水泥开题报告

河南城建学院报告题目：复合水泥的研制与应用学生姓名：李亚辉年级：013408117专业：无机非金属材料工程申报学位：学士学位院系：土木与材料工程系指导教师：王继娜完成日期：2011年11月10日2011年11月10日一、选题的意义、背景及国内外研究状况1.1工业废渣介绍及建材产业处理现状1997年全国县级以上工业、企业固体废弃物产生量及排放量分别为65749万吨和1549万吨;工业固体废弃物累计储存量已高达65.83亿吨。从行业分析，产生固体废弃物最多的行业是采掘、黑色冶金、化学工业、有色金属冶炼及电力等行业。工业废渣主要有粉煤灰、炉渣、钢渣、赤泥、有色金属渣、工业粉尘、化工废渣、工业及建筑垃圾(含少量生活垃圾)，其中大部分为粉煤灰、炉渣和化工废渣。理论和实践证明，建材产业有条件利用煤炭、冶金、电力等行业产生的煤研石、矿渣、粉煤灰等废渣、废料作为功能性调节材料，缓解这些行业对环境的污染，走循环经济之路，实现可持续发展。在废渣利用上，我国水泥工业的成绩是非常显著的。自上世纪60年代开始，就已开始利用工业废渣，70-80年代工业废渣的种类和数量在不断增加，除矿渣外，粉煤灰、煤研石、电石渣、钢渣、磷渣、铜渣、赤泥、糖渣、排烟脱硫石膏等相继进入水泥生产领域，不但用作水泥混合材，还用作水泥生产配料。90年代开始处理城市垃圾、下水道污泥及一些有毒有害物质，在这些方面，上海金山水泥厂、北京水泥厂等企业开创了先河并做出了不凡的业绩，取得了可观的社会效益和企业经济效益。水泥工业利用工业废渣的研究进展水泥工业的利废潜力主要表现在三个方面。首先是利用各种工业废渣废料作为混合材，例如高炉矿渣、粉煤灰、火山灰、废矿石(石英砂的废料、尾矿、铅渣等)、煤研石、研土、烧页岩等，掺入水泥熟料中，混合粉磨成相应品种的水泥。这种方式是最简便最普通的可以直接增加水泥产量的一种使用方式。其次是利用各种废料作为水泥熟料原料，例如赤泥，电石渣、冶炼尾矿等，经过必要的处理，减少或除去废料中对水泥生产工艺过程和水泥性能产生不良影响的有害成份，充分利用其中的硅、铝、铁、钙等有用成份，替代部分天然原料，调配制成合格的水泥生料。这样可达到既能利用废料，又节约资源，还可相应的节约燃料的用量，这就是人们通常所说的二次原料。第三是利用各种具有可燃组分的废料，包括工业和生活垃圾以及动物脂肪，作为锻烧水泥熟料所需的燃料，通常称为替代燃料或二次燃料。这样既能合理利用资源，又减轻全社会的环保负担。再次，在新型干法水泥生产过程中能够彻底、有效、安全地处理过期农药、化学试剂、化学药品、过期建材旧废品，以及医院、高校、科研院所的试剂药品，既降低处理费用，又能长期的安全有效的达到处理目的。还有一些废物，兼含可燃原料和水泥原料的成分，因而同时用作替代燃料和替代原料，例如煤研石、油页岩、污泥等。世界各国也都在水泥工业生产中加大研究和处理废料的工作力度，由于各种情况的不同，而且处理废料的水平和能力方面也不尽相同，有好有差。在欧洲各国，特别是德国、法国的水泥生产，在处理废料方面起步比较早，步伐较快，技术也比较成熟，达到国际领先水平。在亚洲，日本在水泥生产中的废料处理及工业垃圾替代燃料方面有非常值得的学习和借鉴的地方。日本地少人多，对综合利用，循环经济十分重视，成效也较为显著。日本总体上和法国同处于一流水平。我国在工业废料处理和利用方面主要有两大特点:①用作混合材的工业废料数量特别大，占到水泥利用废料量的80%，用作二次燃料的却特别少，用作二次原料的数量也不高，二者结构比较不甚合理。②水泥工业在我国工业废料处理方面起步较早，但在深入研究、综合提高、使这个放错了地方的资源真正发挥其更大的作用方面，也是近几年才刚刚起步研究和开发。因此，我国水泥工业在利废方面，还有许多艰巨的工作需要踏踏实实地去做，同时还应借鉴其他国家的经验。