水泥成分种类生产过程详细介绍

强度——水泥质量
确定水泥强度等级； 设计混凝土和砂浆配合比的强度依据 胶砂（水泥1+中国ISO标准砂3+水0.5） 棱柱体试件（40mm×40mm×160mm）
20±1℃湿气 24h
脱模
20±1℃水中 预定龄期（3d、28d）
测定抗压强度和抗折强度
水泥强度等级按照28d抗压强度值划分 （2008年实施GB175-2007） 硅酸盐水泥：42.5、42.5R、52.5、 52.5R、62.5、62.5R六个等级 普通水泥：42.5、42.5R、52.5、52.5R 四个等级 矿渣硅酸盐水泥、火山灰水泥、粉煤 灰水泥、复合水泥： 32.5、32.5R 、42.5、 42.5R、52.5、52.5R六个等级

非活性混合材 与水泥成分不起化学作用或化学作用很小的 称为非活性混合材。 磨细石英砂、石灰石、慢冷矿渣等 作用：提高水泥产量，减少水化热，降低水泥标 号。
（3）石膏
天然石膏或工业副产石膏（CaSO4，CaSO4· 2H2O） 作用：调节凝结时间，提高早期强度，降低干缩变 形，改善耐久性、抗渗性等性能，对混合材起活性激发 作用。 最佳掺量：C3A含量，混合材 以水泥中SO3含量作为石膏掺量的控制指标 过少，不能合适地调节水泥正常凝结时间 过多，可能导致水泥体积安定性不良
(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 ３CaO· SiO2（C３S） 。在高温液相作用下，水泥 熟料逐渐烧结。
C2S+CaO
液相
C3S
Байду номын сангаас
三、水泥的基本组成
（1）硅酸盐水泥熟料 氧化物组成 CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3 MgO、 SO3、TiO2、P2O5、K2O和Na2O等

体积安定性 体积安定性不良是指已硬化水泥石产 生不均匀的体积变化现象。
引起体积安定性不良的原因： （1）f-CaO过量 CaO+H2O=Ca(OH)2 （2）f-MgO过量 MgO+H2O=Mg(OH)2 （3）石膏掺量过多 石膏+C-A-H AFt

细度
影响水泥安定性、需水量、凝结时间 及强度 国标： 硅酸盐水泥比表面积>300m2/kg 透气式比表面积仪 其他水泥80μm标准筛上筛余量<10% 筛析法
第六章 水 泥
内

容


水泥的定义和分类 水泥的生产 水泥的基本组成 水泥的水化硬化 水泥的品质要求 常用水泥的基本特征与用途 特种水泥的组成与主要性能
一、水泥的定义和分类

定义：凡细磨成粉末状，加入适量水后成为塑性浆
体，既能在空气中硬化，又能在水中硬化，并能将 砂、石等散粒或纤维材料牢固地胶结在一起的水硬 性胶凝材料，统称为水泥。 硅酸盐水泥定义：以硅酸盐水泥熟料、适量石 膏磨细制成的水硬性胶凝材料。
硬化浆体结构： 未水化的水泥颗粒、水化产物、孔隙
影响强度的因素： C-S-H生成量，孔隙（气孔和毛细孔）
矿渣硅酸盐水泥的水化硬化 熟料矿物+水 水化产物 水化硅酸钙 碱性激发剂：CH（+SiO2+Al2O3） 水化铝酸钙 硫酸盐激发剂：石膏（+SiO2+Al2O3 ）

水化硫铝（铁）酸钙
火山灰水泥的水化硬化 熟料矿物+水 水化产物 二次反应 CH（+SiO2+Al2O3）
(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℃，MgCO3≒MgO+CO2-1047~1214J/g ～890℃，CaCO3≒CaO+CO2-1645J/g
(3)固相反应
~800℃，CaO· Al2O3（CA）、CaO· Fe2O3（CF）与 2CaO· SiO2（C2S）开始形成。 800~900℃，开始形成12CaO· 7Al2O3（C12A7）。 900~1100℃，2CaO· Al2O3SiO2（C2AS）形成后又分 解。开始形成3CaO· Al2O3（C3A）和 4CaO· Al2O3· Fe2O3（C4AF）。所有碳酸钙均分解， 游离氧化钙达最高值。 1100~1200℃，大量形成C3A和C4AF，C2S含量达最 大值。
四、水泥的水化硬化

定义：水泥与水接触时，水泥中的各组分 与水的反应称为水化。
+水 凝结、硬化
水泥
cement
水泥浆
水泥石
Cement paste
Hardened cement paste

