水泥基材料-绪论
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综合利用工业废渣 降低生产过程中的资源、能源消耗 减少污染物排放 提高性能，延长使用寿命
本课程的内容
讨论水泥基材料的组成、结构与性能之间 的关系。 包括水泥基材料的水化硬化过程；混凝土 材料的性能。 采用”作为主要参考书。
主要参考书(1)
林尊寿 《无机非金属材料工学》武汉工业大学出版社 袁润章 《胶凝材料学》武汉工业大学出版社 西德尼.明得斯等著，吴科如等译《混凝土》（原著第 二版）化工出版社2005 P.K.MEHTA“Concrete:structure,properties,and materials 吴中伟著 《高性能混凝土 》 中国铁道出版社1999 陈建奎著《混凝土外加剂原理与应用》（第二版）中 国计划出版社2004 王栋民著 《高性能膨胀混凝土》 国家知识产权出版 社 中国水利电力出版社2006
水泥新标准GB175-1999从2000年12月开 始执行。主要是变动是强度检验方法套 用ISO方法。 新标准最低强度等级为32 .5，相当于老 标准的#425，这将淘汰占中国水泥产量 40%的低标号水泥。
水泥研究现状
熟料化学进展不大，混凝土科学很活跃。
水泥生产新技术不多。
重视可持续发展，重视环境保护，重视节约资
主要参考书(2)
H.F.W.Taylor Cement chemistry,2nd edition,Thomas Telford LEA’S Cemet chemistry
钢铁
2.22 16.67 1910
(亿千瓦时)
21.92 15.00
钢产量世界第 冶金渣年排放量约1.5亿吨; 一。
原煤
电力
煤炭消费量世 煤矸石积存34亿吨，占地20 界第一。 万亩，排放量每年约2亿吨 粉煤灰年排放量近2亿吨，累 发电量世界第 计堆存量超过14亿吨，占地 15.52 二。 60万亩， 综合处理费高达30 ~ 60亿元
2002年我国通用水泥产量
国内外市场销售水泥的强度分布（％）
统计时间
国家 中国 德国 法国
32.5 54.5 61.6 48.2
42.5 41.4 32.4 11.3
52.5 3.9 5.7 32.6
62.5 0.2 ---
2002年 1997年 1997年
我国大中型水泥厂熟料矿物组成及性能
国外水泥熟料矿物组成及性能
只 能 在 空 气 中 硬 化
又 能 在 水 中 硬 化
即 能 在 空 气 中
需 要 激 发 剂 激 发
矿渣
火山灰材料
天然 人工 工业废渣
水泥的历史
古埃及时代——使用石膏和石灰 希腊和罗马时代——石灰火山灰混合物 中国古代——三合土：石灰、炉渣和黄土
混合物
波特兰水泥的发明： 1824年英格兰建筑工人J. Aspdin申请 了第一个专利。采用高温煅烧，生产现 代意义的硅酸盐水泥。
中国矿物掺合料使用现状
年排量巨大：～10亿吨 利用程度较低：
1999年我国生产水泥5.76亿吨，利用工业废渣 约1亿吨，综合利用率占水泥产量的17.5%。 高炉矿渣利用率达80%以上，粉煤灰约20%， 其余废渣利用率更低。
2003年我国几大基础产业发展情况
行业 名称
产量 增长 所处世界地位 资源、环境问题 （亿吨） （%） 超过世界总产 年排放近7亿吨CO2和大量粉 水泥 8.62 18.90 量的50％，世 尘，消耗约7亿吨石灰石资源。 界第一。
中国水泥工业现状
生产企业8400多家，建有回转窑1200条， 立窑8400多座。2004年新增新型干法生 产线143条，平均规模2930t/d。 年生产能力不足20万吨的小型企业占 90%以上，年产量在20万吨以上的大中 型企业580家，占总数的6.8%。
