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水泥,闫光杰,学习班,内容,一、水泥的定义与分类,
(一)水泥的定义,水泥是以水化活性矿物为主要成分,能与水发生物理化学作用,使其由可塑性浆体硬化成坚硬的人造石材的一种粉末状水硬性胶凝材料。
胶凝材料:
在物理化学作用下,能从浆体变成坚固的石状体,并能胶结其它物料而有一定机械强度的物质,统称为胶凝材料。
它分为无机和有机两大类。
无机胶凝材料又按照硬化条件,又可分为水硬性和非水硬性两种。
水硬性胶凝材料指在拌水后既能在空气中又能在水中硬化的材料,如水泥。
非水硬性胶凝材料不能在水中硬化,而只能在空气中硬化,故称为气硬性胶凝材料,如石灰、石膏等。
一、水泥的定义与分类,
(一)水泥的定义,原始水泥可追溯到5000年前,埃及的金字塔、古希腊和古罗马时代用石灰掺砂制成的混和沙浆,曾被用于砌筑石块和砖块,这种用来做砌筑用的胶凝材料被称为原始水泥。
它为现代水泥的发明奠定了基础。
一、水泥的定义与分类,
(一)水泥的定义,希腊雅典神庙,埃及金字塔与狮身人面像,一、水泥的定义与分类,
(一)水泥的定义,英国1756年,英国工程师J.斯米顿在研究某些石灰在水中硬化的特性时发现:
要获得水硬性石灰,必须采用含有粘土的石灰石来烧制;用于水下建筑的砌筑砂浆,最理想的成分是由水硬性石灰和火山灰配成。
这个重要的发现为近代水泥的研制和发展奠定了理论基础。
1796年,英国人J.帕克用泥灰岩烧制出了一种水泥,外观呈棕色,很像古罗马时代的石灰和火山灰混合物,命名为罗马水泥。
因为它是采用天然泥灰岩作原料,不经配料直接烧制而成的,故又名天然水泥。
具有良好的水硬性和快凝特性,特别适用于与水接触的工程。
一、水泥的定义与分类,
(一)水泥的定义,1813年,法国的土木技师毕加发现了石灰和粘土按三比一混合制成的水泥性能最好。
1824年,英国建筑工人约瑟夫阿斯谱丁(JosephAspdin)发明了水泥并取得了波特兰水泥的专利权。
他用石灰石和粘土为原料,按一定比例配合后,在类似于烧石灰的立窑内煅烧成熟料,再经磨细制成水泥。
因水泥硬化后的颜色与英格兰岛上波特兰地方用于建筑的石头相似,被命名为波特兰水泥。
人类最早是利用间歇式土窑(后发展成土立窑)煅烧水泥熟料。
它具有优良的建筑性能,在水泥史上具有划时代意义。
一、水泥的定义与分类,
(一)水泥的定义,1871年,日本开始建造水泥厂。
1877年,英国的克兰普顿发明了回转炉,并于1885年经兰萨姆改革成更好的回转炉。
回转窑烧制水泥熟料获得了专利权,继而出现了单筒冷却机、立式磨及单仓钢球磨等,从而有效地提高了水泥的产量和质量。
1889年,中国河北唐山开平煤矿附近,设立了用立窑生产的唐山“细绵土”厂。
1906年在该厂的基础上建立了启新洋灰公司,年产水泥4万吨。
1893年,日本远藤秀行和内海三贞二人发明了不怕海水的硅酸盐水泥。
一、水泥的定义与分类,
(一)水泥的定义,1905年湿法回转窑出现。
1907年,法国比埃利用铝矿石的铁矾土代替粘土,混合石灰岩烧制成了水泥。
由于这种水泥含有大量的氧化铝,所以叫做“矾土水泥”。
1910年土立窑得到了改进,实现了立窑机械化连续生产。
1928年德国的立列波博士和波利休斯公司在对立窑、回转窑综合分析研究后,创造了带回转炉箅子的回转窑,为了纪念发明者与创造公司,取名为“立波尔窑”。
1950年,悬浮预热器由德国发明成功并开始应用,大幅度降低了熟料生产的热耗,极大地提高了生产规模。
一、水泥的定义与分类,
(一)水泥的定义,20世纪60年代初,日本将德国的悬浮预热器回转窑技术引进后,于1971年开发了水泥窑外分解技术,从而揭开了现代水泥工业的新篇章,并且很快在世界范围内出现了各具特点的预分解窑,形成了新型干法生产技术。
随着原料与均化、生料均化、高功能破碎和粉磨,环境保护技术和X射线荧光分析等在线检测方法的配套发展,加上电子计算机和自动化控制仪表等技术的广泛应用,使新型干法水泥生产的熟料质量明显提高,能耗明显下降,生产规模不断扩大。
一、水泥的定义与分类,
(二)水泥的分类,按水泥中主要矿物成分的分类(4系)通用硅酸盐系、铝酸盐系、硫铝酸盐系、磷酸盐系,一、水泥的定义与分类,
(二)水泥的分类,2.按水泥的特性分类:
膨胀水泥、快硬水泥、低热水泥、抗硫酸盐水泥等。
(二)水泥的分类,一、水泥的定义与分类,3.按水泥的用途分类:
通用水泥、专用水泥、特性水泥。
(二)水泥的分类,一、水泥的定义与分类,通用硅酸盐水泥:
以硅酸盐水泥熟料和适量的石膏、及规定的混合材料制成的水硬性胶凝材料。
按混合材料的品种和掺量不同可分为:
硅酸盐水泥P和P普通硅酸盐水泥PO矿渣硅酸盐水泥PS火山灰质硅酸盐水泥PP粉煤灰硅酸盐盐水泥PF复合硅酸盐水泥PC,
(一)硅酸盐水泥,二、通用硅酸盐水泥,1、什么是硅酸盐水泥?
