水泥工艺学讲义

水泥与混凝土工艺第一章绪论第一节胶凝材料的定义和分类一、胶凝材料的定义1.在物理的、化学的、或物理化学的作用下，能从流动状的浆体转变成坚硬的固体的、还能胶结其他材料、并能产生一定的机械强度的物质，称为胶凝材料，有时也称之为胶结材。2.要点说明（1）从流动状（非固体状）转变成固体的过程必须受到外界的作用，这种作用可以是物理的、也可以是化学的还可以是其他的，如电学的、光学的等。称这种由非固态向固态的转变过程为硬化过程。在体系中加水、给体系加热、用光照射、甚至用射线辐射等，这些都是属于物理作用。如向体系中加入少量化学物质便属于化学作用。（2）形成的固体物质本身必须是具有一定的机械强度的，从而具有抵抗外力作用的能力。（3）除了本身具有机械强度外，在硬化过程中还必须能胶结其他材料。胶凝材料的定义说明：一般地，胶凝材料必须同时具备上述三个特征。另外，严格地说，胶凝材料与胶结材料是有区别的。前者就是上述定义的物质，而后者则主要强调材料的胶结性能，并且它们的用途并不完全一样。在工程技术上我们多用胶凝材料一词，胶结材料一词则用得很少。二、胶凝材料的分类胶凝材料种类繁多，习惯上按其化学属性和硬化条件分类如下：1.按化学属性分无机：水硬性：各种水泥非水硬性：石灰石膏、粘土等有机：沥青各种树脂：聚氯乙烯树脂、聚苯乙烯树脂、聚酯树脂、呋喃树脂，酚醛树脂等2.按硬化条件分水硬性（水作用下硬化）：各种水泥非水硬性（非水作用下硬化）：热硬性：各种树脂，聚合物气硬性：石灰、石膏、玻璃胶等光硬性：光敏性树脂三、胶凝材料的发展简史胶凝材料的发展，有着极为悠久的历史：距今约4000-10000年的新石器时代：使用粘土，还发现用天然姜石夯实而成的基础以及铺墁的地面和四壁。大约公元前2000-3000年，我国、埃及、希腊以及罗马等就已开始利用经过煅烧所得的石膏或石灰来调制砌筑砂浆。公元初，“Pozzolana”、“三合土”等石灰-火山灰材料。18世纪后半期，先后出现了水硬性石灰和罗马水泥，可以看成是近代硅酸盐水泥制造的雏型。19世纪初期(1810-1825)，波特兰水泥(PortlandCement，我国称为硅酸盐水泥。英国阿斯普丁(J.A.spdin)于1824年首先取得了该项产品的专利权。20世纪初，逐渐发展出各种不同用途的硅酸盐水泥，如快硬水泥、抗硫酸盐水泥、低热水泥以及油井水泥等。由上可见，胶凝材料的发展是经历了：天然胶凝材料（如粘土）—石膏、石灰—石灰-火山灰—水硬性石灰、天然水泥—硅酸盐水泥—不同品种水泥的各个阶段。四、水泥的定义和分类1、水泥的定义：水泥：与适量的水调和后既能在空气中硬化又能在水中硬化，并能胶结其他块状或粉状物料，最终形成具有抵抗外力能力的凝固体的无机粉状水硬性胶凝材料。要点说明：（1）水泥是一种水硬性胶凝材料。其硬化的必要条件是水的参与，与其他气硬性胶凝材料相区别。水泥在硬化过程中不但自身能硬化，而且能胶结其他物质，如砂子、碎石、钢筋、各种纤维。（2）水泥是无机材料。与其他有机树脂类胶凝材料相区别。（3）水泥是粉状材料。与液体胶凝材料相区别。如液体水玻璃。2、水泥的分类水泥的种类繁多，据称迄今为止全世界使用中的水泥种类已达100多种。通常将水泥按其用途、性能或组成来分类：（1）如按用途和性能分为：1）通用类硅酸盐类水泥，也称六大类水泥硅酸盐水泥普通硅酸盐水泥矿渣硅酸盐水泥火山灰硅酸盐水泥粉煤灰硅酸盐水泥混合硅酸盐水泥2）专用类油井水泥大坝水泥道路水泥锚喷水泥3）特性类快硬水泥白色水泥膨胀水泥低热水泥抗硫酸盐水泥耐酸水泥等（2）按组成分为：硅酸盐水泥铝酸盐水泥硫铝酸盐水泥氟铝酸盐水泥铁铝酸盐水泥少熟料或无熟料五、水泥的基本特性水泥浆具有良好的可塑性，与其他材料混合后的混合物拥有适宜的和易性较强的适应性较好的耐侵蚀、防辐射性能硬化后的水泥浆体具有较高的强度，且强度随龄期的延长而逐渐增长良好的耐久性改变水泥的组成，可适当调整水泥的性质可与纤维、聚合物等多种有机、无机材料匹配制得各种水泥基复合材料，充分发挥材料的潜能六、水泥的用途建筑：房屋桥梁道路大坝涵洞石油：固井地矿：固矿井医药：假牙人造骨骼其它：七、水泥命名的一般原则水泥的命名按不同类别以水泥的主要水硬性矿物、混合材料、用途和主要特性进行。