无机非金属材料工学NEW.ppt

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1、无机非金属材料工学水泥基材料部分第一章 水泥材料概论1.11.1水泥发展简史水泥发展简史l公元前3000-8000年：新石器时代，粘土、粘土植物筋材料。l公元前2000-3000年：煅烧石灰、石膏材料，如金字塔、万里长城。l公元初：古希腊人、古罗马人都使用石灰掺加火山灰材料，具有水硬性。l18世纪后期：水硬性石灰、罗马水泥-高粘土质石灰石煅烧而成。l天然水泥-含20-25%粘土石灰石煅烧而成。l19世纪初：人工煅烧水泥-Portland Cementl1824年英人J.Aspdin首先获得水泥发明专利。人类住房的变迁水泥的发现烧石灰做建材石灰石杂质含量高烧制的石灰有水硬性受到启发水泥出现了1.

2、2 我国水泥工业的发展l水泥产量迅猛增长l水泥品种不断增多l水泥生产装备不断进步l水泥企业规模不断扩大图图1.11.1世界水泥产量发世界水泥产量发 展（亿吨）展（亿吨）世界水泥产量排名（2005年，亿吨）l全球23.11中国10.382印度1.453美国1.004日本0.695大韩民国0.516西班牙0.507俄罗斯0.498意大利0.469土耳其0.4210泰国0.38l11印度尼西亚0.3713巴西0.3712墨西哥0.3614伊朗0.3315德国0.3116埃及0.2917越南0.2918沙特阿拉伯0.2619法国0.2120孟加拉国0.20图1.2中国水泥产量发展（万吨）图1.3近年水

3、泥产量增长情况图图1.4水泥产量分布水泥产量分布中国十大水泥企业排名（2009年）1安徽海螺水泥股份有限公司8600万吨（2007），中国第一，世界第七。2河北冀东水泥集团有限责任公司：6000万吨。3南方水泥有限公司6000万吨。4济南山水水泥集团有限公司：5000万吨（2007）。5中国联合水泥有限责任公司5000万吨。6华新水泥股份有限公司：3800万吨（2008）。7浙江红狮集团公司3400万吨。8浙江三狮集团有限公司：2000万吨。9华润水泥控股公司1800万吨。10江西万年青水泥：1700万吨。11北京金隅集团有限公司1600万吨。12吉林亚泰（集团）股份有限公司：1400万吨。1

4、3拉法基瑞安水泥有限公司：1300万吨。14中材水泥有限公司1100万吨。15.亚东水泥（江西，武汉、蒲城、黄冈、扬州）：1000万吨。大企业集团新型干法熟料产能截止2007年底大企业集团新型干法熟料产能 所属集团 条数 310天熟料产能(万吨)320天熟料产能(万吨)海螺集团 47 7,223.007,456.00中联集团 24 2,563.702,646.40山水集团 20 2,011.902,076.80华新集团 15 1,869.301,929.60冀东水泥 15 1,674.001,728.00中材集团 18 1,314.401,356.80天瑞集团 91,255.501,296.0

5、0拉法基瑞安 19 1,243.101,283.20华润水泥 81,100.501,136.00北京金隅 15 1,091.201,126.40红狮水泥 91,085.001,120.00浙江三狮 10 1,023.001,056.00合计 209 23,454.6024,211.20中国水泥出口情况石灰石石灰石粘粘 土土铁矿石铁矿石配料、配料、磨细、磨细、均化均化生料生料窑窑煅烧（煅烧（14500C）熟料熟料磨细磨细成品水泥成品水泥适量石膏适量石膏混合材料混合材料1.3 水泥生产工艺水泥生产工艺 “两磨一烧两磨一烧“水泥生产工艺流程1水泥生产工艺流程2（1）石灰石破碎）石灰石破碎破碎后石灰石

6、运输进厂（2）原料烘干（3）原料预均化（4）生料粉磨球磨机（5）生料均化（6）熟料煅烧（7）煤粉制备（8）水泥粉磨水泥球磨机及研磨体（9）水泥包装1.4 水泥基材料水泥水泥水泥砂浆混凝土水泥制品素混凝土钢筋混凝土轻质混凝土防辐射混凝土纤维混凝土加气混凝土水泥砌块水泥板材水泥管水泥梁水泥柱保温砂浆砌筑砂浆抹面砂浆防水砂浆修补砂浆灌浆料1.5 相关产业水利水电水利水电路桥建设路桥建设商品混凝土商品混凝土混凝土外加剂混凝土外加剂粉煤灰粉煤灰矿渣粉矿渣粉水泥制品水泥制品商品砂浆商品砂浆水泥工业水泥工业建筑工业建筑工业水泥水泥混凝土搅拌站干粉砂浆生产线加气混凝土生产线万年青水泥股份公司玉山水泥厂粉磨站水

7、泥制品厂应 用第二章硅酸盐水泥熟料的组成l熟料的矿物组成l熟料率值2.1 2.1 矿物组成矿物组成l矿物类型矿物名称矿物含量(%)(%)硅酸盐矿物C3S (3CaOSiO2)4560C2S (2CaOSiO2)1825熔剂矿物C3A (3CaOAl2O3)715C4AF(4CaOAl2O3Fe2O3)1018其它f-CaO、f-MgO、玻璃体5水泥熟料矿物组成C-A-S三相平衡图（1）硅酸三钙(C3S)lC3S是硅酸盐水泥熟料中最主要的矿物,含量最多，性能最优。l形成：SiO2+2CaOC2S(800-1250)C2S+CaO C3S(1250)晶型固溶体Alitel纯晶体C3S：三方(R型)

