第九章 特种水泥课件

1、第第9章章 特种水泥特种水泥特性水泥定义和特点特性水泥定义和特点n具有特殊性能：快凝、快硬、耐热等；具有特殊性能：快凝、快硬、耐热等；n满足特殊用途：抢修工程、抗裂防渗工程、满足特殊用途：抢修工程、抗裂防渗工程、水工工程、油气固井工程、耐高温工程、水工工程、油气固井工程、耐高温工程、装饰工程等。装饰工程等。 特种就是这些特性水泥和专用水泥的统称。特种就是这些特性水泥和专用水泥的统称。特性水泥特性水泥n1、快硬高强水泥、快硬高强水泥n2、抗硫酸盐型硅酸盐水泥、抗硫酸盐型硅酸盐水泥n3、油井水泥、油井水泥n4、白色水泥、白色水泥n5、彩色水泥、彩色水泥n6、道路水泥、道路水泥n7、补偿收缩水泥、补

2、偿收缩水泥n8、砌筑水泥、砌筑水泥n9、防辐射水泥、防辐射水泥n10、耐高温水泥、耐高温水泥快硬高强水泥快硬高强水泥（1 1）特点：凝结时间短、硬化快、早期强度高）特点：凝结时间短、硬化快、早期强度高 以以3 3天强度来划分等级天强度来划分等级（2 2）组成：）组成：PCPC系列（硅酸盐水泥）系列（硅酸盐水泥） CSACSA系列（硫铝酸盐水泥）系列（硫铝酸盐水泥）（3 3）用途：需要快速施工的工程、抢修工程、）用途：需要快速施工的工程、抢修工程、 冬季施工冬季施工抗硫酸盐型硅酸盐水泥抗硫酸盐型硅酸盐水泥（1 1）特点：有较强的抵抗硫酸根离子腐蚀）特点：有较强的抵抗硫酸根离子腐蚀 的能力、水化热

3、低的能力、水化热低（2 2）组成：硅酸盐系列改变熟料矿物组成（降）组成：硅酸盐系列改变熟料矿物组成（降低硅酸三钙低硅酸三钙50%和铝酸三钙含量和铝酸三钙含量5% ）（3 3）用途：水利工程、地下工程、海港工）用途：水利工程、地下工程、海港工 程、隧道工程、桥梁基础等程、隧道工程、桥梁基础等油井水泥油井水泥（1 1）特点：流动性好、快凝）特点：流动性好、快凝 初凝、终凝时间间隔短初凝、终凝时间间隔短 在高温高压环境中凝结硬化在高温高压环境中凝结硬化（2 2）组成：硅酸盐系列改变矿物比例）组成：硅酸盐系列改变矿物比例（3 3）用途：用于油田固井）用途：用于油田固井白色水泥白色水泥（1 1）特点：颜

4、色为白色，白度是重要的性）特点：颜色为白色，白度是重要的性 能指标能指标（2 2）组成：控制）组成：控制FeFe含量含量（3 3）用途：建筑装饰）用途：建筑装饰彩色水泥彩色水泥（1 1）特点：按照使用要求可配制出红色、）特点：按照使用要求可配制出红色、 绿色等彩色水泥绿色等彩色水泥（2 2）组成：一般为硅酸盐系列）组成：一般为硅酸盐系列（3 3）制备方法：白水泥）制备方法：白水泥+ +颜料颜料 在原材料中配入着色剂烧制在原材料中配入着色剂烧制（4 4）用途：建筑装饰）用途：建筑装饰道路水泥道路水泥（1 1）性能特点：耐磨性好、抗冻性好、抗冲击）性能特点：耐磨性好、抗冻性好、抗冲击 性好、收缩小

5、、弹性好性好、收缩小、弹性好（2 2）组成：硅酸盐系列水泥中增加含铁矿物）组成：硅酸盐系列水泥中增加含铁矿物（3 3）用途：公路路面）用途：公路路面补偿收缩水泥补偿收缩水泥（1 1）特点：具有微膨胀性）特点：具有微膨胀性（2 2）组成：）组成：CSACSA系列系列（3 3）用途：防止混凝土开裂）用途：防止混凝土开裂砌筑水泥砌筑水泥（1 1）特点：强度要求不高，流动性好）特点：强度要求不高，流动性好（2 2）组成：硅酸盐系列）组成：硅酸盐系列（3 3）用途：用于砌筑和抹灰）用途：用于砌筑和抹灰防辐射水泥防辐射水泥（1 1）特点：密度大、水化热小、抗拉强度高）特点：密度大、水化热小、抗拉强度高（2

