硅酸盐工艺基础知识-安徽海螺水泥

一、胶凝材料的定义和分类

在物理、化学的作用下，能从浆体变成坚硬的石状体，并能胶结其他物料而具有一定机械强度的物质，统称为胶凝材料。它可以分为无机和有机两大类。沥青和各种树脂属有机胶凝材料。无机胶凝材料按照其硬化条件，又可分为水硬性和非水硬性两类，水硬性胶凝材料在拌水后既能在空气中硬化，又能在水中硬化，通常称为水泥，如硅酸盐水泥、铝酸盐水泥、硫铝酸盐水泥等。非水硬性胶凝材料只能在空气中硬化而不能在水中硬化，故又称气硬性胶凝材料，如石灰、石膏、耐酸胶结料

第二章硅酸盐水泥国家标准及其生产

第一节硅酸盐水泥的国家标准

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硅酸盐水泥是以硅酸钙为主要成分的熟料所制得的水泥的总称。如掺入一定数量的混合材料，则硅酸盐水泥名称前冠以混合材料名称：如矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥等。根据国家标准GB175-92 ，硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥的定义、标号、品质指标以及验收规则如下：一、定义

（一）硅酸盆水泥

凡是由硅酸盐水泥熟料,0^-5 ％石灰石或粒化高炉矿渣、适量的石膏磨细制成的水硬性胶凝材料，称为硅酸盐水泥，即国外通称的波特兰水泥．硅酸盐水泥分为两种类型：不掺棍合材料的称为I 型硅酸盐水泥，代号P ·I ；在硅酸盐水泥熟料粉磨时掺加不超过水泥质量5 ％石灰石或粒化高炉矿渣混合材料

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的称为I 型硅酸盐水泥，代号P ·I 。

（二）普通硅酸盆水泥

凡是由硅酸盐水泥熟料,6^15 ％混合材料、适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料，称为普通硅酸盐水泥（简称普通水泥），代号P ·O

掺活性混合材料时，最大掺入量不得超过15 ％，其中允许用不超过水泥质量5 ％的窑灰或不超过水泥质量10 ％的非活性混合材料来代替。掺非活性混合材料时最大掺量不超过水泥质量10 ％。

（三）组分材料

1. 硅酸盐水泥熟料

凡以适当成分的生料，烧至部分熔融，所得以硅酸钙为主要成分的产物称为硅酸盐水泥熟料（简称熟料）

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2. 石膏

天然石膏必须符合国家标准GB5483 的规定。工业副产石膏是工业生产中以硫酸钙为主要成分的副产品。采用工业副产石青时必须经过试验，证明对水泥性能无害。

3. 活性混合材料

活性混合材料系指符合GB1596 的粉煤灰，符合GB2847的火山灰质棍合材料和符合GB203的粒化高炉矿渣。

4. 非活性混合材料

活性指标低于GB1596,GB2847 和GB203 标准要求的粉煤灰、火山灰质混合材料和粒化高炉矿渣以及石灰石和砂岩。石灰石中的三氧化二铝含量不得超过2. 5 ％。

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5. 窑灰

窑灰应符合ZBQ12001 的规定。窑灰是从回转窑窑尾废气中收集下来的粉尘。

另外，水泥粉磨时还允许加入主要起助磨作用而不损害水泥性能的助磨剂，其加人量不得超过水泥质量1 ％。使用助磨剂、工业副产石膏时，须经省、市、自治区以上建材行业主管部门批准，投产后定期进行质量检验。

二、标号

硅酸盐水泥分为4258,525 、5258 、

625,6258 、7258 六个标号；普通硅酸盐水泥分为325,425, 4258, 525, 5258, 625,625R 七个标号 .R 型水泥属于快硬型，对其3d 强度有较高的要求。

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三、技术要求

1. 不溶物

I 型硅酸盐水泥不溶物不超过。．7,5 ％．I 型硅酸盐水泥中不溶物不得超过1.50 ％。

2. 氧化镁

水泥中氧化镁含量不超过5.0 ％。如果水泥压蒸安定性试验合格，则水泥中氧化镁含量允许放宽到6.0 ％。

3 ．三氧化硫

水泥中S03 含量不得超过3.5 ％。

4. 烧失量

I 型硅酸盐水泥中烧失量不得大于3. 。％，I 型硅酸盐水泥中烧失量不得大于3. 5 ％。普通水泥中烧失量不得大于5. 0 ％。

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5. 细度

硅徽盐水泥比表面积大于3 面分/k$, 普通水泥80jtm 方孔筛筛余不得超过10.0 ％。

6. 凝结时间

硅酸盐水泥初凝不得早于4 35min ，终凝不得迟于390min 。普通水泥初凝不得早于45min ，终凝不得迟于l0h 。

7. 安定性

用沸煮法检验必须合格。

8. 强度

水泥标号按规定龄期的抗压强度和抗折强度来划分，各标号水泥的各龄期强度不得低于

表1-2-1 中数值。

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凡氧化镁、三氧化硫、初凝时间、安定性中的任何一项不符合本标准规定时，均为废品。