8、晶系、单斜(M型)晶系、三斜(T型)晶系共七种变型。三方为高温型(1070)，三斜为低温型(960)。实际水泥熟料中的矿物不是纯C3S，而是固溶体，称A矿，A矿一般为M型或R型。lC3S矿物 特性：强度最高，强度增进快；水化较快，凝结正常；水化热高，抗水性差；Alite与纯C3S的强度比较图1-1 反光镜下的C3S(A矿)反光显微镜下呈黑反光显微镜下呈黑色六角板状或柱状。色六角板状或柱状。见图见图1-11-1C3S岩相结构（2）硅酸二钙(C2S)lC2S是硅酸盐矿物之一，一般含20%左右。l晶型：纯的C2S有多种变型，其随温度变化：l 上述四种晶型中，型为三方，型为单斜，型为斜方。-C2S最稳

9、定，在慢冷状态下最终都会转变成型，但在快冷时，可保留型。水泥熟料中的C2S通常都含有少量其它氧化物而形成固溶体，称为B矿或Belite。B矿在快冷时可保留型，如慢冷则会使型转变成型，造成熟料粉化、水硬性大幅下降。生产中防止熟料粉化的措施：急冷；加稳定剂。lC2S的矿物特性l早期强度低，但后期强度能不断增长，一年后可赶上A矿；l水化速度慢，凝结硬化慢；l水化热低，抗水性好；l易磨性差。lC2S（Belite）的岩相结构 图2-2（3）铝酸三钙（C3A）l形成：3CaO+Al2O3=C3A（900-1100）l晶型：立方或斜方。但熟料中的C3A为熔剂矿物，也是固溶体。在熟料中通常呈玻璃体或微晶。在

10、反光显微镜下呈灰色点滴状。C3A矿物形态C3A矿物特性 水化快，凝结快，硬化快；早期强度较高，强度发挥快，但后期不增长，甚至倒缩；水化热高，干缩变形大，抗硫 酸盐腐蚀性差。（4）铁铝酸四钙(C4AF)l形成：4CaO+Al2O3+Fe2O3=C4AF(900-1200)实际熟产中的矿物为C6A2F-C6AF2之间的一系列固溶体，称为C矿（Celite）。l岩相结构：白色中间体。见图C4AF矿物特性 强度：早期类似于C3A，后期类似于C2S；水化速度、水化热低于C3A，接近C3S；抗冲击性好，抗腐蚀性好。各矿物的强度及其发展（5）玻璃体l形成：高温熔体在平衡条件下冷却，全部析晶，无玻璃体，生产中

11、冷却较快，部分液相来不及析晶而为玻璃体。l组成：主要为熔剂组分。玻璃体特性 近程有序，远程无序；介稳状态，自由能大，水化热高；稳定-C2S，防止MgO、C3A结晶长大，有利于熟料质量；易磨性差。（6）游离氧化钙（f-CaO）l定义：没有被酸性氧化物吸收而呈游离态存在的CaO。一次f-CaO：没有被酸性氧化物吸收的CaO。二次f-CaO：矿物分解或被转换出的CaO。形成一次f-CaO形成是由于配料不当，生料过粗，或煅烧不良引起。二次f-CaO是由于熟料慢冷，还原气氛严重，或碱过多引起。l性质：一次f-CaO通常经过高温死烧，结构致密，水化很慢，通常在三天后才明显水化，生成Ca（OH）2，体积膨胀

12、97%，导致水泥石开裂，称为水泥安定性不良。二次f-CaO高温时存在矿物中，故对安定性影响较小，但影响强度。控制回转窑熟料：f-CaO1.0%;立窑熟料：f-CaO2.5%;（7）方镁石（结晶MgO）l熟料中的MgO有三种型式：存在矿物中，与矿物形成固溶体；在溶体冷却时形成玻璃体；在溶体冷却时析出晶体，即方镁石。MgO的作用 少量MgO有利于降低液相出现的温度，增加液相量，降低液相粘度，促进矿物形成，改善熟料色泽；MgO的特性 方镁石为等轴晶系，结构致密，水化极慢，常须半年后才明显水化，水化生成Mg（OH）2，体积膨胀148%，导致水泥安定性不良。控制硅酸盐水泥中的MgO5%，若压蒸安定性试验

13、合格可放宽至6%。小结小结 硅酸盐水泥主要熟料的矿物组成硅酸盐水泥主要熟料的矿物组成（1）硅酸三钙硅酸三钙3CaO.SiO2：37%60%；（2）硅酸二钙硅酸二钙 2CaO.SiO2：15%37%；（3）铝酸三钙铝酸三钙 3CaO.Al2O3：715%；（4）铁铝酸四钙铁铝酸四钙4CaO.Al2O3.Fe2O3：10%18%四种矿物的比例对水泥性质的影响四种矿物的比例对水泥性质的影响四种矿物的比例对水泥性质的影响四种矿物的比例对水泥性质的影响:(1)(1)提高提高提高提高C C3 3S S的含量的含量的含量的含量,可得到高强硅酸盐水泥可得到高强硅酸盐水泥可得到高强硅酸盐水泥可得到高强硅酸盐水泥