6、 2）组成：含有）组成：含有BaBa、SrSr等重金属离子等重金属离子（3 3）用途：用于阻挡或防护原子核反应堆辐射）用途：用于阻挡或防护原子核反应堆辐射耐高温水泥耐高温水泥（1 1）特点：耐高温、耐腐蚀）特点：耐高温、耐腐蚀（2 2）组成：主要为铝酸盐系列）组成：主要为铝酸盐系列 另外还有磷酸盐系列另外还有磷酸盐系列（3 3）用途：窑炉内衬（电力、石化、冶金、建材）用途：窑炉内衬（电力、石化、冶金、建材） 硫铝酸盐水泥第一系列水泥：第一系列水泥：以以C C3 3S S矿物为主的各种矿物为主的各种硅酸盐硅酸盐水水泥。泥。第二系列水泥：第二系列水泥：以以CACA矿物为主的各种矿物为主的各种铝酸盐

7、铝酸盐水泥。水泥。第三系列水泥：第三系列水泥：以以C C4 4A A3 3矿物为主的各种矿物为主的各种硫铝酸硫铝酸盐盐水泥。水泥。2020世纪世纪7070年代初，中国发明了普通硫铝酸盐水泥年代初，中国发明了普通硫铝酸盐水泥水泥的种类水泥的种类定义 硫铝酸盐水泥是以适当成分的石灰石、矾硫铝酸盐水泥是以适当成分的石灰石、矾土、石膏为原料，经低温（土、石膏为原料，经低温（13001350）煅烧而成的无水硫铝酸钙（煅烧而成的无水硫铝酸钙（C4A3）和硅酸二）和硅酸二钙（钙（C2S）为主要矿物组成的熟料，掺加适量）为主要矿物组成的熟料，掺加适量混合材（石膏和石灰石等）共同粉磨所制成混合材（石膏和石灰石等

8、）共同粉磨所制成的具有早强、快硬、低碱度等一系列优异性的具有早强、快硬、低碱度等一系列优异性能的水硬性胶凝材料。能的水硬性胶凝材料。n硫铝酸盐水泥是中国建筑材料科学院于硫铝酸盐水泥是中国建筑材料科学院于1975研究和开发的一种特种水泥，它是以研究和开发的一种特种水泥，它是以3CaO3Al2O3CaSO4为主要矿物的水泥。该水为主要矿物的水泥。该水泥具有早强、高强、抗冻、抗渗、耐腐蚀和低泥具有早强、高强、抗冻、抗渗、耐腐蚀和低碱度等优良特性。目前我国硫铝酸盐水泥主要碱度等优良特性。目前我国硫铝酸盐水泥主要有快硬硫铝酸盐水泥、膨胀硫铝酸盐水泥、自有快硬硫铝酸盐水泥、膨胀硫铝酸盐水泥、自应力硫铝酸盐

9、水泥、高强硫铝酸盐水泥和低碱应力硫铝酸盐水泥、高强硫铝酸盐水泥和低碱度硫铝酸盐水泥等五个品种。度硫铝酸盐水泥等五个品种。 从无水硫铝酸钙从无水硫铝酸钙C C4 4A A3 3 复合矿物研究中已开发出复合矿物研究中已开发出硫铝酸盐水泥系列。这个系列包括普通硫铝酸盐水泥硫铝酸盐水泥系列。这个系列包括普通硫铝酸盐水泥和高铁硫铝酸盐水泥（又称铁硫酸盐水泥）。和高铁硫铝酸盐水泥（又称铁硫酸盐水泥）。 硫铝酸盐水泥和铁铝酸盐水泥的生产工艺完全一硫铝酸盐水泥和铁铝酸盐水泥的生产工艺完全一样，区别仅在于两者的铁相矿物含量高低不同。样，区别仅在于两者的铁相矿物含量高低不同。 硫铝酸盐水泥的种类硫铝酸盐水泥的种类