通用水泥：以水泥的主要水硬性矿物冠以混合材料名称或其他适当名称命名，如火山灰质硅酸盐水泥。专用水泥：以专门用途命名，并冠以不同型号，如G级油井水泥。特性水泥：以水泥的主要水硬性矿物名称冠以水泥的主要特性命名，并冠以不同型号或混合材料名称，如低热矿渣硅酸盐水泥。以火山灰性或潜在水硬性材料以及其他活性材料为主要组分的水泥以主要组分的名称冠以活化材料的名称进行命名，也可再冠以特性名称，如石灰火山灰水泥。第二节水泥生产与发展概况一、水泥在国民经济中的重要性使用广，用量大素有“建筑工业的粮食”之称，水泥是建筑工业三大基本材料之一。能耗低混凝土单位质量的能耗为钢材的1/5－1/6，铝合金的1/25，比红砖还低35%。具有水硬性，且强度能在一定的条件下继续增长具有可塑性可浇筑成各种形状的构件适应性强海上、地下、深水、各种气候条件地区、耐蚀、防辐射等。可制成复合材料耐久性好不会生锈（与钢材比）、不腐朽（与木材比）、不老化（与塑料比）新型水泥基材料的功能化及高性能化二、水泥工业发展史1、第一次产业革命时期（1824年）：硅酸盐水泥问世，用间歇式的土立窑烧制熟料。2、1877年：水泥的回转窑烧制技术获得专利。出现单筒冷却机、立式磨、单仓钢球磨。3、1905年：发明了湿法回转窑。4、1910年：立窑实现了机械化连续生产，发明了机立窑。5、1923年~1928年：德国发明了立波尔窑；使窑的产量明显提高，热耗降低较多。6、1950年：悬浮预热器窑的发明，更使熟料热耗大幅度降低；熟料冷却设备也有了较大发展，其他的水泥制造设备也不断更新换代。7、60年代初：以电子计算机为代表的新技术在水泥工业中开始得到应用。8、70年代初：（1971年）日本在引进西德悬浮预热器技术的基础上开发出窑外分解技术，从而带来了水泥生产技术的重大突破，揭开了现代水泥工业的新篇章。9、70年代中后期：带悬浮预热器的窑外分解窑在全世界范围内推广应用。生产过程采用计算机集中或分散控制。1980年世界水泥产量达8.7亿吨。2003年世界水泥产量14亿吨。三、水泥工业的整个发展过程可用下列框图表示四、中国水泥工业的发展1、发展概述（1）早期发展阶段（1889~1937年）：1889年中国第一个水泥厂建于河北唐山，名为启新洋灰公司（今启新水泥厂前身）。随后陆续建立大连、上海、广州、中国（南京）等水泥厂。1952年到1980年28年间水泥总产为5100万吨。1981年一年年产量就达9700万吨。（2）衰落停滞阶段（1937年－1949年）先后建设了哈尔滨、本溪、小屯、抚顺、锦西、牡丹江、琉璃河、重庆、嘉华、昆明、贵阳、华新、江南等水泥厂。这些水泥厂大多数是由外国人主持设计和建设，生产设备主要来自国外，没有规范的水泥工业建设机制，又因连年战乱，许多水泥厂不能持续稳定地生产。1949年，全国水泥总产量为66万吨。（3）自行研制阶段（1950—60年代）：我国开始研制湿法回转窑和半干法立波尔窑生产线成套设备，并进行预热器窑的试验，使我国水泥工业生产技术和生产设备取得较大进步。这期间，先后新建、扩建了30多个重点大中型的湿法回转窑和半干法立波尔窑生产企业，同期，也建设了一批立窑水泥企业。（4）发展初期（1970—80年代）：我国自行研制的日产700吨、1000吨、1200吨、2000吨熟料的预分解窑生产线分别在新疆、江苏邳县、上海川沙、辽宁本溪和江西水泥厂建成投产；从1978年开始，我国相继从国外引进了一批日产2000吨—4000吨熟料的预分解窑生产线成套设备，先后建成了冀东、宁国、柳州、云浮等大型水泥企业，这些大型水泥厂的建成，不仅极大地改善了水泥生产结构，而且迅速提高了我国的新型干法水泥生产能力和技术水平。