Preface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . III
Part I – Descriptions
CHAPTER 1
One-Component Chemical Systems: CaO, SiO2, Al2O3 and Fe Oxides . . . . . . 3
1.1 CaO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.1.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.1.2 Mineralogy, Structure and Stability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.1.3 Properties and Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.2 SiO2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.2.2 Mineralogy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.2.3 Structure and Stability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.2.4 Properties and Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.3 Al2O3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.3.2 Mineralogy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.3.3 Structure and Stability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.3.4 Properties and Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.4 Fe Oxides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.4.2 Mineralogy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.4.3 Structure and Stability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.4.4 Synthesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.4.5 Properties and Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
CHAPTER 2
Binary Chemical Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.1 CaO-SiO2 System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.1.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.1.2 Mineralogy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.1.3 Structure, Polymorphism and Solid Solution . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.1.4 Stability and Phase Diagram of CaO-SiO2 System . . . . . . . . . . 25
2.1.5 Synthesis of Calcium Silicates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.2 Al2O3-SiO2 System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.2.2 Mineralogy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.2.3 Structure, Polymorphism and Solid Solutions . . . . . . . . . . . . . . 33
2.2.4 Stability and Phase Diagram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.2.5 Synthesis of Alumino-Silicates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2.3 Al2O3-Fe Oxides System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.3.2 Mineralogy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.3.3 Structure, Polymorphism and Solid Solution . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.3.4 Stability and Phase Diagram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.3.5 Synthesis of Iron Aluminates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
2.4 CaO-Al2O3 System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
2.4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
2.4.2 Mineralogy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
2.4.3 Structure, Polymorphism and Solid Solution . . . . . . . . . . . . . . . 49
2.4.4 Stability and Phase Diagram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
2.4.5 Synthesis of Calcium Aluminates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
2.5 SiO2-Fe Oxides System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
2.5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
2.5.2 Mineralogy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
2.5.3 Structure, Polymorphism and Solid Solution . . . . . . . . . . . . . . . 63
2.5.4 Liquid FeO-Fe2O3-SiO2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
2.5.5 Stability and Phase Diagram of the FeO-Fe2O3-SiO2 System . . . . 67
2.5.6 Synthesis of Iron Silicates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
2.6 CaO-Fe Oxides System. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
2.6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
2.6.2 Mineralogy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
2.6.3 Structure, Polymorphism and Solid-Solutions . . . . . . . . . . . . . . 72
2.6.4 Stability and Phase Diagram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
2.6.5 Synthesis of Calcium Ferrite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
CHAPTER 3
Ternary Chemical Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
3.1 General Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
3.2 CaO-Al2O3-SiO2 System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
3.2.1 Ternary Constituents of the CaO-Al2O3-SiO2 System . . . . . . . 83
3.2.2 Mineralogy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
3.2.3 Structure and Solid Solutions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
3.2.4 Stability and Phases Diagrams (At One Atmosphere) . . . . . . . . 90
3.2.5 Compounds Obtained in Special Conditions . . . . . . . . . . . . . . . 97
3.2.6 Stability Relative to Temperature or Pressure and Both . . . . . . 98
VIII Contents
3.2.7 Thermodynamic Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
3.2.8 Synthesis of Calcium Silicoaluminate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
3.3 Al2O3-SiO2-Fe Oxides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
3.3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
3.3.2 Mineralogy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
3.3.3 Structure and Solid Solution. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
3.3.4 Stability and Phase Diagram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
3.3.5 Synthesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
3.4 CaO-SiO2-Fe Oxides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
3.4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
3.4.2 Mineralogy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
3.4.3 Structure and Solid Solution. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
3.4.4 Stability and Phase Diagrams in Air. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
3.4.5 Stablity and Phase Diagram in the CaO-SiO2-FeO System . . . . 117
3.4.6 CaO-SiO2-FeOx System at Various Oxygen Pressures . . . . . . . 126
3.4.7 Model. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
3.4.8 Preparation and Synthesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
3.5 CaO-Al2O3-Fe Oxides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
3.5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
3.5.2 Mineralogy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
3.5.3 Structure and Solid Solutions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
3.5.4 Stability and Phase Diagrams . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
3.5.5 Liquidus in Reducing Atmosphere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
3.5.6 Model of the System. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
3.5.7 Formation and Synthesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
CHAPTER 4
Quaternary Chemical Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
4.1.1 Principle of Phase Equilibrium in a Quaternary System . . . . . . 147
4.2 CaO-SiO2-Al2O3-Fe2O3 System in Air . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
4.2.1 Quaternary Constituents of the CaO-SiO2-Al2O3-Fe
Oxides System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
4.2.2 Mineralogy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
4.2.3 Mineralogy Structure Stability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
4.2.4 Formation and Synthesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
4.3 CaO-Al2O3-SiO2-FeO System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
4.3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
4.3.2 Ternary Systems Located Within the CaO, Al2O3, SiO2,
FeO Tetrahedron . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
