水泥基材料-绪论

1、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

2、材料， 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 特性混凝土水泥基材料的应用历史、现状和分类绪 论水泥基材料： 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。 胶凝材料

3、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。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矿渣天然人工工业废渣火山灰材料火山灰材料（具有

4、潜在水硬性）无机胶凝材料只能在空气中硬化即能在空气中又能在水中硬化需要激发剂激发水泥的历史 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。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

5、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）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）机械化立窑水泥厂生产工艺流程示意图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

6、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 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 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

7、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111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。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

8、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。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单位：万t/a 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。 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

9、源和能源 混凝土应用技术发展很快。水泥研究现状水泥强度提高情况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 泥硫铝酸盐水泥C2S、C4A3.SO3硅酸盐水泥C3S、C2S、C3A、C4AF铝酸盐水泥CA、CA2、C2AS第一系水泥第二系水泥第三系水泥水 泥标准规定的水泥标准未规定的水泥通用水泥没有许可证的特殊水泥特种水泥具有许可证的特殊水泥符合用户要求的个性化水泥德国的水泥产品结构强度等级：32.542.552.5欧洲标准规定的水泥种类品种混合材种类混合材掺量CEM I无0CEM II/A，B所有种类6%35%CEM III/A ，B

10、，C矿渣36%95%CEM IV/A，B火山灰质材料11%55%CEM V/A，B两种或两种以上的复合18%50%ASTM 分 类简 介I， IA一 般 用 途II， IIA要 求 中 等 抗 硫 酸 盐 和 中 等水 化 热 的 工 程III， IIIA早 强 型IV低 水 化 热V高 抗 硫 酸 盐均为纯硅酸盐水泥，强度不分等级A型为引气型水泥美国的水泥品种纯硅酸盐水泥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粉煤灰硅酸盐水泥P.F石灰石硅酸盐水泥通用水泥快硬水泥低热水泥膨胀水泥油井水泥耐火水泥装饰水泥其他特种水泥水 泥中国的水泥分类强度等级：32.5

11、42.552.562.5中国的通用水泥品种 混合材种类 混合材掺量 P I 无 0 P II 活性或惰性 5% P.O 活性或惰性 6%15% P.S 矿渣 20%70% P.P 火山灰质材料 20%50% P.F 粉煤灰 20%40% P.C 两种或两种以上的复合 20%50% 我国通用水泥标准的演变过程2002年我国通用水泥产量统计时间国家32.542.552.562.52002年中国54.541.43.90.21997年德国61.632.45.7-1997年法国48.211.332.6-国内外市场销售水泥的强度分布（）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国内外硅酸

12、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。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行业名称名称

13、产量产量（亿吨）（亿吨）增长增长（%）所处世界地位所处世界地位资源、环境问题资源、环境问题水泥水泥8.6218.90超过世界总产超过世界总产量的量的50，世，世界第一。界第一。年排放近年排放近7亿吨亿吨CO2和大量粉和大量粉尘，消耗约尘，消耗约7亿吨石灰石资源。亿吨石灰石资源。钢铁钢铁2.2221.92钢产量世界第钢产量世界第一。一。冶金渣年排放量约冶金渣年排放量约1.5亿吨亿吨;原煤原煤16.6715.00煤炭消费量世煤炭消费量世界第一。界第一。煤矸石积存煤矸石积存34亿吨，占地亿吨，占地20万亩，排放量每年约万亩，排放量每年约2亿吨亿吨电力电力1910 (亿千瓦时亿千瓦时)15.52发电量

14、世界第发电量世界第二。二。粉煤灰年排放量近粉煤灰年排放量近2亿吨，累亿吨，累计堆存量超过计堆存量超过14亿吨，占地亿吨，占地60万亩，万亩， 综合处理费高达综合处理费高达30 60亿元亿元 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：作水泥原料水泥原料：代替石灰石、粘土、石膏。作燃料燃料作混合材混合材：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：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