我国工程院原院士，著名水泥基混合材料专家吴中伟先生就提出了高性能混凝土的要求，高性能混凝土是一种新兴的高技术混凝土，是在大幅度提高普通混凝土性能的基础上，用现代混凝土技术制作的混凝土。以耐久性作为设计的主要指标，针对不同的用途要求，高性能混凝土对下列性能有重点地给于保证:耐久性、工作性、适用性、强度、体积安定性、经济性。为此，高性能混凝土在配置上的特点是低水胶比，选用优质原材料，除水泥、水、基料外，必须掺加足够数量的矿物细粉料和高效外加剂。而粉煤灰就是矿物细掺料中最普遍、最常用的一种。粉煤灰的质量与燃料品种、燃烧温度、锅炉种类等因素有关，其主要成分总量常达到70%以上。由于粉煤灰在高温下瞬间燃烧，急速冷却，所以粉煤灰中玻璃体矿物常占到相当比例，这是粉煤灰具有较高火山灰活性的重要原因之一。据我国35个电厂粉煤灰矿物组成的统计资料显示，其玻璃态占38.5%，玻璃态A1203占12.4%其余还有低铁玻璃体等。粉煤灰是高性能混凝土最常用的矿物掺合料。我国早在1990年就颁布了《粉煤灰混凝土应用技术规范》(GBJ146-1990)，该规范规定:粉煤灰混凝土设计强度等级的龄期，地上工程值为28d，地石工程宜为28d或60d，地下工程宜为60d或90d大体积混凝土工程宜为90d或180d。粉煤灰除作为矿物掺合料外，在水泥生产过程中，根据不同品种、不同性能、不同用途可不同程度地作为水泥生产的混合材掺合料。面对如此重多的材料资源我们可以知道进行复合水泥的研究具有重大的经济意义和环境效益。1.2本课题研究的背景长期以来，我国经济发展的模式是资源消耗型模式，这导致产生大量的废弃物。据统计，我国每年排放的工业废弃物达6亿多吨，其主要出路是:综合利用、储存、处置，剩余的则排放至自然环境。表1-1和表1-2分别为1999年我国工业固体废弃物的种类以及处置、储存、利用和排放情况的统计。从表中可见，我国工业对环境的污染较大，而且存在持续污染的趋势，因此大力发展利用各种工业固体废弃物的生态水泥技术势在必行。国家“5-863计划”的战略目标之一是解决21世纪中国16亿人口高质量居住所需的建筑材料问题，同时又大幅度地减少建筑材料的环境资源负担，研究与开发生态建筑材料及其生产技术;开发应用建筑示范工程，并带动建材行业和建筑行业的技术革命与产业的发展。水泥是建筑材料的最大分支。生态水泥(Eco-cement)就是利用各种固体废弃物，包括工业废料、废渣以及生活垃圾作为原料、燃料制造的水泥。这种水泥能降低废弃物处理的负荷，节省资源、能源，达到与环境共生的目标，是21世纪水泥工业生产技术发展的方向。生产复合水泥就是其中的一个例子。此外，各种天然的，尤其是人工的工业废渣已成为水泥工业和混凝土行业不可缺少的资源。对工业废渣价值观的转变经历了半个世纪，其既有水泥工业本身的需要，也有外来因素的促进，如环境要求，促使水泥界的科技人员对工业废渣的利用进行系统而深入的研究，从而能更有效的利用它们。1.3我国复合水泥的研究现状在水泥生产时加入混合材，不仅可节约熟料及相关的资源与能源，提高了水泥产量，降低了水泥成本，大量利用工业废渣可减少环境的污染;同时混合材也可改善水泥的某些性能，如降低水化热、提高耐久性能等。我国通用水泥标准中允许掺混合材已有近40年的历史，目前掺混合材的硅酸盐水泥在国外也越来越多。例如在欧共体国家中，掺加混合材水泥的产量己占其总产量的一半。王幼云等人的大量试验证明，采用两种或两种以上混合材，复掺较单掺时能明显改善水泥的性能。当然这不是各类混合材料简单的混合，而是有意识地取长补短，产生单一混合材料所没有的优良效果。为将这些成果用于水泥生产，我国制定了GB12958-1999《复合硅酸盐水泥》国家标准，使我国由原先的五大通用水泥增加至六种，该标准规定:凡由硅酸盐水泥熟料、两种或两种以上规定的混合材、适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料，称为复合硅酸盐水泥(简称复合水泥)。