水泥的基础知识

水泥的基础知识2.1硅酸盐水泥生产概述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）。硅酸盐水泥分两种类型，不掺加混合材料的称Ⅰ型硅酸盐水泥，用代号P.Ⅰ表示；在硅酸盐水泥粉磨时掺入不超过水泥质量5%的石灰石或粒化高炉渣混合材料的称Ⅱ型硅酸盐水泥，用代号P．Ⅱ表示。其中P为波特兰“Portland”的英文字首。由上述可知，硅酸盐水泥的基本组分材料是硅酸盐水泥熟料、混合材料（石灰石或粒化高炉矿渣）、石膏。2.1.1硅酸盐水泥熟料硅酸盐水泥熟料，国际上的波特兰水泥熟料，简称水泥熟料。是一种由主要含CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3的原料按适当比例配合磨成细粉（生料）烧至部分熔融，所得以硅酸钙为主要成分的水硬性胶凝物质。水泥熟料是各种硅酸盐水泥的主要组分材料，其质量的好坏直接影响到水泥产品的性能与质量优劣，在硅酸盐水泥生产中熟料属于半成品。其详细品质与技术要求见本章“2.4硅酸盐水泥熟料的组成”。2.1.2混合材料混合材料是指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，如粒化高炉矿渣、石灰石等。粒化高炉矿渣是高炉冶炼生铁所得以硅酸钙和铝酸钙为主要成分的熔融物经淬冷成粒后的产品。石灰石为水泥工业原料，在水泥中掺入少量石灰石可以起到混合材料的作用。混合材料的种类、活性、化学组成等详见第11章“11.1混合材料的种类及质量要求”。石灰石的基本化学组成与性能见第3章“3.1水泥原料”。2.1.3石膏石膏是用作调节水泥凝结时间的组分，是缓凝剂。适量石膏可以延缓水泥的凝结时间，使建筑施工中的搅拌、运输、振捣、砌筑等工序得以顺利进行；同时适量的石膏也可以提高水泥的强度。可供使用的是天然石膏，也可以用工业副产石膏。2.1.3.1天然石膏（1）.石膏以二水硫酸钙（CaSO4·2H2）为主要成分的天然矿石。CaSO4·2H2的质量百分含量应为二级及以上，即CaSO4·2H2≥75%。（2）硬石膏以无水硫酸钙（CaSO4）为主要成分的天然矿石，采用天然石膏应符合GB/T5483—1996《石膏与硬石膏》国家标准规定的技术要求。CaSO4／（CaSO4＋CaSO4·2H2）≥75%2.1.3.2工业副产石膏工业生产中以硅酸钙为主要成分的副产品，称工业副产石膏。采用工业副产石膏时，应经过试验证明对水泥性能无害。2.1.4硅酸盐水泥生产技术要求技术要求即品质指标，是衡量水泥品质及保证水泥质量的重要依据。水泥质量可以通过化学指标和物理指标加以控制和评定。化学指标主要是控制水泥中有害物质的化学成分不超过一定限量，若超过了最大允许限量，即意味着对水泥性能和质量可能产生有害的或潜在有害的影响。水泥的物理指标主要是保证水泥具有一定的物理力学性能，满足水泥使用要求，保证工程质量。硅酸盐水泥技术指标主要有不溶物、烧失量、细度、凝结时间、安定性、氧化镁、三氧化硫、碱及强度指标。2.1.4.1水泥的化学和物理指标硅酸盐水泥的化学物理指标及评定方法见表2.1。表2.1硅酸盐水泥化学物理指标序号项目指标检验方法与依据P.1P.Ⅱ1不溶物（%）≤0.75≤1.5GB/T176—19962烧失量（%）≤3.0≤3.5GB/T176—19963细度（比表面积）（m2/kg）≥300GB80744凝结时间（min）初凝≥45终凝≤390GB13465安定性沸煮法检验合格GB1346雷氏夹膨胀(mm）≤5GB13466氧化镁（%）≤5.0；水泥压蒸安定性检验合格可放宽到6.0GB176或GB7507三氧化硫（%）≤3.5GB1768碱（Na2O+0.658Na2O）（%）≤0.6或协商指标GB176(1)不溶物不溶物是指水泥经酸和碱处理，不能被溶解的残留物。其主要成分是结昌SiO2，其次是R2O3，它属于水泥中非活性组分之一。(2)烧失量水泥烧失量是指水泥在950～1000℃高温下燃烧失去的质量百分数。