平均综合能耗5300J/kg水泥，国外先进水 平约3000J/kg水泥。 新型干法水泥快速发展，自2001年以来， 产量连年翻番。2004年新增熟料产能 12987万吨。新型干法窑生产能力占全部 生产能力的45％。
源和能源 混凝土应用技术发展很快。
水泥强度提高情况
1992年日本废弃混凝土的种类与数量
水泥的分类
按化学组成分类 按用途分类
矿物掺合料发展为独立的产品
水 泥
硅酸盐水泥 C3S、C2S、 C3A、C4AF
第一系水泥
第二系水泥
硫铝酸盐水泥 C2S、C4A3.SO3
第三系水泥
铝酸盐水泥 CA、CA2、C2AS
机械化立窑水泥厂生产工艺流程示意图
生产方式：以煅烧方式划分
立窑，最古老的生产方式 回转窑，分为干法、湿法和半干法 窑外分解窑，最先进的工艺 原料：石灰石， 粘土， 铁粉 钙 硅、铝 铁
水泥生产的发展方向： 大型化，自动化（日产熟料10000t） 产品的个性化，适应用户要求
——多仓配料，粉磨站
晶体材料，无机非金属新材料， 无机非金属矿物材料
有机高分子材料 复合材料 均属制造业－发改委管
钢材，水泥－重工业 水泥在建材工业中占有主要地位 混凝土：建筑业，基础设施建设 混凝土外加剂：
本课程： 水泥 混凝土 混凝土外加剂 材料科学的主线：组成、结构与性能
罗马万神殿直径43米的穹 顶是古代罗马人使用水硬性胶 凝材料的典范。
19世纪末出现回转窑，开始大规模工业化生 产水泥，并制订标准统一水泥质量。 同时Michaelis和Le Chatelier建立水泥化学， 提出水泥水化模型。 1930s 确定硅酸盐水泥的相组成，Bogue提 出硅酸盐水泥熟料的相组成计算公式。 1970s 发明窑外分解窑煅烧工艺，硅酸盐水 泥熟料的煅烧热耗已接近理论值。
《水泥基材料结构与性能》（硕士） 《水泥化学与混凝土材料学》（博士）
王栋民 中国矿业大学材料系 2006.10.13
水泥基复合材料cement-based composite material
美国学者在上世纪80年代提出 吴中伟院士最早介绍引进中国 《水泥基复合材料导论》－超心图书馆 意义：将水泥－混凝土－各类建筑材料 有机联系起来
水 泥
标准规定的 水泥 标准未规定 的水泥
强度等级：
32.5 42.5
通 用 wenku.baidu.com 泥
特 种 水 泥
符合用户要求的 个性化水泥
殊具 水有 泥许 可 证 的 特
殊没 水有 泥许 可 证 的 特
52.5
德国的水泥产品结构
欧洲标准规定的水泥种类
品种 CEM I CEM II/A，B CEM III/A ， B，C CEM IV/A，B CEM V/A，B
德、法、美的粉煤灰利用率分别达55.1%, 41.5%, 40.1%。 胶凝材料是利用工业废渣的最大用户：
作水泥原料：代替石灰石、粘土、石膏。 作燃料 作混合材：用量最大。ENV197促进混合材用 量的增加。 作混凝土掺合料：逐渐被接受，正在推广之中。
水泥混凝土研究发展趋势 可持续发展：
均为纯硅酸盐水泥，强度不分等级 A型为引气型水泥
水 泥
中 国 的 水 泥 分 类
通用水泥
纯硅酸盐水泥 P.I, P.II 普通硅酸盐水泥 P.O 矿渣硅酸盐水泥 P.S 火山灰硅酸盐水泥 P.P
特种水泥 快硬水泥 低热水泥
膨胀水泥 油井水泥
强度等级：
32.5 42.5
52.5
62.5
粉煤灰硅酸盐水泥 P.F
主要内容
水泥熟料化学 水泥水化化学 混凝土原材料与配合比设计 混凝土化学外加剂与矿物质掺合料 新拌混凝土 硬化混凝土 混凝土耐久性 高性能混凝土 特性混凝土
绪 论
水泥基材料的应用历史、 现状和分类
水泥基材料：
泛指所有以胶凝材料为原料制备的材 料和制品。 在本课程中限制在以无机胶凝材料制 备的材料和制品。以水硬性胶凝材料为主。
世界上最早的混凝土在我国 两千年前的混凝土建筑仍然屹立
19世纪下半叶发明钢筋混凝土
20世纪发明预应力混凝土
