工艺技术_无机材料工艺学课件

无机材料工艺学 课程内容 1 水泥工艺学2 玻璃工艺学3 陶瓷工艺学 绪言 主要讲解这三种普通硅酸盐材料的生产工艺原理 流程和方法特点 为大家将来从事科研 产品开发或生产管理提供一定的理论基础 材料回顾 1 有关 材料 的定义 材料科学与工程材料学无机非金属材料结构材料 功能材料 建筑材料 环境材料 生态材料 2 材料分类 金属材料 无机非金属材料 矿物岩石材料 水泥 玻璃 陶瓷 耐火材料 高分子材料 复合材料 3 材料工艺定义 我们将任何一种材料从原料 成品的整个过程称为材料工艺过程 它包括原料制备工艺 成型工艺 溶制 窑炉工艺 制品工艺等 4 无机非金属材料工艺 将原料选择 粉碎 配方设计 混合 高温 成型 制品 后期处理的整个过程称为工艺过程 研究工艺过程中的各种物理化学变化 机械加工方法 生产各种的控制等以确保产品质量的过程称为工艺学 书名为 普通硅酸盐工艺学 普通 二字说明该课所讲是我们日常所见到的 生活中常用到的水泥 玻璃 陶瓷的工艺学 区别于特种水泥 特种玻璃 特种陶瓷工艺学 不同无机非金属材料其各自的工艺过程不尽相同 但有着许多的共性和相似性 下面就硅酸盐水泥 平板玻璃 普通陶瓷 常用耐火材料的制备工艺过程分别加以阐述 第一篇水泥工艺学 第一章引言 一 胶凝材料的定义和分类 1 定义 在物理化学的作用下 能从浆体变成坚硬的石状体 并能胶结其它物料而具有一定机械强度的物质 统称为胶凝材料 2 分类 水泥 起源于胶凝材料 胶凝材料分类 沥青 树脂 橡胶 拌水后只能在空气中硬化 拌水后既能在空气中硬化又能在水中硬化 二 凝胶材料发展史 公元前2000 3000年如中国 长城 石灰 埃及 金子塔 煅烧石膏 罗马 庞贝圣庙 石灰 使用石膏胶凝材料 十八世纪后期发展水硬性石灰 十九世纪初 1879 1825 Portland水泥即硅胶盐水泥制成 英国 J Aspdin 1824年首获Portlandcement专利 1907 1909 制成快硬性高铝水泥 近年又发展了硫铝酸盐水泥 氟铝酸盐水泥等 要学会用材料的眼光看世界 你会有意想不到的收获 胶凝材料发展史 泥巴墙不抗水强度低 胶凝材料发展史 石块 砖用石灰粘结 人们发现石灰岩在火中煅烧脱水 在雨中胶结产生胶凝性 因而可用来调制砌筑砂浆 在石灰中掺加某些火山灰沉积物 不仅强度提高 而且还具有一定的抗水性 胶凝材料发展史 石灰被人们用了数千年 一直到史密顿遇上了 倒霉事 为止 发现了天然水泥 胶凝材料发展史 天然水泥的发现 1756年 英国海峡群岛上的一座灯塔 突然失火烧毁了 这真要命 要知道这可是英吉利海峡南端最重要的灯塔 没有了它 要影响无数船只的航行 英国政府命令工程师史密顿 J Smetetonf 用最快的速度重建这座灯塔 史密顿立即通知将石灰石运往灯塔所在的小岛 以便烧成石灰后将岛上产的石头黏合起来重砌灯塔 两星期后 石灰石运到了 史密顿兴冲冲地赶到卸料码头 当他见到这些越山跨海送来的石灰石时 不由失声惊叫起来 真倒霉 这石头怎么是带有黑色的 它混有太多的土质 用这种次品原料建造高标准的灯塔 不是开玩笑吗 可是 时间已不允许他再调运优质石灰石了 史密顿只好将就着用这些劣质原料进行烧制 天然水泥的发现 不料 史密顿却因祸得福 用这批石灰石烧出来的石灰 性能居然好得出奇 将石块黏结得从来没有过的结实 当监工官员将这出人意料的结果通知史密顿时 他惊喜得跳了起来 随即他又冷静下来 这石灰中有名堂 要查一查 史密顿马上对这些石灰进行了检验 结果发现这些石灰的确不纯 其中竟含有多达约20 