14、;(2)(2)提高提高提高提高C C3 3S S和和和和C C3 3A A的含量的含量的含量的含量,可制得快硬硅酸盐泥可制得快硬硅酸盐泥可制得快硬硅酸盐泥可制得快硬硅酸盐泥;(3)(3)提高提高提高提高C C2 2S S含量含量含量含量,可得低热或中热硅酸盐水泥可得低热或中热硅酸盐水泥可得低热或中热硅酸盐水泥可得低热或中热硅酸盐水泥.水泥熟料矿物的水化特性水泥熟料矿物的水化特性 矿矿 物物名名 称称硅硅 酸三酸三 钙钙C3S硅硅 酸二酸二 钙钙C2S铝铝 酸三酸三 钙钙C3A铁铝酸四铁铝酸四 钙钙C4AF水水 化、化、凝结硬化凝结硬化速度速度 28d水化水化热热强强 度度耐腐蚀性耐腐蚀性快快慢

15、慢最快最快快快多多少少最多最多中中早期低早期低晚期高晚期高高高低低低低差差好好最差最差好好2.2熟料率值l石灰饱和系数（石灰饱和系数（KHKH）l硅率（硅率（SMSM）l铝率（铝率（IMIM）石灰饱和系数的含义lCaO被SiO2吸收形成C3S的程度；推导 熟料中CaO的极限含量：CaO=2.8 SiO2+1.65 Al2O3+0.35Fe2O3 熟料中CaO的实际含量：CaO=KH 2.8 SiO2+1.65 Al2O3+0.35Fe2O3石灰饱和系数2.32.3率值对熟料煅烧和水泥性能的影响率值对熟料煅烧和水泥性能的影响l石灰饱和系数（KH）KH高，CaO多，C3S多，熟料强度高；但KH过大

16、，需消耗更多的能量，产量降低，否则游离CaO增多，当CaO量超过极限量时，影响水泥安定性。KH低，CaO少，C3S少，熟料强度低，但f-CaO少。硅率（SM）的影响 SM高，硅酸盐矿物多，熔剂矿物少，如煅烧充分时，熟料强度较高，但液相量少，SiO2吸收CaO困难，C2S相对较多，熟料易粉化。SM低，熔剂矿物多，硅酸盐矿物少，熟料强度较低。液相量多，生料易烧性好，但煅烧时易结块。铝率（IM）的影响 IM高，早期强度较高，但易快凝，干缩率大，耐蚀性差；液相粘度大，影响C3S的形成；IM低，凝结减慢，耐腐蚀、抗冲击能力增强；液相粘度降低，可促进矿物形成，但IM太低则煅烧时易结大块、结圈。2.4 矿物

17、组成、率值、化学成分的换算矿物组成、率值、化学成分的换算已知化学成分计算率值已知矿物组成计算率值已知率值计算矿物组成已知率值计算化学成化学成分计算矿物组成由率值计算化学成分及矿物组成思考题思考题l1.硅酸盐水泥熟料四个主要矿物是怎样形成的？其晶型和稳定性如何？各矿物有哪些特性？l2.影响水泥安定性的因素有哪些？l3.游离氧化钙是怎样形成的？试述游离氧化钙对水泥安定性的影响机理。l4.试述石灰饱和系数的含义，石灰饱和系数设计过高或过低对水泥熟料的烧成和水泥性能有何影响？l5.设计熟料三个率值时，如何考虑硅率、铝率与石灰饱和系数的合理匹配？l6.要想获得高C3S熟料，生产中应采取哪些措施？第三章水

18、泥原料及生料制备l水泥原料l配料l生料制备3.1.1 石灰质原料石灰质原料以CaCO3为主要成分的矿物质原料。石灰岩、泥灰岩、白垩、贝壳、电石渣等。3.1水泥原料水泥原料1）石灰岩品质判定品位CaO48%，结晶SiO24%，MgO3%，碱含量1%。普氏硬度f=8-10（f=P/100 P抗压强度Kg/Cm2）结晶程度以微晶较好。CaO48%的为石灰岩；CaO48%的岩石为泥灰岩；大理石也是CaCO3，为何不能作为水泥原料？粘土质原料粘土质原料l种类：粘土、黄土、页岩、泥岩、粉砂岩、河泥等。其中以粘土、黄土使用最多，它们都是由花岗岩、玄武岩经风化、分解、搬运或残积而成。风化程度决定粘土的矿物组成

19、、粘粒含量等。l粘土：包括南方的红壤、黄壤，主导矿物为高岭石。东北的黑土、棕壤。主导矿物为蒙脱石、水云母。l黄土：分布在华北、西北。主导矿物为伊利石、蒙脱石。粘土比黄土的粘粒含量高，可塑性好。l页岩：粘土受压胶结而成，层理明显，矿物与粘土类似，成岩，故须破碎。l衡量粘土质量的指标主要有a.化学成分：n=2.5-3.5;SiO2=55-72%;P=1.5-3b.含砂量:尽量低.c.MgO3.0%,R2O4.0%,SO32.0%.d.工艺性能：可塑性好、热稳定性好。粘土的塑性指数（WWWt-W)为液限与塑限之差。粘土：WW18；黄土：WW8-12。3.1.3 校正原料校正原料（1）铁质校正原料：要

