材料學概論材概-傳統無機

1材料學概論主講：徐家躍申慧第2部分無機非金屬材料2.4傳統無機材料2主要內容建筑陶瓷水泥耐火材料3

傳統無機材料，也稱為硅酸鹽材料，主要包括玻璃、陶瓷、水泥、耐火材料等，以建材為主；部分玻璃、陶瓷越來越傾向于功能化，成為先進無機材料；建筑陶瓷是典型的傳統無機材料，是節(jié)能的重點領域之一，近年來通過技術創(chuàng)新，開始出多種綠色環(huán)保的新產品；水泥、耐火材料等盡管也在不斷創(chuàng)新，但它們的基本應用領域還是工程性的，成為傳統無機材料的代表。硅酸鹽材料4建筑陶瓷我國是建筑陶瓷生產大國；面臨高耗能、高污染、高成本的發(fā)展瓶頸；建筑陶瓷發(fā)展新方向：

清潔能源的使用陶瓷磚薄型化藝術陶瓷

……

5建筑陶瓷薄板（PP板）通過陶瓷磚減薄，單位面積建筑陶瓷材料用量降低一倍以上，節(jié)約60%以上的原料資源，降低綜合能耗50%以上，由于厚度減薄帶來的技術、工藝、裝備等方面的改進；6特點—薄、輕、大；其厚度為3-6mm，規(guī)格可以達到900ⅹ1800mm；斷裂模數≥50MPa，破壞強度≥800N，吸水率≤0.5，各項材料性能遠超傳統陶瓷、石材、鋁塑板等材料；施工方便，能像劃玻璃一樣根據需要隨意切割；對成形、裝飾機械、坯體輸送裝置、窯爐的設計制造提出了更高的要求；廣東蒙娜麗莎陶瓷率先推出該產品，“十一五”國家科技支撐計劃重點項目7輕質陶瓷板（QQ板）以建筑陶瓷行業(yè)的拋光廢渣、粘土、沙石料為主要原料；原料配方中拋光廢渣的比例為50%～80%，粘土為18～40%

；采用1050×2060（mm）超大規(guī)格雙模壓機干壓成型，經過高溫燒成的環(huán)保陶瓷薄板；運用了先進的發(fā)泡工藝，形成封閉式氣孔，規(guī)格達1100×2100×8～20mm；創(chuàng)造了建筑陶瓷產品能浮于水面的神話（比重<1）是一種具有輕質、隔熱、保溫、隔聲、吸音等優(yōu)異功能的裝飾材料。8與傳統陶瓷磚相比，可節(jié)約原料1/3～2/3，節(jié)約燃料40%以上；房屋建筑結構輕量化、房屋內外墻面、地面的裝飾材料應用重量大幅減少；

新型鋪貼方法（薄法施工，也稱鏝刀法）；實現陶瓷企業(yè)固體廢棄物綜合再利用；9藝術陶瓷大型藝術陶瓷背景墻高端室內裝飾利用超簿瓷板及電腦噴印技術、燒烤工藝，將圖案用進口特制釉墨電腦噴印設備噴印在PP板上，經燒烤而成。10水泥凡細磨成粉末狀，加入適量水后成為塑性漿體，既能在空氣中硬化、又能在水中硬化，并能將砂、石等散?；蜾摻?、纖維牢固地膠結在一起的水硬性膠凝材料，通稱為水泥(Cement)

水泥是重要的建筑材料之一，2009年我國水泥產量達18億噸，占世界總產量的50%以上。水泥的定義11水泥的分類按主要成分分類硅酸鹽類水泥、鋁酸鹽類水泥、硫鋁酸鹽類水泥、氟酸鹽類水泥??????按用途與性能分類

通用水泥—適用于大多數工業(yè)、民用建筑工程的硅酸鹽系列品種水泥；

專用水泥—指有專門用途的水泥，如油井水泥、道路水泥等；

特性水泥—指某種性能較突出的一類水泥，如快硬水泥、膨脹水泥等。12硅酸鹽水泥

硅酸鹽水泥普通硅酸鹽水泥礦渣硅酸鹽水泥火山灰質硅酸鹽水泥粉煤灰硅酸鹽水泥……

通用硅酸鹽水泥—以硅酸鹽為水泥熟料和適量的石膏、及規(guī)定的混合材料制成的水硬性膠凝材料(CommonPortlandCement)

