第五章水泥

第五章水泥

内容提要：拳章是拳课程的重点内容之一。重点介绍了硅酸盐水泥的矿物组成、矿物成分的

水化反应及其影响因素、硅酸盐水泥的技术性质：细度，标准稠度用水量、凝结时间、体积安定

性、强度及水化热等；磕酸盐水泥的腐蚀。在学习硅酸盐水泥的基础上，进一步介绍了掺混合材

料的硅酸盐水泥：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

及复合硅酸盐水泥的技术标准及性能特点。对矾土水泥、白水泥及彩色水；厄、快硬硅酸盐水泥、． 膨张水泥等作了一般介绍l，

本章未归纳了建筑工程中应用水泥的主要问题，这对理论联系实际十分重热 本章自学学时为14学时。

早在公元初期人们就开始认识到在石灰中掺入火山灰，不仅强度高，而且能抵抗水的浸析。古罗马“庞贝”城的遗址以及著名的罗马圣庙等都是用石灰．火山灰材料砌筑而成的。随着生产的发展，人们认识的深f{二，到1796年出观丁-用含有“定比例粘土成分的石点砭石煅烧而成的“罗马水抛”。’由于这种具有特定成分的石灰石很少，所以人们开始研究用石灰石和粘土配制、煅烧水泥。这就是最早的硅酸盐水泥雏形。1824年英国泥瓦工约瑟夫·阿斯普丁(Joseph Aspdin)首先取得j，生产硅酸盐水泥的专利|f又。由于这种水泥的颜色酷似英国一种在建筑业享有盛名的“波特兰”石的颜色而命名为波特兰水泥．我国称为硅酸盐水泥。波特兰水泥的出现，对工程建设起了巨大的推动作用，引起r工程设计、施工技术等领域的重大变革，为各国科学家所瞩目，他们进?步运用物理的、化学的方法，劳采用现代测试手段研究了水泥的矿物组成及水化机理，开发了～系列新的水泥新品种，发展了新的水泥生产工艺。

水泥属于水硬性无机胶凝材料。加水调制后，经过一系列物理化学作用，由可塑性浆体变成坚硬的石状体，并能将砂石等散粒状材料胶结成具有一定物理力学性质的石状体。水泥浆H能在空气中硬化，又能在潮湿环境或水中更好地硬化，保持并发展其强度。所以，它既可E fi】了地上工程，也可用于水中及地下工程。

水泥有很多品种。通常按其性质和用途可分为通用水泥、专用水泥和特种水泥。通用水泥是工业与民用建筑等士建工程中应用最为广泛的水泥，它包括六大品种：硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥，矿渣硅酸盐水泥、火山灰喷硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥和复合硅酸盐水泥。专用水泥是以所用工程的名称来命名的，如油井水泥、砌筑水泥等。特种水泥是具有某种突出特性的水泥，如膨胀水泥、快硬水泥等。按水泥的矿物组成则可分为：硅酸盐水泥、铝酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、铁铝酸盐水泥等。 水泥是最重要的建筑工程材料之?，它的品种、产量和质量可以从一个侧面反映出?个吲家的经济和科学技术水平。我国1949年的水泥产量仅有66万t，2—3个水泥品种，生产技术极为落后。新中国成立后，水泥工业有f『飞速的发展，特别是近十年来发展更快。1985年以来，我国的水泥产量已跃居世界第一艟．1990年达2．03亿万t，可生产70余个水泥品种，建成了具有当代国际水平的年产150万t水泥的窑外预热分解生产线。它表明我国的经济建设已发展到一个崭新的阶段。

水泥广泛应用于工业与民用建筑、水利、公路、铁路、海港及国防等工程，n-lm来配制成多品种、多强度等级盼混凝土、钢筋混凝土、预应力钢筋混凝土构件及结构。水泥技术的发展，对建筑业起着举足轻重的作用。 第一节 硅酸盐水泥 一

- 一

凡由硅酸盐水泥熟料、0二5％石灰石或粒化高炉矿渣j适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料，称为硅酸盐水泥。不掺加混合材料的称I型硅酸盐水泥；在硅酸盐水泥熟料粉磨时掺加不超过水泥重量5％；i5灰石或粒化高炉矿渣混合材料的称Ⅱ型硅酸盐水泥，代号分别为 P．I和P．Ⅱ。 ， ＼