20、求：Fe2O3=40-70%铁粉硫铁渣、铁矿石、铜矿渣、铅矿渣等。（2）硅质校正原料：要求：SiO270%砂岩、硅藻土、煤矸石等。（3）铝质校正原料：要求：Al2O330%，矾土、粉煤灰、煤矸石等。3.2 生料配料生料配料（1）熟料组成设计设计熟料的三个率值：KH、SM、IM；依据：水泥品种；原料品质；主机设备；均化设施；（2）配料计算人工计算：递减试凑法、拼凑法；微机编程计算：建立数学模型编程输入数据3.3水泥生料的活性及其制备水泥生料的活性及其制备生料活性是指生料在高温下的反应活性，常用生料易烧性来表示。有2种表达形式：（1）等时等温法：（瑞士Kock）将生料试体（球或圆柱）在一定温度下煅

21、烧一定时间，测定试样中f-CaO的百分含量，f-CaO愈少，易烧性愈好。（2）等温等f-CaO法：（德国Luodwig）将生料试样在一定温度下煅烧至规定的f-CaO量，用煅烧时间t表示易烧性。l我国国标GB9965-88规定采用第一种方法：生料圆柱体（1313mm）在1350下煅烧30min后的f-CaO量作为易烧性指标。l影响易烧性的因素主要有：（1）矿物组成l用易烧性指数表示：BI1=C3S/（C3A+C4AF）BI2=C3S/（C3A+C4AF+M+R）BF1=LSF+10SM3（M+R）（2）原料性质l原料中的氧化物的来源：lCaO：方解石、白云石、文石、长石、硅灰石。lSiO2：石英

22、、玉髓、蛋白石、长石、高岭石、云母、蒙脱石。lAl2O3：粘土矿物、长石、矾土。lFe2O3：赤铁矿、磁铁矿、黄铁矿、褐铁矿、粘土矿物。lK2O、Na2O：云母、长石、粉煤灰、煤矸石。l具有缺陷和无序结构的矿物活性高；l具有非晶相和隐晶相的活性比结晶体高；l刚由矿物分解的氧化物活性高；l方解石活性大于白云石，粘土矿物中的SiO2活性大于石英。（3）生料细度l生料细度大致与烧结速度成反比，大颗粒的生料在生产条件下难以达到所要求的石灰结合量。l生产普通水泥时，允许生料最粗颗粒为200m；l生产高强水泥时，允许生料最粗颗粒为60m，用比表面积表示，为3000-5000cm2/g。当生料中含有结晶矿物

23、时，其极限尺寸一般为：石英、燧石：30-45m，方解石：100-125m。（4）生料次要成分lK、Na、Mg、F、S等生料易烧性均有明显影响。（5）煅烧制度l提高温度梯度，采取速烧有利于提高生料的反应活性。生料制备设备l破碎设备l烘干设备l原料预均化设备l粉磨设备l生料均化设备颚式破碎机锤式破碎机反击式破碎机圆锥式破碎机辊式破碎机烘干设备预均化堆场预均化堆场钢架堆料取料作业球磨机辊磨机生料均化库均化库（实物）第四章第四章 水泥熟料煅烧及设备水泥熟料煅烧及设备l水泥熟料形成的物理化学过程l微量元素对熟料形成的影响l水泥熟料煅烧设备.干燥水分蒸发150；.预热粘土脱水分解150-750；.分解碳酸

24、盐分解750-1000；.放热反应固相反应1000-1250；.烧成熟料烧结12501450-1250；.冷却熟料冷却1250。3.1 熟料煅烧过程中的物理化学变化熟料煅烧过程中的物理化学变化煅烧工艺流程回转窑内物料温度和气体温度以及各带划分的大致情况图回转窑内物料温度和气体温度以及各带划分的大致情况图干法生产水泥熟料煅烧过程去水區热源冷却區废气口石灰分解黏土分解C3S形成C2S形成混合物形成熔体形成进料口鍛燒區熟料區（1）干燥）干燥不同生产方法生料水分：l干法生产：生料水分：1%；l半干法生产：12-15%；l湿法生产：30-40%。l对于湿法生产，降低水分是节能关键（2）预热）预热-粘土脱

25、水分解粘土脱水分解l脱水反应：Al2O32SiO22H2OAl2O32SiO2（偏高岭石）+2H2OAl2O32SiO2Al2O3+2SiO2l粘土矿物的化合水：晶体配位水：以OH-离子状态存在晶体结构中，400-600以上脱去；层间吸附水：以水分子状态吸附在晶层间，100脱去。粘土矿物脱水曲线见图1-4粘土矿物脱水（3）碳酸盐分解）碳酸盐分解l分解反应CaCO3890CaO+CO21645J/gMgCO3590CaO+CO21130J/gl反应特点1）可逆反应；2）强吸热反应；3）对后续反应影响大，对窑的产量影响大。反应历程由2个传热、2个传质、1个反应过程组成。l影响CaCO3反应速度的因

