无机非金属材料学水泥第一、二节

第五章水泥材料•概述•硅酸盐水泥熟料的组成和配料•硅酸盐水泥的生产工艺•硅酸盐水泥的水化与硬化•掺混合材料的水泥•特种水泥和新型水泥桥水泥管水泥喷浆作业水泥空心砖现代建筑水泥井盖马奇诺防线第五章水泥材料•第一节概述•一、水泥的定义和分类•加入适量水后可成塑性浆体，既能在空气中硬化也可在水中继续硬化，并能将砂、石或纤维材料牢固地胶结在一起的细粉状无机非金属水硬性胶凝材料，通称水泥。硅酸盐水泥火山灰质硅酸盐水泥通用水泥矿渣硅酸盐水泥•水泥专用水泥如：油井水泥；水工水泥特性水泥快硬硅酸盐水泥膨胀硫铝酸盐水泥抗硫酸盐硅酸盐水泥二、水泥的性能和应用•六大通用水泥1硅酸盐水泥：高强混凝土、预应力混凝土和有早强要求的混凝土工程2普通硅酸盐水泥：同硅水3矿渣水泥：大体积混凝土工程，耐酸耐热混凝土工程4火山灰水泥：地下、水中的工程，耐腐蚀抗渗工程，不适宜干燥地区5粉煤灰水泥：基本同上，分三个等级6复合水泥：性能应用可调不同环境下水泥的选择•高湿度或水下混凝土：矿渣•临时抢修：高铝和早强•干燥环境：硅酸盐•厚大体积：矿渣、火山灰、粉煤灰•要求快硬：硅酸盐•严寒地区：普通、硅酸盐•抗渗：硅酸盐、火山灰•耐磨：硅酸盐三、硅酸盐水泥的生产方法及主要工艺流程硅酸盐水泥：凡由硅酸盐水泥熟料、0~5％石灰石或粒化高炉矿渣、适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料（Portlandcement）I型硅酸盐水泥－不掺混合材料(PI);II型硅酸盐水泥－5％掺杂量（PII）硅酸盐水泥的生产过程－“两磨一烧”•生料制备（将石灰质、粘土质原料、少量校正原料，配合、磨细、均化调制）－“一磨”•熟料煅烧（将混合生料在窑中煅烧、熔融，得到以硅酸钙为主要成分的熟料混合物）－“烧”•混磨（将熟料、适量石膏、配合料共同磨细成水泥）－“二磨”水泥生产过程第二节硅酸盐水泥熟料的组成和配料•一、硅酸盐水泥熟料的化学成分•CaO62~76%;SiO220~24%;Al2O34~7%;Fe2O32.5~6%;其他5％（MgO,SO3,TiO2,K2O等）二、熟料的矿物组成•硅酸三钙3CaOSiO2(C3S)•硅酸二钙2CaOSiO2(C2S)75%•铝酸三钙3CaOAl2O3(C3A)熔剂性•铁铝酸四钙4CaOAl2O3Fe2O3(C4AF)22%•少量游离CaO,方镁石(MgO)，含碱矿物及玻璃体等1，硅酸三钙•由硅酸二钙和氧化钙反应生成，是硅酸盐水泥的主要矿物，含量50%-60%•在1250～2065oC稳定，室温为介稳态，白色•固熔少量MgO,Al2O3,Fe2O3的C3S称阿利特（Alite）或A矿•水硬活性高，水化快，放热多，40～50mm的C3S加水28天可水化70％左右•强度发展快，早期强度高，强度增率较大，28天强度可达到一年强度的70~80%•抗水性较差2，硅酸二钙•由氧化钙和氧化硅反应生成，含量20％•有多种晶型，固熔少量MgO,Al2O3,Fe2O3时，以b相存在，称贝利特（Belite）或B矿•还原气氛下，烧成温度低，液相量不足时，b相转变为g相，体积膨胀10％，熟料粉化•水化慢，凝结硬化慢，早期强度低•长期强度增率较大，一年后可赶上C3S•水化热小，抗水性好a•C3S－结晶轮廓清晰．呈灰色多角形颗粒，晶粒较大，多为六角形和棱柱形•C2S－常呈圆粒状，也可见其它不规则形状。反光显微下常有黑白交叉双晶条纹。3，铝酸三钙•铝酸钙主要为C3A，有时也有C12A7，含量7～15％•水化迅速，凝结快，若不加石膏会造成水泥快凝而不能使用•硬化快，强度3天就发挥出来，但强度绝对值不高，后期强度几乎不增长，甚至倒缩•干缩变形大，抗硫酸盐性能较差•对于大体积工程，需尽量降低其含量4，铁相固熔体•组成复杂，为C8A3F-C2F一系列连续固熔体，成分接近于C4AF。