水泥工艺学复习整理

水泥工艺学重点胶凝材料一一指在物理、化学作用下，浆体变成坚固石状体，并能胶结其他物料且具有一定机械强度的物质。胶凝材料的分类：有机胶凝材料无机胶凝材料气硬性胶凝材料：拌水后只能在空气中硬化不能在水中硬化水硬性胶凝料：拌水后既能在空气中硬化又能在水中硬化水泥的分类：按其用途和性能分：通用水泥、专用水泥、特性水泥通用硅酸盐水泥分类：1、硅酸盐水泥（波特兰水泥）；2.普通硅酸盐水泥；3、矿渣硅酸盐水泥 4.火山灰质硅酸盐水泥5.粉煤灰硅酸盐水泥 6.复合硅酸盐水泥硅酸盐水泥：凡由硅酸盐水泥熟料、0〜5%的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，称为硅酸盐水泥（即国外通称的波特兰水泥）。通用硅酸盐水泥组分材料：硅酸盐水泥熟料:凡以适当成分的生料烧至部分熔融，所得以硅酸钙为主要成分的烧结物。混合材料：在粉磨水泥时与熟料、石膏一起加入磨内用以改善水泥性能，调节水泥标号、提高水泥产量的矿物质材料。石膏：调节凝结时间，是缓凝剂。还可以提高水泥强度硅酸盐水泥生产技术要求⑴氧化镁（MgO）水泥中氧化镁含量过高时，由于其缓慢的水化和体积膨胀效应可使水泥硬化体结构破坏。采用压蒸安定性试验进行检验。不超过5.0%⑵）三氧化硫（SO3） 不超过3.5%（3） 烧失量水泥烧失量是指水泥在950~1000°C高温下燃烧失去的质量百分数。（4） 细度 细度即水泥的粗细程度，通常以比表面积或筛余数表示（5） 凝结时间水泥凝结时间是水泥从和水开始到失去流动性，即从可塑性状态发展到固体状态所需要的时间，分初终时间和终凝时间两种。初凝时间：是指水泥加水拌和到标准稠度净浆开始失去塑性的时间。终凝时间：是指水泥加水拌和起到标准稠度净浆完全失去塑性的时间。（6） 安定性水泥硬化后体积变化的均匀性称为水泥体积安定性，简称安定性。引起水泥安定性不良的原因主要有三种:熟料中游离氧化钙、方镁石过高及水泥中石膏掺加量过多。⑺强度水泥强度：水泥强度是水泥试体净浆在单位面积上所能承受的外力。通常用28d的强度作为水泥质量划分的强度等级。“R”表示早强型生产方法1、按生料制备的方法分为：湿法：生料浆水分占32%~40%左右。生料浆脱水烘干后破碎，入窑煅烧，称之为半湿法。干法：生料粉调配均匀并加入适量水，制成料球喂入立窑或立波尔窑内煅烧称为半干法，料球含水12%〜15%。干法、湿法优缺点比较干法：热耗低，但粉尘大，生料成分不均匀，熟料质量较湿法窑差。湿法：热耗高，但电耗低，生料易于均化，熟料质量较较好且均匀，且输送方便，粉尘飞扬少。2、按煅烧熟料窑的结构分为：回转窑；立窑。硅酸盐水泥的主要工艺过程:①生产制备（包括原料破碎，原料预均化，原料的配合，生料的粉磨和均化等）②熟料的煅烧③水泥的粉磨和包装水泥生产原料主要有：石灰质原料（主要提供氧化钙）和粘土质原料（主要提供氧化硅、氧化铝及氧化铁），还有少量辅助原料。硅酸盐水泥的生产工艺概括起来就是'两磨一烧”。熟料的化学组成主要氧化物：CaOSiO2A12O3Fe2O3其总和通常占熟料总量的95%以上。主要矿物组成：硅酸三钙：3CaO-SiO2(C3S)硅酸二钙：2CaO-SiO2(C2S)铝酸三钙：3CaO-A12O3(C3A)铁铝酸四钙：4CaO-A12O3-Fe2O3（C4AF）四种熟料矿物特点：硅酸三钙：水化较快，水化热高，抗水性较差。早期强度高，后期强度也高，在四种主要矿物中C3S强度最高。硅酸二钙：水化较慢，凝结硬化慢，水化热低，抗水性好。早期强度低，后期强度高。铝酸三钙：水化最快，水化热最高，抗水性差。早期强度高，三天的强度大部分就发挥出来，三天的强度后的强度不再增长，甚至倒缩。铁铝酸四钙：水化介于C3S和C3A，早期强度类似于C3A，后期不如C3S，水化热较C3A低，抗冲击性能和抗硫酸盐性能好。率值：硅酸盐水泥熟料中各主要氧化物含量之间比例关系的系数称作率值。表示化学成分与矿物组成之间的关系，水泥熟料的性能及其对煅烧的影响。我国主要采用石灰饱和系数（KH）、硅率（SM）、铝率（IM）三个率值。