-1.33) 即托勃莫来石；雪硅即托勃莫来石；雪硅钙石（钙石（ 5CaO6S

57、iO25H2O）；硬硅钙石（）；硬硅钙石（ 6CaO6SiO25H2O）。）。其中其中CaO/SiO2为为0.8和和1.0的托勃莫来石和硬硅钙石的托勃莫来石和硬硅钙石是最希望得到的，它们的强度高，耐火度高。是最希望得到的，它们的强度高，耐火度高。B、灰砂硅酸盐砖：主要反应产物为、灰砂硅酸盐砖：主要反应产物为2CaOSiO2H2O、2CaOSiO22H2O等等高强加筋的灰砂砖制品，主要为高强加筋的灰砂砖制品，主要为CaOSiO2H2O(B)或托勃莫来石；加气灰砂硅酸盐制品，主要为托或托勃莫来石；加气灰砂硅酸盐制品，主要为托勃莫来石和硬硅钙石。勃莫来石和硬硅钙石。C、废渣硅酸盐混凝土：产物取决于废

58、渣种类、成、废渣硅酸盐混凝土：产物取决于废渣种类、成分、激发剂种类、硬化条件等分、激发剂种类、硬化条件等废渣中废渣中Al2O3量大时，产物有两种：量大时，产物有两种：1）含铝矿物，）含铝矿物，如水石榴石如水石榴石3CaOAl2O3nSiO2(6-2n)H2O、水化、水化钙铝长石钙铝长石2CaOAl2O3SiO28H2O等；等；2）水化硅）水化硅酸钙酸钙CaOSiO2H2O(B)逐渐过度到托勃莫来石等。逐渐过度到托勃莫来石等。废渣废渣Al2O3量不足时，主要产物：量不足时，主要产物：CaOSiO2H2O(A)、 2CaOSiO22H2O、CaOSiO2H2O、托勃莫来石、托勃莫来石、铝代托勃莫来石等铝代托勃莫来石等