水泥基本知識

1、 水泥品種 一般用途水泥（硅酸鹽系列水泥） 特種用途水泥（中熱水泥、低熱水泥、膨脹水泥、快硬早強水泥、耐火水泥等） 專用水泥（白色水泥、油井水泥、型砂水泥等）硅酸鹽系列水泥硅酸鹽系列水泥硅酸鹽水泥 (P.I、P.II)普通硅酸鹽水泥 (P.O)火山灰硅酸鹽水泥 (P.P)粉煤灰硅酸鹽水泥 (P.F)礦渣硅酸鹽水泥 (P.S)復合硅酸鹽水泥 (P.C)石灰石硅酸鹽水泥 (P.L)白水泥一、概述一、概述 水泥產(chǎn)量我國水泥產(chǎn)量我國水泥產(chǎn)量1892年，唐山細棉廠我國水泥技術 小立窯小立窯濕法回轉(zhuǎn)窯濕法回轉(zhuǎn)窯日產(chǎn)二千噸熟料預分解窯新型干法日產(chǎn)五千噸熟料預分解窯新型干法我國水泥技術2005年底新型干法生產(chǎn)

2、線生產(chǎn)的水泥已占水泥總產(chǎn)量的45% 我國水泥工業(yè)技術 全國水泥散裝率達全國水泥散裝率達45.82% 每年排出每年排出COCO2 2約約1212億噸，同時還要排放億噸，同時還要排放SOSO3 3、NOxNOx等有害氣體等有害氣體 是氣候變暖、酸雨等災害的直接責任者之一是氣候變暖、酸雨等災害的直接責任者之一 每年向大氣中排放粉塵約每年向大氣中排放粉塵約15001500萬噸萬噸 為減少為減少SOSO3 3的排放采取脫硫工藝又產(chǎn)生新的廢渣的排放采取脫硫工藝又產(chǎn)生新的廢渣- -脫硫渣脫硫渣 耗煤、耗電大戶耗煤、耗電大戶 石灰石的大量開采已導致地球礦產(chǎn)資源的匱乏，石灰石的大量開采已導致地球礦產(chǎn)資源的匱乏，

3、并破壞著生態(tài)平衡并破壞著生態(tài)平衡 散裝率亟待提高。散裝率亟待提高。我國水泥工業(yè)危機 二、硅酸鹽水泥的水化硬化機理 化學成分和礦物組成 水泥熟料礦物的水化 硅酸鹽水泥的水化、凝結(jié)和硬化 幾種礦物組成的水化特性 影響水泥正常凝結(jié)硬化速率的因素（一）水泥的化學成分和礦物組成1. 水泥熟料的燒成石灰石粘土（頁巖） 混合磨細 煅燒 冷卻鐵礦粉 (1350-1450oC)（一）水泥的化學成分和礦物組成2. 水泥熟料的化學成分和礦物組成 組成 CaO SiO2 Al2O3 Fe2O3 MgO 含量% 62-67 20-24 4-7 3-5 礦物 C3S C2S C3A C4AF 含量% 37-60 15-3

4、7 7-15 10-18（一）水泥的化學成分和礦物組成3. 硅酸鹽系列水泥的組成與礦物組成除了熟料，尚與混合材、石膏等有關(二)水泥熟料的水化1. 硅酸鹽3CaO.SiO2 + H2O xCaO.ySiO2 .n H2O 2CaO.SiO2 + H2O xCaO.ySiO2 .n H2O x、y、n值與水化條件(溫度、水灰比、石灰濃度等)有關(二)水泥熟料的水化2. C3A 當CaO濃度0.33g/l時 C3A + H2O C3AH6 當CaO濃度1.08g/l時(飽和) C3A + H2O C4AH13 C3A的水化產(chǎn)物受CaO、 Al2O3濃度和溫度的影響很大(二)水泥熟料的水化3. C4

