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1、第三章 水泥,Page:1,本讲内容,3.0 简介 1.概述 2.分类3.1 硅酸盐水泥硅酸盐水泥的生产简述及其矿物组成硅酸盐水泥的水化产物硅酸盐水泥的凝结和硬化 凝结与硬化示意图水泥石的组成部分影响凝结和硬化的因素,Page:2,第三章 水泥（cement）(17561824)水泥是一种水硬性胶凝材料，它不仅可以在空气中硬化，而且能长期在水中继续硬化，使强度不断地增长，其硬化期可达数年，这与上一讲介绍的气硬性胶凝材料石灰、石膏等是大不相同的。,灰色金子,Page:3,目前世界水泥的年产量22亿多吨，发达国家的水泥产量均400公斤左右，我国1987年产量1亿吨，90年代初（92年）为2.4亿吨
2、，94年底达4亿吨，为世界首位，2003.01达7亿吨，2004.10达8亿吨，2007年底12亿吨，高能耗，高投入，高污染。（低效应，低产出、低质量）,我国目前有近8000多家水泥生产厂家，其中75%为中小型厂家，在能耗，污染方面存在着严重问题，急待解决。（国家建材局，环保局出台政策要求5万吨以下的厂关闭！凝石）,Page:4,自以（1756年）发明水泥（到1824年正式出产品）以来，随着岁月推移和科学的发展，水泥已改变了原来的模样：（1）论颜色：已从单纯的灰色发展到五光十色，白色水泥、彩色水泥、变色水泥等；（2）论强度：已从1020MPa发展到常见40、50、60一直到100MPa以上；（
3、3）论韧性：英国人的超微密无破损水泥（）可以用做弹簧材料；,Page:5,（4）论柔性：可以用来做雕塑（橡皮泥）（5）论凝结：从几个小时发展到，如烛泪一样，一滴便凝的速凝水泥；（6）论品种：从单一品种到世界各国的水泥已达200多种，我国就有80多种常生产的有20多种（如快硬、油井、中低热、抗硫酸盐，高铝和膨胀水泥等）可以满足工业、交通，水利和国防等方面的特殊需要。,Page:6,水泥按用途可分为通用水泥、专用水泥和特性水泥。通用水泥硅酸盐水泥普通硅酸盐水泥矿渣硅酸盐水泥火山灰质硅酸盐水泥粉煤灰硅酸盐水泥复合水泥,简介,专用水泥砌筑水泥道路水泥油井水泥,特性水泥快硬水泥白色水泥膨胀水泥抗硫酸盐水
4、泥中热水泥自应力水泥,Back,Page:7,尽管水泥的品种很多，但是，工程中90%以上使用的是硅酸盐水泥。所以，在学习这一章的内容时，以硅酸盐水泥的内容为基础，主要学习硅酸盐水泥的组成、技术性质及应用等知识。在此基础上，再学习其它掺混合材料的硅酸盐水泥等内容。,Back,简介,Page:8,3-1硅酸盐水泥（Portland cement）,定义：根据GB175-2007通用水泥，其定义是这样的：凡以适当成分的生料，烧至部分熔融，得以硅酸钙为主要成分的硅酸盐水泥熟料，加入05%的石灰石或粒化高炉渣，适量的石膏，磨细制成的水硬性胶凝材料，称为硅酸盐水泥。,Back,GB175-1956GB17
5、5-1962 第一次修订GB175-1977 第二次修订GB175-1985 第三次修订GB175-1992 第四次修订GB175-1999 第五次修订GB175-2007 第六次修订,Page:9,一、硅酸盐水泥的生产过程及矿物成分：,（一）生产原料及生产过程：,天然胶凝材料（粘土）,气硬性（石灰）,水泥,Back,1756年John Smeaton含粘土的石灰石石灰：强度耐水性1800年比利时、法、英、意大利发现含粘土2040%的石灰石水硬性 18101818年，有人外掺粘土30%+石灰石70%共磨细，得到品质一样的“水泥”。1822年英国人Frost，将半熔化或熔化物结块的料经粉碎的粉料
6、水硬性 1824年，Joseph Aspdin以粘土与石灰石配料烧结，Portland cement,Page:10,埃迪斯通灯塔,Page:11,1.原料：（1）石灰质原料：（石灰石，白垩石等）主要提供CaO有石灰石白垩，石灰质凝灰岩等（2）粘土质原料：主要提供求SiO2、Al2O3及少量Fe2O3 可用粘土、黄土、页岩等（3）辅助性矿物:调节氧化物的不足，以使各氧化物含量达到一定要求；（强度）当硅不足时，则需添加砂岩；（快硬早强）当含铝不足时，则需添加矾土；（抗拉有利）粘土中铁含量不足时，需要加入铁矿粉（黄铁矿渣）；,Page:12,（4）矿化剂：（助熔剂）改善煅烧条件主要作用是：A.促进