硅率（SM）：表示熟料中氧化硅与氧化铁之和的质量比，也表示了熟料中硅酸盐矿物与熔剂矿物的比例。铝率（IM）：表示熟料中氧化铝和氧化铁的质量比，也表示熟料熔剂矿物中的铝酸三钙与铁酸四钙的比例。石灰饱和系数（KH）：熟料中全部氧化硅生成硅酸钙（硅酸二钙和硅酸三钙）所需的氧化钙含量与全部氧化硅生成所需氧化三钙所需氧化钙最大含量的比例。也即表示熟料中的氧化硅被氧化钙饱和形成硅酸三钙的程度一.石灰质原料定义凡是以碳酸钙为主要成分的原料都属于石灰质原料。水泥生产中常用的是含有碳酸钙的天然矿石。生料的易烧性一、生料的易烧性定义与表示方法定义：是指生料在窑内煅烧成熟料的过程中相对难易程度。表示方法实用易烧性：在1350°C恒温下，在回转窑内煅烧生料CaO<2%达到所需要的时间。易烧性指数或系数越大，易烧性越差 9二.影响生料易烧性的主要因素•①生料的潜在矿物组成 -②原料的性质和颗粒组成-③生料中次要氧化物和微量元素 •④生料的均匀性和生料的粉磨细度配料计算H=S进/S出S ，一 °进：进入均化设施时原料或生料中某成分的标准偏差S°出：卸出均化设施时原料或生料中某成分的标准偏差六个带及各带物理化学变化：物理:干燥与脱水 化学：硅酸盐水解、固相反应碳酸钙的分解过程：热气流向颗粒表面的传热过程；热量由表面以传导方式向分解面传递的过程；碳酸钙在一定温度下吸收热量，进行分解并放出CO2的化学过程；分解放出的CO2,穿过CaO层向表面扩散的传质过程；表面的CO2向周围介质气流扩散的过程。即:两个传热过程、一个传质过程和两个化学反应过程。液相反应：在高温液相作用下，水泥熟料逐渐烧结，物料逐渐由疏松状转变为色泽灰黑、结构致密的熟料，并伴随着体积收缩。同时CaS+CaO-C3S液相量计算1400C P=2.95A+2.2F立波尔窑高温气体通过层料进行传热，因而预热室热端料球表面（料层表面）的温度与料球底层温差达300〜400C，同时，如以煤为燃料，煤灰首先落在料层表面，造成料球化学成分不均匀，故立波尔窑熟料的质量略低，但对含碱量高的原料仍可应用。立窑的锻烧方法：①普通煅烧法②黑生料煅烧法③差热煅烧法④等湿煅烧法生料均化链：①计划开采，搭配装运②原料的预均化③生料粉磨+铁粉④均化库内均化优质熟料：色泽灰黑，微带闪光，表面不甚光滑，结粒细少，游离CaO少，凝结正常，安定性良好，机械度很好的熟料。水泥的水化、凝结、硬化水化一物质由无水状态变为有水状态，由低含水变为高含水，统称为水化。凝结一水泥加水拌和初期形成具有可塑性的浆体，然后逐渐变稠并失去可塑性的过程称硬化一水泥加水拌和到水泥浆完全失去可塑性，并产生一定的机械强度。C3S的水化水化产物：水化硅酸钙（也称C-S-H凝胶）和氢氧化钙。水化过程（水化速率很快，可以划分为五个阶段）I：诱导前期（时间：15分钟）加水后立即发生急剧反应，时间短II：诱导期又称静止期（时间：2—4小时）反应速率极其缓慢III：加速期（时间：4~8小时）反应重新加快，且终凝已过，开始硬化W：减速期（时间：12—24小时）水化作用逐渐受扩散速率控制V:稳定期反应速率很低，基本稳定阶段，水化作用完全受扩散速率控制C2S水化：C2S的水化过程与C3S相似，也有静止期，加速期等，但水化速率很慢约为C3S的1/20水化反应：2CaO・SiO2+mH2O=xCaO・SiO2・yH2O+（2-x）Ca（OH）2水化产物：生成C-S-H和Ca（OH）2c3a水化：水化迅速，其水化产物的组成与结构受溶液中CaO、Al2O3离子浓度和温度的影响很大。1、C3A单独水化常温： C3A+27H今C4AH19+C2AH8铁相固溶体：水化速率比C3A略慢，水化热较低，即使单独水化也不会引起瞬凝。c4af水化过程与c3a也很相似。硅酸盐水泥的水化水化过程实际上就是：熟料解体一一水化一一水化产物凝聚一一水泥石。