•含量10～18％•固熔MgO,SiO2,K2O，Na2O，TiO2时，称才立特celite，或C矿•其水化速度在早期介于铝酸三钙和硅酸三钙之间，但随后的发展不如硅酸三钙。•其强度早期发展较快，后期还能不断增长，类似于硅酸三钙。•才立特的抗冲击性能和抗硫酸盐性能较好，水化热较铝酸三钙低•铁酸二钙水化较慢，但有一定的水硬性5，其他少量矿物•玻璃体——熟料熔融时产生的液相，快速冷却时，部分来不及析晶，形成玻璃相；玻璃体的主要成分为Fe2O3、Al2O3、CaO，也有少量的MgO和碱(K2O和Na2O)等。一般含量范围2～21％，随冷却快慢而异。•游离氧化钙(f-CaO)——生料煅烧不当产生，结构致密，水化慢，水化后生成氢氧化钙，体积增加，在水泥内部产生内应力，使水泥强度下降，甚至导致破坏，须严格控制其含量。•方镁石——水化非常慢，在0.5~1年内才明显，水化后形成氢氧化镁，体积膨胀148％，使硬化水泥石结构破坏游离氧化钙产生：生料过粗或煅烧不良时，熟料中出现没有被吸收的以游离状态存在的氧化钙，称为游离氧化钙，又称游离石灰(Freelime或f—CaO)。形貌：偏光镜下为无色圆形颗粒，有明显解理，有时有反常干涉色。反光镜下用蒸馏水浸蚀后呈彩虹色。性质：水化很慢；水化生成氢氧化钙时，体积膨胀97.9％，在硬化水泥石内部造成局部膨胀应力。作用:强度降低，甚至倒缩；严重时甚至引起安定性不良，使水泥制品变形或开裂，导致水泥浆体的破坏。应严格控制游离氧化钙的含量。方镁石方镁石的产生：熟料煅烧时，多余的氧化镁结晶。方镁石的形貌：反光镜下呈多角形，一般为粉红色，并有黑边。快冷结晶细小。方镁石——系游离状态的氧化镁晶体。氧化镁的作用：生料含有少量氧化镁时，能降低熟料液相生成温度，增加液相数量，降低液相粘度，有利于熟料形成，还能改善熟料色泽。方镁石性质：方镁石的水化比游离氧化钙更为缓慢；水化生成氢氧化镁时，体积膨胀148％，也会导致安定性不良。方镁石膨胀的严重程度与其含量、晶体尺寸等都有关系。国家标准规定，熟料中氧化镁含量应小于5％。但如水泥经压蒸安定性试验合格，熟料中氧化镁的含量可允许达6%，但应采取调整铝率、快速冷却、掺混合材料等措施，以缓和膨胀的影响。三、熟料率值1、硅率或硅酸率－熟料化学成分SiO2与Al2O3和Fe2O3总和的百分含量的比率，用SM表示，通常为1.7~2.7也可用熟料中硅酸盐矿物与溶剂性矿物之间的比例关系表示，当Al2O3/Fe2O30.64时，硅率过高，溶剂性矿物过少，熟料煅烧困难，C3S形成困难，烧成温度高，使C2S过多导致熟料粉化硅率过低，硅酸盐矿物少而强度低，由于液相量过多，烧成中易出现结块，影响烧成2、铝率或铁率用IM表示，一般0.9~1.7也可用熟料中C3A与C4AF的比例关系表示铝率高，C3A多，C4AF少，熟料烧成中液相粘度大，C3S形成困难，而且水泥中因C3A多可能凝结快铝率过低，烧结范围变窄，窑内易结块，不利窑的烧成•如果熟料中p=A12O3／Fe2O3＝0．64时，熟料中的Al2O3和Fe2O3一起化合成C4AF。Al2O3和Fe2O3都没有剩余，不能再生成C3A或C2F。•当p大于0．64时，熟料中全部Fe2O3和部分Al2O3与CaO化合生成C4AF外，尚有Al2O3剩余，这部分剩余的Al2O3与CaO化合生成C3A：•当p小于0.64时，熟料中的全部Al2O3和部分Fe2O3与CaO化合生成C4AF外，尚有Fe2O3剩余，这部分剩余的Fe2O3与CaO化合生成C2F（铁酸二钙）。