5、AFC4AF + H2O C3AH6 + CFH4. f-CaO和方鎂石 f-CaO由于a)死燒；b)被其它礦物包裹；c)與SiO2共存等原因，水化很慢 方鎂石水化更慢(三)硅酸鹽水泥的水化、凝結(jié)與硬化 水化-水泥礦物遇水后由無水狀態(tài)變成含有結(jié)合水的狀態(tài) 凝結(jié)-水泥漿失去流動性 硬化-水泥漿徹底失去塑性，建立網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，并且有一定機械強度 強度發(fā)展-水泥漿硬化后，未水化水泥顆粒繼續(xù)水化，水化產(chǎn)物交叉連接，充填毛細孔、密實漿體，強度不斷提高(三)硅酸鹽水泥的水化、凝結(jié)與硬化 石膏的作用 C3A + CaSO4.2H2O + H2O 3CaO.Al2O3.3CaSO4.32H2O (AFt) 當石膏

6、耗盡后 C3A + AFt AFm (3CaO.Al2O3.CaSO4.12H2O (三)硅酸鹽水泥的水化、凝結(jié)與硬化水泥水化五階段 I II III IV V 放 熱 速 率 飽和 初凝 終凝 時間 I-起始期；II-誘導期； III-加速期； IV-減速期； V-穩(wěn)定期Ca2+濃度幾點說明 水泥水化起始期大約需要4-5分鐘，主要生成AFt，大量放熱，C3S也開始水化 在誘導期，AFt針狀晶體包裹在C3A表面，C3S繼續(xù)水化，凝膠物增多，此階段大約持續(xù)40min-2h 在加速期，CH濃度過飽和，開始結(jié)晶 在減速期，C3S與水的反應逐漸受擴散速率控制 在穩(wěn)定期，水泥的水化完全受擴散速率控制(四

7、)幾種水泥礦物成分的水化特性C C3 3S S C C2 2S S C C3 3A A C C4 4A AF F 水 化 速水 化 速度較快度較快, ,水化水化熱高熱高, ,強度最強度最高高, ,決定水泥決定水泥標號標號 水 化 速水 化 速度較慢度較慢, ,水化水化熱最低熱最低, ,早強早強低低, ,后強增長后強增長較快較快 水化速度水化速度最快最快, ,水化熱水化熱最高最高, ,強度發(fā)強度發(fā)展很快展很快, ,但強但強度不高度不高, ,體積體積收縮大收縮大, ,含量含量高則水泥抗硫高則水泥抗硫酸鹽性差酸鹽性差 水化 速度水化 速度僅次于僅次于 C C3 3A A, ,水水化熱及強度中化熱及強

8、度中等等, ,含量高時對含量高時對抗折強度有利抗折強度有利 C2S與C3S的比較 C2S的水化約需80小時才能達到加速期，而C3S誘導期只有3-4小時 C2S反應層厚度隨時間的增長很慢，在硬化四年的漿體中，還有15%的未水化C2S不同時期的水化百分數(shù) (%) 齡期 1d 3d 7d 1個月 3個月 C3S 15-55 35-60 40-70 C2S / C4AFC3SC2S 布特對水化深度的計算結(jié)果(m)礦物 3d 7d 28d 6個月C3A 10.7 10.4 11.2 15.0C4AF 7.7 8.0 8.4 13.2C3S 3.5 4.7 7.9 15.0C2S 0.5 0.9 1.0

9、2.71.礦物組成 C3A和C4AF含量越多，水泥凝結(jié)越快，如古羅馬水泥 在粉磨水泥時通如1%水蒸氣或摻加少量石膏(SO3=1%-3%)，可延緩凝結(jié)速度 水泥各礦物組成的水化相互影響，比較復雜 鋁酸鹽在決定水泥漿流變性和凝結(jié)速度中占主要位置，而硅酸鹽主要決定硬化和強度發(fā)展2.石膏摻量、形態(tài)9876543210 2 3 4摻量(%)終凝初凝終凝 CaSO4.2H2O初凝CaSO4.1/2H2O1)石膏摻量與其對凝結(jié)時間的影響呈非正比關系凝結(jié)時間(h)2.石膏摻量、形態(tài)2)摻加石灰，或f-CaO的存在，會促進石膏的緩凝作用3)石膏最佳摻量與C3A 、C4AF含量有關4) CaSO4.1/2H2O的