7、固相反应 B.降低液相粘度和液相生成温度，加速熟料形成 C.降低游离氧化钙。（它能加速结晶化合物的形成，使水泥熟料易烧的少量外加物）如萤石、石膏、硫酸亚铁、氟化铝，氟化钡，氟硅酸钠等。,*,Page:13,2生产过程：概括为：“两磨一烧”关键是一烧,流程图,Page:14,生料制备：有两种方法：a.干法：先把原料烘干，再在磨机中磨成生料粉；b.湿法：把原料加水在磨机中磨成生料浆。,特点：干法经济，节能，但污染大，均匀性差，应采取措施防尘，现均化技术得到改善。湿法能耗大配料均匀，较干净。（耀县水泥厂每 年排尘几万吨,相当于小型水泥厂的年产量）,Page:15,煅烧过程：,A.煅烧设备,立窑（中小
8、型厂）：中心常有不均匀现象,但设备投资少.,旋转窑（大型厂）：生产的水泥质量稳定,但设备投资大.,Page:16,Page:17,水泥立窑,Page:18,Page:19,Page:20,旋转窑,Page:21,水泥预热煅烧工艺流程,Page:22,磨机,储存罐,Page:23,水泥生产厂房,Page:24,B.烧过程示意图,1,300500 生料 被预热,500900 石灰石 粘土质高岭土脱水 有机物,100200 生料 水分逐渐蒸发而干燥,2熟料烧成,C2S,4CaOAl2O3Fe2O3,1450,C3S,液相,该过程是关键，必须有足够长的时间，使f CaO参加反应，以提高水泥质量，但过长
9、又使窑结块，而增加能耗。,12001300 2CaOSiO2 3CaOAl2O3,3 CaOSiO2,f CaO,Page:25,窑外分解塔,Page:26,熟料制成将烧成的熟料经迅速冷却，即得到水泥熟料块.制成：在熟料中加入05%石灰石，粒化高炉矿渣及25%的天然石膏共同磨细即得硅酸盐水泥。,P.（石灰石，粒化高炉矿渣）混合材料含量为5%。,P.（石灰石，粒化高炉矿渣）混合材料含量为0%。,硅酸盐水泥,按照掺入混合料的多少：,*,Page:27,（二）矿物成分 1.种类：从水泥生产过程可知，水泥的矿物成分主要有四种（有少量石膏）：C3S、C2S C3A、C4AF 硅酸盐矿物（7582%）熔剂
10、矿物（1825%）（1）硅酸三钙3CaOSiO2 简写C3S 占3760%（2）硅酸二钙2CaOSiO2 简写C2S 占1537%（3）铝酸三钙3CaOAl2O3 简写 C3A 占715%（4）铁铝酸四钙4CaOAl2O3Fe2O3 简写C4AF 占1018%,Back,Page:28,2各矿物遇水表现出的特性：（1）portland cement主要矿物80%完成水化需要的时间。（水化速度）,Page:29,（2）各矿物RC随时间的变化情况：,Page:30,C3S,C2S,C3A,C4AF,（3）各矿物性能列表如下：,Page:31,（4）水泥矿物对水泥性能的影响 很明显，当组成水泥的主要
11、矿物各自的数量或之间比例变化时，必定造成水泥性质发生变化。提高C3S及C3A的含量，可得到早强高强水泥。降低C3A及C3S的含量，提高C2S的含量，可得到低热水泥。提高C4AF的含量，可提高水泥的抗拉性能、耐磨性，减小收缩。,Page:32,【Note】除了以上四种主要矿物外，水泥中还有：MgO 有害成份 规定5.0%T（6.0%）SO3 3.5%有害成份 掺入石膏带来 T（4.0%）CaO 煅烧温度、时间 f CaO反应不完全 12%碱分（K2O、Na2O）应限制（当混凝土骨料中含有活性氧化硅时，可能引起碱骨料反应）,Page:33,二、硅酸盐水泥的水化及凝结与硬化（coagulate an
12、d harding）,两磨一烧,C3S,C2S,C3A,C4AF,水化硅酸钙,水化铁酸钙,水化铝酸钙,水化硫铝酸钙,氢氧化钙,凝胶体,晶体,水泥浆体,水,Back,Page:34,(一)硅酸盐水泥的水化：水泥颗粒一与水接触，表面的水泥颗粒率先与水发生水化作用，形成水化物，并放出热量，但就水泥矿物成分而言，C3S与比例最大，而且反应较快，C3A的含量虽小，但反应也较快，故当水与水泥颗粒接触后，C3S的水化反应在表面上又先了一步。,Page:35,2(3CaOSiO2)+6H2O3CaO2SiO23H2O+3Ca(OH)2 水化硅酸钙 氢氧化钙2(2CaOSiO2)+4H2O3CaO2SiO23H