水泥中不溶物和烧失量指标主要是为了控制水泥制造过程中熟料煅烧质量以及限制某些组分材料的掺量。(3)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。水泥须有足够的细度，使用中才能具有良好的和易性、不泌水等施工性能，并具有一定的早期强度，从而满足施工进度要求。从水泥生产来说，水泥的粉磨细度直接影响水泥的能耗、质量、产量和成本，故实际生产中必须权衡利弊作出适当的控制。水泥的细度的调节通过粉磨工艺过程的控制来实现。(4)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。为保证水泥使用时砂浆或混凝土有充分时间进行搅拌、运输和砌筑，必须要求水泥有一定的初凝时间；当施工完毕又希望混凝土能较快硬化，较快脱模，因此，又要求水泥有不太长的终凝时间。凝结时间的调节可以通过加入适量的石膏来实现，并使其达到标准的要求。(5)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。安定性是水泥质量指标中最重要的指标之一，它直接反应水泥质量的好坏。如果水泥中某些成分的化学反应发生在水泥水化过程中甚至硬化后，致使剧烈而不均匀的体积变化（体积膨胀）足以使建筑物强度明显降低，甚至溃裂，这种现象便是水泥安定性不良。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。因此，确保水泥安定性合格的有效途径就是控制熟料中游离氧化钙、方镁石及水泥中石膏掺加量在一个适当的范围内。如果水泥中游离CaO含量达到一定程度时，将造成水泥混凝土体积膨胀而使结构破坏。因此，水泥标准对安定性有严格要求，一般均采用雷氏夹或试饼法、沸煮法检验，而不规定游离CaO含量指标。(6)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。但总结国内水泥生产使用实践，并经大量科研和调查证明，水泥中MgO含量≤5.0%对水泥混凝土工程质量有保证，故标准中规定水泥中MgO的含量不得超过≤5.0%。如果水泥中MgO含量超过≤5.0%，有可能出现游离MgO含量过高和方镁石（结晶MgO）晶体颗粒过大，将造成后期膨胀的潜在危害性，且游离MgO比游离CaO更难水化，沸煮法不能检定。因此，必须采用压蒸安定性试验进行检验。(7)三氧化硫（SO3）水泥中的SO3主要是生产水泥时为调节凝结时间加石膏而带入的，此外，水泥中掺人窑灰，采用石膏矿化剂，使用高硫燃煤都会把SO3带入熟料。通过对不同SO3含量的各种水泥的物理性能试验表明，硅酸盐水泥中SO3含量超过3.5%后，强度下降，温胀率上升，硬化后水泥的体积膨胀，甚至结构破坏，因此，规定水泥中三氧化硫含量不得超过3.5%。(8)碱标准中规定水泥中碱含量按钠碱当量（Na2+0.658K2O）计算值来表示，水泥混凝土中的碱骨料（或称碱-集料）反应与混凝土中拌和物的总碱量、骨料的活性程度及混凝土的使用环境有关，为防止碱骨料反应，不同的混凝土配比和不同使用环境对水泥中碱含量的要求也不会一样，因此，标准中将碱定为任选要求。当用户要求提供低碱水泥时，以钠碱当量计的碱含量应不大于0.60%；当用户对碱含量不作要求时，可以协商制订指标。2.1.4.2强度与强度等级(1)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。它是水泥技术要求中最关键的主要性能指标，又是设计混凝土配合比的重要依据。由于水泥在拌水后硬化过程中强度的逐渐增大的，通常以各龄期的抗压强度、抗折强度或水泥标号来表示水泥的强度增长速率。一般称3d或7d以前的强度为早期强度，28d及其后的强度称为后期强度，也有将3个月以后的强用度称为后期强度。由于水泥到28d时强度大部分发挥出来，以后强度增大相当缓慢，所以通常用28d的强度作为水泥质量的分级来划分硅酸盐水泥的强度等级。