P177图水化速率的意义：水化速率影响水泥强度的发挥和安定性C3S水化产物形貌：维状粒子、网络状粒子、等大粒子、内部产物孔的分类孔中水的作用对浆体性能的影响粗孔与一般水相同强度、渗透性毛细孔与一般水相同，产生中等的表面张力强度、渗透性、高湿度下的收缩凝胶孔产生强的表面张力，强吸附水，不能形成新目形液面结构孔相对湿度50%以下时收缩，徐变硬化水泥浆体的结构:水泥石由水泥凝胶、吸附在凝胶孔内的凝胶水、Ca（OH）2等结晶相、未水化的水泥颗粒、毛细孔及毛细孔水所组成。孔的产生：矿物完全水化：理论W/C=0.2-0.6；实际砂浆：W/C=0.5（国标实验）；所以：理论加水远远大于实际加水：多余水变成固相体积孔隙孔的类型：1、粗孔：球形大孔2、 毛细孔：大毛细孔、小毛细孔3、 凝胶孔：胶粒间孔、微孔、层间孔凝结过程：水泥加水拌和成水泥浆体，逐渐失去流动性、可塑性，形成具有一定强度的硬化浆体的过程。石膏的作用：1、调节凝结时间；（主要作用）2、提高早期强度；3、降低干缩变形； 4、改善水泥的性能（耐久性、抗渗性、抗冻性）。确定石膏的最佳掺量要同时考虑：凝结时间；强度；安定性。石膏最佳掺入量是指使水泥凝结正常、强度高、安定性良好的掺量。-我国生产的普通水泥石膏掺量一般波动于：SO3=1.5%〜2.5%。石膏缓凝机理：在水泥颗粒表面形成钙矶石保护膜，阻碍水分等移动的结果。石膏掺量方法：1.熟料中C3A或碱含量高时，石膏量适当增加。水泥粉磨越细或混合材采用矿渣量较多时，适量增加石膏。熟料中SO3含量较高时，减少石膏掺量。若熟料中掺用氟、硫等复合矿化剂，采用较高石膏产量。假凝：是指水泥的一种不正常的早期固化或过早变硬现象。水泥加水拌和后，在几分钟内即迅速凝结变硬，经剧烈搅拌后，又重新恢复塑性的现象。安定性不良：水泥在凝结硬化过程中产生剧烈而不均匀的体积变化（体积膨胀），称为安定性不良.体积变化的四种情况1、 化学减缩：水泥在水化硬化过程中，无水的熟料矿物转变为水化产物，固相体积大大增加，而水泥浆体的总体积却在不断缩小，由于这种体积减缩是化学反应所致故称化学减缩。减缩量：水泥熟料各单矿物的减缩作用大小顺序：c3a>c4af>c3s>c2s2、 湿胀干缩：现象：硬化水泥浆体的体积随其含水量而变化。3、 碳化收缩：在一定的相对湿度下，硬化水泥浆体中的水化产物如Ca（OH）2、C-S-H等会与空气中的CO2作用，生成CaCO3和H2O，造成硬化浆体的体积减少，出现不可逆的收缩现象，称为碳化收缩。4、 安定性不良：水泥在凝结硬化过程中产生剧烈而不均匀的体积变化（体积膨胀），称为安定性不良.水泥磨细的优缺点水泥粉磨越细，水化反应就越快，而且更为安全，但是，必须将水泥磨到合适的细度，能充分发挥其活性。水泥越细，标准稠度需水量越大。水泥越细，水化越快，浆体内凝胶含量越多，引起干缩率越大。石膏掺量应与粉磨细度相对应。所以细度增加时，石膏掺入量要相应增加。再提高粉磨细度的同时，磨机的台时产量要下降，电耗、球段和衬板的消耗也必相应增大。随水泥比表面积的提高，干缩和水化放热速率变大，在储存时，则越容易受潮。水化热：水化过程中所放出的热量，称为水泥的水化热。耐久性：硬化水泥石结构在一定环境条件下长期保持稳定质量和使用功能的性质称为耐久性。影响耐久性的因素：1、抗渗性；2、抗冻性；3、对环境介质的抗蚀性4、碱集料反应等。抗渗性：硬化水泥石或混凝土抵抗各种有害介质进入内部的能力。抗冻性：硬化水泥浆体抵抗冻融循环的能力抗冻性的表示方法：以试块能经受-15°C和20r的循环冻融而抗压强度降低不超过25%时的最高次数来表示，如200次或300次冻融循环等。次数越多说明抗冻性越好-抗冻性取决于孔隙率、孔隙特征及充水程度。结冰的破坏机理：1.静水压理论；2.渗透压理论影响抗冻性的因素：1.水泥品种与矿物组成：增加C3S含量，适当增加水泥中石膏掺入量，可以改善抗冻性。水泥强度越高，抗冻性越好水灰比：水灰比越小，硬化水泥浆体中毛细孔率越小，孔径尺寸越小，抗冻性越好。养护龄期：养护龄期越长，抗冻性越好孔结构； 5.硬化浆体的充水程度对水泥耐久性有害的环境介质主要有：淡水、酸和酸性水、硫酸盐溶液和碱溶液导致结果：结构受到破坏，强度降低表现形式：体积膨胀一膨胀型腐蚀体积收缩一溶出型腐蚀耐久性