2、硅酸盐水泥是怎样生产?
3、硅酸盐水泥的组成?
4、水泥浆如何转变成坚硬固体?
5、水泥应满足哪些技术性质?
6、如何正确使用水泥?
(一)硅酸盐水泥,二、通用硅酸盐水泥,1、硅酸盐水泥的定义,凡以适当成分的生料烧至部分熔融,所得以硅酸钙为主的水泥熟料,掺入适量石膏、05的石灰石或粒化高炉矿渣混合材料磨细制成的水硬性胶凝材料,也称波特兰水泥(Portland,简写P)。
当硅酸盐水泥中不掺混合材料时,称为型硅酸盐水泥,代号P.。
当硅酸盐水泥中混合材料(石灰石或粒化高炉矿渣)掺量不超过5%时,称为型硅酸盐水泥,代号P.。
(一)硅酸盐水泥,二、通用硅酸盐水泥,2、硅酸盐水泥的生产,原料:
硅质原料:
粘土(SiO2、Al2O3),占1/3钙质原料:
石灰石、白垩等(CaCO3),占2/3调节原料:
铁矿与砂岩,调节与补充Fe2O3与SiO2生产工艺:
两磨一烧原料经粉磨混合后得到水泥生料生料经窑内煅烧得到水泥熟料水泥熟料石膏(或混合材)一起经粉磨混合后得到水泥,水泥生料可以是:
与水混合成浆体湿法工艺加少量水制成料球半干法工艺加稍多水制成湿球半湿法工艺干粉混合物干法工艺,
(一)硅酸盐水泥,二、通用硅酸盐水泥,
(一)硅酸盐水泥,二、通用硅酸盐水泥,硅酸盐水泥熟料制造工艺流程,水泥制造厂全貌,水泥生料煅烧回转窑,回转窑尾,14501500C,水泥窑系统中发生的化学反应,
(一)硅酸盐水泥,二、通用硅酸盐水泥,2、硅酸盐水泥的生产,
(1)干燥与脱水100,脱去物料中的自由水和粘土矿物的层间水400600,脱去粘土矿物的配位水
(2)碳酸盐分解碳酸钙与碳酸镁在煅烧过程中分解放出二氧化碳590,MgCO3MgO+CO2-10471214J/g890,CaCO3CaO+CO2-1645J/g,水泥窑系统中发生的物理化学反应过程,
(一)硅酸盐水泥,二、通用硅酸盐水泥,2、硅酸盐水泥的生产,(3)固相反应800,CaOAl2O3(CA)、CaOFe2O3(CF)与2CaOSiO2(C2S)开始形成。
800900,开始形成12CaO7Al2O3(C12A7)。
9001100,2CaOAl2O3SiO2(C2AS)形成后又分解,开始形成3CaOAl2O3(C3A)和4CaOAl2O3Fe2O3(C4AF)。
所有碳酸钙均分解,游离氧化钙达最高值。
11001200,大量形成C3A和C4AF,C2S含量达最大值。
(一)硅酸盐水泥,二、通用硅酸盐水泥,2、硅酸盐水泥的生产,水泥窑系统中发生的物理化学反应过程,(4)液相和熟料的烧结到达最低共熔温度(1250)后,开始出现液相。
硅酸二钙与游离氧化钙都逐步溶解于液相中,反应生成硅酸盐水泥的主要矿物硅酸三钙CaOSiO2(CS)。
在高温液相作用下,水泥熟料逐渐烧结。
C2S+CaOC3S,液相,
(一)硅酸盐水泥,二、通用硅酸盐水泥,2、硅酸盐水泥的生产,水泥窑系统中发生的物理化学反应过程,
(一)硅酸盐水泥,二、通用硅酸盐水泥,3、硅酸盐水泥的组成,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Clinkers石膏(CaSO42H2O)Gypsum混合材(矿渣或石灰石粉末)MineralAdditives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;,化学组成:
主要成分:
CaO(=C),SiO2(=S),Al2O3(=A),Fe2O3(=F)少量杂质:
MgO、K2O、Na2O、SO3、P2O5等。
矿物组成:
硅酸盐水泥熟料主要含有四种矿物:
(一)硅酸盐水泥,二、通用硅酸盐水泥,3、硅酸盐水泥的组成,水泥颗粒宏观形貌,水泥颗粒的结构,水泥熟料颗粒细观形貌,水泥熟料矿物微观结构,
(一)硅酸盐水泥,二、通用硅酸盐水泥,4、硅酸盐水泥的凝结硬化,水泥浆通过过程水泥熟料矿物的水化反应、浆体的凝结硬化变成坚硬固体,凝结水泥与水混合形成可塑浆体,随着时间推移、可塑性下降,但还不具备强度,此过程即为“凝结”;硬化随后浆体失去可塑性,强度逐渐增长,形成坚硬固体,这个过程即为“硬化”。
(一)硅酸盐水泥,二、通用硅酸盐水泥,4、硅酸盐水泥的凝结硬化,为什么水泥能由浆体变成固体?