化学外加剂和矿物掺合料的普遍使用推 动了高性能混凝土的发展
水泥生产和科研现状
水泥世界年产量超过17亿吨。 2004年1－11月中国水泥产量8.47亿吨， 世界第一。 2004年1-11月中国水泥产量增加1.1亿吨。 发达国家产量趋于下降，发展中国家产 量增加。 中国发展迅速，但品质不令人满意。
石灰石硅酸盐水泥
耐火水泥 装饰水泥 其他
中国的通用水泥
品种
混合材种类 无 活性或惰性 活性或惰性 矿渣 火山灰质材料 粉煤灰
两种或两种以上的复合
PI P II
P.O P.S P.P P.F P.C
混合材掺量 0 <5% 6%～15% 20%～70% 20%～50% 20%～40% 20%～50%
我国通用水泥标准的演变过程
凡是细磨成粉状，加入适量水后成为 塑性浆体，既能在空气中、也能在水中硬 化，并能将砂、石等散粒或纤维状材料胶 结在一起的水硬性胶凝材料，通称为水泥。 Cement是含义很广的名词，包括 1）水泥 2）胶泥，胶结剂 3）牙骨质
无机胶凝材料
气硬性胶凝材料 石灰 石膏 氯氧镁材料
水硬性胶凝材料 水泥
火山灰材料 （具有潜在水硬性）
混合材种类 无 所有种类 矿渣 火山灰质材料 两种或两种以 上的复合
混合材掺量 0 6%～35% 36%～95% 11%～55% 18%～50%
美国的水泥品种
ASTM 分类 I，IA II，IIA III，IIIA IV V 简介 一般用途 要求中等抗硫酸盐和中等 水化热的工程 早强型 低水化热 高抗硫酸盐
重视环境保护和可持续发展
——控制有害物质排放，使用工业废 料为原料和燃料。
水泥工业清洁生产的发展
最大限度减少粉尘、NOx、SO2和重金属等 对环境的污染； 实现高效余热回收，减少水泥电耗； 不断提高替代燃料的替代率，减少水泥热 耗； 开发生态水泥，减少自然资源的使用量。
混凝土的历史
水泥水化理论的发展
水化理论： 溶解-结晶假说 局部反应假说 1919年Abrams提出强度的水灰比定则 50年代Powers提出强度与孔隙率的关系 C-S-H凝胶结构模型
水泥的生产——两磨一烧
原料制备——生料粉磨
煅烧——熟料烧成 水泥制备——水泥粉磨
水泥生产工艺流程
按生料制备方法的不同可分为干法与湿法两大类（窑外分解）
2003年新型干法水泥熟料生产能力1.8亿吨
——2500t/d以上生产线42条，熟料生产能力4309万t ——5000t/d及以上生产线11条，熟料生产能力1798万t
7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0 新型干法生产线部分时期新增熟料产能
单位：万t/a
“七五” “八五” “九五” 2001年 2002年 2003年
国内外硅酸盐水泥的性能对比
我国水泥与国外水泥配制的混凝土 的强度对比
特殊胶凝材料产品
膨胀剂——硫铝酸盐熟料、石膏、明矾 石、石灰为主要成分。 干砂浆——砌筑、装饰、粘结、保温 堵漏剂 灌浆剂 不以强度划分等级，而以功能分类。
辅助胶凝材料——矿物掺合料
已成为高性能混凝土中不可缺少的组分。 具有潜在胶凝性，需要激发剂激发其活性。 反应类型与硅酸盐水化反应不同。
吴中伟院士（1994）
复合材料
基材matrix 增强材 界面 interface 举例： 纤维增强树脂（FRP）-玻璃钢 金属基陶瓷 水泥基复合材料：聚合物改性水泥-----------PMC,MDF 纤维增强水泥－－－－－FRC,RPC 混凝土是广义的复合材料
材料科学分类
金属材料 无机非金属材料：水泥，玻璃，陶瓷，耐火材料，
胶凝材料的定义：
凡能在物理、化学作用下，从浆体变成坚 固的石状体，并能胶结其他物料而具有一定机 械强度的物质，统称胶凝材料。
