水泥-第一部分

1、第四章 硅酸盐水泥本书章节内容本书章节内容第一章第一章 石膏石膏第二章第二章 石灰石灰第三章第三章 镁质胶凝材料镁质胶凝材料第四章第四章 硅酸盐水泥硅酸盐水泥 第五章第五章 矿渣水泥矿渣水泥第六章第六章 火山灰混合材与火山灰质水泥火山灰混合材与火山灰质水泥第七章第七章 铝酸盐系列水泥铝酸盐系列水泥第八章第八章 其他品种水泥其他品种水泥第第1 1节：水泥的分类节：水泥的分类第第3节：节：硅酸盐水泥熟料矿物组成及水化硅酸盐水泥熟料矿物组成及水化第第4 4节：硅酸盐水泥水化硬化过程节：硅酸盐水泥水化硬化过程第第5 5节：新拌与硬化水泥浆体结构节：新拌与硬化水泥浆体结构目目 录录第第6 6节：硅酸盐水

2、泥石的工程性质节：硅酸盐水泥石的工程性质第第2 2节：硅酸盐水泥的生产过程节：硅酸盐水泥的生产过程知识点知识点水泥分类水泥分类硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥的定义硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥的定义硅酸盐水泥熟料矿物组成硅酸盐水泥熟料矿物组成硅酸盐水泥生产技术硅酸盐水泥生产技术硅酸盐水泥水化机理硅酸盐水泥水化机理水泥石工程性质水泥石工程性质英语单词英语单词水泥：水泥：cement 水泥浆体：水泥浆体：paste熟料：熟料：clinker 水泥砂浆：水泥砂浆：mortar矿物：矿物：mineral 性能：性能：performance 强度：强度：strength 特种水泥：特种水泥：special ce

3、ment磨细：磨细：mill窑：窑：kiln硅酸盐：硅酸盐：silicate火山灰：火山灰：pozzolana粉煤灰：粉煤灰：fly ash水化：水化：hydration水泥的发明水硬性石灰水硬性石灰英国土木之父史密顿在建造灯塔时发现含有黏土的石灰石，经煅烧和细英国土木之父史密顿在建造灯塔时发现含有黏土的石灰石，经煅烧和细磨后，在海水中强度较罗马砂浆高的多，能耐海水冲刷。磨后，在海水中强度较罗马砂浆高的多，能耐海水冲刷。天天 然然 水水 泥泥由于火山灰由于火山灰石灰体系的混凝土因凝结缓慢和早期强度低而逐渐不能适石灰体系的混凝土因凝结缓慢和早期强度低而逐渐不能适应社会生产迅速发展的需要。应社会生

4、产迅速发展的需要。1796年英国年英国Parker J用黏土质石灰石用黏土质石灰石不经不经配料直接煅烧配料直接煅烧制得水泥，称为天然水泥制得水泥，称为天然水泥(罗马水泥罗马水泥)。波特兰水泥波特兰水泥1824年英国的年英国的Aspdin J取得波特兰水泥的专利，以石灰石和粘土为原料取得波特兰水泥的专利，以石灰石和粘土为原料，按一定比例配合，在类似于烧石灰的立窑内煅烧成熟料，再经磨细制，按一定比例配合，在类似于烧石灰的立窑内煅烧成熟料，再经磨细制成水泥。但是成水泥。但是煅烧温度并未达到能够生产真正的硅酸盐水泥的温度煅烧温度并未达到能够生产真正的硅酸盐水泥的温度。 1886年，美国首先用年，美国首

5、先用回转窑煅烧熟料回转窑煅烧熟料，进入工业化生产的阶段。，进入工业化生产的阶段。高性能水泥高性能水泥本世纪初期，提出以高本世纪初期，提出以高C3S含量为特征的高性能水泥的概念，俗称含量为特征的高性能水泥的概念，俗称“973”水泥。水泥。近近30年中国水泥产量及其在世界所占比重年中国水泥产量及其在世界所占比重中国水泥工业的发展埃迪斯顿灯塔（史密顿史密顿）美国世贸大厦武汉绿地中心水泥混凝土的杰作水泥熟料矿物与水化产物 熟料矿物主要组成：熟料矿物主要组成：硅酸三钙（硅酸三钙（C3S）、硅酸盐二钙（）、硅酸盐二钙（C2S）、铝）、铝酸三钙（酸三钙（C3A）、铁铝酸四钙（）、铁铝酸四钙（C4AF）。）。