的黏土 看来 正是这些被视为杂质的黏土起了好的作用 史密顿后来就有意识地把黏土同石灰石适当地配合加以煅烧 这种石灰性能果然理想 天然水泥的发现 史密顿的做法很快传遍欧洲各国 引起了许多人的兴趣 人们仿效此法去煅烧也都获得了成功 1820年前后 俄国建筑师契利耶夫在莫斯科地区从事建筑施工时 就用这种方法烧石灰 造了好些建筑物 其中最著名的是用它来修复克里姆林宫的墙垣 水泥的发明 胶凝材料发展史 水泥的发明 天然水泥被发现后 能不能使它的性能更好一些呢 一位名叫阿斯普丁 J Aspdin 的英国工匠企图对史密顿的发明进行改进 他联想到古罗马人为增强石灰的黏结力 曾在石灰中加入火山灰的做法 因而产生了新的想法 火山灰是岩石高温熔烧后的产物 那么 把陶器 砖瓦的屑片磨成细粉 是不是也跟火山灰差不多呢 阿斯普丁试了一下 效果果然不错 后来他又由此想到 煤高温燃烧后的煤渣 炼铁高炉里流出的经高温冶炼的矿渣可能也有类似的功能 经试验也证实了他的想法是对的 水泥的发明 1824年 阿斯普丁在反复试验的基础上 总结出石灰 黏土 矿渣等各种原料之间的比例以及生产这种混合料的方法 阿斯普丁为他的这项发明申请了专利 用这项专利生产出来的便是今天被我们称为 水泥 的建筑材料 由于阿斯普丁的水泥在硬结后的颜色和强度 都和当时英国波特兰岛上所产的石材差不多 所以人们就称它为 波特兰水泥 水泥的发明 波特兰水泥 最早的一次大规模应用 是建造了穿越泰晤士河河底的隧道 尔后 它在世界各地迅速推广开来 法国和德国分别在1840年和1855年建设了水泥制造厂 现在 水泥已成为现代人类生活中不可缺少的物资了 水泥的发明 中国最早的水泥厂是外资企业澳门的青洲英坭厂 建于1886年 唐山细绵土厂 后改组为启新洋灰公司 现为启新水泥厂 是中国最早的民族水泥企业 创建于1889年 比澳门的青洲英坭厂晚了3年 是中国人开办的第一个水泥厂 胶凝材料发展史 三 水泥的定义和分类 1 定义 加入水后成塑性浆体 能在空气和水中硬化 并能胶结砂 石等材料的细粉状水硬性胶凝材料称为水泥 水泥的定义和分类 2 分类 按用途和性能分类 一般土木建筑工程上使用水泥 以水泥的主要水硬性矿物名称冠以混合材料名称或其他适当名称命名 2008年6月1日实施的新标准 通称六大 通用 水泥 硅酸盐水泥 普通硅酸盐水泥 矿渣硅酸盐水泥 粉煤灰硅酸盐水泥 火山灰质硅酸盐水泥 复合硅酸盐水泥 P8 七大品种 1 水泥的定义和分类 2 分类 按用途和性能分类 有专门用途的水泥 以专门用途命名 并可冠以不同型号 如A级油井水泥 可泵性好 凝结硬化快及早期强度高的特点 高压井效果好 G级油井水泥 基本油井水泥 能与多种外加剂配合 能适应较大的井深和温度变化范围 彩色水泥 道路硅酸盐水泥等 有某种特殊性能的水泥 以水泥的主要水硬性矿物名称冠以水泥的主要特性命名 如快硬硅酸盐水泥 低热矿渣硅酸盐水泥等 1 一般土木建筑工程上使用水泥 水泥的定义和分类 2 分类 按用途和性能分类 有专门用途的水泥 有某种特殊性能的水泥 1 一般土木建筑工程上使用水泥 目前我国特种水泥已发展到6大体系 7个大类 共70多个品种 我国水泥品种开发和研制已跨入世界先进行列 水泥的定义和分类 2 分类 按水泥主要水硬性物质所属体系分类 2 以火山灰性或潜在水硬性材料以及其他活性材料为主要组分的水泥 水泥的定义和分类 国外性能各异的特种水泥1 弹力水泥英国牛津大学研制成功的这种水泥 系在生产流程中减少水泥的含水量 并加入一种聚合物 使其强度比普通水泥高10倍 而且具有柔韧性 使用这种水泥时 