2. 不合格品

凡细度、终凝时间、不溶物和烧失量中的任何一项不符合本标准规定或混合材料掺加量超过最大限量和强度低于商品标号规定的指标时称为不合格品。水泥包装标志中水泥品种、标号、工厂名称和出厂编号不全的也属于不合格品。

以上标准中，凝结时间、安定性及强度是硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥的三项重要建筑性质指标。凝结时间直接影响到施工。凝结时间过短，使水泥砂浆与混凝土在浇灌之前即已失去流动性而无法使用，凝结时间过长，则降低施工速度和延长模板周转时间。硅酸盐水泥熟料初凝时间只有几分钟，要加入石膏进

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行调节，才能达到规定的要求。石膏掺入量过多，不仅水泥强度会降低，还会产生水泥安定性不良。因此，标准中除规定了初凝与终凝时间，还规定了三氧化硫的极限含量。石膏适宜的掺入量应通过试验来确定。

强度是水泥的一个重要指标，又是设计混凝土配合比的重要数据。水泥在水化硬化过程中强度是逐渐增长的，一般以3d 、7d 以前的强度称为早期强度，28d 及其后的强度称为后期强度，也有以三个月以后的强度称为长期强度。由于水泥经28d 后强度已大部分发挥出来，所以用28d 强度划分水泥的等级，即划分为不同的标号。凡是符合某一标号和某一类型的水泥，必须同时满足表1-2-1 中规定的各龄期抗压、抗折强度的相应指标。若其中任一龄期的抗压冷抗折强度指标达不到所要求标号的规定，则以其中最

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低的某一龄期的强度指标确定该水泥的标号。

第二节硅酸盐水泥的生产

一?硅酸盐水泥的生产方法

硅酸盐水泥的生产分为三个阶段：

1 ．生料制备

石灰质原料、粘土质原料及少量的校正材料经破碎后按一定的比例配合、细磨，并经均化调配为成分合适、分布均匀的生料。

2. 熟料锻烧

将生料在水泥工业窑内缎烧至部分熔融，经冷却后得到以硅酸钙为主要成分的熟料的过程。

3. 水泥的制成

将熟料、石膏，有时加入适量混合材共同磨细成

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水泥的过程。

以上三个阶段可以简称为“两磨一烧”。

第三章硅酸盐水泥熟料矿物组成及其配料计算第一节硅酸盐水泥熟料矿物组成

如前所述，硅酸盐水泥熟料是以适当成分的生料烧到部分熔融，所得以硅酸钙为主要成分的烧结块。因此，在硅酸盐水泥熟料中

CaO,SiO2,A1203,Fe2O3 不是以单独的氧化物存

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在，而是以两种或两种以上的氧化物经高温化学反应而生成的多种矿物的集合体。其结晶细小，一般为30^-60Icm 。因此可见，水泥熟料是一种多矿物组成的结晶细小的人工岩石。它主要有以下四种矿物：

硅酸三钙一～3Ca0 ．'3i02 ，可简写为

C3S ；

硅酸二钙2Ca0 ·Si02 ，可简写为C2S ；

铝酸三钙3Ca0 ·A1203 ，可简写为C 3 A ；

铁相固溶体通常以铁铝酸四钙4Ca0 .