6、第第1 1节节 水泥的分类水泥的分类一、按照用途分类一、按照用途分类 通用水泥、专用水泥、特性水泥 普通水泥、大坝水泥、抗硫酸盐水泥、油井水泥二、按矿物组成分类二、按矿物组成分类 硅酸盐水泥、硫酸盐水泥、氟铝酸盐水泥、铁铝酸盐水泥三、按化学组成分类三、按化学组成分类 钙水泥、坝水泥、锶水泥、镁水泥四、按性质分类四、按性质分类 早强水泥、中热水泥 、低热水泥、膨胀水泥 发达国家特种水泥约占水泥总产量的发达国家特种水泥约占水泥总产量的6%10%，我国目前，我国目前特征水泥约占水泥总产量的特征水泥约占水泥总产量的2.4%，发展目标是，发展目标是7%。 胡曙光，特种水泥，武汉工业大学出版社，胡曙光，特

7、种水泥，武汉工业大学出版社，1998一、硅酸盐水泥一、硅酸盐水泥 （1）定义：凡由硅酸盐水泥熟料、）定义：凡由硅酸盐水泥熟料、05%混合材（石灰石或粒混合材（石灰石或粒化高炉矿渣）、适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料。化高炉矿渣）、适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料。 （2）分类：）分类： I型硅酸盐水泥：不掺加混合材的水泥，型硅酸盐水泥：不掺加混合材的水泥，P.I II型硅酸盐：在硅酸盐水泥熟料粉磨过程中掺入不超过水泥质型硅酸盐：在硅酸盐水泥熟料粉磨过程中掺入不超过水泥质量量5%的石灰石或粒化高炉矿渣混合材的，的石灰石或粒化高炉矿渣混合材的，P.II第第2 2节节 硅酸盐水泥熟料矿物组成及水化硅

8、酸盐水泥熟料矿物组成及水化复合水泥复合水泥（P.C）矿渣硅酸盐水泥矿渣硅酸盐水泥（P.S）火山灰质硅酸盐水火山灰质硅酸盐水泥泥（P.P）粉煤灰硅酸盐水粉煤灰硅酸盐水泥泥（P.F）熟料熟料5080%混合料混合料2050%矿渣矿渣A：2050%矿渣矿渣B：5070%火山灰：火山灰：2040%粉煤灰：粉煤灰：2040%二、普通硅酸盐水泥（普硅水泥）二、普通硅酸盐水泥（普硅水泥） 在硅酸盐水泥熟料中掺入在硅酸盐水泥熟料中掺入6%20%混合材料、适量石膏磨细制成水硬性胶凝材料混合材料、适量石膏磨细制成水硬性胶凝材料，P.O三、其他品种水泥三、其他品种水泥 硅酸盐水泥熟料硅酸盐水泥熟料+粒化高炉矿渣粒化高

9、炉矿渣/火山灰质材料火山灰质材料/粉煤灰粉煤灰+石膏。石膏。 火山灰性：一种材料磨成细粉，单独不具有水硬性，但在常温下火山灰性：一种材料磨成细粉，单独不具有水硬性，但在常温下与石灰一起喝水后能形成具有水硬性的化合物的性能与石灰一起喝水后能形成具有水硬性的化合物的性能, ,以以SiOSiO2 2、AlAl2 2O O3 3为主。为主。1、不溶物：、不溶物：P.I中不溶物小于中不溶物小于0.75%；P.II中不超过中不超过1.5%2、MgO：不大于不大于5.0%，如水泥经过压蒸安定性检验合格水泥中，如水泥经过压蒸安定性检验合格水泥中MgO含含量容许放宽到量容许放宽到6.0%3、SO3：不大于不大于

10、3.5%4、烧失量：、烧失量：P.I烧失量不大于烧失量不大于3.0%，P.II不大于不大于3.5%，P.O不大于不大于5.0%5、细度：硅酸盐水泥、细度：硅酸盐水泥Se大于大于300m2/kg；复合水泥、矿渣硅酸盐水泥、火复合水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥：山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥：80微米方孔筛不超过微米方孔筛不超过10.0%或或45微米微米方孔筛筛余不大于方孔筛筛余不大于30%6、凝结时间：硅酸盐水泥初凝不得早于、凝结时间：硅酸盐水泥初凝不得早于45min；终凝不得迟于终凝不得迟于6h30min；普通硅酸盐水泥初凝不得早于普通硅酸盐水泥初凝不得早于45