所谓硅酸盐水泥熟料，是指以适当成分的生料烧至部分熔融，所得以硅酸钙为主要成分的产物，简称熟料。 ． ． 一、硅酸盐水泥的原料及生产 生产硅酸盐水泥的原料，主要是石灰质和粘土质两类原料。石灰质的原料有石灰岩、自垩、石灰质凝灰岩等，它主要提供CaO，每生产一吨熟料，需用石灰岩1．1一1．3t；用作粘上质的原料有各类粘土、黄土等，它主要提供Si02、A1203和Fe203，每吨熟料用量为O．3--0．4t。为了补充铁质及改善煅烧条件，还可加入适量铁粉、萤石等。

生产水泥的基本工序是：先将原材料破碎并按其化学成 r-1 f 一分配料后：在球磨机中研磨成乜剐b到生料， 然后入窑进行煅烧， 最臣叵)H篙—[至正芦塑羔堕．{二塞匠P塑悃 ’后将烧好的水泥熟料配以适量陬再刊 一的石膏(加或不加石灰石、矿 一渣)在球磨机中研磨至一定细 图5-1硅酸盐水泥生产工序度，即得到硅酸盐水泥成品。 ’所以生产水泥的基本工序可以概括为“两磨一烧”如图5—1所示。

按生料制备方法可分为湿法和干法。湿法是将原料配好后，加水湿磨成含水约35％_．40％的生料浆，经校正成分、搅拌后入窑煅烧。该法的优点是生料成分均匀、控制准确、产品质量高，缺点是能耗大。干法是将原料烘干，配料后研磨成生料粉入窑煅烧(用立窑时，须将生料粉加适量的水及煤粉，作成生料球再人窑煅烧)。

按煅烧水泥所用窑的类型可分为回转窑(旋窑)和立窑。．回转窑多用于现代化的大中型水泥厂；立窑则用于地方水泥工业的小厂。回转窑的产量高，产品质量好；立窑设备简单，投资少，但煅烧不易均匀，产品质量不如回转窑。

生料在煅烧过程中，野协干燥、预热．分解、烧成，冷却阶段，发生了一系列物理化学变化：

100—200℃左右，生料被加热，水分被蒸发而干燥； 300--500U左右，生料被预热；

水泥广泛应用于工业与民用建筑、水利、公路、铁路、海港及国防等工程，n-lm来配制成多品种、多强度等级盼混凝土、钢筋混凝土、预应力钢筋混凝土构件及结构。水泥技术的发展，对建筑业起着举足轻重的作用。 第一节 硅酸盐水泥 一 - 一

凡由硅酸盐水泥熟料、0二5％石灰石或粒化高炉矿渣j适量石膏磨细制成的水硬性胶

凝材料，称为硅酸盐水泥。不掺加混合材料的称I型硅酸盐水泥；在硅酸盐水泥熟料粉磨时掺加不超过水泥重量5％；i5灰石或粒化高炉矿渣混合材料的称Ⅱ型硅酸盐水泥，代号分别为 P．I和P．Ⅱ。 ， ＼

所谓硅酸盐水泥熟料，是指以适当成分的生料烧至部分熔融，所得以硅酸钙为主要成分的产物，简称熟料。 ． ． 一、硅酸盐水泥的原料及生产 生产硅酸盐水泥的原料，主要是石灰质和粘土质两类原料。石灰质的原料有石灰岩、自垩、石灰质凝灰岩等，它主要提供CaO，每生产一吨熟料，需用石灰岩1．1一1．3t；用作粘上质的原料有各类粘土、黄土等，它主要提供Si02、A1203和Fe203，每吨熟料用量为O．3--0．4t。为了补充铁质及改善煅烧条件，还可加入适量铁粉、萤石等。

生产水泥的基本工序是：先将原材料破碎并按其化学成 r-1 f 一分配料后：在球磨机中研磨成乜剐b到生料， 然后入窑进行煅烧， 最臣叵)H篙—[至正芦塑羔堕．{二塞匠P塑悃 ’后将烧好的水泥熟料配以适量陬再刊 一的石膏(加或不加石灰石、矿 一渣)在球磨机中研磨至一定细 图5-1硅酸盐水泥生产工序度，即得到硅酸盐水泥成品。 ’所以生产水泥的基本工序可以概括为“两磨一烧”如图5—1所示。 按生料制备方法可分为湿法和干法。湿法是将原料配好后，加水湿磨成含水约35％_．40％的生料浆，经校正成分、搅拌后入窑煅烧。该法的优点是生料成分均匀、控制准确、产品质量高，缺点是能耗大。干法是将原料烘干，配料后研磨成生料粉入窑煅烧(用立窑时，须将生料粉加适量的水及煤粉，作成生料球再人窑煅烧)。