A1203 . Fe203 作为代表式，可简写成C 4 AF, 此外，还有少量游离氧化钙(.f-Ca0 ) 、方镁石（结晶氧化镁）、含碱矿物及玻璃体。通常熟料

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中C3S 和C2S 含量约占75 ％左右，称为硅酸盐矿物。C3-ft 和C,AF 的理论含量约占22 ％左右。在水泥熟料锻烧过程中,C 3 A 和C,AF 以及氧化镁、碱等在1250 ^ - 12800C 会逐渐熔融形成液相，促进硅酸三钙的形成，故称熔剂矿物。

一?硅酸三钙

C3S 是硅酸盐水泥熟料的主要矿物。其含量通常为50 ％左右，有时甚至高达60 ％以上。纯C3S 只有在2065^ 12500C 温度范围内才稳定。在20650C 以上不一致熔融为Ca0 和液相；在1250 0 C 以下分解为CZS 和Ca0 ，但反应很慢，故纯C,S 在室温可呈介稳状态存在。C,S 有三种晶系七种变型：

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1070 0 C 1060 0 C 990 0 C 960 0 C 920 0 C 520 0 C

R ←――→M Ⅲ←――→M Ⅱ←――→M Ⅰ←――→～T Ⅲ←――→T Ⅱ←――→T Ⅰ

R 型为三方晶系，M 型为单斜晶系，T 型为三斜晶系，这些变型的晶体结构相近。但有人认为,R 型和M ，型的强度比T 型的高。

在硅酸盐水泥熟料中, C3S 并不以纯的形式存在，总含有少量氧化镁、氧化铝、氧化铁等形成固溶液，称为阿利特(Alite ）或A 矿。

纯C3S 在常温下，通常只能为三斜晶系(T 型），如含有少量Mg0, A1203 , Fe2O3 , 503 , ZnO,Cr203,R20 等氧化物形成固溶体则为

M 型或R 型。由于熟料中C3S 总含

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MgO,A12O3,

Fe2O3 以及其他氧化物，故阿利特通常为M 型或R 型。据认为锻烧温度的提高或锻烧时间的延长也有利于形成M ．型或R 型。

纯C3S 为白色，密度为3. 14g /cm3 , 其晶体截面为六角形或棱柱形。单斜晶系的阿利特单晶为假六方片状或板状。在阿利特中常以C'S 和CaO 的包裹体存在。

C3S 凝结时间正常，水化较快，粒径

40^-50jum 的颗粒28d 可水化70 ％左右。放热较多，早期强度高且后期强度增进率较大，28d 强度可达一年强度的70 ％^-80 ％，其28d 强度和一年强度在四种矿物中均最高。

阿利特的晶体尺寸和发育程度会影响其反应

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能力，当烧成温度高时，阿利特晶形完整，晶体尺寸适中，几何轴比大（晶体长度与宽度之比

L/B>2-3) ，矿物分布均匀，界面清晰，熟料的强度较高。当加矿化剂或用急剧升温等锻烧方法时，虽然含较多阿利特，而且晶体比较细小，但因发育完整、分布均匀，熟料强度也较高。因此，适当提高熟料中的硅酸三钙含量，并且当其岩相结构良好时，可以获得优质熟料。但硅酸三钙的水化热较高，抗水性较差，如要求水泥的水化热低、抗水性较高时，则熟料中的硅酸三钙含量要适当低一些。

二?硅酸二钙

C2S 在熟料中含量一般为20 ％左右，是硅酸盐水泥熟料的主要矿物之一，熟料中硅酸二钙并不

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是以纯的形式存在，而是与少量

MgO,A1203,Fe2O3,R20 等氧化物形成固溶体，通常称为贝利特(Belite ) 或B 矿。纯C2S 在14500C 以下有下列多晶转变。

1425 0 C 1160 0 C 630—680 0 C ＜500 0 C

α====== αH ＝＝＝αL ＝＝＝＝＝β

--- →γ

↑＿＿＿＿＿＿＿＿↑

780—860 0 C

(H 一高温型，L 一低温型）

在室温下, α，αH ，αL ，β等变形都是不稳定的，有转变成Y 型的趋势。在熟料中α，αH 型一般较少存在，在烧成温度较高、冷却较

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快的熟料中，由于固溶有少量A120, , Mg0 ,

Fe2O3 等氧化物，可以β型存在。通常所指的硅酸二钙或B 矿即为β型硅酸二钙。

α，αH 型C2S 强度较高，而Y 型C2S 几乎无水硬性。在立窑生产中，若通风不良、还原气氛严重、烧成温度低、液相量不足、冷却较慢，则硅酸二钙在低于5000C 下易由密度为3. 28g

/cm' 的R 型转变为密度2. 97g /cm3 的Y 型，体积膨胀10 ％而导致熟料粉化。但若液相量多，可使溶剂矿物形成玻璃体将刀型硅酸二钙晶体包围住，并采用迅速冷却方法使之越过尹-}Y 型转变温度而保留下来。

贝利特为单斜晶系，在硅酸盐水泥熟料中常呈圆粒状，这是因为贝利特的棱角已溶进液相而其余

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