26、素反应动力学方程：t分解时间d生料粒径pCO2分压p0CaCO3平衡分解压kCaCO3分解速度常数影响CaCO3分解速度的因素分析l1）温度：决定K、p0。l2）颗粒直径；l3）气流中CO2分压；l4）原料性质：石灰石、粘土等原料的结晶程度、活性大小；l5）生料分散程度：分解炉中完成90%分解仅需2秒，回转窑内分解15分钟；l6）矿化剂的影响。（4）固相反应）固相反应反应历程：l800：CA、CF、C2S开始形成l800900：C12A7开始形成l9001100：C3A、C4AF开始形成；l11001200：大量形成C3A、C4AF，C2S达到最大值。影响固相反应速度的因素根据Jangder方

27、程：反应百分数；r颗粒半径；k反应速度常数反应物的活性；生料细度；生料的均匀性；温度；煅烧制度；矿化剂。（5）熟料烧结）熟料烧结(a)烧结反应：C2S+CaO+LC3S(b)最低共熔温度：与组分数与组分性质有关。l见表2-2-8(c)液相量与温度和组分性质有关。l液相量计算公式：1400：P=2.95A+2.2F+M+R1450：P=3.0A+2.25F+M+R1500：P=3.3A+2.6F+M+R硅酸盐水泥熟料的液相量一般在2030%范围。(D)液相粘度与物料组成性质和温度有关。l与与温度的关系见图5-12；l与与铝率的关系见图5-13。l与与其它组分的关系见图5-14(6)熟料冷却熟料冷

28、却l冷却目的：（a）回收余热；（b）改善熟料质量；（c）便于后续操作。冷却制度（a）平衡冷却：冷却非常缓慢，固液相反就充分进行；（b）独立结晶：液相单独结晶（不是通过固液相反应析晶）（c）淬冷：急冷。P0.64和P0.64时的熟料相冷却相图见图5-16及图5-17急冷对熟料质量的影响1）防止C3S的分解；2）防止-C2S向-C2S转变，避免熟料粉化；3）防止方镁石长大，改善水泥安定性；4）矿物结晶细小，避免C3A晶体过大引起产品快凝；矿物活性高；5）改善水泥色泽，改善熟料易磨性。3.2 微量元素对熟料煅烧的影响微量元素对熟料煅烧的影响、碱（K2O、Na2O）1）碱是挥发性物质：在800挥发随烟

29、气逸出窑外，低温下冷凝沉降，被收尘器收下返回窑内，富集循环，引起窑尾系统结皮堵塞；2）化学反应最易和硫反应形成硫酸盐：K2OSO3K2SO4N2OSO3N2SO4钾钠芒硝3K2ON2O4SO33K2SO4N2SO4（氧化气氛）K2OCOSO32CSO4K2SO4（还原气氛）钙明矾石剩余的碱置换熟料矿物K2O12C2SKC23S12COK2O12C3SKC23S1213CON2OC3ANC8A3反应导致C3S、C3A分解，-CO增加，强度下降。KC23S12和NC8A3强度均3）碱的危害置换熟料矿物，导致C3S、C3A分解，-CO增加，强度下降。碱循环富集，造成预热器系统结皮堵塞和硫酸盐反应形成

30、的钙明矾石吸湿性大，易造成水泥库结库；在砼中易和活性集料反应（水环境下），造成砼膨胀破坏。3.2.2其它微量元素1）TO2：1%的TO2能降低CCO3分解温度，稳定-C2S。1%则会形成无水硬性的钙钛石（CT），降低强度。2）P2O5：0.1-0.3%的P2O5能稳定-C2S并使其活化，提高强度，但过量则会使C3S分解，阻止C2S继续形成C3S。3）钡、锶、钒、硼等元素的存在，有利于熟料煅烧和矿物形成，不同程度的起到矿化、助熔、稳定-C2S和活化矿物的作用。3.3 水泥熟料煅烧设备水泥熟料煅烧设备回转窑系统流程(1)窑中系统：回转窑筒体(2)窑尾系统：喂料系统、烟室、预热器、分解炉、增湿塔、排

31、风机、收尘器、余热发电系统、烟囱.(3)窑头系统：窑罩、喷煤管、鼓风机、喂煤系统、冷却机、收尘器、熟料输送机不同窑型工艺流程介绍1）中空窑回转窑回转窑与冷却机回转窑与冷却机l喷煤管(燃烧器)l均匀窑皮2）干法中空窑余热发电工艺3）立波尔窑4）旋风预热器窑多级预热器的气固温度变化旋风预热器工作原理图旋风预热器工作原理图旋风筒功能结构图旋风筒功能结构图锁风阀原理图锁风阀原理图进料与撒料盘工作原理图进料与撒料盘工作原理图不不同同预预热热器器系系统统图图悬浮预热器工作原理图5）立筒预热器窑6)窑外分解窑窑外分解窑l预分解窑是当代水泥工业用于煅烧水泥熟料的最为先进的工艺装备，具有高效、优质、低耗等一系列