•所以：•当p大于0.64时，熟料中的矿物为C3S、C2S、C3A和C4AF；当p小于0.64时，熟料中的矿物为C3S、C2S、C4AF和C2F。3，石灰公式(1)•设SiO2，Al2O3和Fe2O3分别与CaO形成C3S,C3A和C4AF•1％酸性氧化物所需的石灰量为•每1％酸性氧化物所需石灰量乘以相应酸性氧化物百分含量，就可得熟料中石灰最大理论含量计算式CaO＝2.8SiO2+1.65Al2O3+0.35Fe2O33,石灰公式(2)•CaO与Al2O3和Fe2O3形成C3A和C4AF后剩下的CaO与使SiO2饱和形成C3S所需的CaO的比值称为石灰饱和系数，以KH表示•表示全部SiO2与CaO形成（C3S＋C2S）所需的CaO量与理论上全部SiO2与CaO形成C3S所需CaO的比，即熟料中SiO2被CaO饱和成硅酸三钙的程度•上式适用与IM0.64的熟料3,石灰公式•若IM0.64,此时全部Al2O3都形成C4AF，则石灰饱和系数3,石灰公式•考虑到熟料中还有游离CaO，游离SiO2与石膏，故应将上两式分别改写为•石灰饱和系数与熟料的关系•当石灰饱和系数等于1.0时，形成的矿物组成为C3S,C3A和C4AF，而无C2S•当石灰饱和系数等于0.667时，形成的矿物组成为C2S,C3A和C4AF，而无C3S•石灰饱和系数值升高，说明熟料中C3S相对量增多，C2S相对含量减少。水泥强度高，但熟料煅烧困难，保温时间长，否则容易出现游离氧化钙。•为使熟料矿物顺利形成，不致因过多的游离石灰而影响熟料质量，通常石灰饱和系数在0.82~0.94之间•当C2S=0时，KH=1，即此时的熟料矿物只有C3S、C3A、C4AF而无C2S。•当C3S=0时，KH=0.667，即此时的熟料矿物只有C2S、C3A、C4AF而无C3S；因此，在正常硅酸盐水泥熟料中，石灰饱和系数KH应控制在0.667~1.0之间。为了使水泥具有较好的力学性能等综合性能，应适当提高C3S在熟料中的含量，KH一般控制在0.88~0.94。以C3S、C2S、C3A、C4AF、CaSO4以及CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3、SO3分别代表熟料中各矿物和氧化物的百分含量，则四种矿物和硫酸钙的化学成分百分数可列成下表。氧化物C3SC2SC3AC4AFCaSO4CaO73.6965.1262.2746.1641.19SiO226.3134.88Al2O337.7320.98Fe2O332.86SO358.81四、熟料矿物组成的计算及换算公式依据表中数值，可以列出以下方程式：C＝0.7369C3S+0.651C2S+0.6227C3A+0.4616C4AF+0.4119CaSO4S＝0.2631C3S+0.3488C2SA＝0.3773C3A+0.2098C4AFF＝0.3286C4AF•解方程式，可得到：四、熟料矿物组成的计算及换算公式•由石灰饱和系数KH，硅率SM，铝率IM也可计算其化学组成S表示设计熟料中SiO2,Al2O3,Fe2O3,CaO四种氧化物含量总和，一般为97％影响生料易烧性的主要因素：生料的潜在矿物组成KH、SM高，生料难烧；反之易烧，易结圈；SM、IM高难烧，烧成温度高。原料的性质和颗粒组成石英和方解石含量多、结晶质粗粒多难烧，易烧性差。生料中的次要氧化物和微量元素次要氧化物MgO、Na2O、K2O等有利于熟料形成，但量过多，不利于熟料煅烧并影响质量。五，配料及配料计算•原料的选择石灰质；粘土原料；铁质•熟料组成的选择•配料计算确定原料和煤灰的化学成分数据确定熟料的单位热耗，确定熟料的矿物组成或确定熟料的三个率值计算熟料中煤灰掺入量计算干燥原料的百分配比换算成湿原料的百分比