可像面团一样随意拉长 卷叠 挤压 或者注入预先做好的模具内 制成各种水泥制品 而且可大大节约原材料 用这种水泥的净浆可制备弹簧 棒 管 盘和唱片等 水泥的定义和分类 国外性能各异的特种水泥2 变色水泥国外在白色水泥中加入二氧化钴 制成一种能随空气含水量多少而变色的水泥 由于它可预报天气 湿度的变化 故又称为气象水泥 水泥的定义和分类 国外性能各异的特种水泥3 木质水泥由瑞典研制 是在水泥中加入粒径为300微米的聚合物制成 使用中除有普通水泥的特点外 其制品还能像木材一样锯切 钉割和开螺孔 并具有良好的隔音和防火性能 水泥的定义和分类 国外性能各异的特种水泥4 夜光水泥国外研究出一种夜光水泥 多用于在公路上标划车道 人行道线和各种路面标志等 可贮存白天的日光及来往车辆的灯光 夜晚时闪闪发光 构成 夜光公路 给城市夜色增添光彩 方便夜行车辆 水泥的定义和分类 国外性能各异的特种水泥5 贮热水泥这是一种多孔泡沫水泥 具有重量特轻 比重小于水 强度很高等特点 在高层建筑中使用它无需打桩 利于加快建设进度 并可在白天贮存太阳光的热量 晚上再慢慢地放出热量 因而是一种建造太阳能房屋的材料 水泥的定义和分类 国外性能各异的特种水泥6 自愈水泥自愈水泥内掺一些粘性流体并山一些多孔的纤维包裹 一旦水泥裂缝 纤维外包装也破裂 将混合物放出 填补裂缝 该水泥还包含一种防护性药剂 因为用来回固的钢筋会由于盐分和污水的腐蚀而生锈 用这种纤维将钢筋包起来 可防止砼中的钢筋腐蚀 这种水泥可应用于重点工程 因具只产生微小裂缝 可避免更大的灾害性断裂 在应用中可提高建筑物的安全系数 水泥的定义和分类 国外性能各异的特种水泥7 自找平水泥这种水泥是将共聚物乳液 水泥和水混介而成 共聚物是在存在非离子或阳离子表而活性剂的条件下 由烯类不饱和单体与酸加成物共聚合而成 将上述共聚物乳液167份 水泥100份和水100份混均后即成聚合物水泥 这种水泥自行流动性好 凝固快 涂层具有柔软性等优点 可用喷涂方法喷涂在混凝土楼板上 涂层能自找平 形成平整的地面涂层 四 水泥在国民经济中的作用 四大基础工程材料 水泥 钢材 木材 塑料现虽有许多新的胶凝材料出现 尚无任何一种材料可以取代水泥作为基础工程材料的地位 水泥在国民经济中的作用 五 水泥工艺发展概况及方向 1 规模扩大 2 窑炉改变 3 粉末工艺改进 4 能源 资源 环境 第二章硅酸盐水泥国家标准及其生产 硅酸盐水泥的通常含义 以硅酸钙为主要成分的熟料制得的水泥的总称 国外 硅酸盐水泥统称为波特兰水泥 按水泥中混合材料的种类和含量 又可将硅酸盐水泥分为这样几类 六大品种水泥 1 硅酸盐水泥类 石灰石或粒化高炉矿渣 适量石膏 掺量为 0 5 2 普通硅酸盐水泥类 混合材料掺量为 6 15 3 矿渣硅酸盐水泥类 粒化高炉矿渣掺量为 20 70 4 粉煤灰硅酸盐水泥类 粉煤灰掺量为 20 40 5 火山灰质硅酸盐水泥类 火山灰质混合材料掺量为 20 50 6 复合硅酸盐水泥类 混合材料掺量为 15 50 一 定义1 硅酸盐水泥 由硅酸盐水泥熟料 0 5 石灰石或粒化高炉矿渣 适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料 称为硅酸盐水泥 分P I和P II 即国外通称的波特兰水泥 P 为不掺混合料 型 P 为掺混合料 5 型 第一节硅酸盐水泥国家标准 2 普通硅酸盐水泥 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 3 矿渣硅酸盐水泥 由硅酸盐水泥熟料 