水泥工学重点

一．英文三、名词解释1.胶凝材料：在物理、化学、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、并能产生一定机械强度的物质，称为胶凝材料，有时也称之为胶结材料。2.硅酸盐水泥：凡由硅酸盐水泥熟料、05%石灰石或粒化高炉矿渣、适量石膏经磨细制成的水硬性胶凝材料，称为硅酸盐水泥。3.硅酸盐水泥熟料：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，称为硅酸盐水泥熟料，简称熟料4.水泥凝结时间：指水泥拌水以后渐渐失去流动性，至转变成具有一定抵抗外力作用能力的状态所经历的时间。5.等效粒径：设有一颗粒径为d0的单一碳酸钙，和一组粒径大小不等的粒子组成的集合态碳酸钙颗粒群，它们经过相同反应时间后达到相同的分解率，称粒径d0为上述颗粒群的等效粒径6.凝结：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。7.急凝：在C3A含量较高，或石膏等缓凝剂掺量过少时，水泥加水拌和后，C3A迅速反应生成大量片状的水化铝酸钙（C4AH13），并连接形成松散网状结构，现不可逆固化，又称“速凝”或“闪凝”8.活性混合材：经国家标准方法检验后确证其活性指标满足国家标准规定的技术指标要求的、天然的或人工的混合材料。9.废品：凡氧化镁、三氧化硫、初凝时间、安定性中任何一项不符合国家标准规定指标，即为废品10.不合格品：凡细度、终凝时间、不溶物和烧失量中的任何一项不符合国家标准规定指标，或混合材掺量超过最大限量，或强度低于商品标号规定的指标时，称为不合格品。水泥包装标志水泥品种、标号、工厂名称和出厂编号不全的也属于不合格品。四简答题：1.硅酸盐水泥熟料各率值（KH/SM/IM）与煅烧之间的关系各率值（KH/SM/IM）与熟料矿物组成之间的关系①硅率SM与熟料矿物组成之间的关系硅率间接地反映了熟料中硅酸盐矿物与熔剂性矿物之比。这就反过来说明，提出硅率的概念同时利用硅率来控制水泥熟料的成分和生产在理论上是合理的。硅率越大水泥熟料中硅酸盐矿物越多，熔剂性矿物越少，如果熟料中有足够的CaO就有可能形成较多的阿利特，水泥将具有良好的早强特性，但这样的熟料比较难以烧成；如果熟料中CaO并不多，则熟料中可能形成较多的贝利特，水泥虽然早期强度较低，但放热量较小，耐蚀性较好。硅率SM与熟料煅烧之间的关系水泥熟料的烧成过程是一个固液相反应过程，液相量在很大程度上起着促进熟料烧成过程过程的作用。在一定范围内，SM低，体系液相多，熟料易于烧成。但是，过多的液相可能造成窑的操作控制困难，如易出现结大块、结炉瘤、结圈等不正常现象；同时，熟料中硅酸盐矿物减少，强度低。相反，SM高，体系液相量少，熟料就难以烧成；特别是当氧化钙含量低，硅酸二钙含量多时，熟料易于粉化。②铝率IM与熟料矿物组成之间的关系•铝率间接地反映了水泥熟料中C3A与C4AF含量之比,一定程度上反映了水泥煅烧过程中高温液相的粘度。•铝率高，熟料中C3A含量就高，C4AF含量就少。铝率IM与熟料煅烧之间的关系•铝率高，高温下液相的粘度大，不利于质点在液相中的移动，从而对熟料的烧成并不十分有利。但是铝率高的生料烧结范围宽，有利于窑的操作控制。铝率低,生料高温下液相粘度低，有利于质点的移动；有利于硅酸三钙的烧成过程，但是铝率低的生料烧成温度下烧结温度范围变窄，不利于窑的操作控制，易结大块③石灰饱和系数КН与熟料矿物组成之间的关系当КН=1.0时，熟料矿物组成为：C3S、C3A、C4AF，没有C2S。当КН=2/3时，熟料矿物组成为：C2S、C3A、C4AF，没有C3S。