水泥成分、种类、生产过程详细介绍

第六章水泥内容水泥的定义和分类水泥的生产水泥的基本组成水泥的水化硬化水泥的品质要求常用水泥的基本特征与用途特种水泥的组成与主要性能一、水泥的定义和分类定义：凡细磨成粉末状，加入适量水后成为塑性浆体，既能在空气中硬化，又能在水中硬化，并能将砂、石等散粒或纤维材料牢固地胶结在一起的水硬性胶凝材料，统称为水泥。硅酸盐水泥定义：以硅酸盐水泥熟料、适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料。按组成分类：常用水泥／硅酸盐水泥（以硅酸盐水泥熟料为主要组分）如：硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥等特种水泥（以非硅酸盐类水泥熟料为主要组分）如：高铝水泥、硫铝酸盐水泥等组分材料：(1)硅酸盐水泥熟料：适当成分的生料烧至部分熔融，所得以硅酸钙为主要成分的产物(2)石膏：天然石膏或工业副产石膏（工业生产中以硫酸钙为主要成分的副产品），掺量2～５％(3)活性混合材：具有火山灰性或潜在水硬性的混合材料，如粒化高炉矿渣、粉煤灰等(4)非活性混合材：活性指标不符合标准要求的潜在水硬性或火山灰性混合材料以及砂岩和石灰石(5)窑灰：从水泥回转窑窑尾废气中收集下的粉尘(6)助磨剂：在水泥粉磨时起助磨作用而不损害水泥性能的一种外加剂，加入量1%常用水泥品种水泥品种水泥代号水泥组成熟料石膏混合材Ⅰ型硅酸盐水泥P.Ⅰ硅酸盐水泥熟料95~98%适量（控制SO33.5%）不掺任何混合材Ⅱ型硅酸盐水泥P.Ⅱ硅酸盐水泥熟料90~97%适量（控制SO33.5%）掺加不超过水泥质量5%的石灰石或粒化高炉矿渣混合材普通硅酸盐水泥P.O硅酸盐水泥熟料80~92%适量（控制SO33.5%）掺6~15%混合材。活性混合材15%（允许用窑灰5%或非活性混合材10%代替），非活性混合材10%水泥品种水泥代号水泥组成熟料石膏混合材矿渣硅酸盐水泥P.S硅酸盐水泥熟料25~78%适量（控制SO34%）粒化高炉矿渣20~70%，允许用石灰石、窑灰和火山灰质混合材中的一种材料代替，代替数量8%，替代后水泥中粒化高炉矿渣20%火山灰质硅酸盐水泥P.P硅酸盐水泥熟料45~78%适量（控制SO33.5%）火山灰质混合材20~50%粉煤灰硅酸盐水泥P.F硅酸盐水泥熟料55~78%适量（控制SO33.5%）粉煤灰20~40%复合硅酸盐水泥P.C硅酸盐水泥熟料45~83%适量（控制SO33.5%）掺两种或两种以上混合材料，总掺量按质量百分比计为15~50%，允许用8%的窑灰代替部分混合材料，掺矿渣时，混合材掺量不得与矿渣水泥重复二、水泥的生产原材料：（１）石灰石质原料（主要成份为碳酸钙，提供氧化钙），如石灰岩、泥灰岩、白垩、贝壳等（２）粘土质原料（提供氧化硅和氧化铝及部分氧化铁），如黄土、粘土、页岩、泥岩、粉砂岩及河泥等（３）少量校正原料（铁质校正原料和硅质校正原料，提供氧化铁和氧化硅），铁质校正原料如低品位铁矿石、炼铁厂尾矿以及硫酸厂工业废渣硫酸渣（硫铁矿渣）等；硅质校正原料如砂岩、河砂、粉砂岩等。生产工艺：“两磨一烧”生料制备：石灰质原料，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，质量均匀的生料熟料煅烧：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水泥粉磨：熟料加适量石膏，有时还加适量混合材料或外加剂共同磨细为水泥用窑外分解窑干法生产的工艺流程2COCaO石灰石322OAlSiO粘土OHOFe232323232224323OFeOAlCaOOAlCaOSiOCaOSiOCaO水泥窑系统中发生的化学反应(1)干燥与脱水～100℃，脱去物料中的自由水和粘土矿物的层间水～400～600℃，脱去粘土矿物的配位水(2)碳酸盐分解碳酸钙与碳酸镁在煅烧过程中分解放出二氧化碳～590℃，MgCO3≒MgO+CO2-1047~1214J/g～890℃，CaCO3≒CaO+CO2-1645J/g水泥窑系统中发生的物理化学反应过程(3)固相反应~800℃，CaO·Al2O3（CA）、CaO·Fe2O3（CF）与2CaO·SiO2（C2S）开始形成。