4-1---硅酸盐水泥

第四章水泥水泥简介袋装水泥水泥的定义水泥的定义：水泥是一种水硬性的胶凝材料，呈粉末状，加水拌和后成浆体后，能胶结砂、石等散粒材料，并能在空气和水中硬化并保持、发展其强度。胶凝材料发展简史粘土+稻草：远古时代，逐层捣固法成墙，古希腊的墓碑建筑和巨石建筑，不耐水，强度很低。石灰、石膏时期：公元2000-3000年，埃及、希腊、罗马、中国开始煅烧石灰、石膏以调制砂浆。埃及的金字塔——石膏胶泥，中国万里长城—石灰胶凝材料。石灰-火山灰时期：公元初期古罗马人在石灰中掺入火山灰得到强度高且耐水的胶凝材料。1756年—水硬性石灰，1796年—罗马水泥。人工硅酸盐水泥：1824年10月21日，英国泥瓦工阿斯普丁取得生产波特兰水泥的专利权。■原始水泥可追溯到5000年前，埃及的金字塔、古希腊和古罗马时代用石灰掺砂制成的混和沙浆，曾被用于砌筑石块和砖块，这种用来做砌筑用的胶凝材料被称为原始水泥。■1824年，英国J．阿斯普丁发明了一种把石灰石和粘土混和后加以煅烧来制造水泥的方法，并获得了专利权。这种水泥同英国附近波特兰小城盛产的石材颜色相近，故称为波特兰水泥。人类最早是利用间歇式土窑（后发展成土立窑）煅烧水泥熟料。■1877年回转窑烧制水泥熟料获得了专利权，继而出现了单筒冷却机、立式磨及单仓钢球磨等，从而有效地提高了水泥的产量和质量。水泥历史及发展■1905年湿法回转窑出现。■1910年土立窑得到了改进，实现了立窑机械化连续生产。■1928年德国的立列波博士和波利休斯公司在对立窑、回转窑综合分析研究后，创造了带回转炉箅子的回转窑，取名为“立波尔窑”。■1950年，悬浮预热器由德国发明成功并开始应用，大幅度降低了熟料生产的热耗，极大地提高了生产规模。■20世纪60年代初，日本将德国的悬浮预热器回转窑技术引进后，于1971年开发了水泥窑外分解技术，从而揭开了现代水泥工业的新篇章，并且很快在世界范围内出现了各具特点的预分解窑，形成了新型干法生产技术。水泥历史及发展我国水泥工业的发展情况非水硬性胶凝材料的发展在我国已有几千年历史，中国的第一家水泥厂诞生于1886年，建在澳门的青洲岛，存在时间很短。1889年又在唐山兴建水泥厂（唐山细敏土厂），1906年投入生产，即现在的启新水泥厂，从此诞生了中国水泥工业。以后又陆续在上海、南京、广州、四川等地建了一些湿法回转窑，日本人在东北建了一些干法和半干法回转窑，。但在解放前，水泥工业发展非常缓慢，历史最高水平年产量(1942年)仅有229万吨。按人均消费水泥量计算，约为当时美国、比利时等国的1/150。且水泥品种只有普通硅酸盐水泥和白色硅酸盐水泥等几个品种。▲我国从上世纪70年代初研制新型干法水泥技术装备开始，在国家有关部门的支持和推动下，水泥行业科研创新与技术开发能力不断提高，技术装备已达到世界先进水平。▲目前日产2000吨新型干法水泥生产技术装备已全部国产化，日产4000吨、5000吨新型干法水泥生产技术装备国产化率达到90%以上，日产8000吨水泥熟料生产线和日产10000吨水泥熟料生产线已经投产。我国水泥工业的发展情况我国水泥技术小立窑湿法回转窑日产二千吨熟料预分解窑新型干法日产五千吨熟料预分解窑新型干法我国水泥产量1892年，唐山细棉厂00.00660.0286123.64.15.15.916.56.5177.6188.2209.622.110.622.511.22413.52513.9250510152025年产量(亿吨)189219521985199520002002200420062008年份每年排出CO2约12亿吨，同时还要排放SO3、NOx等有害气体是气候变暖、酸雨等灾害的直接责任者之一每年向大气中排放粉尘约1500万吨为减少SO3的排放采取脱硫工艺又产生新的废渣---脱硫渣耗煤、耗电大户石灰石的大量开采已导致地球矿产资源的匮乏，并破坏着生态平衡散装率亟待提高。