10、緩凝作用比CaSO4.2H2O強烈5)當CaSO4.1/2H2O摻量過大時，則導致快凝6)由于天然硬石膏活性低，摻量應稍高一些7)當用大體相等比列的石膏和硬石膏混合物摻加，所得凝結(jié)時間和強度與單獨使用石膏時類似8)對每種水泥，存在最佳的石膏摻量獲得最高強度和最低干縮值時獲得最高強度和最低干縮值時的石膏摻量的石膏摻量堿含量 C3A含量 石膏摻量（%） （%） （SO3, %）0.5 6 20.5-1.0 6 3-46 2.5-30.5 6 3.5-43.粉磨工藝 粉磨時磨機內(nèi)溫度升高，導致石膏脫水 f-CaO的存在，將促進石膏脫水CaSO4 . 2H2O隨溫度產(chǎn)生的形態(tài)轉(zhuǎn)變 溫度 變化 65oC

11、 開始脫水 107-170o C CaSO4.1/2H2O 200oC 可溶性石膏 250oC 殘留很少水分 400oC 完全脫水，成為不溶性硬石膏 (死燒石膏) 800oC 部分分解為CaO(過燒石膏)磨機降溫的重要性磨機降溫的重要性 石膏在磨機內(nèi)脫水，則水泥水化時產(chǎn)生脫水石膏重結(jié)晶導致“假凝”，或其它現(xiàn)象 磨機外部降溫冷卻有助于防止石膏的轉(zhuǎn)型4.風化 水泥單獨吸收水分 凝結(jié)延緩 原因：形成石灰，起緩凝作用 燒失量每增加1%，R7下降5%-15%，R1年下降3%-6% 水泥單獨吸收CO2 凝結(jié)加速 原因：水泥加水時，石灰的瞬間濃度降低，延緩了AFt的形成 另，碳化時間較長，會使水泥顆粒表面被

12、CaCO3包圍，降低水化速率，延緩凝結(jié)5.5.儲存條件儲存條件 密封儲存的水泥，常溫下較穩(wěn)定 從氣候溫和的地區(qū)運至炎熱地區(qū)，有時出現(xiàn)快凝 大量堆放的水泥有時會出現(xiàn)閃凝 粉磨時的高溫保存在水泥庫中，長時間不能散發(fā)出去，會導致快凝原因尚不十分明了！6.6.細度細度 相同水灰比情況下，隨著細度增加，水泥凝結(jié)時間縮短 細度還影響水泥水化放熱速率放熱速率時間123細度：1#2#3#7.7.混合材混合材 粉煤灰 水淬高爐礦渣 煤矸石 火山灰 石灰石 等隨摻量增加，凝結(jié)硬化速度減慢8.8.鹽類鹽類有些鹽類起加速作用有些鹽類起延緩作用鹽類作用不僅與種類有關，還與其含量有關9.9.堿堿 堿的作用在于能影響石灰的

13、溶解度。低堿水泥只用石灰就能緩凝，因為在飽和石灰溶液中，所形成的CaAHx的溶解度極低。而含有一定堿的水泥，加水時，堿迅速析出于溶液中，降低了石灰的溶解度而增加了Al2O3的溶解度，加速水泥的凝結(jié)-福爾生 為了有效控制水泥的凝結(jié)速度，在水泥漿溶液中，石灰和硫酸鈣要有一個最低濃度。 # 有時即使含有石膏，但石灰濃度過低，也不足以形成AFt! 堿的碳酸鹽能與C3S水解生成的Ca(OH) 2反應，沉淀出CaCO3，產(chǎn)生假凝現(xiàn)象10.10.溫度溫度 溫度升高，水泥凝結(jié)速度將加快 溫度過高，容易產(chǎn)生假凝現(xiàn)象 舉例：攪拌水泥漿的水溫超過80oC，則水泥顆粒表面形成一層薄硬殼，漿體流動性變差，后期強度降低1

14、1.11.水灰比水灰比 其它情況相同時，隨著水灰比增加，漿體凝結(jié)時間延長 W/C=0.35的漿體比0.28者的凝結(jié)時間慢30-60min 原因：1)析出晶體的速度降低 2)水泥顆粒之間的間距增大三、硬化水泥漿體的組成與結(jié)構(gòu)三、硬化水泥漿體的組成與結(jié)構(gòu)（一）硬化水泥漿體的組成 水化產(chǎn)物 未水化水泥 氣孔 凝膠孔 水(一)硬化水泥漿體組成1. C3S+H2O + CSH四種形態(tài)(S.Diamond)表征 CSH(I) CSH(II) CSH(III) CSH(IV) 形貌 箔狀、薄片狀 網(wǎng)絡狀 不規(guī)則等大粒子 向內(nèi)部生長產(chǎn)物 針狀、刺狀 草狀 長0.5-2微米， 寬0.2微米 C/S 0.8-1.

