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1、高性能水泥的生产及质量控制,国家水泥质量监督中心 中国建筑材料科学研究总院 水泥与新材料技术顾问 全国水泥标准化委员会技术顾问 王文义 教授级高级工程师,2010年，我国水泥产量已经达到18.9亿吨，占世界水泥产量的60%，企业有5000多家，其中粉磨站约有1500家，80%以上水泥为新型干法窑生产（1300多条线），形成以现代化水泥生产为主体的新局面。,水泥产品质量达到国际先进水平，大型装备实际国产化，水泥生产技术在国际上具有强大的竞争力。 当前水泥企业的主要任务是节能减排，消纳工业和生活排出的废弃物，促进全社会的绿色化、生态化发展进程。,一、现代水泥的生产与管理,现代水泥生产是以新型干法窑
2、烧成熟料，现代粉磨技术进行物料的粉磨，生产运行管理全部由中央控制室控制，全厂为无粉尘污染的清洁工厂。,1、两磨一烧工艺,校正 料,铁粉,石灰 石,砂岩 （粘土）,生料磨,新型干法窑,水泥磨,混合 材,石膏,熟料,水泥成品,2、以均化均匀稳定为中心的生产模式,均化原燃材料的预均化及均化，解决进厂原烧材料的质量、成份波动。,均匀生产过程中的配料（如生料配料、水泥配料）即由电子计量称进行动态管理。 稳定保证产品质量的稳定性。,3、水泥企业质量管理规程的实施,水泥生产全过程贯彻实施“水泥企业质量管理规程”是水泥行业的传统经验。2011年1月1日实施的工信部发布的新规程，是以新型干法窑生产线为中心的规程
3、。,出厂水泥强度目标值=等级值(42.5MPa)+1.2MPa+3S48MPa低于此值为未遂质量事故。,原燃材料采购进厂 堆放、预均化、均化 入磨（生料）物料的细度、水份、主要成份 入窑生料 率值控制 熟料质量评价 入水泥磨物料计量、配比 成品细度、so3等全过程都有严格规定 。,二、硅酸盐水泥的矿物组成与水化产物,1、硅酸盐水泥熟料的矿物组成 成份 一般 波动 性能 C3S 60% 45% 75% 优异 C2S 15% 5%30% 后期 C3A 7% 3%13% 早期 C4AF 10% 4%17% 抗折 MgO 2% 0.5%5.5% 安定性 fCaO 1.5% 安定性 R2O 0.6% 0
4、.3%1.2% 耐久性 SO3 0.4% 0.3%1.2% 耐久性,2、矿物组成与率值关系 在熟料配 KH P 料时严格控 制三率值KH、 C3S C2S C3A C4AF N、P即可。 n,3、硅酸对水泥的水化产物,CSH： CaO-SiO2-H2O C/Si=0.8-1.5 1.5-2.0 型 型 CH： Ca(OH)2 Aft：3CaO.Al2O3.3CaSO4.32H2O 称钙矾石，成份是变动的。 AFm：3CaO.Al2O3.CaSO4.12H2O 称单硫型水化硫铝酸钙,矿渣水泥的水化产物与硅酸盐相比,Ca(OH)2 含量减少，结合水量少,火山灰水泥的水化产物与硅酸盐相比,Al2O3
5、、SiO2、活性与Ca(OH)2作用，形成C-S-H，C2ASH8（水溶莫来石）。C-S-H的Ca/SiO2比小,石膏矿渣水泥水化产物,（80%85%矿渣+10%15%石膏+5% 熟料） C-S-H和钙矾石,4、硅酸盐水泥的凝结硬化过程,1、起始期水泥加水后，立即急剧反应，放热，石膏、可溶碱、C3A、C3S水化，AFe形成，放热下降。这阶段很短（4-5min）。 2、诱导期进入缓慢水化阶段，一般40min-2h，由硅酸盐矿物水化，胶体状产物逐渐形成网络结构，浆体失去部分流动性，产生初凝。,3、加速期反应速度加快，大量C-S-H、Ca(OH)2形成，又大量放热（二个峰），AFe继续生成，浆体完全
