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1、第2章水硬性胶凝材料 水泥,04.,03.,02.,01.,水泥生产,水泥包装,水泥常用名称、代号和标识,水泥的凝结硬化,CONTENTS,水泥发展历,水泥生产,水泥的发展简史,1.水泥的诞生与发展 水泥是人们在长期使用气硬性胶凝材料的基础上诞生和发展起来的。 胶凝材料的发展经历为： 天然胶凝材料（如粘土） 石膏 石灰 火山灰 水硬性石灰、天然水泥 硅酸盐水泥 不同品种水泥的各个阶段。,胶凝材料的发展史大致可分为三个历史时期,石膏-石灰时期：公元前20003000年，利用生石灰和锻烧石膏砂浆。 埃及金字塔和中国的万里长城。 石灰-火山灰时期：公元初18世纪，石灰中加入火山灰，其强度与抗水性都比
2、石灰-石膏有所提高。 古罗马圣庙建筑。,胡夫金字塔，高146.59m, 底部232m见方，用 230多万块、每块重2.5T的岩石砌成。,文库专用,6,万里长城 （200 BC):条石、大砖、石灰砂浆,文库专用,7,罗马斗兽场 （70-80 AC):石材、石灰砂浆、火山灰,文库专用,8,水泥时期：以前的、都是气硬性胶凝材料，而1796年，利用天然水泥岩（含粘土成分的石灰石）制造的“罗马水泥”，开始有水硬性胶凝材料，而水泥岩分布不广。 英国瓦匠 约瑟夫。阿斯丁于1824年首先取得了该项产品的专利权，所以一般认为水泥是那时发明的。,自1824年波特兰水泥问世以来，水泥和水泥基本材料已成为当今世界最大
3、的人造材料。 1890年唐山水泥厂是第一个在中国建成的水泥厂。至2009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。,波特兰水泥的发明,1824年由英国建筑工人阿斯普丁发明,通过 煅烧石灰石与粘土的混合料得出一种胶凝材料, 这种胶凝材料凝结后的外观颜色与当时建筑上 常用的英国波特兰岛出产的石灰石相似,由此将 这种胶凝材料命名波特兰水泥 . 1838年约翰逊首先将水泥的锻烧的关键： 适当的配料和温度加以明确。,水泥在土木工程中的重要作用,水泥是当今产量与用量最大的土木工程材料！ 水泥及其砂浆、混凝土与纤维水泥等水泥基材料普遍用于各种土木工程
4、和钢筋混凝土结构！ 水泥的性能和正确选用对土木工程的功能与质量至关重要！,一、水泥的概念,什么是水泥(cement)？ 水泥是以水化活性矿物为主要成分的水硬性胶凝材料。,1.1、硅酸盐水泥是怎样制造的？（生产）,原 料： 粘土质：粘土(SiO2二氧化硅、Al2O3氧化铝)， 占1/3 。 粘土质原料(粘土、黄土、页岩等) 石灰质：石灰石（CaO生石灰）、白垩等，(CaCO3石灰石)，占2/3 石灰质原料(石灰石、白垩等) 调节原料：铁粉（ Fe2O3 氧化铁） 铁矿与砂，调节与补充Fe2O3 与SiO2砂子 辅助原料（铁粉、砂岩或铁矿石） 制造工艺： 原料经磨细混合后得到水泥生料 生料经窑内煅
5、烧得到水泥熟料 水泥熟料石膏(或混合材）一起经磨细混合后得到水泥,“两磨一烧”,石灰质材料,粘土质材料,铁质材料,水泥成品,熟 料,石 膏,生 料,煅烧,1450C,磨细,磨细,按比例混合,生产工艺：,简称“两磨一烧”,混合材料,页岩,白垩,砂岩,原料,生 产 过 程,原料破碎、配料与粉磨,石灰石、粘土、砂岩等水泥原料先需破碎（一般用颚式、反击式等破碎机），然后与其它原料（如粘土、铁粉）一起按配料计量入球磨机，粉磨成生料。,颚式破碎机,球磨机,配料系统,电收尘器,悬浮预热器系统,回转窑,水泥窑可分回转窑和立窑两大类。 新建大型水泥厂多用带预热及窑外 分解系统的回转窑。,水泥生料煅烧回转窑,回转