硅酸盐水泥的水化硬化
水化过程
主要水化产物：
CH
水化铝（铁）酸钙
Ca-Al
C-S-H凝胶
水化硫铝（铁）酸钙
矿渣硅酸盐 P.S 水泥
火山灰质硅 P.P 酸盐水泥
粉煤灰硅酸 P.F 盐水泥 复合硅酸盐 P.C 水泥
硅酸盐水 适量（控制 SO3<3.5%） 泥熟料 45~78%
硅酸盐水 适量（控制 SO3<3.5%） 泥熟料 55~78% 硅酸盐水 适量（控制 SO3<3.5%） 泥熟料 45~83%
火山灰质混合材20~50%
粉煤灰20~40%
掺两种或两种以上混合材料，总 掺量按质量百分比计为15~50%， 允许用<8%的窑灰代替部分混合 材料，掺矿渣时，混合材掺量不 得与矿渣水泥重复
二、水泥的生产

原材料：
（１）石灰石质原料（主要成份为碳酸钙，提供氧 化钙），如石灰岩、泥灰岩、白垩、贝壳等 （２）粘土质原料（提供氧化硅和氧化铝及部分氧 化铁），如黄土、粘土、页岩、泥岩、粉砂岩及 河泥等 （３）少量校正原料（铁质校正原料和硅质校正原 料，提供氧化铁和氧化硅），铁质校正原料如低 品位铁矿石、炼铁厂尾矿以及硫酸厂工业废渣硫 酸渣（硫铁矿渣）等；硅质校正原料如砂岩、河 砂、粉砂岩等。

生产工艺：“两磨一烧”
生料制备：石灰质原料，粘土质原料与少量 校正原料经破碎后，按一定比例配合、磨细，并 配合为成分合适，质量均匀的生料
熟料煅烧：生料在水泥窑内煅烧至部分熔融 所得以硅酸钙为主要成分的硅酸盐水泥熟料 水泥粉磨：熟料加适量石膏，有时还加适量 混合材料或外加剂共同磨细为水泥
用 窑 外 分 解 窑 干 法 生 产 的 工 艺 流 程

水化热 水泥水化放出的热称为水泥的水化热。
硅酸盐水泥的水化放热曲线
水泥的水化放热量大部分在3~7d内放 出，以后逐渐减少 大体积混凝土，冬季混凝土施工 水泥水化放热量与水泥细度、混合材 种类和数量有关 中热硅酸盐水泥和低热硅酸盐水泥， 适用于水化热较低的大坝和大体积混凝土 工程。
水泥化学品质指标 （1）不溶物：熟料中未参与矿物形成反应的粘土和 结晶SiO2 ，是煅烧不均匀，化学反应不完全的标 志。。 （2）烧矢量：反映熟料的烧成质量，混合材掺量是 否适当以及水泥风化的情况。 （3）氧化镁：以方镁石晶体存在的MgO导致水泥长 期安定性不良。 （4）SO3：造成水泥体积安定性不良，通过控制石 膏掺量控制。 （5）碱含量（Na2O+0.658K2O）：与活性骨料发生 碱骨料反应，导致混凝土不均匀膨胀破坏。
常用水泥品种
水泥品种 水泥 代号 水泥组成
熟料
硅酸盐水 泥熟料 95~98%
石膏
适量（控制 SO3<3.5%）
混合材
不掺任何混合材
Ⅰ型硅酸盐水泥 P.Ⅰ
Ⅱ型硅酸盐水泥 P. Ⅱ
硅酸盐水 泥熟料 90~97%
硅酸盐水 泥熟料 80~92%
适量（控制 SO3<3.5%）
适量（控制 SO3<3.5%）
掺加不超过水泥质量5%的石 灰石或粒化高炉矿渣混合材
~95% ~5%
主要氧化物含量波动范围： CaO 62~67%； SiO2 Al2O3 4~7%； Fe2O3
20~24%； 2.5~6.0%。
矿物组成 经高温煅烧后，两种或两种以上的氧化物反应 生成多种矿物集合体，结晶细小（30~60μm）。 四种主要矿物： 硅酸盐矿物， 75% 硅酸三钙 3CaO· SiO2，可简写为C3S； 硅酸二钙 2CaO· SiO2，可简写为C2S； 溶剂矿物， 铝酸三钙 3CaO· Al2O3，可简写为C3A； 22% 铁相固溶体4CaO· Al2O3· Fe2O3作为代表式，可 简写为C4AF。 另外，还含有少量的游离氧化钙（f-CaO）、方 镁石（结晶氧化镁）、含碱矿物以及玻璃体等。

按组成分类：
如：硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥等
常用水泥／硅酸盐水泥（以硅酸盐水泥熟料为主要组分） 特种水泥（以非硅酸盐类水泥熟料为主要组分）
如：高铝水泥、硫铝酸盐水泥等