按混合材料的品種和摻量分類：13

通用硅酸鹽水泥的組分、代號定義

以硅酸鹽水泥熟料和適量石膏，及規(guī)定的混合材料制成的水硬性膠凝材料分類

硅酸鹽水泥普通水泥

礦渣水泥

火山灰水泥

粉煤灰水泥復合水泥

I

型混合材料

0%

＞5%

且≤20%混合材料A

型＞20%且≤50%?；郀t礦渣

＞20%

且≤40%

火山灰質混合材料

＞20%

且≤40%

粉煤灰

＞20%

且≤40%兩種或兩種以上規(guī)定的混合材料

II

型混合材料

≤5%

B型＞50%且≤70%?；郀t礦渣P?IP?O(ordinaryportlandcement)P?S(portlandbl-astfurnace–slagcement)P?P(portlandpozzolanecement)P?F(portlandfly–ashcement)P?C(compositeportlandcement)

P?II混合材料含量代號14硅酸鹽水泥的歷史埃及時代煅燒石膏-----金字塔希臘與羅馬人發(fā)明了煅燒石灰石-----快硬石灰-----磚石結構砂漿法國和英國，煅燒石灰與粘土混合物——水泥1842年英國磚瓦匠Aspdin發(fā)明生產硅酸鹽水泥的專利技術，因外觀和當時常用于建筑中的波特蘭島上出產的巖石相似，稱之為“波特蘭水泥”1871年，美國發(fā)明世界上第一臺回轉窯，使水泥生產大規(guī)?；?5生產方式生產過程

兩磨一燒硅酸鹽水泥熟料混合材料石膏磨細為成品++技術標準2008年6月1日國家實施《通用硅酸鹽水泥》GB175—200716主要原料鈣質原料：石灰石等，以碳酸鈣為主要成分，是氧化鈣（CaO）的主要來源硅質原料：粘土等，提供SiO2、Al2O3等校正性原料：根據所缺少的組分摻入相應的原料，如Fe2O3石膏—作為緩凝劑生料組分

CaO：62%～67%、SiO2:

20%～24%、

Al2O3:4%～7%Fe2O3：2.5%～6.0%

硅酸鹽水泥的原料17水泥熟料：煅燒時由生料脫水和分解出的CaO,Al2O3,SiO2,Fe2O3,在~1450℃的高溫下產生化學反應,生成以硅酸鹽為主的新化合物水泥熟料主要成分（1）硅酸三鈣(3CaO·SiO2，簡寫為C3S，占36%~60%)（2）硅酸二鈣(2CaO·SiO2，簡寫成C2S，占15%~37%)（3）鋁酸三鈣(3CaO·Al2O3，簡寫成C3A，占7%~15%)（4）鐵鋁酸四鈣(4CaO·Al2O3·Fe2O3，簡寫為C4AF，占10%~18%)。

水泥熟料1819“兩磨一燒”工藝：

配料：將石灰質、粘土質等原料按適當的比例配合，有時為了改善燒成反應過程，還加入適量的鐵礦粉和礦化劑磨料：原料經細磨成生料粉(干法生產)或生料漿(濕法生產)

煅燒:將生料入窯煅燒成熟料磨料：水泥熟料+石膏（或再+混合材料）一起經粉磨混合得到水泥制品水泥的生產工藝20Preparationofrawmaterials(limestone)forcementproductionataplant2122水泥漿如何轉變成堅硬固體？23熟料：主要膠凝物質，能水化硬化；石膏(CaSO4:2H2O)：調節(jié)水泥的凝結時間；混合材(礦渣等）：調節(jié)水泥的強度等級；水泥熟料顆粒中的四種主要礦物同時進行水化反應水化反應均是放熱過程水泥漿體硬化后成為越來越致密的固體24熟料與水發(fā)生反應礦物名稱硅酸三鈣硅酸二鈣鋁酸三鈣鐵鋁酸四鈣水化速度最快慢快快28天水化放熱多少多中強度高早期低，后期高低低25為了調節(jié)水泥的凝結時間，摻入適量石膏;這些石膏與反應最快的鋁酸三鈣的水化產物作用生成難溶的水化硫鋁酸鈣，覆蓋于未水化的鋁酸三鈣周圍，阻止其繼續(xù)快速水化。其反應式為：

26細度

細度是指水泥顆粒的粗細程度，直接影響水化活性和凝結硬化速度。顆粒太粗，水化活性越低，不利于凝結硬化；顆粒越細，凝結硬化越快，但水化放熱也快，收縮也越大，生產耗能也越高；

硅酸鹽水泥的技術指標27初凝時間是指水泥從開始加水拌和起至水泥漿開始失去可塑性所需的時間；終凝時間是指從水泥開始加水拌和起至水泥漿完全失去可塑性，并開始產生強度所需的時間。國家標準規(guī)定:硅酸鹽水泥初凝時間不得早于45min；終凝時間不得遲于6.5h。

凝結時間28水泥強度是表示水泥力學性能的一項重要指標，是評定水泥強度等級的依據。根據GB/T175—99規(guī)定，各強度等級水泥在各齡期的強度值不得低于表中的數值。水泥的強度與等級強度等級抗壓強度（MPa）抗折強度（MPa）3d28d3d28d42.517.042.53.56.542.5R22.042.54.06.552.52352.54.07.052.5R2752.55.07.062.52862.55.08.062.5R3262.55.58.029