6、窑尾,14501500C,机械化立窑,立窑曾经在我国水泥工业中占有一定比例的量。,水泥粉磨,将水泥熟料和石膏、混合材料一起磨细即成水泥。水泥粉磨一般用管（球）磨机。,水泥磨,1.2. 硅酸盐水泥熟料的主要矿物,1、硅酸三钙 硅酸三钙的化学分子式为ai2，它是硅酸盐水泥熟料中最主要的矿物成分，约占水泥熟料总量的42%61%。硅酸三钙遇水后能够较快与水产生水化反应，并产生较多的水化热。它对促进水泥的凝结硬化，特别是对水泥天内的早期强度以及后期强度都起主要作用。,2、硅酸二钙 硅酸二钙的化学成分为2ai2，约占水泥熟料总量的15%32%。硅酸二钙遇水后反应较慢，水化热也较低。它不影响水泥的凝结，对水
7、泥的后期强度起主要作用。,3、铝酸三钙 铝酸三钙的化学成分是CaOAl2O3，其简写为C3，约占水泥熟料总量的4%11%。铝酸三钙遇水后反应极快，产生的热量大而且很集中。铝酸三钙对水泥的凝结起主导作用，但其水化产物强度较低，主要对水泥的早期强度有所贡献。,4、铁铝酸四钙 铁铝酸四钙的化学成分为: CaOAl2O3Fe2O3，其简写为4AF，约占水泥熟料总量的1018。铁铝酸四钙遇水时水化反应也很快，水化热较低，水化产物的强度不高，对水泥石的抗压强度贡献不大，主要对抗折强度贡献较大。,1、各熟料矿物单独与水作用时表现出的特征,上述四种熟料矿物中，硅酸钙（包括硅酸三钙、硅酸二钙）是主要的，约占70
8、%以上。,3.熟料矿物单独与水作用的性质(水化特性),通过调整比例生产不同品种的水泥: (1)提高C3S的含量,可得到高强、早强硅酸盐水泥; (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.,例 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？(强度发展速度、水化热、d时的强度/耐腐蚀性),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、d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
9、。,工程实例分析 挡墙开裂与水泥的选用 现象：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。该工程使用某立窑水泥厂生产42.5型硅酸盐水泥，其熟料矿物组成如下：,分析讨论：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。,二、装包,水泥一般用塑料编织袋或牛皮纸袋包装（50kg/袋），以便长途运输和保存。,散装水泥,为节省成本，也可用散装水泥车对近距离大用户（如混凝土搅拌站）供货。,2. 生料煅烧过程中的物理和化学变化（了解）,煅烧主要包括以下
10、几个物理化学阶段： （1）生料的干燥与预热 100 200oC: 生料被加热，自由水逐渐蒸发而干燥； 300 500：生料被预热 500 800oC: 粘土质原料脱水并分解为无定形的 Al2O3 和 SiO2。 （2）碳酸盐分解 6001000oC：,（3）烧成阶段 当温度从1000 1300 时，大量生成： 2CaOSiO2 （C2S生成量达到最大）、 3CaOAl2O3 （C3A）、 4CaOAl2O3Fe2O3 （C4AF） 这时物料中仍含有一部分未反应的-游离CaO,当温度从1300 1450oC 时：（是水泥生产的关键，需足够的时间才能保证水泥的质量） 3CaOAl2O3 （C3A）
11、、和 4CaOAl2O3Fe2O3 （C4AF）烧至熔融状态，出现液相，CaO 和部分2CaOSiO2 （C2S）溶解于其中，在此液相中2CaOSiO2 （C2S）吸收CaO形成 3CaOSiO2 （C3S） 。 2CaOSiO2 + CaO 3CaOSiO2 （4）冷却阶段:烧成后经过快速冷却，即可得到熟料。,原料,SiO2,CaO,化合反应,8001450,1000左右,分解反应,Al2O3,Fe2O3,2CaOSiO2,3CaOSiO2,3 CaO Al2O3,4 CaOAl2O3Fe2O3,硅酸盐水泥熟料矿物组成,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，