(2)强度等级与水泥标号强度等级是按规定龄期的抗压强度和抗折强度来划分，各强度等级水泥的各龄期强度值不得低于表2.2数值。硅酸盐水泥（P.I、P.Ⅱ）的强度等级分42.4、42.5R、52.5、52.5R、62.5、62.5R共六个，其中R型属早强型水泥，它具有比普通水泥3d强度高的特点，而28d的强度指标完全相同。强度等级的另一种称谓就是人们习惯称之的水泥的标号。水泥的标号俗称商品标号，是按水泥强度高低分等级的一种称呼。它的含义是指28d抗压强度达到相应指标外，各龄期的抗压强度、抗折强度均要求达到规定的指标。水泥标号仅是等级划分，它没有单位。硅酸盐水泥（P.I、P.Ⅱ）分424、425R、525R、525、625R、625六个标号。表2.2硅酸盐水泥的强度指标（依据GB175—99）强度等级抗压强度（Mpa）抗折强度（Mpa）标号强度等级3d28d3d28d425425R42.542.5R17.022.042.542.53.54.06.56.5525525R52.552.5R23.027.052.552.54.05.07.07.0625625R62.562.5R28.032.062.562.55.05.58.08.0凡符合某一标号的水泥必须同时满足表2.2所规定的各龄期抗压、抗折强度的相应指标。若其中任一龄期抗压或抗折强度指标达不到所要求标号的规定，则以其中最低的某一个强度指标计算该水泥的强度等级。2.1.4.3废品与不合格品（1）废品凡氧化镁、三氧化硫、初凝时间、安定性中的任一项不符合标准规定时，均为废品。（2）不合格品凡细度、终凝时间、不溶物、烧失量中的任一项不符合标准规定，或混合材料掺加量超过最大限量、强度低于商品强度等级的指标时，该水泥称为不合格品。水泥包装标志中的水泥品种、强度等级、生产者名称、出厂编号不全的，也属于不合格品。2.2硅酸盐水泥的生产工艺2.2.1生产过程硅酸盐水泥的生产过程通常可分为三个阶段：生料制备、熟料煅烧、水泥制成。(1)生料制备石灰石原料，粘土质原料与少量校正原料经破碎后，按一定比例配合、磨细并调配为成分合适、质量均匀的生料，称生料的制备。(2)熟料煅烧生料在水泥窑内煅烧至部分熔融，所得以硅酸钙为主要成分的硅酸盐水泥熟料，称为熟料煅烧。(3)水泥制成熟料加适量石膏、混合材料共同磨细成粉状的水泥，并包装或散装出厂，称为水泥制成及出厂。生料制备的主要工序是生料粉磨，水泥制成及出厂的主要工序是水泥的粉磨。因此，亦可将水泥的生产过程即生料制备、熟料煅烧、水泥泥制成及出厂这三个阶段概况为“两磨一烧”。实际上，水泥的生产过程还有许多工序环节，所谓“两磨一烧”，不过是将水泥生产中的主要工序高度浓缩而已。不同的生产方法、不同的装备技术其水泥生产的具体过程还有差异。2.2.2生产方法水泥的生产方法主要取决生料制备的方法及生产的窑型。目前，主要有两种分类方法：按生料制备的方法来分，可分为湿法、干法；按煅烧熟料窑的结构分，可分为湿法回转窑生产、半干法回转窑(立波尔窑)、干法回转窑生产(普通干法回转窑)、立窑生产、新型干法水泥生产。通常我们习惯于按煅烧熟料窑的结构来分类。(1)湿法将粘土质原料先经淘制成粘土浆，然后与石灰质原料、铁质校正原料和水按一定比例配合喂入磨机制成生料浆，生料浆经调配均匀并符合要求后喂入湿法回转窑煅烧成熟料的方法称为湿法生产，简称为湿法。湿法生产中料浆水分占32%~40%左右。将湿法制备的生料浆脱水烘干后破碎，生料粉入窑煅烧，称之为半湿法生产，亦可归入湿法，但一般称之为湿磨干烧。(2)干法将原料同时烘干与粉磨（或先烘干后再粉磨）成生料粉，而后经调配、均化，符合要求后喂入干法窑内煅烧熟料的生产方法称为干法生产，简称为干法。干法生产中生料以干粉形式入窑。将干法制得的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成熟料的方法称为半干法，半干法料球含水12%～15%。亦可将半干法归入干法。2.2.2.1湿法回转窑生产工艺流程与特点利用卧式回转的水泥设备即回转窑来煅烧