胶凝材料分为无机胶凝材料（水泥、石 灰、石膏等）和有机胶凝材料（沥青、 树脂等） 无机胶凝材料分为只能在空气中硬化的 气硬性胶凝材料，以及既能在空气中、 也能在水中硬化的水硬性胶凝材料。
本课程的内容
讨论水泥基材料的组成、结构与性能之间 的关系。 包括水泥基材料的水化硬化过程；混凝土 材料的性能。 采用”作为主要参考书。
主要参考书(1)
林尊寿 《无机非金属材料工学》武汉工业大学出版社 袁润章 《胶凝材料学》武汉工业大学出版社 西德尼.明得斯等著，吴科如等译《混凝土》（原著第 二版）化工出版社2005 P.K.MEHTA“Concrete:structure,properties,and materials 吴中伟著 《高性能混凝土 》 中国铁道出版社1999 陈建奎著《混凝土外加剂原理与应用》（第二版）中 国计划出版社2004 王栋民著 《高性能膨胀混凝土》 国家知识产权出版 社 中国水利电力出版社2006
水泥新标准GB175-1999从2000年12月开 始执行。主要是变动是强度检验方法套 用ISO方法。 新标准最低强度等级为32 .5，相当于老 标准的#425，这将淘汰占中国水泥产量 40%的低标号水泥。
水泥研究现状
熟料化学进展不大，混凝土科学很活跃。
水泥生产新技术不多。
重视可持续发展，重视环境保护，重视节约资
主要参考书(2)
H.F.W.Taylor Cement chemistry,2nd edition,Thomas Telford LEA’S Cemet chemistry
钢铁
2.22 16.67 1910
(亿千瓦时)
21.92 15.00
钢产量世界第 冶金渣年排放量约1.5亿吨; 一。
原煤
电力
煤炭消费量世 煤矸石积存34亿吨，占地20 界第一。 万亩，排放量每年约2亿吨 粉煤灰年排放量近2亿吨，累 发电量世界第 计堆存量超过14亿吨，占地 15.52 二。 60万亩， 综合处理费高达30 ~ 60亿元
2002年我国通用水泥产量
国内外市场销售水泥的强度分布（％）
统计时间
国家 中国 德国 法国
32.5 54.5 61.6 48.2
42.5 41.4 32.4 11.3
52.5 3.9 5.7 32.6
62.5 0.2 ---
2002年 1997年 1997年
我国大中型水泥厂熟料矿物组成及性能
国外水泥熟料矿物组成及性能
只 能 在 空 气 中 硬 化
又 能 在 水 中 硬 化
即 能 在 空 气 中
需 要 激 发 剂 激 发
矿渣
火山灰材料
天然 人工 工业废渣
水泥的历史
古埃及时代——使用石膏和石灰 希腊和罗马时代——石灰火山灰混合物 中国古代——三合土：石灰、炉渣和黄土
混合物
波特兰水泥的发明： 1824年英格兰建筑工人J. Aspdin申请 了第一个专利。采用高温煅烧，生产现 代意义的硅酸盐水泥。
中国矿物掺合料使用现状
年排量巨大：～10亿吨 利用程度较低：
1999年我国生产水泥5.76亿吨，利用工业废渣 约1亿吨，综合利用率占水泥产量的17.5%。 高炉矿渣利用率达80%以上，粉煤灰约20%， 其余废渣利用率更低。
2003年我国几大基础产业发展情况
行业 名称
产量 增长 所处世界地位 资源、环境问题 （亿吨） （%） 超过世界总产 年排放近7亿吨CO2和大量粉 水泥 8.62 18.90 量的50％，世 尘，消耗约7亿吨石灰石资源。 界第一。
中国水泥工业现状
生产企业8400多家，建有回转窑1200条， 立窑8400多座。2004年新增新型干法生 产线143条，平均规模2930t/d。 年生产能力不足20万吨的小型企业占 90%以上，年产量在20万吨以上的大中 型企业580家，占总数的6.8%。
平均综合能耗5300J/kg水泥，国外先进水 平约3000J/kg水泥。 新型干法水泥快速发展，自2001年以来， 产量连年翻番。2004年新增熟料产能 12987万吨。新型干法窑生产能力占全部 生产能力的45％。