水泥體積安定性簡稱水泥安定性，水泥在凝結硬化過程中體積變化的穩(wěn)定性。

當水泥漿體在硬化過程中或硬化后發(fā)生不均勻的體積膨脹，會導致水泥石開裂、翹曲等現象，稱為體積安定性不良。引起水泥體積安定性不良的原因主要有熟料中含有過量的游離氧化鈣、游離氧化鎂或摻入的石膏過多。體積安定性30水化熱是指水泥與水發(fā)生水化反應時放出的熱量，通常用J/kg表示。大型基礎和堤壩等大體積工程，水化熱不易釋放，造成溫差引起開裂，因此建造大壩多用低熱水泥。顆粒愈細，水化熱愈大；礦物中C3S、C3A含量愈多，水化熱愈大。水化熱名稱硅酸三鈣硅酸二鈣鋁酸三鈣鐵鋁酸四鈣凝結硬化速度28d水化放熱量強度快多高慢少早期低，后期高最快最多低快中低31

專用水泥和特性水泥快硬高強水泥膨脹水泥、自應力水泥耐高溫水泥——高鋁水泥油井水泥裝飾水泥，如白水泥、彩色水泥水工水泥32快硬水泥快硬水泥的生產方法與普通水泥基本相同，只是較嚴格地控制生產工藝條件。其硅酸三鈣和鋁酸三鈣含量較高，前者含量約為50%~60%，后者為8%~14%；凝結硬化快，施工周期短快硬水泥可用于緊急搶修工程和低溫施工工程，可配制早強、高等級混凝土。強度等級抗壓強度(MPa)抗折強度(MPa)1d3d28d1d3d28d32.515.032.552.53.55.07.237.517.037.557.54.06.07.642.519.042.562.54.56.48.0快硬水泥各齡期強度(GB199—90)

33應滿足的條件：耐磨性好、強度高、水化熱低、耐久性好與普通水泥熟料相比，一般適當提高C3S、C4AF含量。提高C3S含量，可以提高水泥的強度。C4AF的脆性小，體積收縮小，提高C4AF的含量，提高水泥的抗折強度及耐磨性。道路水泥最適宜各類混凝土路面工程，適用于耐磨、抗干縮等性能要求較高的其他工程。

道路水泥應用于大壩工程、海工工程等常年與侵蝕介質接觸的地下或水下工程低水熱水泥，主要用于大體積混凝土工程具有抗硫酸鹽侵蝕能力強的水泥，主要用于長期與硫酸鹽接觸的工程，如海港碼頭。水工水泥34耐火材料(refractorymaterial)

耐火材料是指耐火溫度不低于1500℃,并在高溫下能耐氣體、熔融金屬、熔融爐渣等物質侵蝕，而且有一定機械強度的無機非金屬材料。

35常用耐火材料的主要組分是一些高熔點氧化物；按其化學性質可分為酸性、堿性和中性。酸性耐火材料的主要組分是SiO2等，如硅磚；堿性耐火材料的主要組分是MgO、CaO等，如鎂磚；中性耐火材料的主要組分是Al2O3、Cr2O3等，如高鋁磚。主要組分36常見耐火材料中的主要物質和熔點37硅磚鎂磚高鋁磚38高溫技術的基礎材料！耐火材料的應用耐火材料主要應用于冶金工業(yè)（煉鐵、煉鋼、有色金屬冶煉）;用于化工、機械、硅酸鹽等工業(yè)部門用的窯爐等熱工設備;某些高溫容器及設備及近代高科技工業(yè)（火箭、熱核反應堆等）不可或缺的耐高溫材料或零部件。39化學成分硅酸鋁質耐火材料；氧化硅質耐火材料；鎂質耐火材料；碳質耐火材料；鋯質耐火材料；特殊耐火材料（碳化物、氮化物等非氧化物）化學特性酸性耐火材料（硅磚）；堿性耐火材料（鎂磚）；中性耐火材料（剛玉磚、高鋁磚）燒成工藝：不燒制品、燒成制品、熔鑄制品密度：重質/輕質耐火材料耐火度：普通（1580-1770℃）、高級（1770-2000℃）、特級（2000-3000℃）耐火材料的分類40力學性能高溫耐壓強度—單位面積所能承受的極限載荷高溫抗折強度—高溫下試樣承受彎矩作用直至斷裂的應力

反映制品對物料撞擊、磨損、液態(tài)渣沖刷的抵抗能力耐火材料的性質熱學性能熱膨脹系數—制品在加熱過程中的長度或體積變化確立燒成溫度制度和烘烤溫度制度熱導率—單位時間內，單位溫度梯度內，單位面積所通過的熱量，反映材料的保溫效果，是重要的熱工指標。

41高溫使用性能a.耐火度—抵抗高溫作用而不熔化的性能，合理選用耐火材料的重要依據b.荷重軟化溫度—承受高溫和恒定壓負荷的條件下，產生一定變形時的溫度耐火材料名稱荷重軟化開始點溫度t0（℃）荷重軟化終止點溫度t1（℃）耐火度t2（℃）t2-t0（℃）氧化硅質粘土質氧化鎂質16301350150016701600155017301730200010038050042d.抗熱震性抵抗溫度急劇變化而不被破壞的性能與熱膨脹系數、熱導率密切相關熱導率越高、熱膨脹系數越小，抗熱震性越好e.