12、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。 发展趋势： 在水泥品种方面，将加速发展快硬、高强、低热等特种和多用途的水泥； 大力发展水泥外加剂； 大力发展高标号水泥；62.5 62.5R,水泥的定义、发展趋势及分类,水泥分类：,（占我国水泥产量的90）,水泥的分类,按性能和用途分,水 泥,通用水泥,专用水泥,特性水泥,硅酸盐水泥,普通硅酸盐水泥,矿渣硅酸盐水泥,粉煤灰硅酸盐水泥,火山灰质硅酸盐水泥,复合硅酸盐水泥,如砌筑水泥、油井水泥、道路水泥、大坝水泥等,如铝酸盐水泥、膨胀水泥、快凝快硬硅酸盐水泥等,硅酸盐水泥生产及其矿物组成,1.硅酸盐水泥熟料 凡以适当成分的生料，烧至
13、部分熔融，得到以硅酸钙为主要成分的物料，称为熟料。 2.硅酸盐水泥的定义 凡由硅酸盐水泥熟料加适量的石膏、或再掺加05%的石灰石或粒化高炉矿渣，磨细制成的水硬性胶凝材料, 称为硅酸盐水泥。国外称为波特兰水泥 3.硅酸盐水泥的分类 型：不掺加混合材料的硅酸盐水泥，代号P； 型：掺加5%混合材料的硅酸盐水泥，代号P.,硅酸盐水泥是由下列物质混合组成的水泥 硅酸盐水泥熟料 石膏(CaSO42H2O) 混合材(粒化高炉矿渣或石灰石粉末) 各物质的作用 熟料：主要胶凝物质，能水化硬化； 石膏：调节水泥的凝结时间； 混合材：调节水泥的强度等级；,必要组分,. 硅酸盐水泥的组分,. 硅酸盐水泥的组分,常用水
14、泥品种（通用水泥）,掺混合材的硅酸盐水泥品种,硅酸盐水泥熟料石膏, ,620%混合材,普通硅酸盐水泥,2070%矿 渣,矿渣硅酸盐水泥,2050%火山灰,火山灰硅酸盐水泥,2040%粉煤灰,粉煤灰硅酸盐水泥,1550%两种混合材,复合硅酸盐水泥,掺混合材料的硅酸盐水泥的凝结硬化和性能与所掺混合材的种类与掺量密切相关！,通过调整比例生产不同品种的水泥: (1)提高C3S的含量,可得到高强、早强硅酸盐水泥; (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.,1、水泥混合材料的概念 在生产水泥时，为改善水泥性能，调节水
15、泥的强度，而加到水泥中去的天然的和人工的矿物材料。,一、水泥混合材料,2、混合材料的类别,活性混合材料,非活性混合材料,活性混合材料,非活性混合料,混合材料磨成细粉，与石灰或与石灰和石膏拌合并加水后，在常温下，能生成具有胶凝性的水化产物，既能在水中，又能在空气中硬化的混合材料。如粒化高炉矿渣、火山灰、粉煤灰等。,2、混合材料的类别,1）活性混合材料,系指具有火山灰性或潜在水硬性的混合料。,炼钢厂冶炼生铁时的副产品。 主要成分：CaO、Al2O3、SiO2。 具有较高的化学潜能，但稳定性差。,粒化高炉矿渣 山灰质混合材料 粉煤灰,火力发电厂煤粉燃料排出的细颗粒废渣。 主要成分：较多的SiO2、A
16、l2O3和少量的CaO 具有较高的活性。,天然的 人工的,主要成分：Al2O3、SiO2。 本身不硬化，+石灰+水起胶凝作用。,活性混合材料,非活性混合料,非活性混合料磨成细粉与石灰加水拌和后，不能或很少生产具有胶凝性的水化物，在水泥中仅起填充作用。 作用：起惰性填充，提高水泥的产量，调整水泥的强度，减少水化热，故又称为填充性混合材料。如石灰石、粘土、慢冷矿渣等。,2、混合材料的类别,（一）活性混合材料 粒化高炉矿渣 火山灰质混合材料 粉煤灰 硅酸盐水泥熟料的水化反应称为一次水化反应。,含有活性氧化硅和活性氧化铝,二次水化反应,2 混合材料,活性混合材料,2 混合材料,2 混合材料,掺活性混合材料的作用（总结）,提高产量 降低成本 改善水泥的性能 调节强度等级 降低水化热 减少碱骨料反应的发生 扩大水泥应用范围 充分利用工业废渣 保护环境,掺非活性混合材料的作用（