组分材料：
(1)硅酸盐水泥熟料：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 (2)石膏：天然石膏或工业副产石膏（工业生产中以 硫酸钙为主要成分的副产品），掺量2～５％ (3)活性混合材：具有火山灰性或潜在水硬性的混合 材料，如粒化高炉矿渣、粉煤灰等 (4)非活性混合材：活性指标不符合标准要求的潜在 水硬性或火山灰性混合材料以及砂岩和石灰石 (5)窑灰：从水泥回转窑窑尾废气中收集下的粉尘 (6)助磨剂：在水泥粉磨时起助磨作用而不损害水泥 性能的一种外加剂，加入量<1%

（2）混合材
活性混合材 混合材磨细后与石灰和石膏拌合，加水后既 能在水中又能在空气中硬化的称为活性混合材。 粒化高炉矿渣：炼铁高炉的熔融矿渣经水淬急冷形 成，物相组成大部分为玻璃体，具有较高的化学 潜能，在激发剂的作用下具有水硬性。 化学成分：CaO、Al2O3、SiO2 >90% MgO、MnO、Fe2O3、CaS、FeS、TiO2等 质量系数=（CaO+MgO+Al2O3）/（SiO2+MnO） 活性矿渣质量系数>1.2，非活性矿渣质量系数<1.2

熟料矿物的基本特性
矿物 含量 水化 速度 较快 较慢
耐化 早 后 凝结 水化热 学侵 干 蚀性 缩 期 期 时间 高 高 正常
低 高 缓慢
强度
C3S
C2S
50%
20%
中
小
中
良
中
小
C3A
7~15%
迅速
高 低 很快
大
小
差
优
大
小
C4AF 10~18%
<C3A 低 低 正常 后期慢
矿物组成的计算 鲍格（Bogue）法： C3S=4.07C-7.60S-6.72A-1.43F-2.86SO3； C2S=8.60S+5.07A+1.07F+2.15SO3-3.07C =2.87S-0.754C3S； C3A=2.65A-1.69F； C4AF=3.04F； CaSO4=1.70SO3 式中C——CaO；S——SiO2；A——Al2O3；F—— Fe2O3 百分含量。

粒化高炉矿渣粉的活性指数（A）=R/R0×100% 粒化高炉矿渣粉级别（28d的A）：S105，S95，S75
火山灰质混合材 凡天然的及人工的以氧化硅、氧化铝为主要 成分的矿物质原料，磨成细粉加水后并不硬化， 但与石灰混合后再加水拌和，则不但能在空气中 硬化，而且能在水中继续硬化者称为火山灰质混 合材。 天然：火山灰、火山凝灰岩、浮石、硅藻土、硅藻 石、蛋白石等 人工：烧粘土、活性硅质渣、粉煤灰、烧页岩等。

水泥窑系统中发生的化学反应
3CaO SiO2 2CaO SiO2 3CaO Al2O3 4CaO Al2O3 Fe2O3
石灰石 CaO CO2
粘土 SiO 2 Al 2O3
Fe2O3 H 2O
水泥窑系统中发生的物理化学反应过程
(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 ～400～600 ℃，脱去粘土矿物的配位水

水化硅酸钙
水化铝酸钙
五、水泥的品质要求

凝结时间——工程施工 初凝：水泥加水拌和开始至标准稠度净浆开始失 去可塑性所经历的时间。>45min 终凝：浆体完全失去可塑性并开始产生强度所经 历的时间。 硅酸盐水泥<6.5h 其他品种水泥<10h（2008年实施GB175-2007） 测定：维卡仪 影响因素：水泥品种、水灰比、环境温度
粉煤灰 燃煤发电厂电收尘器收集的细灰 主要化学成分：SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO 物相组成：玻璃体60~85%；结晶化合物 10~30%；未燃尽碳约5%。
类别 低钙粉煤灰 高钙粉煤灰 CaO含量 <10% 15~30% 来源 无烟煤燃烧所得副产品 活性 较低
褐煤和次烟煤燃烧所得的副产品 较高
掺6~15%混合材。活性混合 材<15%（允许用窑灰<5%或 非活性混合材<10%代替）， 非活性混合材<10%
普通硅酸盐水泥 P.O
水泥品种
水泥 代号
水泥组成
熟料 石膏 混合材 粒化高炉矿渣20~70%，允许用 石灰石、窑灰和火山灰质混合材 中的一种材料代替，代替数量 <8%，替代后水泥中粒化高炉矿 渣>20% 硅酸盐水 适量（控制 SO3<4%） 泥熟料 25~78%