抗渣性—在高溫下抵抗熔渣侵蝕的能力爐渣化學性質（酸堿性）工作溫度（溫度升高、材料的抗渣能力大大降低）致密程度（提高致密度、降低氣孔率能顯著提高抗渣能力）c.高溫體積穩(wěn)定性耐火材料在高溫下長期使用時體積發(fā)生不可逆變化。殘存膨帳和殘存收縮的允許值一般為0.5～l.0％范圍內。

431.原料的加工2、配料3、泥料的混練4、成型5、干燥6、燒成耐火材料的一般生產過程44硅磚就是一種含SiO2在93%以上的氧化硅質耐火材料。硅磚的特性（1）屬酸性耐火材料，對酸性渣侵蝕的抵抗能力強，對堿性渣侵蝕的抵抗能力弱。（2）耐火度較一般粘土磚高，達1710～1730℃。（3）荷重軟化溫度高，幾乎接近其耐火度，一般都在1620℃以上，這是硅磚的最大優(yōu)點。硅質耐火材料45硅磚的用途

硅磚是酸性冶煉設備的主要砌筑材料，也是煉焦爐、銅熔煉爐等不可缺少的筑爐材料。由于硅磚的荷重軟化溫度高，因而也可用在堿性平爐和電爐爐頂上，甚至蓄熱室上層格子磚也可用它來砌筑。使用硅磚時應注意下列事項：（1）硅磚在200~300℃和578℃時由于高低型晶型轉變，體積驟然膨脹，故在烘爐時在600℃以下升溫不宜太快，否則有破裂的危險。（2）盡量避免和堿性爐渣接觸。

46硅酸鋁質耐火材料

硅酸鋁質耐火材料是由Al2O3和SiO2及少量雜質所組成，根據其Al2O3含量不同可分為：1、半硅質耐火材料(含A12O315~30%)2、粘土質耐火材料(含Al2O330~46％)3、高鋁質耐火材料(含A12O3＞40%)（建材行業(yè)的水泥窯爐、玻璃窯爐、陶瓷窯爐）47含氧化鎂（MgO）在80～95％以上，以方鎂石（MgO）為主要礦物組成的耐火材料。鎂磚屬于堿性耐火材料，對于CaO、FeO等堿性熔渣的抵抗能力很強，故通常用做堿性熔煉爐的砌筑材料。耐火度在一般耐火磚中是最高的，通常在2000℃以上。常用做高溫燃燒室或熔煉爐的砌筑料。荷重開始軟化溫度在1500~1550℃之間，比耐火度低500℃以上。鎂磚的熱膨脹系數大，在20~1500℃之間的線膨脹系數為14.3×10-6，故砌磚過程中，應留足夠的膨脹縫。鎂質耐火材料48碳質耐火材料是用碳及其化合物制成的。包括碳質制品、石墨質制品、碳化硅制品等。含碳耐火材料具有下列特性：（1）耐火度高，因為碳實際上是不熔化的物質，在3500℃時升華；（2）碳質制品是中性耐火材料，具有很好的抗渣性；（3）高的導熱性和導電性；（4）熱膨脹系數小，熱穩(wěn)定性好;（5）高溫強度高，耐磨性好；（6）碳和石墨在氧化氣氛中會燃燒，碳化硅在高溫下也慢慢發(fā)生氧化作用，這是含碳耐火材料的主要缺點。碳質耐火材料49碳磚的高溫強度大和高溫體積穩(wěn)定，用以砌筑高爐風口以下的爐缸和爐底部位，也用來做鋁電解槽的內襯。石墨質制品的導熱能力和抗氧化能力比碳磚強得多，可做成坩堝直接在高溫火焰中使用，還可做成電極使用。碳化硅耐火制品突出性能是高溫抗彎強度高、導熱性能好、熱膨脹小，還可抵抗鋅、鋁、銅等金屬熔體的侵蝕。50輕質耐火材料是指氣孔率高、低體積密度和低導熱性的耐火材料，具有多孔結構和高的隔熱性。為了減少爐子熱損失，提高爐子熱效率，減低燃料消耗量以及改善車間勞動條件