6、失去流动性，终凝产生。进而产生强度。 扩散控制期水化产物不断增加，颗粒表面包裹的厚度与密度不断增加，这时水进入颗粒表面，必须穿过包裹层，进入控制期，水泥浆不断硬化。,三、通用硅酸盐水泥的组成与特点,解放以来，我国通用硅酸盐水泥一直实施多品种多标号的发展路线，多品种是生产通用硅酸盐水泥时允许掺加混合材料，并依据混合材料种类和掺量划分通用水泥品种。 多标号就是按水泥强度高低，将水泥质量划分多个标号，我国水泥的发展模式是正确的，目前国际上也逐渐采用了这个模式。,我国通用硅酸盐水泥国家标准将通用硅酸盐水泥划分六大类 P. 、 P.F P.O P.P P.S（A、B） P.C 强度划分为：32.5； 3
7、2.5R； 42.5； 42.5R； 52.5； 52.5R； 62.5,允许使用混合材料有：矿渣、粉煤灰、火山灰质材料、石灰石、砂岩、窑灰等六种。 使用其它混合材料的通用水泥还有：JC600-2002石灰石硅酸盐水泥；JC/T740-2005磷渣硅酸盐水泥；GB13590-2006钢渣硅酸盐水泥； GB/T23933-2009镁渣硅酸盐水泥。,2、欧洲通用硅酸盐水泥EN197-1：2000,CEM矿渣水泥 CEM/A-S,将通用水泥划分5大类，27个品种,CEM波特兰水泥,熟料+石膏 95-100%,矿渣 6%-20%,CEM矿渣水泥 CEM/B-S,矿渣 21%-35%,CEM硅灰水泥 C
8、EM/A-D,硅灰 6%-10%,CEM火山灰水泥 CEM/A-P,火山灰 6%-20%,CEM火山灰水泥 CEM/B-P,火山灰 6%-20%,CEM粉煤灰水泥 CEM/A-V,火山灰 21%-35%,CEM粉煤灰水泥 CEM/B-V,火山灰 21%-35%,CEM页岩水泥 CEM/A-T,页岩 6%-20%,页岩 21%-35%,CEM页岩水泥 CEM/B-T,CEM石灰石水泥 CEM/A-C,石灰石 6%-20%,CEM复合水泥 CEM/B-M,CEM复合水泥 CEM/A-M,CEM石灰石水泥 CEM/B-C,21%-35%,6%-20%,石灰石 21%-35%,CEM矿渣水泥 CEM/
9、A 矿渣 36%65% CEM矿渣水泥 CEM/B 矿渣 66%80% CEM矿渣水泥 CEM/C 矿渣 81%95%,CEM火山灰水泥 CEM/A 火山灰、粉煤灰 11%35% CEM火山灰水泥 CEM/B 火山灰、粉煤灰 36%55% CEM复合水泥 CEM/A 混合材 18%30% CEM复合水泥 CEM/B 混合材 31%50%,3、通用硅酸盐水泥的特点,随着矿渣掺量的增加（0%85%） 抗腐蚀性： 凝结时间： 泌水率： 稍有增加 稠度： 变化不大 砼R28： 水化热：,随火山灰掺量的增加（0%50%） 抗腐蚀性： 干缩性： 稠度： 凝结时间： 水化热： 砼R28,四、水泥施工性能的控
10、制,1、现行标准对水泥质量的控制方法 （1）胶凝性方面： 细度（或比表面积）、凝结时间、安定性、R3、R28。 有明确的指标要求。混合材料的品种和掺加量等，由检验报告提供。 （2）耐久性方面： SO3、MgO、R2O、Cl- 有明确规定。,（3）对水泥使用性能（施工性）： 标准中无规定，如：需水性、泌水性、出厂水泥温度、外加剂相容性等。 2、目前建筑施工部门对水泥质量的主要意见 （1）质量稳定性。如：颜色变化、凝结时间变化、强度波动等。,（2）水泥需水量大，泌水量大。 （3）水泥与外加剂相容性。 （4）混凝土早期裂缝多。,3、水泥的需水性和保水性,（1）水泥需水量的构成： 需水量 颗粒表面润湿