32、优良性能。l分解窑的功能与特征分解窑的功能与特征承担预分解系统中的煤粉燃烧、换热和碳酸盐分解（分解率达90%以上）任务。在悬浮预热器与回转窑之间增设分解炉，增加碳酸盐分解任务；分解炉是预分窑系统的“第二热源”，燃料在分解炉与在窑头的加入量比例约为4：6。l按分解炉内气流的主要运动形式分类：旋风式、喷腾式、悬浮式及沸腾式（或称流态化床式）四种。l按全窑系统气体流动方式分类在线型；半离线型；离线型。分解炉的分类分解炉的分类（1）在线型。分解炉需要的三次风由回转窑内通过，不再增设三次风管道，一般也不设专门的分解炉，而是利用窑尾与最下一级的旋风筒之间的上升烟道，经过适当改进或加长作为分解室。如图所示。

33、（2）半离线型。设有单独的三次风管，从冷却机抽取的热风在炉前或炉内与窑气混合。如动画所示。（3）离线型。设有单独的三次风管，但窑气不在炉前或炉内与三次风混合，炉内燃料燃烧全部用从冷却机抽取的三次风。如图所示。分解炉的结构和工作原理分解炉的结构和工作原理实物对比分解炉8）立窑l立窑结构：筒体卸料装置鼓风系统扩大口加料装置传动装置8）立窑第五章硅酸盐水泥的水化硬化第五章硅酸盐水泥的水化硬化l熟料矿物的水化l硅酸盐水泥的水化l水泥石结构5.1熟料矿物的水化硅酸三钙的水化l水化反应：3C OS O2 H2O C OS O2 H2O（3-）C（OH）2简写为：C3SH2OC-S-H（3-）CHC-S-H

34、为无定形凝胶，是硅酸盐水泥浆体的主要粘结组分，CH则为结晶物质CSH凝胶C3S的五个水化阶段.初始期：10-15.诱导期：1-4.加速期：4-10.减速期：12-24.稳定期：1-3后水化历程机理水化初期在C3S表面的活化点处很快水解，C和OH-进入溶液，在C3S表面形成富硅层。溶液中的C吸附到富硅层表面形成双电层，产生电位，从而阻止C3S水解时的离子扩散，出现诱导期。当溶液中的CH浓度达到饱和时，CH析晶，电位迅速下降，水化加速，诱导期结束。诱导期理论（早期水化理论）C3S的中期水化在C3S水化的加速期，C-S-H和CH大量形成和长大，溶液中的离子浓度下降，随着产物层增厚，C-S-H和CH的

35、形成速度也逐渐变慢，水化由加速逐渐转为减速。C-S-H开始在颗粒外部生长，在内部形成，随着内部产物增多，水化由减速期进入稳定期。C3S的后期水化后期水化完全受离子扩散速度控制。水化过程是颗粒外部的H2O离解的H向颗粒内部迁移到C3S表面，而内部的C2和S4则通过内部产物向外迁移。水化由此缓慢进行。硅酸二钙的水化l水化反应 2COSO2H2OCOSO2H2O（2-）C（OH）2 简写为：C2SH2OC-S-H（2-）CH-C2S与C3S的水化过程极为相似，也有诱导期和加速期等。但水化速率极慢。由于放热很慢，难以用量热法测量。l-C2S与C3S水化比较：）水化速率约为C3S的1/20；）扩散速度比

36、C3S低8倍；）表面溶解速度比C3S低几十倍；）-C2S水化24的表面状态相当于C3S5的状态；）-C2S水化产物中C-S-H数量多，CH少，故长期强度更高。5.1.3 铝酸三钙的水化l水化反应：T35时：2C3A27HC4AH19C2AH8T35时：C3A6HC3AH6l产物特性：）C4AH19、C2AH8为六方片状晶体，C3AH6为等轴晶体；）C4AH19、C2AH8不稳定，易转变成C3AH6，晶型转变后造成浆体孔隙增加，强度下降。石膏的影响石膏存在时，C3A的水化反应：）先形成C4AH13；）C4AH133CSH214HC3A3CSH32CHC3A3CSH32称为三硫型水化硫铝酸钙，又称

37、钙矾石（AF）。针状晶体，尺寸细小，有很好的胶凝性。）石膏耗尽时，若还有C3A，继续反应：C3A3CSH322C4AH133（C3ACSH12）2CH20HC3ACSH12称单硫型硫铝酸钙，以AF表示。）AF全部转变为AF后，若还有C3A，则形成C4AH13和AF的固溶体：C3ACSH12C3ACH12H2 C3A（CS，CH）H12石膏对C3A水化产物的影响CSH2/C3A摩尔比水化产物3.03.0-1.01.00AFAFAF2 C3A（CS，CH）H12C3AH6针状钙矾石石膏对C3A水化速率的影响lC3A单矿物水化速率极快，几分钟即可凝结，几小时即完成水化。加入石膏后，生成针状AF，会在

38、C3A表面形成一层薄膜，阻碍水的渗入，从而延缓水化。见图。铁铝酸四钙的水化C4AF的水化与C3A非常相似，各水化产物对应为：C4（A，F）H13、C3（A，F）3CSH32、C3（A，F）CSH12但C4AF的水化速率、凝结速率都比C3A慢。水化产物SEM图5.2硅酸盐水泥的水化水化阶段 硅酸盐水泥的水化与C3S的水化基本相同。简分为三个阶段。如图。1）Aft形成期：C3A在石膏存在下水化生成Aft，大量放热，形成第一放热峰；2）C3S形成期：C3S迅速水化，形成第二放热峰。3）结构形成和发展期：水化产物增多，相互交织，连接成愈来愈致密的结构。水泥水化特点1）水泥加水后的液相是含有多组分离子的