我国水泥工业危机自1824年波特兰水泥问世以来，水泥和水泥基材料已成为当今世界最大宗的人造材料。至2005年，我国水泥总需求量达到了7亿吨左右，占世界水泥用量的1/3,水泥混凝土的总需求量也达到了50亿吨。课外知识：水泥基材料的发展历程：砂浆、混凝土钢筋混凝土（1850年）石棉水泥（1900年）预应力混凝土（1929年）外加剂混凝土（1935年）高强混凝土（20世纪70年代）波特兰水泥(1824年)高性能混凝土（20世纪90年代）聚合物水泥混凝土（20世纪50年代）课外知识：水泥基材料的发展历程：分类：称分类：按其主要水硬性矿物名)1(根据掺合料不同：)2(硅酸盐水泥铝酸盐水泥硫酸盐水泥磷酸盐水泥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根据用途不同分类：)3(通用水泥：:专用水泥即一般工程用水泥如道路水泥；特种水泥：如快硬硅酸盐水泥（占我国水泥产量的90％）水泥是建筑工业三大基本材料之一，可广泛用于民用、工业、农业、水利、交通和军事等工程。虽然制造水泥能耗较多，但它与砂、石等集料制成的混凝土却是一种低能耗的建筑材料。例如，在相同荷载的条件下，混凝土柱的能耗仅为钢柱的七分之一、砖柱的四分之一。据预测，到公元2100年乃至更长的时期内，水泥仍然是主要的建筑材料。水泥的优点：1、可塑性好，可调成各种形状和尺寸的泥凝土构件；2、适应性强，可用于海上、地下或干热、严寒地区以及耐侵蚀、防辐射等特殊要求的工程；3、耐久性好，水泥混凝土既没有钢材的生锈问题，也没有木材的腐朽等缺点，更没有塑料制品的老化、污染等问题；4、可获得很高的强度，通过改变熟料的矿物组成，既可调节其性能，获得高的强度，还能与纤维等材料匹配，制成水泥基复合材料；5、可利用工业废渣§4－1硅酸盐水泥什么是硅酸盐水泥？——（混合物质）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硅酸盐水泥熟料的矿物组成和特性凝结和硬化原材料和生产工艺主要技术性质腐蚀及防止特性和应用§4－1硅酸盐水泥“两磨一烧”一、硅酸盐水泥的原材料和生产工艺原料：粘土质原料：粘土，(SiO2、Al2O3)，约占1/3石灰质原料：石灰石等，(CaO)，约占2/3调节原料：铁矿，调节与补充Fe2O3制造工艺：原料经粉磨混合后得到水泥生料生料经窑内煅烧得到水泥熟料水泥熟料＋石膏(或再＋混合材）一起经粉磨混合后得到水泥“两磨一烧”工艺流程一、硅酸盐水泥的原材料和生产工艺石灰石粘土铁矿粉生料石膏硅酸盐水泥混合材料熟料按比例混合磨细1350℃～1450℃煅烧磨细缓凝剂,延缓凝结时间活性混合材料和非活性混合材料硅质(粘土)钙质(石灰石)1450℃调节原料石膏石膏水泥生料熟料混合材水泥制造的“两磨一烧”工艺流程粉磨煅烧粉磨原料采掘原料磨细原料混合反应物＋产物＋中间产物预热器＋回转窑产物熟料冷却熟料储存硅酸盐水泥熟料制造工艺流程石灰粘土压碎机混合器窑磨粉机水泥粉末加入石膏一、硅酸盐水泥的原材料和生产工艺水泥的制造工艺全貌水泥生料煅烧回转窑一、硅酸盐水泥的原材料和生产工艺回转窑尾煅烧1450~1500C水泥“窑”的发展：水泥从投入工业生产以来，以烧成技术为代表的生产技术的发展可以分为以下4个阶段：第一阶段：立窑。在1824年，英国人阿斯普丁第一个获得波特兰（硅酸盐）水泥的专利，一直到20世纪初，波特兰水泥工业在英国历时76年；第二阶段：普通干法旋窑。1896年由德国人建造了第一台回转窑，生产的水泥称做旋窑水泥，以区别于立窑水泥；第三阶段：湿法旋窑。20世纪初，丹麦人史密斯发明了湿法回转窑；第四阶段：新型干法旋窑。（我国仅40％）50年代初由西德人发明，成为60、70年代的主导窑型。80年代以来，成为一套具有现代高科技特征和优质、高效、节能、环保以及大型化、自动化的现代水泥生产方法，即“新型干法水泥生产”方法。