800~900℃，开始形成12CaO·7Al2O3（C12A7）。900~1100℃，2CaO·Al2O3SiO2（C2AS）形成后又分解。开始形成3CaO·Al2O3（C3A）和4CaO·Al2O3·Fe2O3（C4AF）。所有碳酸钙均分解，游离氧化钙达最高值。1100~1200℃，大量形成C3A和C4AF，C2S含量达最大值。(4)液相和熟料的烧结到达最低共熔温度（1250℃）后，开始出现液相。硅酸二钙与游离氧化钙都逐步溶解于液相中，反应生成硅酸盐水泥的主要矿物硅酸三钙３CaO·SiO2（C３S）。在高温液相作用下，水泥熟料逐渐烧结。C2S+CaOC3S液相三、水泥的基本组成（1）硅酸盐水泥熟料氧化物组成CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3~95%MgO、SO3、TiO2、P2O5、K2O和Na2O等~5%主要氧化物含量波动范围：CaO62~67%；SiO220~24%；Al2O34~7%；Fe2O32.5~6.0%。矿物组成经高温煅烧后，两种或两种以上的氧化物反应生成多种矿物集合体，结晶细小（30~60μm）。四种主要矿物：硅酸三钙3CaO·SiO2，可简写为C3S；硅酸二钙2CaO·SiO2，可简写为C2S；铝酸三钙3CaO·Al2O3，可简写为C3A；铁相固溶体4CaO·Al2O3·Fe2O3作为代表式，可简写为C4AF。另外，还含有少量的游离氧化钙（f-CaO）、方镁石（结晶氧化镁）、含碱矿物以及玻璃体等。硅酸盐矿物，75%溶剂矿物，22%熟料矿物的基本特性矿物含量水化速度强度凝结时间水化热耐化学侵蚀性干缩早期后期C3S50%较快高高正常中中中C2S20%较慢低高缓慢小良小C3A7~15%迅速高低很快大差大C4AF10~18%C3A后期慢低低正常小优小矿物组成的计算鲍格（Bogue）法：C3S=4.07C-7.60S-6.72A-1.43F-2.86SO3；C2S=8.60S+5.07A+1.07F+2.15SO3-3.07C=2.87S-0.754C3S；C3A=2.65A-1.69F；C4AF=3.04F；CaSO4=1.70SO3式中C——CaO；S——SiO2；A——Al2O3；F——Fe2O3百分含量。（2）混合材活性混合材混合材磨细后与石灰和石膏拌合，加水后既能在水中又能在空气中硬化的称为活性混合材。粒化高炉矿渣：炼铁高炉的熔融矿渣经水淬急冷形成，物相组成大部分为玻璃体，具有较高的化学潜能，在激发剂的作用下具有水硬性。化学成分：CaO、Al2O3、SiO290%MgO、MnO、Fe2O3、CaS、FeS、TiO2等质量系数=（CaO+MgO+Al2O3）/（SiO2+MnO）活性矿渣质量系数1.2，非活性矿渣质量系数1.2粒化高炉矿渣粉的活性指数（A）=R/R0×100%粒化高炉矿渣粉级别（28d的A）：S105，S95，S75火山灰质混合材凡天然的及人工的以氧化硅、氧化铝为主要成分的矿物质原料，磨成细粉加水后并不硬化，但与石灰混合后再加水拌和，则不但能在空气中硬化，而且能在水中继续硬化者称为火山灰质混合材。天然：火山灰、火山凝灰岩、浮石、硅藻土、硅藻石、蛋白石等人工：烧粘土、活性硅质渣、粉煤灰、烧页岩等。粉煤灰燃煤发电厂电收尘器收集的细灰主要化学成分：SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO物相组成：玻璃体60~85%；结晶化合物10~30%；未燃尽碳约5%。类别CaO含量来源活性低钙粉煤灰10%无烟煤燃烧所得副产品较低高钙粉煤灰15~30%褐煤和次烟煤燃烧所得的副产品较高非活性混合材与水泥成分不起化学作用或化学作用很小的称为非活性混合材。磨细石英砂、石灰石、慢冷矿渣等作用：提高水泥产量，减少水化热，降低水泥标号。