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        普通水泥的主要成分
        發布時間:2018-12-25 11:03:45      點擊次數:916

        水泥一種細磨材料,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,并能把砂、石等材料牢固地粘結在一起,形成堅固的石狀體的水硬性膠凝材料。水泥是無機非金屬材料中使用量最大的一種建筑材料和工程材料,廣泛用于建筑、水利、道路、石油、化工以及軍事工程中。

        近年來,工業發達國家的水泥產量因需要量基本達到飽和,水泥年產量已趨于平穩或下降,而中國等發展中國家的水泥產量則增長較快,例如:1983年世界水泥產量為900Mt,中國的水泥產量則為100Mt。沿革大約2000年前,希臘和古羅馬人在建筑工程中使用了一種石灰和火山灰的混合物,它們在水中緩慢反應生成堅硬的固體,這是最早應用的水泥。

        19世紀初,英、法等國將粘士化的石灰(或泥灰巖)經燒結成為水硬性材料,當其中氧化鋁和氧化硅含量之和達到20%~35%時,稱為天然水泥。這種水泥的燒成溫度低,不控制成分。1824年英國人J。阿斯普丁用石灰石和粘土的人工混合物燒成一種水硬性的膠凝材料,它在凝結硬固后的顏色、外觀和當時英國用于建筑的優質波特蘭石頭相似,故稱之為波特蘭水泥。

        他為此取得了專利,1825年,在英國建廠生產。但阿斯普丁所得產物。因燒成溫度低而質量不夠好。真正類似于現在的波特蘭水泥是1850年英國人I。C。約翰孫制造的。從此開始了波特蘭水泥工業。一百多年來,硅酸鹽水泥的生產工藝和性能不斷得到改進,同時又研制了為數眾多的新品種,迄今已發展到100多種水泥。

        中國在1889年于唐山建立了第一座水泥廠,1906年在唐山成立啟新洋灰股份有限公司(見啟新水泥廠),開創了中國的水泥工業。1949年的水泥產量為660kt,到1984年已達120Mt,水泥品種也從單一的硅酸鹽水泥發展至60多個品種。分類水泥的分類方法有多種:1。

        根據生產的原料性質分為天然水泥、有熟料水泥(用石灰石和粘土按所需成分配合,在較高溫度下煅燒得到的產物稱為熟料)和無熟料水泥(利用粉煤灰、高爐礦渣等工業廢料或天然火山灰與石灰、水玻璃等堿性激發劑以及石膏按比例磨細,不經煅燒而制得的水泥)。2。根據水泥的性能,可分為快硬水泥(早強水泥)、低熱水泥、膨脹水泥、耐酸水泥、耐火水泥等。

        3。根據用途,可分為油井水泥、大壩水泥、噴射水泥、海工水泥等。4。根據水泥中主要化學成分,分為硅酸鹽水泥、鋁酸鹽水泥(高鋁水泥)、磷酸鹽水泥等,后者應用較少。雖然水泥的品種繁多,但95%以上屬硅酸鹽水泥類,只是根據工程的要求改變其中化學組成,或在使用時加入某些調節性能的物質而已。

        硅酸鹽水泥一類以高堿性硅酸鹽為主要化合物的水硬性水泥的總稱(在西方國家通稱波特蘭水泥)。它是將鈣質(石灰石等)和鋁硅酸質(粘土等)原料按一定比例混合,磨細后在水泥窯內經高溫(約1720K)煅燒,得到水泥熟料,再與適量的石膏共同研磨至一定細度而制得的。

        性能硅酸鹽水泥的相對密度為3。1~3。2。水泥與水接觸會放出熱量,經過一定時間便凝結(不同品種的水泥有不同的凝結時間)。為保證水泥有合適的凝結時間,常加入適量的石膏,化肥工業副產品磷石膏、氟石膏也可作代用品。石膏的加入量主要決定于水泥熟料中鋁酸鹽的含量,加入量以三氧化硫計不能超過3。

        5%。水泥應有良好的體積安定性。凝結后的水泥在空氣中和水中很快硬固并具有機械強度(抗壓和抗折強度)。一般以水泥:砂=1:2。5的砂漿試樣在水中養護3天、7天和28天的抗壓和抗折強度,均符合國家標準作為水泥的強度指標,以kg/cm2計,并以28天的抗壓強度的數值稱為水泥的標號。

        硅酸鹽水泥常用標號有325、425、525和625。一些高強和超高強水泥的標號,甚至可達1000以上。水泥熟料中各礦物與水接觸時發生水化反應(即水合),同時生成氫氧化鈣、水化硅酸鈣凝膠、水化鋁酸鈣和水化鐵酸鈣等。當有石膏時,后兩種水化物分別生成水化硫鋁酸鈣和水化硫鐵酸鈣。

        水泥漿體在干燥條件下會收縮,在潮濕環境下會膨脹。氫氧化鈣和水化鋁酸鈣將受海水中硫酸鹽的侵蝕作用,因此對海港等所用水泥要限制水泥中鋁酸鈣的含量。若水泥中堿含量過高,而制成混凝土的集料又含有活性氧化硅時,還會發生堿-集料反應,體積膨脹,水泥石和混凝土將會毀壞。