混合材总掺量按重量百分比应大于15%，不超过50%，并允许水泥中用不超过8%的窑灰代替部分混合材。该标准实施五年多来，我国水泥工业界已逐渐认识到复合水泥的优越性，在该水泥的研究、生产方面有了较大的发展，获得了良好的经济效益与社会效益。二、研究内容1、研究目标、主要研究内容及拟解决的关键技术2.1.1复合水泥的定义凡由硅酸盐水泥熟料、两种或两种以上规定的混合材料、适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料，称为复合硅酸盐水泥(简称复合水泥)，代号PC。水泥中混合材料总掺加量按质量百分比计应不超过50%水泥中允许用不超过来8%的窑灰代替部分混合材料:掺矿渣时混合材料掺量不得与矿渣硅酸盐水泥重复。2.1.2复合水泥的性能特点（1）对于秦岭水泥而言，复合水泥和普通硅酸盐水泥都采用了相同品质的熟料，但是在掺入混合材的品种和数量上有所不同，而开发复合水泥而言，对熟料质量性能要求更高，成份要求更稳定，生产控制要求更严格，对混合材的选择，搭配都有更高的要求，必须具有严格的质量控制系统和保证体系才能生产出优质的复合水泥。（2）复合水泥中掺入的混合材主要有粉煤灰、煤研石、矿渣，优质粉煤灰由富钙的玻璃珠组成，在水泥混凝土中的作用包括滚珠效应、填充效应和表面水化效应;而矿渣具有最高的潜在胶凝性能，矿渣在水泥中潜在水化活性的发挥基于碱激发和硫酸盐激发的机理，可以改善水泥混凝土中的亚微结构，显著提高了水泥基材料混合性能及激发作用。（3）对于普通水泥而言，掺有粉煤灰的水泥的强度总是低于掺有等量矿渣的水泥的强度。实验研究证明，当掺有粉煤灰时，各龄期强度总是高于含CaA;S的矿物硅酸盐水泥掺加矿渣时的强度。（4）复合水泥己有相应的国家标准确保水泥产品的质量，生产优质产品则是水泥生产企业的宗旨，因熟料成分相应减少，复合水泥的早期强度与普通硅酸盐水泥基本持平，其余性能均无区别，在个别特性方面优于普通硅酸盐水泥。生产复合水泥，可以节省40%的燃料，在最佳掺量下可得到高标号水泥及其它技术性能优良的水泥，而且水泥性能得到了改善，提高了水泥产量，降低了成本，还处理了大量废渣。选用粉煤灰及矿渣作掺合料，高碱性、高活性物质作激发剂，少量熟料来配制复合水泥;一方面复合水泥吃灰量大，另一方面来填补系列水泥的空白，可以给水泥技术革新带来新的生命力，还可以弥补矿渣资源不足，满足小水泥生产需求和工程多方面使用，以及给小水泥厂找出一条新的出路。复合水泥有很大的发展前途，复合水泥的“复合效应”不仅是一种工业废渣高值化的途径，而且还具有显著提高早期强度、整体强度的优点，所以研究复合水泥在物理力学性能上，在宏观和微观上的“复合效应”，对水泥物理化学学科的发展具有重大意义。(5)复合水泥水化热比普通硅酸盐水泥下降10%左右，特别有利于大体积混凝土施工，可降低混凝土内部温度，减少温差应力裂缝产生的机会。(6)复合水泥成本低于普通硅酸盐水泥。在市场经济的时代，用户选择产品的原则是相同质量产品，优先选择价格低的产品，由于复合水泥混合材掺量高，粉磨电耗下降，再加上国家对利用工业废渣的优惠政策使水泥厂有降低成本的空间，从而使用户节约了材料费用，得到更大的实惠。2.1.3我国复合水泥的品种我国出现了多种体系的复合水泥，不仅有传统混合材生产的复合水泥，也有新开辟混合材的复合水泥。传统的混合材为高炉矿渣、火山灰、粉煤灰、石灰石、砂岩、窑灰等;新开辟的混合材有粒化铁炉渣、精炼铬铁渣、增钙液态渣、磷渣、钦渣等。上述混合材在使用方面己制订了相应的标准，属于GB12958-91中“规定的混合材”，可以按照有关规定使用，以复合水泥所掺加混合材分类，有以下几种:石灰石复合水泥据李东旭等人的研究，矿渣与石灰石双掺后，其3d抗压强度高于两者中任一种单掺时的强度。