源和能源 混凝土应用技术发展很快。
水泥强度提高情况
1992年日本废弃混凝土的种类与数量
水泥的分类
按化学组成分类 按用途分类
矿物掺合料发展为独立的产品
水 泥
硅酸盐水泥 C3S、C2S、 C3A、C4AF
第一系水泥
第二系水泥
硫铝酸盐水泥 C2S、C4A3.SO3
第三系水泥
铝酸盐水泥 CA、CA2、C2AS
机械化立窑水泥厂生产工艺流程示意图
生产方式：以煅烧方式划分
立窑，最古老的生产方式 回转窑，分为干法、湿法和半干法 窑外分解窑，最先进的工艺 原料：石灰石， 粘土， 铁粉 钙 硅、铝 铁
水泥生产的发展方向： 大型化，自动化（日产熟料10000t） 产品的个性化，适应用户要求
——多仓配料，粉磨站
晶体材料，无机非金属新材料， 无机非金属矿物材料
有机高分子材料 复合材料 均属制造业－发改委管
钢材，水泥－重工业 水泥在建材工业中占有主要地位 混凝土：建筑业，基础设施建设 混凝土外加剂：
本课程： 水泥 混凝土 混凝土外加剂 材料科学的主线：组成、结构与性能
罗马万神殿直径43米的穹 顶是古代罗马人使用水硬性胶 凝材料的典范。
19世纪末出现回转窑，开始大规模工业化生 产水泥，并制订标准统一水泥质量。 同时Michaelis和Le Chatelier建立水泥化学， 提出水泥水化模型。 1930s 确定硅酸盐水泥的相组成，Bogue提 出硅酸盐水泥熟料的相组成计算公式。 1970s 发明窑外分解窑煅烧工艺，硅酸盐水 泥熟料的煅烧热耗已接近理论值。
《水泥基材料结构与性能》（硕士） 《水泥化学与混凝土材料学》（博士）
王栋民 中国矿业大学材料系 2006.10.13
水泥基复合材料cement-based composite material
美国学者在上世纪80年代提出 吴中伟院士最早介绍引进中国 《水泥基复合材料导论》－超心图书馆 意义：将水泥－混凝土－各类建筑材料 有机联系起来
水 泥
标准规定的 水泥 标准未规定 的水泥
强度等级：
32.5 42.5
通 用 wenku.baidu.com 泥
特 种 水 泥
符合用户要求的 个性化水泥
殊具 水有 泥许 可 证 的 特
殊没 水有 泥许 可 证 的 特
52.5
德国的水泥产品结构
欧洲标准规定的水泥种类
品种 CEM I CEM II/A，B CEM III/A ， B，C CEM IV/A，B CEM V/A，B
德、法、美的粉煤灰利用率分别达55.1%, 41.5%, 40.1%。 胶凝材料是利用工业废渣的最大用户：
作水泥原料：代替石灰石、粘土、石膏。 作燃料 作混合材：用量最大。ENV197促进混合材用 量的增加。 作混凝土掺合料：逐渐被接受，正在推广之中。
水泥混凝土研究发展趋势 可持续发展：
均为纯硅酸盐水泥，强度不分等级 A型为引气型水泥
水 泥
中 国 的 水 泥 分 类
通用水泥
纯硅酸盐水泥 P.I, P.II 普通硅酸盐水泥 P.O 矿渣硅酸盐水泥 P.S 火山灰硅酸盐水泥 P.P
特种水泥 快硬水泥 低热水泥
膨胀水泥 油井水泥
强度等级：
32.5 42.5
52.5
62.5
粉煤灰硅酸盐水泥 P.F
主要内容
水泥熟料化学 水泥水化化学 混凝土原材料与配合比设计 混凝土化学外加剂与矿物质掺合料 新拌混凝土 硬化混凝土 混凝土耐久性 高性能混凝土 特性混凝土
绪 论
水泥基材料的应用历史、 现状和分类
水泥基材料：
泛指所有以胶凝材料为原料制备的材 料和制品。 在本课程中限制在以无机胶凝材料制 备的材料和制品。以水硬性胶凝材料为主。
世界上最早的混凝土在我国 两千年前的混凝土建筑仍然屹立
19世纪下半叶发明钢筋混凝土
20世纪发明预应力混凝土
化学外加剂和矿物掺合料的普遍使用推 动了高性能混凝土的发展
水泥生产和科研现状