        熟料中過多的游離氧化鈣和方鎂石在水化反應時,也產生體積膨脹,造成水泥體積安定性不良,這種水泥就不合格。品種硅酸鹽水泥根據其中礦物組成的變化和外加混合材料的不同而有不同的品種。熟料中只加石膏而制得的水泥稱純硅酸鹽水泥,如在其中加入高爐礦渣、粉煤灰或火山灰等混合材料,則分別稱為礦渣硅酸鹽水泥、粉煤灰硅酸鹽水泥和火山灰硅酸鹽水泥。

        如果上述混合材料的加入量不超過15%,則稱為普通硅酸鹽水泥(簡稱普通水泥)。上述五種水泥的生產量最大,常稱為五大品種水泥。根據工程要求,在生產過程中可以改變水泥熟料的化學成分,從而生成的各種礦物的含量有差別,如對于高溫油井水泥要求硅酸二鈣含量增多;大壩用水泥則要求鋁酸鈣和硅酸三鈣的含量低;白色硅酸鹽水泥要求氧化鐵的含量小于0。

        5%;快硬水泥應使硅酸三鈣的含量高等。從節約能源和開拓資源出發,生產硅酸鹽水泥時,組分中有時還加入石膏和螢石,提高氧化鐵含量,降低氧化鈣含量,生成以硅酸二鈣、鐵鋁酸鈣和無水硫鋁酸鈣為主要礦物的水泥熟料。有的水泥中并含有少量的氟鋁酸鈣。原料硅酸鹽水泥熟料中的主要化學組成是氧化鈣、氧化硅、氧化鋁和氧化鐵。

        氧化鈣主要來源于石灰質原料,如石灰石、白堊、泥灰巖等;氧化鋁和氧化硅則來源于含硅酸鋁的物質,如粘土、高爐礦渣、粉煤灰等;氧化鐵則利用硫酸生產中的硫鐵礦渣。用于生產硅酸鹽水泥的石灰質原料中的氧化鈣含量一般在52%左右;粘土質原料中的氧化硅含量達57%左右,氧化鋁的含量則小于20%。

        為了降低煅燒溫度,并在煅燒過程中生成一部分熔融物,常加少量氧化鐵原料。對原料還要控制其中堿和氧化鎂的含量,即在水泥熟料中氧化鎂的含量應小于5%,總堿量(Na2O+K2O)對于一般水泥應小于1。2%,對低堿水泥則應小于0。6%。生產工藝硅酸鹽水泥生產工藝流程可分為生料制備、熟料煅燒、水泥制成(粉磨)和包裝等過程。

        1。生料制備包括從原料破碎開始至成分調配到合乎要求的生料過程。生料制備有干法和濕法兩種方法。在干法制備過程中,石灰石等大塊硬質原料,按傳統工藝是先經過一次破碎至大小在100mm左右的塊料,或再經第二次破碎至小于25mm的塊料(近年來已發展一次即破碎至小于25mm的塊料工藝)。

        粘土等含水原料則應經烘干再與石灰石、鐵礦石等按比例送入磨機內,研磨成細的生料粉,輸入攪拌庫,在庫中用壓縮空氣攪拌,并調整成分至合格的生料粉。濕法制備生料過程與干法的主要區別,在于粘土是先用水淘洗成泥漿,與石灰石和鐵礦石共同研磨至含水分約為35%的生料漿。

        干法制備生料的主要優點是在煅燒水泥熟料時的熱耗比濕法低,每千克熟料的熱耗只需要3。6~4。6MJ,而濕法需要5。2~6。3MJ。但濕法制備的生料成分較易均勻。一些先進干法生產水泥廠,近年來采用原料預均化和生料成分自動控制等措施,以保證生料粉成分的均勻。

        生料的研磨在不同類型的磨機中進行,主要有球磨、管磨、立式磨和烘干與研磨同時進行的中間卸料磨等。為節約研磨過程的電能、提高磨機效率,生產中常采用閉路(圈流)式粉磨,即將出磨機物料先經過一個顆粒分級設備──選粉機,選出細顆粒部分作為產品,粗顆粒部分返回磨機內繼續研磨。

        閉路系統粉磨比開路粉磨(不經過選粉機分級)的產量約可提高15%~25%,并減少了過粉碎現象。缺點是設備投資大、操作和管理較復雜。近年來,又采用一種新型的帶選粉機的立式輥輪磨,將破碎、研磨、干燥和分級在同一個裝置內完成。目前,最大的立式磨每小時產量可達400t。

        2。熟料煅燒已制備好的生料在不同型式的窯內煅燒成水泥熟料。一般生料粉或生料漿在回轉窯內煅燒,中國大多數小型水泥廠均采用立窯煅燒,用立窯煅燒時生料粉中混入需要的煤粉,并加適量水混合制成直徑為10~30mm的生料球。立窯煅燒的水泥熟料質量略差,但煅燒溫度低,耗煤量較小。