11、水 多孔性材料内部吸水（如火山灰材料） 初期水化水（很少） 颗粒间的空隙水（很大，约占60%）,水泥比面积愈大 润湿水、水化水愈多 火山灰混合材愈多 内部吸水愈多 水泥胶凝材料颗粒级配不合理 空隙多，水量愈大 （2）水泥砼泌水现象 有砼砂石骨料级配和施工方法原因； 有水泥胶凝材料原因：细度粗、多孔材料少,4、水泥及胶凝材料的颗粒级配控制,水泥及混合材料和掺和料组成水泥胶凝材料，这种胶凝材料的颗粒级配主要由水泥厂调控，施工单位现场掺和料也应调控，调控机理有三条： （1）强度机理为了充分利用熟料活性，国内外公认颗粒分布： 粒度（m） 3 3-32 65 组成 （%）10 65 0,（2）密实机理使
12、水泥颗粒密实堆积，提高水泥石的密实性。 按Fuller方程要求的粒度分布：粒度（m） 3 32 65 组成 （%） 20-30 70-80 80-95,它是一个以3-32m为中心的窄分布曲线，优点是充分利用熟料活性，缺点是水泥需水量大，使用性能差。,（3）三峰合一机理充分发挥熟料活性和混合材及掺合料的作用，发挥各自的优点，组成水泥胶凝材料的理想粒度分布,它是一个0-80m（ 0-65m）范围内的宽粒度分布。它的优点是水泥颗粒密实堆积，减少需水量。缺点是熟料有点过细粉磨现象，有过粗颗粒，浪费能源,4、水泥及胶凝材料的颗粒级配 细颗粒以混合材（掺和料）为主； 中等颗粒以熟料为主； 粗颗粒以混合材料
13、为主。 5、水泥与外加剂相容性 （1）、外加剂品种与掺量,（2）、熟料影响 矿物组成：C3AC4AfC3SC2S 矿物晶形：C3A与C4AF结晶形态 碱含量：R2O0.6%左右为好 硫碱比：SD=0.774SO3/(Na2O+0.658K2O) 100% fCa：适当小 需水量：愈小愈好，如22%24%稠度,（3）石膏形态与掺量,石膏种类 溶解度（g/L) 溶解速率 二水石膏 2.08 中 -半水石膏 6.20 快 -半水石膏 8.15 快 可溶硬石膏 6.30 慢 天然硬石膏 2.70 慢,德国试验,铝酸盐活性与溶液中硫酸盐匹配,铝活性低、溶液中SO3低：形成AFt，凝结正常 铝活性高、溶液
14、中SO3高：形成AFt，凝结正常 铝活性低、溶液中SO3高：形成AFt和二水石膏， 1 “假凝” 铝活性高、溶液中SO3低：形成AFt、AFm、 1 C4AH13，“急凝”，“欠 1 硫型”,（4）混合材料的种类,掺加大量混合材和掺和料都有助改善相容性，但火山灰掺量过多后，需水量增加。 （5）水泥细度状态 熟料为细粒（3m）超多：比表面积增大， 1到 相 容性差 密实堆积的粒度分布：需水量少，相容性好 P.O 42.5水泥：比表面积450m2/kg，相容 性差；中位粒径14m，相 容性变差 水泥圆度系数：愈圆，相容性愈好,（6）水泥存放时间与温度：长好，温度 低好 （7）水泥需水量：P小好 （
15、8）水泥凝结时间：适当长好，如2-3h 6、砼的收缩与裂缝 （1）水泥收缩造成的砼裂缝： 化学收缩：7%-9%。C3A大，细度细水化 快，但AFt高好,塑性收缩：沉降、失水、化学反应造成 的。塑性阶段夏天砼表面大 量失水 温度收缩：水化热造成砼内外温差。大 体积砼。夏天温度高，水化 快。 干燥收缩：水泥石毛细孔水蒸发造成的。 夏天砼表面水蒸发快。,碳化收缩：砼表面Ca(OH)2与CO2反应生 成CaCO3造成。 自收缩：在恒温、恒湿下，水泥化学反 应造成。 （2）预防收缩的措施： 减少水泥收缩 熟料矿物组成：高C3S+C2S，低C3A或高 SO3,细度状态：最佳颗粒级配、堆积密实、 球形化、比表面积不宜过高。 混合材料：粉煤灰有益。 减少砼收缩 配合比：石、砂密实堆积 水灰比：适当小 养护： 加强初期水养护 大体积砼：采用低水化热水泥 掺和料：粉煤灰有益,五、高性能水泥与高性能砼应用,1、高性能砼三个条件：高施工性 高耐久性 高强度或符合结构要 求的强度 2、高性能水泥：高施工性 高耐久性 符合标准的强度等级,3、高性能水泥的开发 （1）高性能海