二、水泥熟料的矿物组成及其特性熟料的矿物组成硅酸盐水泥熟料主要含有四种矿物：矿物名称缩写分子式矿物式硅酸三钙C3SCa3SiO53CaO·SiO2硅酸二钙C2SCa2SiO42CaO·SiO2铝酸三钙C3ACa3Al2O63CaO·Al2O3铁铝酸四钙C4AFCa2(Al,Fe)2O54CaO·Al2O3·Fe2O3注意二、水泥熟料的矿物组成及其特性熟料的四种矿物组成含量0102030405060C3SC2SC3AC4AF低高水泥颗粒宏观形貌水泥颗粒的结构水泥熟料颗粒细观形貌水泥熟料矿物微观结构水泥熟料矿物的主要特性矿物组成硅酸三钙硅酸二钙铝酸三钙铁铝酸四钙C3SC2SC3AC4AF水化速度快慢最快快水化热多少最多中强度高早期低后期高低低耐化学侵蚀中良差优干缩性中最小大小二、熟料的矿物组成及其特性强度水化热后期强度凝结速度最快水化热最多（1）硅酸三钙3CaO.SiO2：37%~60%；（2）硅酸二钙2CaO.SiO2：15%~37%；（3）铝酸三钙3CaO.Al2O3：7~15%；（4）铁铝酸四钙4CaO.Al2O3.Fe2O3：10%~18%四种矿物的比例对水泥性质的影响:(1)提高C3S的含量,可得到高强硅酸盐水泥;(2)提高C3S和C3A的含量,可制得快硬硅酸盐泥;(3)降低C3S和C3A的含量,提高C2S的含量可的低热或中热硅酸盐水泥.二、水泥熟料的矿物组成及其特性例1现有甲、乙两厂生产的硅酸盐水泥熟料，其矿物成分如下表，试估计和比较这两厂所生产的硅酸盐水泥的性能有何差异？熟料矿物成分，%生产厂Ｃ3SC2SC3ＡＣ4AF甲56171215乙4235716解由甲厂硅酸盐水泥熟料配制的硅酸盐水泥的强度发展速度、水化热、２８d时的强度均高于由乙厂硅酸盐水泥熟料配制的硅酸盐水泥．但耐腐蚀性则低于由乙厂硅酸盐水泥熟料配制的硅酸盐水泥。某大体积的混凝土工程，浇注两周后拆模，发现挡墙有多道贯穿型的纵向裂缝。该工程使用42.5Ⅱ型硅酸盐水泥，其熟料矿物组成如下：C3S61％C2S12％C3A16％C4AF11％分析原因：由于该工程所使用的水泥C3A和C3S含量高，导致该水泥的水化热高，且在浇注混凝土中，混凝土的整体温度高，以后混凝土温度随环境温度下降，混凝土产生冷缩，造成混凝土贯穿型的纵向裂缝。防治措施：首先，对大体积的混凝土工程宜选用低水化热，即C3A和C3S的含量较低的水泥。其次，水泥用量及水灰比也需适当控制。三、硅酸盐水泥的凝结和硬化1.凝结硬化的概念水泥浆通过水泥熟料矿物的水化反应、凝结硬化过程变成坚硬固体—复杂的物理化学变化过程。凝结——水泥与水拌合后最初形成可塑浆体，随着时间增长，水泥浆变稠，失去可塑性，但还不具备强度，此过程即为“凝结”；硬化——随后产生明显的强度，并逐渐发展而成为坚硬固体，这个过程即为“硬化”。三、硅酸盐水泥的凝结和硬化2.熟料矿物的水化反应硅酸三钙2（3CaO·SiO2）＋6H2O==3CaO·2SiO2·3H2O＋3Ca（OH）2硅酸二钙2（2CaO·SiO2）＋4H2O==3CaO·2SiO2·3H2O＋Ca（OH）2铝酸三钙3CaO·Al2O3＋H2O==3CaO·Al2O3·6H2O3CaO·Al2O3·6H2O＋3（CaSO4·2H2O）＋19H2O==3CaO·Al2O3·3CaSO4·31H2O铁铝酸四钙4CaO·Al2O3·Fe2O3＋7H2O=3CaO·Al2O3·6H2O＋CaO·Fe2O3·H2O为什么要添加石膏？难溶、针状晶体、体积增大1.5倍为什么生产水泥时要加入适量的石膏？C3A水化铝酸钙石膏水化硫铝酸钙3CaO·Al2O3+6H2O═3CaO·Al2O3·6H2O3CaO·Al2O3·6H2O+3(CaSO4·2H2O)+20H2O═3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O思考题水泥生产中为什么掺加石膏？C3A在水中溶解度大，反应很快，引起水泥浆闪凝；石膏与C3A反应形成难溶的硫铝酸钙水化物，反应速度减缓，延缓了水泥浆