当КН=2/3～1.0之间时，熟料矿物组成为：C3S、C2S、C3A、C4AF。所以，理论上硅酸盐水泥熟料的石灰饱和系数КН值应当控制在2/3～1.0之间。实际生产中石灰饱和系数往往控制在0.82～0.94之间（0.86～0.92）。石灰饱和系数КН与熟料煅烧之间的关系提高KH有利于提高水泥质量，但KH过高，熟料煅烧困难，必须延长煅烧时间；否则会出现f-CaO2.硅酸三钙的水化过程(五个阶段，三个假说)（I）诱导前期：水解期；水泥与水接触后立即发生急剧的化学反应，钙离子和氢氧根离子迅速释放，经历的时间很短，只有15分钟左右；pH值几分钟内上升到大于12，溶液具有强碱性。（II）诱导期：水化反应速度突然变慢、放热速度接近于零，持续时间大约1～4个小时；是水泥保持塑性的原因。初凝时间基本相当于诱导期的结束。（III）加速期：水化反应重新加快，且速度随时间而增大，历时4～8小时。出现第二放热峰。对应水泥浆体已过终凝，开始硬化。（IV）减速期：水化反应速度随时间而减小，C3S浆体已完全转变成硬化体，水化反应转入扩散方式。持续时间约为12～24个小时（V）稳定期：反应速度再次减低至接近于零，水化作用完全处于扩散控制方式，几乎停止。（1）保护层（障碍层）假说：H.N.Stein等人认为诱导期是由于C3S水化产物在其表面形成保护膜所致，而保护膜的破坏对应诱导期的结束。假设C3S在水中是一致溶的，水化最初期生成第一水化产物C3SHn很快就在C3S表面形成致密而不透水的障碍层，从而阻碍了C3S的进一步水化。在水化放热曲线上表现为放热速率减慢，在液相特征上表现为C3S向液相溶出Ca2+离子的速度减小。随着水化的推进，包裹于C3S表面的第一水化物（C3SHn）转变为结构比较稀疏、离子易于通过的第二水化物（C/S=0.8～1.5），较多的OH-透过保护膜到达C3S的表面使C3S水化重新得到加速，放热速率增大，Ca2+浓度再次迅速增加至接近饱和，诱导期结束。（2）晶核形成延缓假说：CH或C-S-H的晶核形成和生长都需要一定的时间，引起初期水化的进展延缓，是诱导期产生的原因。M.E.Tadors等认为，C3S水化初期不一致溶，主要溶出Ca2+，C3S表面变成缺钙的“富硅层”并带负电；反过来吸附溶出的Ca2+在C3S表面形成双电层。双电层出现阻碍了C3S表面Ca2+向液相的进一步溶出，液相中Ca(OH)2和C-S-H晶核形成受到延缓，体系进入诱导期。随着时间的推移，液相Ca2+缓慢增加至足够的过饱和（饱和浓度的1.5～2.0倍），才形成稳定的Ca(OH)2和C-S-H晶核。当晶核生长到足够尺寸和数量时才快速结合液相中的Ca2+和OH-，并大量析出Ca(OH)2晶体和C-S-H，水化重新得到加速，诱导期结束。（3）晶格缺陷假说：诱导期的产生：认为C3S的早期水化并不在C3S颗粒的整个表面上展开，而只是在具有晶格缺陷的部位，也就是最易与水发生作用的活性点上开始。由于这种晶格缺陷的数量有限，因此水化的进展就十分缓慢，产生诱导期；诱导期的结束：诱导期的长短直接取决于晶格缺陷的类别和数量，或者说，水化反应蔓延之整个C3S表面时，诱导期就结束。3.硅酸盐水泥制备的工艺流程图（图示+文字说明）生料制备阶段：将石灰石原料、粘土质原料与少量校正原料经破碎后，按一定比例配合、磨细，并配合为成分合适、适量均匀的生料。4.