11、min；终凝不得迟于终凝不得迟于10h。7、碱：碱：Na2O+0.658K2O0.60%四、硅酸盐水泥的主要技术要求四、硅酸盐水泥的主要技术要求 安定性是指标准稠度的水泥浆在凝结硬化过安定性是指标准稠度的水泥浆在凝结硬化过程中体积均匀变化的性质。如果在工程中使用安程中体积均匀变化的性质。如果在工程中使用安定性不合格的水泥，将使水泥制品差事膨胀性裂定性不合格的水泥，将使水泥制品差事膨胀性裂缝，甚至使构件破坏，引起严重的事故。缝，甚至使构件破坏，引起严重的事故。 安定性不良的原因，一般是由于熟料中所含有的游离安定性不良的原因，一般是由于熟料中所含有的游离氧化钙或游离氧化镁过多，也可能是掺入石膏量过

12、多而造氧化钙或游离氧化镁过多，也可能是掺入石膏量过多而造成的。熟料中所含有的游离氧化钙或游离氧化镁都是过烧成的。熟料中所含有的游离氧化钙或游离氧化镁都是过烧的，水化缓慢，往往在水泥硬化后才开始水化，这些氧化的，水化缓慢，往往在水泥硬化后才开始水化，这些氧化物在水化时体积剧烈膨胀使水泥石开裂。当石膏掺量过多物在水化时体积剧烈膨胀使水泥石开裂。当石膏掺量过多时，在水泥硬化后，石膏与水化铝酸钙反应生产水化硫铝时，在水泥硬化后，石膏与水化铝酸钙反应生产水化硫铝酸钙，使体积膨胀，也会引起水泥石开裂。酸钙，使体积膨胀，也会引起水泥石开裂。 水泥的细度对水泥的性能影响很大，水泥颗粒越细，水泥的细度对水泥的性

13、能影响很大，水泥颗粒越细，与水接触面积越大，水化反应月快，这对强度的发展，与水接触面积越大，水化反应月快，这对强度的发展，尤其是早期强度的发展是非常有利的。但是也不宜过细，尤其是早期强度的发展是非常有利的。但是也不宜过细，水泥磨得过细一方面在存储期间容易细潮而降低强度，水泥磨得过细一方面在存储期间容易细潮而降低强度，另一方面也会大大增加粉磨的能耗。另一方面也会大大增加粉磨的能耗。 凝结时间分为初凝和终凝。由加水搅拌到水泥开始失去苏醒的时间凝结时间分为初凝和终凝。由加水搅拌到水泥开始失去苏醒的时间称为初凝，由加水拌合到水泥浆体完全失去塑性并开始产生强度的时间称为初凝，由加水拌合到水泥浆体完全失去

14、塑性并开始产生强度的时间称为终凝时间称为终凝时间 。水泥的初凝不宜太早，以便施工时有足够的时间来完成。水泥的初凝不宜太早，以便施工时有足够的时间来完成混凝土或砂浆的搅拌，运输，浇注和砌筑等操作，水泥的终凝不宜过迟，混凝土或砂浆的搅拌，运输，浇注和砌筑等操作，水泥的终凝不宜过迟，以便使混凝土能尽快地硬化，达到一定的强度，以利于下道工序的进行。以便使混凝土能尽快地硬化，达到一定的强度，以利于下道工序的进行。 影响水泥凝结的因素很多影响水泥凝结的因素很多 ，如熟料的矿物组成，水泥的细度，环境，如熟料的矿物组成，水泥的细度，环境的温度，和湿度，拌合水量等。使用时可加入调凝剂来调整水泥的凝结的温度，和湿

15、度，拌合水量等。使用时可加入调凝剂来调整水泥的凝结速度。速度。硅酸盐水泥及普通硅酸盐水泥的强度要求硅酸盐水泥及普通硅酸盐水泥的强度要求标号抗压强度/MPa抗折强度/MPa3d28d3d28d32.511.032.52.55.532.5R16.032.53.55.542.516.042.53.56.542.5R21.042.54.06.5 工地存储水泥应有专用仓库，库房要干燥。存放袋装水泥时，地面垫板要离工地存储水泥应有专用仓库，库房要干燥。存放袋装水泥时，地面垫板要离地地30cm，四周离墙，四周离墙 30cm，堆放高度一般以，堆放高度一般以10袋为宜，水泥的储存应按照到货先袋为宜，水泥的储存应

16、按照到货先后依次堆放，尽量作到先到先用，防止存放过久。不同品种不同标号的水泥要分后依次堆放，尽量作到先到先用，防止存放过久。不同品种不同标号的水泥要分别存放，不得混杂，并要防止其他杂务混入。一般水泥的储存期为三个月，三个别存放，不得混杂，并要防止其他杂务混入。一般水泥的储存期为三个月，三个月后的强度降低约月后的强度降低约1020%，时间越长，强度降低越多，使用存放三个月以上的，时间越长，强度降低越多，使用存放三个月以上的水泥，必须重新检验其强度，否则不得使用。对于受潮水泥可以进行处理，然后水泥，必须重新检验其强度，否则不得使用。对于受潮水泥可以进行处理，然后再使用，处理方法和使用范围。再使用，