39、溶液，从水化开始基本是在饱和的石灰石膏溶液中进行的；2）各离子对水泥的水化有很大影响（如K、N、OH、SO42）；3）各熟料矿物之间的水化会相互影响；4）水化前后固相比例的变化见图8-13，可见，水泥的水化产物以C-S-H为主（占70%），其次为CH（占20%），其余为水化硫铝酸盐等。水化速度影响因素：1）熟料矿物；2）细度；3）水灰比；4）温度。在低水灰比条件下，一般水灰比高，水化速度快。水泥拌和用水量一般为化学反应所需水量的一倍左右。温度越高，水化速率越快。5.3水泥石结构固相水泥凝胶70%硬化水孔固相C（OH）2晶体20%泥浆体水（水泥石）AF、AF7%未水化颗粒3%粗孔15-1000孔

40、毛细孔大0.05-10小10-50凝胶孔0.5-10结晶水强以OH存在，离子键结合弱以H2O存在，氢键结合水吸附水以以H2O存在，吸附于毛细孔和凝胶孔中自由水物理水思考题1.硅酸三钙的水化分成哪几个阶段？试解释出现诱导期的机理。诱导期的出现对水泥的应用有何影响。2.硅酸盐水泥的水化可分成哪几个阶段？主要的水化产物有哪些？各水化产物的形态如何？3.影响水泥水化速度的因素有哪些？4.水泥石有哪些固相组成？其孔隙结构和组成如何？第八章第八章 混合材水泥混合材水泥l混合材l矿渣水泥l火山灰水泥l粉煤灰水泥一、概述我国2004年水泥产量9.5亿吨，90%以上掺有混合材。按平均15%掺加，每年消耗混合材超

41、过1亿吨。1、混合材的作用增加产量、降低成本、节能利废、改善性能。2、国家标准（GB1344-1999，GB175-1999）（1）六大通用水泥对混合材掺加的规定归纳如表：表81六大通用水泥对混合材掺量的规定代号水泥名称熟料石膏%矿渣%石灰石%火山灰%粉煤灰%窑灰%P.硅酸盐水泥100P.955P.O普通水泥85-956-15（非活性混合材10%）5P.S矿渣水泥30-8020-708P.P火山灰水泥50-8020-50P.F粉煤灰水泥60-8020-40P.C复合水泥50-8515-50（2种以上，含其它废渣）8（2）强度等级l混合材水泥(与普通硅酸盐水泥同)32.5；32.5R；42.5；

42、42.5R；52.5；52.5Rl普硅水泥与混合材水泥的强度等级虽相同，但各龄期强度要求值不同。见表8-2。表8-2混合材水泥各龄期强度要求值强度等级抗压强度抗折强度3天28天3天28天32.510.032.52.55.532.5R15.032.53.55.542.515.042.53.56.542.5R19.042.54.06.552.521.052.54.07.052.5R23.052.54.57.0二、混合材1、粒化高炉矿渣l矿渣种类粒化高炉矿渣（高炉炼铁渣）锰铁矿渣（高炉炼锰铁渣）化铁炉渣（化铁炉熔融生铁或废铁渣）铬铁渣（电炉炼铬铁渣）钢渣（平炉、转炉炼钢渣）l矿渣形成高炉冶炼生铁原料

43、：铁矿石；燃料：焦炭；熔剂：石灰石、白云石。熔炼时，CO、MO和焦炭中的灰分、铁矿石中的硅、铝组分反应生成以硅酸钙、铝酸钙为主的熔融体，因密度远小于铁水（渣熔体：/3，铁水：7-8/3），故浮在铁水表面排出，经水淬成粒。工艺如图。l矿渣质量鉴定l1）化学成分：质量系数：1.2 CO、A2O3、含量高，活性高；MO以稳定态化合物存在，MO高有利于提高粒化质量；SO2在矿渣中含量过高（就形成CSH而言），增加熔体粘度，不利于粒化，降低活性；MO与S并存形成MS会显著降低矿渣活性；TO2与CO、A2O3等形成惰性矿物：钙钛石、安诺石等。SO2A2O3FOCOMOMOTO2SO325-406-150.

44、5-135-452-150.1-120.5-1.51）矿物组成：有可能的晶相：l硅酸二钙（C2S）、黄长石（C2AS）、钙长石（CAS2）、透辉石（CMS2）、假硅灰石（CS）、尖晶石（MA）、钙镁橄榄石（CMS）、镁方柱石（C2MS2）、二硅酸三钙（C3S2）。l水淬良好的矿渣含有大量的（80-90%）玻璃体，通常以微晶状态存在。l上述矿物中C2AS、C2S活性较好，而CAS2、CS活性较差。可见，CO、A2O3高，SO2低的矿渣活性高。l因此，矿渣质量通常以实际掺入水泥中的力学性能来评定：l激发强度法：2、火山灰质材料1）种类天然火山灰材料l火山灰火山喷发的细碎屑和疏松沉积物。l凝灰岩火山