总掺量为20-50%时，复合水泥的抗压强度随石灰石掺量增加而降低。当石灰石掺量控制在10%以内时，不会改变原矿渣水泥的性能。中国水泥厂用矿渣、石灰石、窑灰三掺，生产出了28d抗压强度高于52.5MPa的复合水泥。济南水泥厂以矿渣与石灰石为混合材生产复合水泥，石灰石掺量为12%一15%，其早期强度优于矿渣水泥，初凝时间也较理想;以矿渣、石灰石、粉煤灰三掺时，粉煤灰不宜超过3%的掺加量，否则早期强度偏低，凝结时间也延长了。②矿渣、煤矸石复合水泥邯郸水泥厂将矿渣、煤研石作为混合材生产复合水泥，并用窑灰部分代替矿渣，复合水泥性能全部达到标准中425号复合水泥的各项技术要求。该厂的混合材掺量为矿渣25-27，煤矸石8.5%-v12.5，窑灰5，水泥28d抗压强度可达到51MPa以上。煤矸石中的基本组分是含水硅酸盐的粘土矿物、高岭石或多水高岭石，其中碳质页岩约占40%，经自燃后活性氧化硅、活性氧化铝总量占69-85%，活性较高。陕西省耀县水泥厂特种水泥分厂用15%矿渣、15%煤矸石(没有自燃)双掺，生产出的复合水泥性能也较好，28d抗压强度可达到50MPa以上。③矿渣、磷渣复合水泥磷渣是电炉升华制磷的副产物，经过水淬后含有80%以上的玻璃体，具有与矿渣相接近的水化活性。青岛水泥厂在生产复合水泥时发现，磷渣掺量达到25%的情况下，其水泥性能与矿渣水泥性能相似，在不改变生产工艺的情况下，完全可以生产32.5R水泥，其它各项指标均符合标准规定。磷渣超过25%后，水泥凝结时间延长，3d,7d强度随磷渣掺量增加而显著下降，28d强度则下降幅度较小，如采用激发剂则可改善此种情况。④矿渣、沸石复合水泥沸石是我国常用的一种天然火山灰质混合材，湖北省黄石市第二水泥厂用矿渣25、沸石10%双掺，可生产出425号复合水泥，但沸石掺量不益过多。例如，芦令超等人进行了双掺试验研究，发现加入大量沸石会导致复合水泥早期、后期强度下降幅度较大的现象。使用复合激发剂后，可减小强度降低的幅度。李东旭等人的研究表明，不用激发剂时，固定矿渣、沸石总掺量为40，强度随沸石掺加量的增加而下降。当加入激发剂时，3d,7d强度有所提高。不论有无激发剂加入，复合水泥中以沸石掺量10%时强度最好。⑤其它含矿渣的复合水泥金成昌等人用矿渣、钢渣、粉煤灰、煤渣作混合材，总掺量达到45%以上，激发剂4.5，制造出的复合水泥28d抗压强度可达到48MPa以上。山东建材学院水泥研究所张德成等人研究用矿渣，电厂炉渣也可生产出符合标准的425号复合水泥，此项技术已在泰安某水泥厂得到生产应用，并取得了可观的经济效益。其它的例如矿渣、碎砖双掺，矿渣、页岩、石灰石三掺，也取得了很好的效果。2、拟采取的研究方法、技术路线、实施方案及可行性分析2.1试验室研究生产实施方案过去我国有少数水泥厂可生产复合硅酸盐水泥，其混合材掺量小，产品质量差。如何提高混合材掺量，并保证产品强度在较高等级，是研制复合硅酸盐水泥的关键。通过实验室试验主要优化混合材品种，增加混合材掺量，最大限度节约水泥熟料，使水泥强度达到较高等级。通过在现有湿法线取熟料样品、与预先准备好的五种混合材:炉底渣、炉渣、煤研石、矿山石灰石、韩城矿渣等进行搭配，通过小磨进行试验。磨制出的样品按照国家标准对细度、比表面积、凝结时间、安定性和强度等指标进行检验。各项目检验所采用标准介绍如下:(1)氧化镁、三氧化硫和碱含量:按GB/T176进行。(2)细度:按GBlT1345进行。(3)凝结时间和安定性:按GB/T1346进行。(4)压蒸安定性:按GB/T750进行。(5)强度:按GB1T17671进行。2.2工业性试验研究生产实施方案①出磨水泥质量控制指标②生产过程的要求:1)严格做好现场物料清理，并按搭配比例进行。2)作好磨