粒化高炉矿渣和适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料 称为矿渣硅酸盐水泥 代号 P S 4 粉煤灰硅酸盐水泥 由硅酸盐水泥熟料 粉煤灰和适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料 称为粉煤灰硅酸盐水泥 代号 P F 5 火山灰质硅酸盐水泥 由硅酸盐水泥熟料 火山灰质混合材料和适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料 称为火山灰质硅酸盐水泥 代号 P P 6 复合硅酸盐水泥 由硅酸盐水泥熟料 两种或两种以上规定的混合材料和适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料 称为复合硅酸盐水泥 简称复合水泥 代号P C 1 硅酸盐水泥熟料 凡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 2 石膏 包括天然石膏和工业副产石膏 质量必须符合标准 满足GB5483 二 组分材料 3 活性混合材料 系指具有火山灰性或潜在水硬性的混合材料 如高炉矿渣 火山灰和粉煤灰 符合GB1596的粉煤灰 GB2847的火山灰 GB203的炉渣 4 非活性混合材料 系指活性指标不符合标准要求的潜在水硬性或火山灰的水泥混合材料 以及砂岩和石灰石 活性指标符合GB1596 GB2847 GB203 AI2O3 2 5 5 窑灰 从水泥回转窑窑尾废气中收集下的粉尘 符合ZBQ12001 回转窑粉尘 6 助磨剂 水泥粉磨时允许加入起助磨作用而不损害水泥性能的助磨剂 其加入量不得超过水泥质量的1 三 标号 硅酸盐水泥分为 425R 525 525R 625 625R 725R 6个标号普通硅酸盐水泥分为 325 425 425R 525 525R 625 625R 7个标号R 快硬型 表2 1GB175 92各龄期 各类型水泥强度 水泥标号的含义 一般以28d抗压强度值作为水泥的标号 而特性水泥和专用水泥则不同 四 技术指标 1 不溶物 P 0 75 P 1 5 2 MgO 5 0 3 SO3 3 5 4 烧矢量300m2 Kg的比表面积 普通 80 m方孔筛余45min 终凝45min 终凝 10h 7 安定性 煮沸检验合格 8 碱 Na2O 0 658K2O 0 60 9 强度 满足标号规定 硅酸盐水泥的技术指标分类解释 1 化学指标 是保证水泥质量和性能的重要依据 1 氧化镁含量 在水泥熟料中 常含有少量与其他矿物结合的游离氧化镁 它是高温时形成的方镁石 它水化为氢氧化镁的速度很慢 常在水泥硬化以后才开始水化 在水化时产生体积膨胀 可导致水泥石结构产生裂缝甚至破坏 因此 它是引起水泥安定性不良的原因之一 因此 国家标准 GB175 1999 规定 水泥中氧化镁的含量不得超过5 如果水泥经压蒸安定性试验合格 则水泥中氧化镁的含量允许放宽到6 2 三氧化硫含量 水泥中的S03主要是在生产时为调节凝结时间加入石膏而带来的 也可能是煅烧熟料时加入石膏矿化剂而带入熟料的 适量石膏虽能改善水泥性能 如提高水泥强度 降低收缩性 改善抗冻耐蚀和抗渗性等 但石膏超过一定含量后 水泥性能会变差 甚至引起硬化水泥石膨胀 导致结构破坏 因此水泥中S03的含量必须加以限制 现行国家标准规定 水泥中S03的含量不得超过3 5 3 烧失量 水泥煅烧不佳或受潮后 均会导致烧失量增加 烧失量测定是以水泥试样在950 