45、灰沉积胶结而成的致密岩石。l浮石火山喷出的多孔玻璃质岩石急冷起泡，呈多孔海绵状，浮于水。l沸石环境侵蚀凝灰岩而成的含水铝硅酸盐岩石。l硅藻土硅藻外壳沉积而成。人工火山灰材料l烧页岩、烧粘土、废砖瓦、废陶瓷l煤矸石、煤渣、沸腾炉渣l硅灰2）活性评定ll火山灰性试验l原理：未掺加混合材的水泥浆液相中的C（OH）2是过饱和的，其试验点应落在图中的饱和线以上，而掺中活性混合材的水泥由于混合材吸收CO而使液相中的CO浓度下降到饱和线以下。l试验方法：将掺有30%火山灰材料的水泥20放入100蒸馏水中制成混浊液，在40下养护7，过滤，测定滤液中的OH-和CO的浓度，作出图。当试验点落在饱和线以上：说明火山

46、灰材料不具火山灰性；当试验点落在饱和线以下：说明火山灰材料具有火山灰性；当试验点落在饱和线上或接近曲线：养护到14重做测定，如在曲线下，说明火山灰材料仍具有火山灰性；l对比强度法：3、粉煤灰1）形成：粉煤灰是火力发电厂煤粉锅炉排出的废渣，煤粉燃烧后约有70-80%粉状灰随烟气排出，经收尘器收集即粉煤灰，20-30%烧结物落入炉底，称为炉底灰。我国目前每年排灰量约2.0亿吨，利用率约55%，其中有30%-40%用于水泥和混凝土，60-70%用于筑路、砌块、板材、改良土壤。粉煤灰有湿排灰和干排灰2种，干排灰质量好，活性高。2）粉煤灰的组成l矿物组成粉煤灰在高温（2000以上）煅烧过程中灰份熔融，在

47、表面张力作用下收缩成球状，内部气体在气压下驱动熔体膨胀，冷却后成空心玻璃体。空心玻璃体分选出后称为漂珠。还有未膨胀的实心玻璃体为沉珠。都是混凝土的优质掺合料。化学成分SO2A2O3 FO CO MOL 45-5020-305-151-50.8-22-10玻璃相莫来石石英赤铁矿、磁铁矿碳粒50-805-303-201-61-53）活性评定火山灰性试验；可溶性组分测定；需水量比；烧失量。对比强度法（同火山灰质材料）R75%，为一级粉煤灰，R65%，为二级粉煤灰。GB159691用于水泥和混凝土中的粉煤灰l作混凝土和砂浆中的掺合料的粉煤灰的质量要求序号指标级别1细度（0.045方孔筛筛余，%不大于1

48、220452需水量比，%不大于951051153烧失量，%不大于58154含水量，%不大于115三氧化硫，%不大于333作水泥混合材的粉煤灰的质量要求序号指标级别1烧失量，%不大于582含水量，%不大于113三氧化硫，%不大于33428天抗压强度比，%75624、复合水泥三、混合材水泥的水化特点1、与硅酸盐水泥的水化产物相近2、水化分二步进行，先熟料水化，水化产物和混合材再进行二次水化反应；3、系统碱度下降，产物中CH无或很少；4、水化速度减慢，水化热下降。水化产物硅酸盐水泥P.普通水泥P.O矿渣水泥P.S火山灰水泥P.P粉煤灰水泥P.FC-S-HC/S1.7-21.4-1.7，量多1.0-1

49、.6，量多1.0-1.6，量多AF多于P相近相近CH远少于P远少于P远少于P一、混合材水泥的性能l1、共性：l1）早期强度低，长期强度高；l2）凝结时间延长；l3）水化速度减慢，水化热低；l4）结构致密，耐久性好；l5）密度小，对养护温度敏感。1、特性l1）矿渣水泥：耐热性好，颜色淡，和易性差，泌水量大，干缩率大，抗冻性差。l2）火山灰水泥：需水量大，保水性好，泌水量小，干缩率大。l3）粉煤灰水泥：需水量小，和易性好，干缩性小。五、混合材水泥的用途1、混合材水泥都适合于地下工程、水工工程及潮湿环境；2、粉煤灰水泥和矿渣水泥更适合于大坝工程和大体积混凝土；3、矿渣水泥适合于高温车间及钢筋混凝土制

50、品；4、混合材水泥不适合于要求早期强度高的结构工程。第九章特种水泥l快硬水泥l油井水泥l白色和彩色水泥l道路水泥l膨胀水泥一、概述1）分类硅酸盐类；铝酸盐类；l 按矿物体系分硫铝酸盐类；氟铝酸盐类；铁铝酸盐类；其它。快硬水泥；膨胀水泥；耐高温水泥；l 按性能分低热水泥；自流平水泥；耐酸水泥；导电水泥；防辐射水泥。油井水泥；大坝水泥；l 按用途分装饰水泥；道路水泥；砌筑水泥；型砂水泥。2）发展l我国特种水泥经历了仿造、自主开发和创新三个阶段。ll解放初，只有白水泥一种；ll“一五”期间，仿制苏联：快硬水泥、油井水泥、大坝水泥。ll“二五”期间，自主开发：高铝水泥、耐高温水泥、自应力水泥、浇注水泥