按煅烧水泥所用窑的类型可分为回转窑(旋窑)和立窑。．回转窑多用于现代化的大中型水泥厂；立窑则用于地方水泥工业的小厂。回转窑的产量高，产品质量好；立窑设备简单，投资少，但煅烧不易均匀，产品质量不如回转窑。

生料在煅烧过程中，野协干燥、预热．分解、烧成，冷却阶段，发生了一系列物理化学变化：

100—200℃左右，生料被加热，水分被蒸发而干燥； 300--500U左右，生料被预热；

水泥广泛应用于工业与民用建筑、水利、公路、铁路、海港及国防等工程，n-lm来配制成多品种、多强度等级盼混凝土、钢筋混凝土、预应力钢筋混凝土构件及结构。水泥技术的发展，对建筑业起着举足轻重的作用。 第一节 硅酸盐水泥 一 - 一

凡由硅酸盐水泥熟料、0二5％石灰石或粒化高炉矿渣j适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料，称为硅酸盐水泥。不掺加混合材料的称I型硅酸盐水泥；在硅酸盐水泥熟料粉磨时掺加不超过水泥重量5％；i5灰石或粒化高炉矿渣混合材料的称Ⅱ型硅酸盐水泥，代号分别为 P．I和P．Ⅱ。 ， ＼

所谓硅酸盐水泥熟料，是指以适当成分的生料烧至部分熔融，所得以硅酸钙为主要成分的产物，简称熟料。 ． ． 一、硅酸盐水泥的原料及生产 生产硅酸盐水泥的原料，主要是石灰质和粘土质两类原料。石灰质的原料有石灰岩、自垩、石灰质凝灰岩等，它主要提供CaO，每生产一吨熟料，需用石灰岩1．1一1．3t；用作粘上质的原料有各类粘土、黄土等，它主要提供Si02、A1203和Fe203，每吨熟料用量为O．3--0．4t。为了补充铁质及改善煅烧条件，还可加入适量铁粉、萤石等。

生产水泥的基本工序是：先将原材料破碎并按其化学成 r-1 f 一分配料后：在球磨机中研磨成乜剐b到生料， 然后入窑进行煅烧， 最臣叵)H篙—[至正芦塑羔堕．{二塞匠P塑悃 ’后将烧好的水泥熟料配以适量陬再刊 一的石膏(加或不加石灰石、矿 一渣)在球磨机中研磨至一定细 图5-1硅酸盐水泥生产工序度，即得到硅酸盐水泥成品。 ’所以生产水泥的基本工序可以概括为“两磨一烧”如图5—1所示。 按生料制备方法可分为湿法和干法。湿法是将原料配好后，加水湿磨成含水约35％_．40％的生料浆，经校正成分、搅拌后入窑煅烧。该法的优点是生料成分均匀、控制准确、产品质量高，缺点是能耗大。干法是将原料烘干，配料后研磨成生料粉入窑煅烧(用立窑时，须将生料粉加适量的水及煤粉，作成生料球再人窑煅烧)。

按煅烧水泥所用窑的类型可分为回转窑(旋窑)和立窑。．回转窑多用于现代化的大中型水泥厂；立窑则用于地方水泥工业的小厂。回转窑的产量高，产品质量好；立窑设备简单，投资少，但煅烧不易均匀，产品质量不如回转窑。

生料在煅烧过程中，野协干燥、预热．分解、烧成，冷却阶段，发生了一系列物理化学变化：

100—200℃左右，生料被加热，水分被蒸发而干燥； 300--500U左右，生料被预热；

500_800℃，粘土质矿物中的高岭石脱水分解为无定形的Si02、A1203等，有机物燃尽； 800一l 300~C，碳酸钙分解出CaO，并开始与粘土分解出的Si02、AI，O”Fe203发生固相反应。随着温度的继续升高，固相反应加速进行，并逐步形成硅酸二钙2CaO·SiO，、铝酸三钙3CaO·A1203及铁铝酸四钙4CaO·A1203·Fe203。当温度达到l 300~C时，固相反应完成，物料中仅剩一部分CaO未与其它氧化物化合。

当温度从1300℃升到l 450℃再降至1300~C，即为烧成阶段。这时3CaO·A1201及4CaO·A1203·Fe203烧至部分熔融状态，出现液相，将所剩CaO和2CaO·Si02溶解，2Cao j Si02在液相中吸收CaO形成硅酸盐水泥的最重要矿物硅酸三钙3Cao·Si02。这一过程是煅烧水泥的关键，必须达到足够的温度并停留适当长的时间，使充分形成3CaO· SiO，。否则，熟料中将残存较多的游离态CaO而影响水泥的质量。 烧成的水泥熟料经迅速冷却即可堆存备用。