1000 下灼烧15 20min 冷至室温称量 如此反复灼烧直至恒重 按下式计算烧失量 X mo m1 mo 100式中 X 烧失量 mo 灼烧前试样质量gm1 灼烧后试样质量g普通水泥 矿渣水泥中的烧失量 回转窑厂不得大于5 立窑大不得大于7 2 物理指标 1 细度 水泥细度是表示水泥磨细后的程度或水泥分散度的指标 它对水泥的水化硬化速度 水泥需水量 和易性 放热速率及强度都有影响 水泥细度可用筛析法和比表面积法表示 现行标准规定 普通水泥 矿渣水泥 火山灰水泥和粉煤灰水泥 在0 08mm方孔筛上筛余量不得超过10 硅酸盐水泥细度不少于300 2 g 凝结时间 定义水泥加水开始到水泥浆失去流动性 即从可塑性发展到固体状态所需要的时间叫凝结时间 初凝时间从水泥加水拌和到水泥浆开始失去可塑性所需的时间 终凝时间从水泥加水拌和到水泥浆完全失去可塑性 并开始具有强度所需的时间 测定方法用标准稠度的水泥净浆 在规定的温湿度下 用凝结时间测定仪来测定 国标要求硅酸盐水泥 初凝时间 45min 终凝时间 390min 其它通用水泥 初凝时间 45min 终凝时间 600min 水泥凝结时间的测定 标准稠度水泥浆 离底1 2mm为初凝 园弧形压痕 终凝 国标规定 凡初凝时间或终凝时间不符合规定的水泥为不合格品 为什么 答 水泥凝结时间的规定是为了有足够的时间进行施工操作和硬化的混凝土质量 初凝时间太短 来不及施工 水泥石结构疏松 性能差 水泥无使用价值 终凝时间太长 强度增长缓慢 也会影响施工 3 安定性 安定性是指水泥在凝结硬化过程中体积变化的均匀性 水泥与水拌制成的水泥浆体 在凝结硬化过程中 一般都会发生体积变化 如果这种体积变化是在凝结硬化过程中 则对建筑的质量并没有什么影响 但是如果混凝土硬化后 由于水泥中某些有害成分的作用 在水泥石内部产了剧烈的 不均匀的体积变化时 在建筑物内部产生破坏应力 导致建设物强度降低 甚至会引起建筑物开裂 崩塌等严重事故 检测方法 沸煮法 包括试饼法和雷氏夹法 国标要求 用沸煮法检验必须合格 试饼法 雷氏夹法 合格标准 5mm 肉眼观察表面有无裂纹 用直尺检查有无弯曲 合格标准 无裂纹 无弯曲 试饼法用标准稠度的水泥净浆做成试饼 在水中经恒沸3h后 用肉眼观察没有裂纹 用直尺检查没有弯曲 则体积安定合格 反之 体积安定性不合格 雷氏夹法测量雷氏夹中的水泥净浆 经沸煮3h后的膨胀值 该值不大于5 0mm时 则体积安定性合格 否则 为体积安定性不合格 体积安定性检测方法 沸煮法 水泥熟料中含有过多的游离CaO MgO和石膏 因为水泥熟料中的游离CaO MgO都是过烧的 水化速度很慢 在已硬化的水化石中继续与水反应 其固体体积增大1 98和2 48倍 产生不均匀体积变化 造成水泥石开裂 翘曲 石膏量过多 在水泥凝结硬化后 会有钙钒石形成 产生膨胀 水泥体积安定性不良的原因 4 强度 强度是水泥技术中最基本的指标 它直接反映了水泥的质量水平和使用价值 国际上都采用砂浆法作为水泥强度的标准检验方法 我国亦采用水泥胶砂来评定水泥强度 我国现行标准 GB177 1999 规定 以1 3的水泥和ISO标准砂 按规定的水灰比0 50 用标准制作方法制成4cm 4cm 16cm的标准试件 在标准养护条件下 达到规定龄期 3d 28d 时 测定其抗折和抗压强度 按国家标准规定的最低强度值来评定其所属的强度等级 为提高水泥的早期强度 我国现行标准将水泥分为普通型和早强型 R 早强型水泥的3d抗压强度较同强度等级的普通型强度提高10 24 可达28d抗压强度的50