13、2O+Ca(OH)2 水化硅酸钙 氢氧化钙3CaOAl2O3+6H2O3CaO Al2O36H2O 水化铝酸钙4CaOAlO3Fe2O3+7H2O 3CaOAl2O36H2O+CaOFe2O3H2O 水化铝酸钙 水化铁酸钙 3(CaSO42H2O）+3CaO Al2O36H2O+19H2O 3CaO Al2O3 3CaSO4 31H2O 水化硫铝酸钙（钙矾石AFt，体积膨胀1.5倍）,简写规则？,水化反应方程,Back,Page:36,水泥浆在空气中，表层水化产物氢氧化钙还会与空气中的二氧化碳反应，生成碳酸钙，称碳化作用。最后，忽略次要成分外，硅酸盐水泥与水作用生成的水化产物主要有：,水化产物
14、,凝胶体 晶体,水化硅酸钙和水化铁酸钙,氢氧化钙、水化铝酸钙和水化硫铝酸钙,在完全水化的水泥中，水化硅酸钙约占70%，Ca(OH)2约占20%。水化硫铝酸钙占7%。,无胶结能力,有胶结能力,（立方晶体）,（六方晶体）,（针状晶体）,Page:37,水泥水化产物,CH Crystal 氢氧化钙晶体,钙矾石,Page:38,AFt,水泥水化产物,C-S-H 水化硅酸钙凝胶,Page:39,水化反应产物电镜照片(1),Page:40,水化反应产物电镜照片(2),Page:41,（二）硅酸盐水泥的凝结硬化过程（雷查特理 Le chatelier）对硅酸盐水泥的凝结过程自1882年，雷查特理首先提出凝结
15、硬化理论以来，至今人们还在继续研究，现就目前的看法作以介绍。,1.宏观上：,水泥 水泥浆 开始失塑 完全失塑 强度增长,水,初凝时间,终凝时间,水泥加水拌和，未水化的水泥颗粒分散在水中，成为水泥浆体。,一系列物理、化学变化,Back,Page:42,2.微观上,水泥与水接触 颗粒溶解（扩散）饱和 过饱和 晶体（胶粒）析出（1）水泥颗粒的表面在遇水后事先发生反应，形成相应的水化物，一种说法是表面熟料颗粒先溶了水，再与水反应，另一种说法是表面熟料颗粒在固相与水直接反应。,Page:43,（2）在颗粒表面生成的反应物，溶于水，便要向水中扩散，但由于各水化产物的溶解度很小，水化物的生成速度大于水化物向
16、溶液中的扩散速度，在几秒种到几分钟的很短时间内，水泥颗粒周围的液相中，氢氧化钙、石膏、水化硅酸钙、水化铝酸钙、水化硫铝酸钙等的浓度，趋于饱和或过饱和状态，因而从液相中析出，包围在水泥颗粒表面，其中氢氧化钙，水化硫铝酸钙，水化铝酸钙以晶体析出，而水化硅酸钙微粒是大小为1100nm的微粒，该微粒分散在介质水中形成溶胶，粒子表面能较大，胶体凝聚形成凝胶，水泥水化物中有晶体和凝胶体。,如何理解硅酸盐水泥的凝结与硬化呢？,Page:44,水化历程 1,水化历程 2,水化历程 3,水化历程 4,Page:48,水化产物填充空隙并将水泥颗粒连接在一起,水化历程 5,Page:49,已水化的水泥浆里留下的孔隙
17、,未水化水泥颗粒,水化历程 6,Page:50,凝结硬化过程示意图,Back,Page:51,3.水泥石的组成部分：未水化水泥内核 晶体（水泥早期强度之决定因素）凝胶体（后期强度的决定因素）毛细孔（水、空气）氢氧化钙饱和溶液（优缺点）一般认为：水化硅酸钙凝胶对水泥强度起决定性作用。,水泥石组成,Back,forward,Page:52,例题 胶孔比 假定水泥水化反应前后水泥浆的总体积不变，由图知：,Back,Page:53,（1）完全水化水泥体积：,（2）生成的凝胶体数量为：,（3）由图的几何尺寸得到：,Back,Page:54,故,（4）强度与胶孔比的关系:,f=Ax n,对硅酸盐水泥 A=
18、237.0 n=3,Page:55,由公式：1当水化程度a一定时：W/C，水泥的强度；W/C，水泥的强度；2当W/C一定时：a，水泥的强度；a，水泥的强度。,Page:56,5.各种熟料在水泥石强度发展过程中所起作用大致如下：C3S在最初四周内对水泥石的强度发展起决定性作用。C2S在最初四周之后，才发挥其强度作用，经一年，与C3S对水泥石强度发挥同等的作用。C3A在13天或稍长的时间内对水泥石强度起有益作用，以后可能使水泥石强度降低。,Back,Page:57,影响水泥凝结硬化的主要因素有：水泥的种类和细度、石膏掺合料、龄期、温度和湿度等。,Back,（三）影响水泥凝结硬化的主要因素：,1.石膏对水泥凝结硬化的影响：加入适当石膏（占水泥重的35%）能改善水泥性能提高强度，降低收缩性，改善抗冻耐蚀和抗渗性。,2.硬化龄期对强度的影响,当t1 t2时，有 f(t1)f(t2)，但 f(t1)f(t2),3.环境的湿度和温度对强度的影响,4.受潮的水泥产生结块影响强度的发展。,从而对储存过久的水泥在使用前应重新检验其强度。,Page:58,