水泥世界年产量超过17亿吨。 2004年1－11月中国水泥产量8.47亿吨， 世界第一。 2004年1-11月中国水泥产量增加1.1亿吨。 发达国家产量趋于下降，发展中国家产 量增加。 中国发展迅速，但品质不令人满意。
石灰石硅酸盐水泥
耐火水泥 装饰水泥 其他
中国的通用水泥
品种
混合材种类 无 活性或惰性 活性或惰性 矿渣 火山灰质材料 粉煤灰
两种或两种以上的复合
PI P II
P.O P.S P.P P.F P.C
混合材掺量 0 <5% 6%～15% 20%～70% 20%～50% 20%～40% 20%～50%
我国通用水泥标准的演变过程
凡是细磨成粉状，加入适量水后成为 塑性浆体，既能在空气中、也能在水中硬 化，并能将砂、石等散粒或纤维状材料胶 结在一起的水硬性胶凝材料，通称为水泥。 Cement是含义很广的名词，包括 1）水泥 2）胶泥，胶结剂 3）牙骨质
无机胶凝材料
气硬性胶凝材料 石灰 石膏 氯氧镁材料
水硬性胶凝材料 水泥
火山灰材料 （具有潜在水硬性）
混合材种类 无 所有种类 矿渣 火山灰质材料 两种或两种以 上的复合
混合材掺量 0 6%～35% 36%～95% 11%～55% 18%～50%
美国的水泥品种
ASTM 分类 I，IA II，IIA III，IIIA IV V 简介 一般用途 要求中等抗硫酸盐和中等 水化热的工程 早强型 低水化热 高抗硫酸盐
重视环境保护和可持续发展
——控制有害物质排放，使用工业废 料为原料和燃料。
水泥工业清洁生产的发展
最大限度减少粉尘、NOx、SO2和重金属等 对环境的污染； 实现高效余热回收，减少水泥电耗； 不断提高替代燃料的替代率，减少水泥热 耗； 开发生态水泥，减少自然资源的使用量。
混凝土的历史
水泥水化理论的发展
水化理论： 溶解-结晶假说 局部反应假说 1919年Abrams提出强度的水灰比定则 50年代Powers提出强度与孔隙率的关系 C-S-H凝胶结构模型
水泥的生产——两磨一烧
原料制备——生料粉磨
煅烧——熟料烧成 水泥制备——水泥粉磨
水泥生产工艺流程
按生料制备方法的不同可分为干法与湿法两大类（窑外分解）
2003年新型干法水泥熟料生产能力1.8亿吨
——2500t/d以上生产线42条，熟料生产能力4309万t ——5000t/d及以上生产线11条，熟料生产能力1798万t
7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0 新型干法生产线部分时期新增熟料产能
单位：万t/a
“七五” “八五” “九五” 2001年 2002年 2003年
国内外硅酸盐水泥的性能对比
我国水泥与国外水泥配制的混凝土 的强度对比
特殊胶凝材料产品
膨胀剂——硫铝酸盐熟料、石膏、明矾 石、石灰为主要成分。 干砂浆——砌筑、装饰、粘结、保温 堵漏剂 灌浆剂 不以强度划分等级，而以功能分类。
辅助胶凝材料——矿物掺合料
已成为高性能混凝土中不可缺少的组分。 具有潜在胶凝性，需要激发剂激发其活性。 反应类型与硅酸盐水化反应不同。
吴中伟院士（1994）
复合材料
基材matrix 增强材 界面 interface 举例： 纤维增强树脂（FRP）-玻璃钢 金属基陶瓷 水泥基复合材料：聚合物改性水泥-----------PMC,MDF 纤维增强水泥－－－－－FRC,RPC 混凝土是广义的复合材料
材料科学分类
金属材料 无机非金属材料：水泥，玻璃，陶瓷，耐火材料，
胶凝材料的定义：
凡能在物理、化学作用下，从浆体变成坚 固的石状体，并能胶结其他物料而具有一定机 械强度的物质，统称胶凝材料。
胶凝材料分为无机胶凝材料（水泥、石 灰、石膏等）和有机胶凝材料（沥青、 树脂等） 无机胶凝材料分为只能在空气中硬化的 气硬性胶凝材料，以及既能在空气中、 也能在水中硬化的水硬性胶凝材料。