15、5 1.5-2.0 CSH凝膠具有巨大的比表面積(100萬-700萬cm2/g)，范德華力大，對強度的貢獻也大(一)硬化水泥漿體組成2. C2S+H2O + CSH形貌與C3S水化后的相似 CH-立方晶系，板狀或短六方柱狀晶體，密度2.30，由于尺寸大，表面積小，所以由范德華力所提高的強度有限(一)硬化水泥漿體組成3. AFt(1890年發(fā)現(xiàn)) 尺寸比CSH大得多，長3-4微米，直徑0.5-1微米 細棒狀、六棱柱狀、輻射狀等 密度1.734.AFt+C3A AFm(1929年發(fā)現(xiàn)) AFm 六角板狀或片狀，尺寸比Ca(OH)2小，直徑10-數(shù)十微米 密度1.99(一)硬化水泥漿體組成5. 水化

16、鋁酸鈣 C4AH13、C3AH6 六方板狀晶體(一)硬化水泥漿體組成 實際參加反應的實際參加反應的 水化產(chǎn)物水化產(chǎn)物二水石膏與二水石膏與C3A的的 摩爾比摩爾比 3.0 AFt 3.0-1.0 AFt+AFm 1.0 AFm 50nm的大孔中的水-自由水 5-50nm孔中的細孔水-失去導致收縮 吸附水：干燥至RH=30%，失去，引起收縮 層間水：CSH間，氫鍵固定，RH11%，失去 引起收縮 化學結(jié)合水(一)硬化水泥漿體組成8. 孔凝膠孔：CSH層間空間，占凝膠體積的 28%，5-25埃毛細孔：水分蒸發(fā)后所留， 100-500埃(低水灰比) 30000-50000埃(高水灰比) 氣孔：攪拌時裹

17、入，最大3mm，一般50- 200微米(二)硬化水泥漿體結(jié)構(gòu) 不均勻的多孔結(jié)構(gòu)體 通過調(diào)粒、優(yōu)化水泥礦物組成，能強化其結(jié)構(gòu)組成結(jié)構(gòu)性能(三)影響水泥漿體組成和結(jié)構(gòu)的因素 細度及顆粒分布(調(diào)粒水泥、球形水泥) 礦物組成(降低C3A含量) 外加劑 混合材 氣孔 養(yǎng)護溫度 石膏摻量(摻量太大，后期大量形成AFt，將造成開裂) (四)水泥體積安定性不良的原因及預防措施 定義 水泥硬化后體積變化均勻性的物理性質(zhì)指標 危害 強度降低、開裂、疏松、崩坍 原因及控制措施(四)水泥體積安定性不良的原因及預防措施原因及控制措施1) f-CaO含量過高 死燒、表面被其它礦物覆蓋、與SiO2成分共存等 水化慢 放熱、

18、體積膨脹 膨脹應力(局部) 檢驗控制 沸煮法(餅法、雷氏夾法)(四)水泥體積安定性不良的原因及預防措施原因及控制措施2)方鎂石含量過高 水化后體積增加2倍以上 控制 MgO5.0%, 若經(jīng)壓蒸安定性檢驗合格，允許6.0%(四)水泥體積安定性不良的原因及預防措施原因及控制措施3)石膏摻量過多 后期大量形成AFt導致膨脹 檢驗：凈漿冷水浸泡法 控制 SO33.5%(P.I、P.II、P.O、P.P、P.F、P.C) SO34.0%(P.S) 否則應做長期水浸試驗四、硅酸鹽系列水泥的特性和適用范圍 硅酸鹽系列水泥的特性和適用范圍Characteristics of the Cement 名名稱稱 P P. .I I、P P. .I II I P P. .O O P P. .S S P P. .P P P P. .F F 特性 快 硬 早強、水化熱較高、抗凍性較好、耐熱性較差、耐腐蝕性較差 早期強度較高、水化 熱 較大、耐凍性較好、耐熱性較差、耐腐蝕與耐水性較差 早期強度低、 后期強度增長較快、水化熱較低、耐熱性較好、 耐硫酸鹽侵蝕和耐水性較好、抗凍性差、易泌水、 干縮性