水泥与水能发生化学反应水化反应;水化反应将结合占水泥质量30左右的拌和水;水化反应的产物水化物能相互凝聚成三向网络结构;水化反应产物有很大的表面能,而且相互间有很强的次价键力。
特征:
水泥熟料颗粒中的四种主要矿物同时进行水化反应;其水化反应均是放热反应;水化反应是固液异相反应。
(一)硅酸盐水泥,二、通用硅酸盐水泥,4、硅酸盐水泥的凝结硬化-水化反应,
(一)硅酸盐水泥,二、通用硅酸盐水泥,4、硅酸盐水泥的凝结硬化-水化反应,为了调节水泥的凝结时间,掺入适量石膏,这些石膏与反应最快的铝酸三钙的水化产物作用生成难溶的水化硫铝酸钙,覆盖于未水化的铝酸三钙周围,阻止其继续快速水化。
其反应式:
水化硫铝酸钙针状晶体,C-A-S-H形成时体积膨胀1.5倍,硬化后的水泥石是由凝胶体、晶体粒子、毛细孔、凝胶孔及未水化的水泥颗粒所组成。
毛细孔:
多余水分所占的空间。
从理论上讲,水泥水化所需的W/C为0.22左右,但为使水泥浆体达到施工所要求的稠度,W/C需达到0.4以上。
凝胶孔:
存在于凝胶体中的孔隙,其尺寸较毛细孔要小。
影响强度的因素:
C-S-H生成量,孔隙(气孔和毛细孔),硬化水泥石结构A-未水化的水泥颗粒B-水化产物凝胶体C-水化产物晶体D-毛细孔,
(一)硅酸盐水泥,二、通用硅酸盐水泥,4、硅酸盐水泥的凝结硬化-水化反应,
(一)硅酸盐水泥,二、通用硅酸盐水泥,4、硅酸盐水泥的凝结硬化-水化反应,C3S含量通常占熟料的50%以上,其特点:
水化较快,早期强度高,强度增进率大,干缩性、抗冻性较好,但水化热较高,抗软水性差,抗硫酸盐浸蚀能力较差。
C3S的形成需要较高的烧成温度和较长的烧成时间,含量过高,烧成困难,易导致f-CaO(游离)增多,熟料质量下降。
C2S含量通常分熟料的20%左右,其特点:
水化较慢,早期强度低,水化热低,体积干缩小,抗软水性和抗硫盐浸蚀能力好,后期强度增进快。
(一)硅酸盐水泥,二、通用硅酸盐水泥,4、硅酸盐水泥的凝结硬化-水化反应,C3A水化速度、凝结硬化很快,放热多,硬化快,早期强度较高,但绝对值不高,后期几乎不再增长,甚至倒缩,C3A干缩变形大,抗硫酸盐性能差,脆性大,耐磨性差。
C4AF水化速度早期介于C3A与C3S之间,早期强度类似于C3A但后期还能不断增长,水化热低,干缩变形小,耐磨、抗冲击、抗硫酸盐浸蚀力强。
(一)硅酸盐水泥,二、通用硅酸盐水泥,4、硅酸盐水泥的凝结硬化-水化反应,f-CaO(游离氧化钙)在高温下死烧形成,水化很慢,一般加水3天后才反应有尽有,反应体积膨胀97.9%产生应力,造成水泥石破坏。
MgO少量可与熟料矿物固溶,对降低烧成温度、增加液相数量,改善熟料色泽有好处,但超过一定量后,未固溶部分水化很慢,要几个月甚至几年才与水反应,生产Mg(OH)2,体积膨胀148%,导致水泥安定性不良。
硅酸盐水泥的水化硬化过程,
(一)硅酸盐水泥,二、通用硅酸盐水泥,4、硅酸盐水泥的凝结硬化-水化反应,熟料矿物的基本特性,
(一)硅酸盐水泥,二、通用硅酸盐水泥,4、硅酸盐水泥的凝结硬化
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