（3）石膏天然石膏或工业副产石膏（CaSO4，CaSO4·2H2O）作用：调节凝结时间，提高早期强度，降低干缩变形，改善耐久性、抗渗性等性能，对混合材起活性激发作用。最佳掺量：C3A含量，混合材以水泥中SO3含量作为石膏掺量的控制指标过少，不能合适地调节水泥正常凝结时间过多，可能导致水泥体积安定性不良四、水泥的水化硬化定义：水泥与水接触时，水泥中的各组分与水的反应称为水化。水泥cement水泥浆Cementpaste+水凝结、硬化水泥石Hardenedcementpaste硅酸盐水泥的水化硬化水化过程主要水化产物：Ca-AlC-S-H凝胶CH水化铝（铁）酸钙水化硫铝（铁）酸钙硬化浆体结构：未水化的水泥颗粒、水化产物、孔隙影响强度的因素：C-S-H生成量，孔隙（气孔和毛细孔）矿渣硅酸盐水泥的水化硬化熟料矿物+水水化产物碱性激发剂：CH（+SiO2+Al2O3）硫酸盐激发剂：石膏（+SiO2+Al2O3）火山灰水泥的水化硬化熟料矿物+水水化产物二次反应CH（+SiO2+Al2O3）水化硅酸钙水化铝酸钙水化硫铝（铁）酸钙水化硅酸钙水化铝酸钙五、水泥的品质要求凝结时间——工程施工初凝：水泥加水拌和开始至标准稠度净浆开始失去可塑性所经历的时间。45min终凝：浆体完全失去可塑性并开始产生强度所经历的时间。硅酸盐水泥6.5h其他品种水泥10h（2008年实施GB175-2007）测定：维卡仪影响因素：水泥品种、水灰比、环境温度强度——水泥质量确定水泥强度等级；设计混凝土和砂浆配合比的强度依据胶砂（水泥1+中国ISO标准砂3+水0.5）棱柱体试件（40mm×40mm×160mm）脱模20±1℃湿气24h20±1℃水中预定龄期（3d、28d）测定抗压强度和抗折强度水泥强度等级按照28d抗压强度值划分（2008年实施GB175-2007）硅酸盐水泥：42.5、42.5R、52.5、52.5R、62.5、62.5R六个等级普通水泥：42.5、42.5R、52.5、52.5R四个等级矿渣硅酸盐水泥、火山灰水泥、粉煤灰水泥、复合水泥：32.5、32.5R、42.5、42.5R、52.5、52.5R六个等级体积安定性体积安定性不良是指已硬化水泥石产生不均匀的体积变化现象。引起体积安定性不良的原因：（1）f-CaO过量CaO+H2O=Ca(OH)2（2）f-MgO过量MgO+H2O=Mg(OH)2（3）石膏掺量过多石膏+C-A-HAFt细度影响水泥安定性、需水量、凝结时间及强度国标：硅酸盐水泥比表面积300m2/kg透气式比表面积仪其他水泥80μm标准筛上筛余量10%筛析法水化热水泥水化放出的热称为水泥的水化热。硅酸盐水泥的水化放热曲线水泥的水化放热量大部分在3~7d内放出，以后逐渐减少大体积混凝土，冬季混凝土施工水泥水化放热量与水泥细度、混合材种类和数量有关中热硅酸盐水泥和低热硅酸盐水泥，适用于水化热较低的大坝和大体积混凝土工程。水泥化学品质指标（1）不溶物：熟料中未参与矿物形成反应的粘土和结晶SiO2，是煅烧不均匀，化学反应不完全的标志。。（2）烧矢量：反映熟料的烧成质量，混合材掺量是否适当以及水泥风化的情况。（3）氧化镁：以方镁石晶体存在的MgO导致水泥长期安定性不良。（4）SO3：造成水泥体积安定性不良，通过控制石膏掺量控制。（5）碱含量（Na2O+0.658K2O）：与活性骨料发生碱骨料反应，导致混凝土不均匀膨胀破坏。抗蚀性（耐久性）（1）淡水（溶蚀）：流动水，水压，混凝土渗透性较大（2）酸与酸性水（溶析和化学溶解）：碳酸（3）硫酸盐（侵蚀）：除硫酸钡以外的硫酸盐，“镁盐侵蚀”（4）含碱溶液（化学侵蚀和结晶侵蚀）六、常用水泥的基本特征与用途硅酸盐水泥与普通水泥特性用途标号高配制高强混凝土和预应力混凝土凝结硬化快，抗冻性好早强高、凝结快的工程，有抗冻融要求，冬季施工的工程CH含量高抗淡水、海水侵蚀和抗硫酸盐侵蚀能力差水化放热量大不宜用于大体积工程矿渣水泥特性用途凝结硬化较慢，早强低，后期强度不低养护时间较长，湿热养护可加速硬化速度抗冻性、抗渗性和抵抗干湿交替循环性能较差