硅酸盐水泥熟料煅烧过程中碳酸钙分解反应过程及控制因素反应过程：（1）气流向碳酸钙颗粒表面的传热（2）热量通过CaO产物层向反应界面的传递（3）碳酸钙部分达到分解温度发生分解反应，放出CO2（4）分解放出的CO2通过CaO产物层向外扩散（5）颗粒表面的CO2向周围扩散控制因素：①不同粒度碳酸钙粒子的分解过程控制机制•根据福斯腾（B.Vosteen）的计算，当碳酸钙颗粒尺寸小于30m时，传热和传质过程阻力小，速度很快，整过程的速度主要取决于碳酸钙的分解反应过程；•当碳酸钙颗粒约为200um时，传热、传质和化学反应速度不相上下；当碳酸钙颗粒尺寸约为1cm时，传热和传质速度很慢，化学反应不再是整个过程的控制因素②不同形式窑内生料的状态和碳酸钙分解控制机制•回转窑内生料呈堆积状态，生料传热速度很慢。尽管生料粉颗粒的特征粒径只有30m，生料中碳酸钙的分解主要取决于传热和传质过程，而不是化学反应过程；•在立窑和立波尔窑内，虽然传热面积大于回转窑，但是由于料球颗粒较大，决定碳酸钙分解过程的因素仍然是传热和传质过程；•只有在分解炉内生料中碳酸钙的分解才取决于化学反应过程（生料粉悬浮于热气流中）。5.硅酸三钙和硅酸二钙水化过程的异同点•水化阶段：同样经历诱导前期（水解期）、诱导期、加速期、减速期和稳定期几个阶段；•水化速率：比C3S小得多，约为C3S水化速率的1/20•诱导期：-C2S的诱导期比C3S的诱导期要长得多•水化放热速率：比C3S的水化放热速率也要慢得多6.不同矿物之间水化过程的影响（1）C3S对C2S水化的促进作用：C3S水化速度远远大于C2S，C3S在水化过程中放出的Ca2+使液相Ca2+浓度迅速提高，促使CH析晶。这个过程很大程度上缩短了C2S的诱导期，从而加快其水化。（2）C3A和C4AF争夺消耗SO42-离子及对C3S水化的影响：C3A较C4AF活泼，反应速度快，较多石膏被消耗后，剩余的石膏才供给C4AF反应，造成C4AF不能按计量形成水化硫铝（铁）酸钙，有可能使水化受到延缓。如石膏量过少，C3A的初始水化反应没有很好控制，在C3S重新加速水化之前已经有AFm型固溶体形成，从而消耗CH，则会影响CH和C-S-H的成核作用，延缓水化过程。但，适量石膏可使硅酸盐水泥的水化加速。（3）碱的存在促进C3S的水化：Na2O浓度低和高的不同影响！低浓度：碱的存在造成Ca(OH)2饱和浓度降低，促使较低Ca2+浓度下Ca(OH)2晶体析出，从而促进C3S水化。高浓度：OH-浓度高时，C3A中Al-O键被破坏（4）水化产物均为固溶体：C-S-H凝胶中固溶有大量的Al2O3、Fe2O3、MgO、SO3等物质五．计算题1、已知CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3分别含量为X、Y、Z、I，试计算各率值、四种矿物组成递减试差法进行配料计算各率值、四种矿物组成使用公式如下：递减试差法进行配料计算：见书本P452.已知Cao=56.08,SiO2=60.09,Al2O3,Fe2O3=159.70,推КН=（C3S+0.8833C2S）/（C3S+1.3256C2S）解：设熟料中用于形成C3S和C2S的CaO质量为Cs，用于形成C3S和C2S的SiO2质量为Sc，则有：КН=Cs/2.8Sc又假定熟料形成过程中先是Sc与部分Cs反应形成C2S，此时所消耗的CaO为C1，而剩余的CaO（C2）再与先前形成的C2S作用形成C3S。这就是说，剩余多少分子的CaO就可以生成多少分子的C3S。在上述条件下，就可以得到C3S、C2S与Cs和Sc之间的关系如下：C1=2McSc/Ms=1.87Sc（Mc、Ms分别为CaO和SiO2摩尔质量）C2=Cs–1.87Sc则有：C3S=MC3SC2/Mc=4.07Cs–7.61Sc（1）由质量守恒定律，C2S=Cs+Sc–C3S=8.61Cs–3.07Sc（2）解方程组（1）、（2）便可得到Cs和Sc、与C3S、C2S之间的关系。再将KH=Cs/2.8Sc代入便可得到：КН=（C3S+0.8833C2S）/（C3S+1.3256C2S）