随着科学技术的发展，水泥的生产工艺正在产生着重大变革，50年代出现的悬浮预热窑、70年代开发的窑外分解技术均是传统回转窑生产工艺的重大革新。因为物料在回转窑内呈堆积态分布于窑的底部，热气流从料层表面流过，与物料的换热面积小，传热效率低，．预热效果差。同时，在分解带的物料从料层内部分解出的二氧化碳向外扩散的面积小、阻力大、速度慢，从而增加了碳酸盐分解的困难，降低了分解速度。在回转窑窑尾的竖向装设悬浮预热器及分解炉，使固体物料逐级和上升热气流悬浮换热，从根本上改变了物料预热，分解过程的传热状态，变堆积态传热为悬浮态传热，使物料与热气流的接触面积大幅度增加，传热效率可提高若干倍，加之燃料与预热后的粉料均匀混合，瞬间燃烧，直接传热，使碳酸盐分解速度极大提高，如此，不仅可使回转窑长度大为缩短，而且可使产量成倍增加，因而，悬浮预热、窑外分解技术是世界各国竞相发展的新的水泥生产工艺技术。 二、硅酸盐水泥熟料的矿物组成及矿物成分的水化反应 1．矿物组成

硅酸盐水泥熟料由四种主要矿物成分所构成，其名称及含量范围如下： 硅酸三钙3CaO·SiO，，简写为C1S，含量37％--60％； 硅酸二钙2CaO·SiO，，简写为C，S，含量15％一37％； 铝酸三钙3CaO·A1，01，简写为C1A，含量7％一15％；

铁铝酸四钙4CaO·A1201·Fe203，简写为C4AF，含量10％一18％。

其中硅酸钙含量为75％一82％，而C3A+C4AF仅占18％一25％。

除四种主要矿物成分外．水泥中尚含有少量游离CaO、MgO、S03及碱(K20、 Na，O)。这些成分均为有害成分，国家标准中有严格限制。 2．矿物成分的水化反应

丁程中使用水泥时，首先要用水拌合。水泥颗粒与水接触，其表面的熟料矿物立即与水产生水化反应并放出一定热量。

2(3CaO·Si02)+6H20=3CaO·2Si02·3H!O+3Ca(OH)2． 硅酸i钙 水化硅酸钙 氢氧化钙

2(2CAO·Si02)+4H!O=3CaO·2Si02·3H20+Ca(OH)2 硅酸二钙

3CaO·A1203+6H20=3CaO·A1203·6H20 铝酸三钙 水化铝酸三钙

．4CaO·A1203‘Fe~03+7H20=3CaO·A1203·6H20+CaO·Fe203·H20 铁铝酸四钙 ’ 水化铁酸钙

在上述水化反应进行的同时，水泥熟料磨细时掺入的石膏也参与了化学反应： 3(CaS04·2H20)+3CaO·A1203·6H20+19H20--3CaO·A12033CaS04·31H，O 二水石膏 水化硫铝酸钙

不同矿物成分的水化特点是不同的。 ·

硅酸三钙的水化反应速度很快，水化放热量较高。生成的水化硅酸钙几乎不溶解于水，而立即以胶体微粒析出，并逐渐凝聚而成凝胶体，称为托勃莫来石凝胶。生成的氢氧化钙在溶液中很快达到饱和，呈六方晶体析出。硅酸三钙的迅速水化，使得水泥的强度很快增长。它是决定水泥强度高低(尤其是早期强度)最重要的矿物。硅酸三钙在28d内通常可水化70％左右。 一

硅酸二钙与水反应的速度慢得多，水化放热量很少，早期强度很低，但在后期稳定增长，大约一年左右可接近C3S的强摩。

铝酸三钙与水反应的速度最快，水化放热量最多，但强度值不高，增长也甚微。

铁铝酸四钙与水反应的速度较快，水化放热量少，强度值高于C3A，但后期增长甚少． 表5一l、5—2分别列出了不同熟料矿物的强度值和水化放热量。 衷5_-l水泥熟科单矿物的强度(10~7，相对湿度90％I~1-)

C，S C’s C，A ‘ C4AF

抗压强度‘MPa) 7d 32.0 22 52 16.8 _ ’28d 49.6 4.6 4.0 18.6 90d J 55.6 194 8.0 16.6 180d ， 62.6 28.6 80 19.6 矿物名称 3d 29.6 1.4 6.0 15.4 表5一2水泥熟科单矿物的水化热

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