（5）产业结构调整蓬勃发展阶段（1990年代—本世纪初）A.产业结构调整1）东部和沿海沿江经济发达地区原则上发展日产4000吨及以上的新型干法窑外分解水泥生产线；2）其他地区可发展日产2000吨－4000吨的新型干法线；3）除边远地区、交通不便、经济欠发达地区外，原则上不再扩建、新建日产1000吨及以下规模的生产线。B.发展状况1）到2005年底，全国累计建成投产的新型干法生产线有600条以上，预分解窑水泥产量占全国水泥总产量的比例，由2002年的16.8%增长38.8%。2）在随后的5年里，中国新型干法水泥工业的平均增长率保持在8%左右，截止到2010年预分解窑水泥产量占全国水泥总产量的比例达到50%以上；3）2500t/d熟料左右的生产线，在沿海发达地区的竞争能力已经大大下降，许多大型集团把建设5000t/d以上级生产线作为发展重点（仅海螺集团一家就建成投产了四条10000t/d熟料生产线）。4）市场竞争、企业兼并、外资渗入促使新型干法水泥迅猛发展；国内企业利用新型干法技术进行企业间的兼并，涌现了一批大型水泥集团公司，如海螺、天山、冀东、山水等；外资的渗入，使先进的新型干法在国内高速发展，起到了示范效应，如拉法基、菲律宾康达集团、日本小野田、韩国大宇、中国台湾的台泥等；民间资本的参与，使新型干法在经济发达地区快速发展，并逐步向内地进军，特别是浙江的民间资本最有眼光、行动最快。2、主要存在问题（1）人均产量远远低于世界先进水平；（2）水泥厂设备守旧、技术落后；（3）小水泥厂占相当大部分；（4）大水泥厂中湿法占一半以上；（5）环境污染严重、水泥质量不够稳定；（6）中小水泥厂多、规模化、集团化大企业少。3、今后水泥工业的中心课题能源资源环境保护循环经济可持续发展第三节通用水泥生产的主要工艺过程生料制备熟料煅烧水泥磨制即“两磨一烧”第四节混凝土的发展概况混凝土的发展历史与水泥的发展历史是同步的。水泥混凝土（1824年，波特兰水泥发明后）钢筋混凝土收缩补偿混凝土、自应力混凝土无机材料、有机材料复合制备混凝土纤维增强混凝土轻质混凝土高性能混凝土工业废渣制备混凝土预拌混凝土、混凝土商品化混凝土外加剂的应用第二章硅酸盐水泥熟料的组成定义：凡以适当成分的生料烧至部分熔融，冷却后所得的以硅酸钙为主要成分的烧结物，即为硅酸盐水泥熟料，简称熟料。熟料化学成分：主要成分：CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3约95%次要成分：MgO、SO3、TiO2、P2O5、K2O、Na2O等约5%各氧化物的波动范围为：CaO:6067%SiO2:2024%Al2O3:49%Fe2O3:2.56.0%第一节熟料的矿物组成主要矿物：硅酸三钙：3CaO·SiO2，简写为C3S硅酸二钙：2CaO·SiO2，简写为C2S铝酸三钙：3CaO·Al2O3，简写为C3A铁铝酸四钙：4CaO·Al2O3·Fe2O3，简写为C4AF称C3S和C2S为硅酸盐矿物，称C3A和C4AF为熔剂性矿物（在水泥熟料煅烧过程中该两矿物于1250～1280℃开始熔融转变为液相）。次要矿物：游离氧化钙（f-CaO）方镁石（结晶态氧化镁）含碱矿物硫酸盐以及玻璃体等熟料矿物的波动范围及特征：C3S和C2S的合计含量：～75%，C3A和C4AF的合计含量：～22%。正常的硅酸盐水泥熟料应当具有如下岩相结构特征：边缘清晰并带有尖角的颗粒即为C3S矿物；带有双晶纹的圆形颗粒则为C2S矿物；夹杂于C3S和C2S之间的外形不固定的细小颗粒即为C3A和C4AF，其中反光显微镜下呈亮色的为C4AF俗称白色中间相，颜色比较灰暗的为C3A俗称黑色中间相。一、硅酸三钙含量：50～60%热力学稳定温度范围：2065～1250℃之间，高于2065℃或低于1250℃均会分解，高于2065℃时分解为CaO+液相，低于1250℃时分解为C2