        為了節約能耗、提高回轉窯的生產能力,自70年代開始發展了窯尾帶預熱器和分解爐的窯外分解技術。水泥生料在窯內受熱過程中發生一系列物理和化學變化,如游離水的蒸發、粘土脫去結晶水、碳酸鈣分解成氧化鈣。后者與粘土中的氧化硅和氧化鋁及鐵礦石間發生固相反應生成化合物,它們的存在形式主要有四種,即硅酸三鈣(3CaO·SiO2,簡寫C3S)、硅酸二鈣(2CaO·SiO2,簡寫C2S),鋁酸三鈣(3CaO·AI2O3,簡寫C2A)和鐵鋁酸四鈣(4CaO·Al2O3·Fe2O3,簡寫C4AF)。

        還有少量未化合的氧化鈣和方鎂石(MgO)。有時還有硫酸鹽、鈦酸鹽等,但數量更少。由于熟料中還含有其他氧化物,上述各化合物并不是以純的狀態存在,往往固溶有其他各種氧化物。故又將它們按照礦物相(即晶相)來命名,如硅酸三鈣稱阿利特,它在熟料中占50%以上;硅酸二鈣稱貝利特,約含有25%;鋁酸三鈣為鋁酸鹽;鐵鋁四鈣稱才利特。

        從反光顯微鏡下觀察到的水泥熟料結構可見到六方晶體是阿利特,圓粒晶體是貝利特。晶體間的物質系由于物料在1450℃左右溫度下有約30%熔融經冷卻后形成,稱中間相,其中亮的部分是才利特,又稱白色中間相(即無定形的非晶相),暗色的是鋁酸鹽,又稱黑色中間相。

        水泥熟料化學成分(%)有一定范圍要求,氧化鈣62~67,氧化硅20~24,氧化鋁4~7,氧化鐵3~5。3。水泥制成和包裝從窯內出來的水泥熟料經冷卻后加入適量石膏(控制水泥中SO3≤3。5%),在磨機內研細,制成硅酸鹽水泥。水泥研磨的細度對水泥質量影響較大,提高細度,可提高水泥的強度,但相應的電耗也增大。

        細度一般控制在0。08mm方孔篩上的篩余量不大于10%,或者比表面積在3000cm2/g左右。水泥研磨過程中的粉塵較大,因此在設備進出口、輸送過程及包裝處均應安裝收塵設備,如沉降室、旋風收塵器、袋收塵器等。一些先進的工廠中均裝有電除塵器。在中國還利用含K2O高的粘土或鉀長石代替粘土原料,在煅燒過程中使氧化物揮發至塵埃中,收集含K2O較高的粉塵,可以作鉀肥使用。

        水泥粉常用紙袋包裝,但近年來已大量改用散裝船、散裝車輸送,提高了裝運效率,降低了成本。用途廣泛用于民用和工業用的建筑工程,例如油田和氣田的固井、水利工程中的大體積壩體、軍事搶修工程,還可用于作耐酸、耐火材料,坑道中噴射封頂以代替坑木。水泥還可以代替木材和鋼材用于多種場合,如電線桿、鐵路枕軌、輸油和輸汽管道、貯原油和貯氣罐等。

          高鋁水泥又稱礬土水泥,它是以低堿性鋁酸鹽為主要礦物的水硬性材料。生產高鋁水泥的原料是石灰石和礬土,有燒結法和熔融法。中國以燒結法生產為主。其主要化學成分(%):氧化鈣32~34,氧化鋁50~60,氧化硅4~8,氧化鐵1~3,氧化亞鐵0~1,氧化鈦1~3。

        燒成后的礦物有:鋁酸一鈣(CaO·Al2O3,簡寫CA)、二鋁酸一鈣(CaO·2Al2O3,簡寫CA2)、七鋁酸十二鈣(12CaO·7Al2O3,簡寫C12A7)、硅酸二鈣、鋁硅酸二鈣(2CaO·Al2O3·SiO2簡寫C2AS)和少量鈦酸鈣(CaO·TiO2,簡寫CT)。

        中國生產的高鋁水泥的主要的礦物組成(%)范圍是:CA40~50,CA220~35,C2AS20~30。CA是水硬性很高的礦物,凝結速度不快,但硬化迅速,早期強度高。CA2水硬性較低,C2AS在結晶狀態下不具水硬性。高鋁水泥的早期強度發展很快,24小時即達極限強度值的80%,并以3天抗壓強度值作為它的標號(包括1天、3天的抗壓和抗折強度),標號有425、525、625和725。

        高鋁水泥具有良好的抗硫酸鹽性和一定的耐高溫性,它在900℃和1300℃尚可分別保留原有強度的70%和53%。它主要用于搶修工程,早期強度要求高、抗硫酸鹽腐蝕和抗凍等的工程。它適于冬季施工,但不適于作為永久性結構材料。它還可以與耐火集料配合制成耐火混凝土,用作工業窯爐的內襯。

        高鋁水泥亦可配制成不同的品種,有鋁酸鹽自應力水泥、鋁酸鹽膨脹水泥和耐火度不低于1580℃的耐熱混凝土等。中國于1955年開始生產高鋁水泥,并首次采用回轉窯燒結法生產。


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