17、处理方法和使用范围。 受受 潮潮 程程 度度处处 理理 方方 法法使使 用用 范范 围围有松块、小球，可以有松块、小球，可以捏成小末，但无硬块捏成小末，但无硬块将松块、小球压成将松块、小球压成粉末用时加强搅拌粉末用时加强搅拌试验后根据实际标号使用试验后根据实际标号使用 部分结成硬块部分结成硬块筛去硬块，并将松筛去硬块，并将松块压碎块压碎1.试验后根据实际标号使用试验后根据实际标号使用2.用于不重要、受离较小部位用于不重要、受离较小部位3.用于砌筑砂浆用于砌筑砂浆硬块硬块浆硬块压成粉末，浆硬块压成粉末，掺入掺入25%硬块重量硬块重量新鲜水泥做强度试新鲜水泥做强度试验验试验后根据实际标号使用试验后

18、根据实际标号使用 碱含量碱含量 在水泥中含是引起混凝土产生碱在水泥中含是引起混凝土产生碱-骨料反应的骨料反应的条件条件 ，为了避免碱，为了避免碱-骨料反应的发生，国标中规定若使用骨料反应的发生，国标中规定若使用活性骨料，用户要求提供低碱水泥时，水泥中碱含量活性骨料，用户要求提供低碱水泥时，水泥中碱含量（按氧化钠（按氧化钠+0.658氧化钾计算）不得大于氧化钾计算）不得大于0.60%。 国标还规定：凡氧化镁、三氧化硫、初凝时间国标还规定：凡氧化镁、三氧化硫、初凝时间 、安定、安定性中的任何一项不符合标准规定时，均为废品。凡细度、性中的任何一项不符合标准规定时，均为废品。凡细度、终凝时间、不溶物和

19、烧失量中的任何一项不符合标准规定终凝时间、不溶物和烧失量中的任何一项不符合标准规定或混合材料掺加量超过最大限度和强度低于商品标号规定或混合材料掺加量超过最大限度和强度低于商品标号规定的指标时称为不合格品。废品水泥在工程中严禁使用。的指标时称为不合格品。废品水泥在工程中严禁使用。 五、硅酸盐水泥的制造五、硅酸盐水泥的制造 石灰石与粘土均匀混合制成生料，在窑内加热至石灰石与粘土均匀混合制成生料，在窑内加热至14001600 ，在此温度范围内，两种原料通过化学反应形成各种硅酸钙。在此温度范围内，两种原料通过化学反应形成各种硅酸钙。原料原料钙质原料钙质原料硅质原料硅质原料硅酸盐水泥硅酸盐水泥校正原料校

20、正原料水泥生产示意图石灰石开采（破碎）其他原料黏土/页岩开采（破碎）储存和最终均化预热及分解炉石膏成品粉磨储存储存磨细、混合储存磨细、混合原料生料制备烧成水泥制备窑窑（1）钙质原料 主要提供CaO，可选用石灰岩、泥灰岩、白垩、贝壳等（2）硅质原料 主要提供SiO2、Al2O3，以及少量Fe2O3，可选用黄土、粘土、页岩和泥岩等（3）校正原料 a、如果生料中Fe2O3含量不足，可加入硫铁矿或含铁高的粘土 b、如生料中SiO2含量不足，可选用硅藻土、蛋白石、火山灰、硅质渣等原料 c、如生料中Al2O3含量不足，可假如铁矾土或含铝高的粘土 d、为改善烧成条件，可加入少量矿化剂，如萤石、石膏、重晶石尾

21、矿、铜矿渣等原原 料料生料制备生料制备生料制备的目的：保证喂入窑内的原料组成稳定混合均匀的粉料。生料制备的目的：保证喂入窑内的原料组成稳定混合均匀的粉料。湿法：不同原料可共同混磨或在单独细磨后进行混合。采用湿法工艺湿法：不同原料可共同混磨或在单独细磨后进行混合。采用湿法工艺时，生料的混合均化和配比组成易于控制。但是在窑内大量水分蒸发时，生料的混合均化和配比组成易于控制。但是在窑内大量水分蒸发增加热耗，导致成本提高。增加热耗，导致成本提高。干法：磨细的原料分别储存在圆筒仓中，最终的混合可在原料向窑前干法：磨细的原料分别储存在圆筒仓中，最终的混合可在原料向窑前最后一个储仓的输送过程完成。生料干磨能