4.3.3 Binary Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
4.3.4 Crystallized Solids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
4.3.5 Univariant Lines and Quaternary Invariant Points . . . . . . . . . . 182
4.3.6 2CaO·SiO2-CaO·SiO2-Gehlenite-FeO Quaternary System . . . . 183
Contents IX
CHAPTER 5
Quinary Chemical Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
5.1 Introduction – Presentation of Quinary Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
5.2 CaO-SiO2-Al2O3-FeO-Fe2O3 System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
5.2.1 Stability and Phase Diagrams . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
5.2.2 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192
References of Part I . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
Part II – Applications
CHAPTER 6
Applications to Hydraulic Binders . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211
6.1 General Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211
6.2 Portland Cements (PC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212
6.2.1 Characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212
6.2.2 PC Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220
6.2.3 Conclusions – Prediction of the Properties . . . . . . . . . . . . . . . . 226
6.3 Calcium Aluminate Cements (CAC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227
6.3.1 CAC Characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227
6.3.2 CAC Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234
6.4 Special Cements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237
6.4.1 Fast-Setting Cements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237
6.4.2 Geopolymers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243
6.4.3 Oil Well Cements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246
6.4.4 Expansive Cement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251
6.4.5 Dental Cements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253
6.4.6 Glass Cements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259
CHAPTER 7
Application to Metal Refining . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261
7.1 General Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261
7.2 Slags from Iron and Steel Industry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261
7.2.1 Blast Furnace Slags (BFS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261
7.2.2 Converter Slags (Basic Oxygen Process or LD processing) . . . . 266
7.2.3 EAF Slags: High Carbon Steel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 269
7.2.4 Ladle Slag (Secondary Metallurgy) – Stainless – High Alloy
Steel Production. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 269
7.2.5 Refining Under Reducing Slag . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270
7.3 Formation and Properties of Liquid Slags . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271
7.4 Slags from Non Ferrous Industry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272
7.4.1 Copper Slag . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272
7.4.2 Silico-Manganese Slag. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272
X Contents
CHAPTER 8
Application to Refractory Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275
8.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275
8.2 Raw Materials Based on Al2O3 and SiO2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 276
8.2.1 Natural Raw Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 276
8.2.2 Synthetic Raw Material . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277
8.3 Applying Refractory Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278
8.3.1 Brick and Monolithic Refractories . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278
8.3.2 Refractory Cement and Mortar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281
8.4 Refractories Consuming Industry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286
8.4.1 Iron and Steel Industry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286
8.4.2 Non-Ferrous Metal Industry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287
8.4.3 Cement Industry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287
8.4.4 Whiteware, Traditional Ceramic Industry . . . . . . . . . . . . . . . . . 288
8.4.5 High-Tech Ceramic Industry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288
8.4.6 Glass Industry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288
CHAPTER 9
Application of the Glassy Products . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291
9.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291
9.2 Structure of Glass . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292
9.3 Classification of Glass Products Containing CaO, Al2O3, SiO2
and Fe Oxides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293
9.4 Products, Chemistry and Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294
9.4.1 High Silica Glass – Vycor Glass . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294
9.4.2 Soda-Lime Glass. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295
9.4.3 Sodium Borosilicate – Glass Fibres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295
9.4.4 Aluminosilicate Glass . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 297
9.4.5 Special Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 299
CHAPTER 10
Application of Ceramic Products . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303
10.1 Introduction to Ceramics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303
10.2 Structure of Ceramics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303
10.2.1 Processing of Manufacture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303
10.2.2 Shaping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304
10.2.3 Physico-Chemical Changes During Firing . . . . . . . . . . . . . . . 305
10.3 Classification of Ceramic Products Containing CaO, SiO2,
Al2O3 and Fe Oxides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305
10.3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305
10.3.2 Traditional Ceramics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305
10.3.3 Ceramics in the Construction Sector Ceramics . . . . . . . . . . . 312
10.3.4 High Technology Ceramics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313
Contents XI
CHAPTER 11
Application as Fillers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315
11.1 General Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315
11.2 Mono-Component . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317
11.2.1 Calcium Oxide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317
11.2.2 SiO2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 318
11.2.3 Alumina . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 319
11.2.4 Fe oxides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 320
11.3 Multi-Components By-Products from Industrial Process . . . . . . . . . . 321
11.3.1 Slags . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321
11.3.2 Fly Ashes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 324
11.3.3 Red Mud (KUR 1997) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 326
11.3.4 Cement Kiln Dust (CKD) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 327
11.4 Multi-Components from Natural Origin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 328
11.4.1 Natural Pozzolans . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 328
11.4.2 Metakaolin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 330
11.4.3 Rice Husk Ashes (RHA) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 331
11.4.4 Wollastonite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332
References of Part II. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33