22、耗较高，但是干磨增加的最后一个储仓的输送过程完成。生料干磨能耗较高，但是干磨增加的能耗由于窑内能耗的降低获得更多的补偿。能耗由于窑内能耗的降低获得更多的补偿。生料粉磨设备生料粉磨设备:管磨管磨,立磨立磨,莱歇磨等莱歇磨等.煅烧过程在水泥窑内，物料发生熔融，任何时候大约只有1/4处于液态，但必要的化学反应就在这部分液相中进行。回转窑：早期直径达6m，长度超过180m，干法生产能力超过5000t/d。湿法生产：物料在窑内的停留时间为22.5h；干法生产：物料在窑内的停留时间为11.5h；新型干法：20min。窑体长度80m以下。生料在窑内发生四个不同的物理化学过程：脱水，分解，煅烧和冷却。离窑尾距

23、离200150100500气温料温45080012001350155050600100013501450自由水黏土矿物分解石灰石分解初始化合物形成C2S形成液相形成C3S形成冷却器熟料出料生料进料烟气典型干法旋窑煅烧工艺反应及其条件采用悬浮预热器时，脱水和分解在窑外的预热塔中进行。采用悬浮预热器时，脱水和分解在窑外的预热塔中进行。干燥区干燥区分解区分解区烧结区烧结区 冷却区冷却区窑尾烟气温度250450，加入的生料在此处迅速升温至自由水完全蒸发。在湿法工艺中蒸发带的长度占窑长的/31/2，可在窑内增设热交换器加强热量交换；在干法窑的蒸发区不到窑长的1/4，在新型干法窑中，生料向下通过一系列通有

24、热空气的旋风预热器，在几秒种就被加热到分解温度。生料的干燥与脱水生料的干燥与脱水 生料中粘土矿物的分解并放出其化合水脱水过程生料中自由水含量：干法1.0%;湿法=3040%600 左右，黏土质物质开始脱水。左右，黏土质物质开始脱水。碳酸盐分解碳酸盐分解CaCO3=CaO+CO2-1645J/g（890）MgCO3=MgO+CO2-（10471214）J/g（590）可逆反应受系统温度和CO2分压的影响，高反应温度和低CO2系统分压有利与反应向正方向进行。分解5个过程：(1)热气流传向颗粒表面；(2)热量由表面向分解面传递；（3）分解出的碳酸钙在一定温度下进行分解放出CO2；（4）CO2气体穿过

25、CaO层向表面扩散；(5)表面CO2向周围介质扩散影响碳酸盐分解效率的因素：影响碳酸盐分解效率的因素： a、当颗粒小于30微米，传热和传质过程阻力较小，分解速率决定于化学反应所需要的时间； b、当颗粒尺寸大于1cm后分解速率取决于传质过程 c、分解过程除受温度和压力影响之外，还受热交换条件的影响 在回转窑内，碳酸盐的分解在8001100温度下，需要15min以上； 在分解炉内（850左右）处于悬浮状态，常要几秒钟即可以进行完全。碳酸盐分解的组分与粘土分解的组分通过质点相互扩散进行的反应。800，形成CA、CF、C2S800900，形成C12A79001100，形成C2AS（形成之后又分解）、C

26、3A、C4AF，所有碳酸钙均分解，游离氧化钙值最大。11001200，大量C3A、C4AF、C2S形成，C2S含量达到最大值固相反应放出大量热量，使系统温度升高300以上。影响固相反应的因素影响固相反应的因素a、温度、温度越高反应进行越快b、粒子的细度和均匀性c、相互进行固相反应的物质状态（新生态）固相反应（放热反应）固相反应（放热反应） 8001200：C3A、C4AF、C2S形成，如仅通过固相反应形成C3S时，其温度高达1600 。C3A、C4AF、C2S形成，因此必须形成液相，以降低系统烧成温度。 液相出现特征：液相出现特征：物料由疏松状态转变为色泽灰黑，结构致密的熟料，并伴随有体积收缩，C2S和游离氧化钙逐渐溶解于液相中，相互反应形成C3S。液相形成与熟料烧结液相形成与熟料烧结影响因素CaO-C2S-C3A-C4AF 烧结t=13001450a、系统组分影响液相出现温度，最低共熔点。碱和矿化剂的存在将会降低共熔温度，达到1250左右；b、液相数量与生料的成分，特别是铝率有关。IM越高，t越高 注意：过多的液相存在会使熟料结块、结圈。注意：过多的液相存在会使熟料结块、结圈。最佳液相量最佳液相量=最少液相