10、快硬铁铝酸盐水泥RFAC高强铁铝酸盐水泥HFAC膨胀铁铝酸盐水泥EFAC自应力铁铝酸盐水泥SFAC高铁硫铝酸盐水泥快硬硫铝酸盐水泥RSAC高强硫铝酸盐水泥HSAC膨胀硫铝酸盐水泥ESAC自应力硫铝酸盐水泥SSAC低碱度快硬硫铝酸盐水泥普通硫铝酸盐水泥早强高强性能：快硬硫铝酸盐水泥不仅有较高的早期强度，而且有不断增长的后期强度。同时具有满足使用要求的凝结时间。12h1d抗压强度可达3550MPa；抗折强度可达6.57.5MPa。3d抗压强度可达5070MPa；抗折强度可达7.58.5MPa。根据3d水泥胶砂抗压强度确定水泥标号。目前市场出售的水泥标量为425、525、625 三种。该两种水泥已有

11、1020年的生产历史。从510年水泥和混凝土长期强度结果可以看出，随养护龄期的增长，强度不断增长，最高强度可达100MPa。硫铝酸盐水泥具有以下特点： 高抗冻性能：快硬硫铝酸盐水泥表现出极好的抗冻性。它具有以下几个特点：a.在010低温下使用，早期强度是硅酸盐水泥的58倍。b.在0-20负温下使用，加入少量防冻剂，混凝土入模温度维持在5以上，则可正常施工。混凝土37d强度可达设计标号的7080%。c.在正负温交替情况下施工，对后期强度增长影响不大。实验室200次冻融循环，混凝土强度损失不明显。抗冻标号可达200以上。 耐蚀性能：硫铝酸盐水泥对海水、氯盐（NaCl、MgCl2）、硫酸盐（Na2S

12、O4、MgSO4、(NH4) 2SO4）、尤其是它们的复合盐类（MgSO4+ NaCl）等，均具有极好的耐蚀性。快硬铁铝酸盐水泥的耐蚀性优于快硬硫铝酸盐水泥。从2年耐腐蚀实验室结果可以看出，耐蚀系数均大于1，明显优于高抗硫硅酸盐水泥和高铝水泥。 高抗渗性能：硫铝酸盐水泥的水泥石结构较致密，因此混凝土抗渗性是同标号硅酸盐水泥混凝土的23倍。 我国硫铝酸盐水泥应用市场用量及品种我国硫铝酸盐水泥应用市场用量及品种硫铝酸盐水泥的应用n硫铝酸盐水泥在我国已成功地应用于各种建筑工程（尤其是冬季施工工程）、海港工程、地下工程，各种水泥制品和预制构件，如水泥压力管、高强桩、大型梁柱以及各种GRC制品。 玻璃纤

13、维增强水泥制品（GRC制品）n该制品生产对水泥的基本要求是水泥的水化液相碱度在整个水化过程中必须保持在一个较低的水平，即小于11.0。为满足这个要求，采用水化液相pH值10.5的低碱度硫铝酸盐水泥是最佳选择，目前尚没有任何品种水泥可以代替它。快硬硫铝酸盐水泥水化液相碱度比低碱度硫铝酸盐水泥高，但比快硬铁铝酸盐水泥低， 更重要的是水化产物中不存在Ca(OH)2。所以在某些特殊情况下也可以用于GRC制品生产。实验结果表明，快硬铁铝酸盐水泥对玻璃纤维的腐蚀作用较严重，在GRC制品生产中不可使用该种水泥。 n自应力水泥压力管 在自应力水泥压力管的生产中，大多数厂采用自应力硫铝酸盐水泥。n冬季施工工程

14、硫铝酸盐水泥用于冬季施工工程可省去通常使用的蒸气保温措施，具有很高的经济效益，目前尚无其他水泥可取代，其应用前景极佳。 海洋工程 n海洋建筑物的修补是硫铝酸盐水泥应用前景十分看好的领域之一。使用的水泥品种应首选快硬铁铝酸盐水泥。实验室研究和海洋工程实际应用效果都表明快硬铁铝酸盐水泥的早强、抗海水腐蚀和抗冲刷性能均优于包括快硬硫铝酸盐水泥在内的任何一种水泥，是目前最理想的海洋工程用水泥品种。 硫铝酸盐水泥生产工艺跟传统硅酸盐水泥硫铝酸盐水泥生产工艺跟传统硅酸盐水泥相比，生料中石灰石的配入量大大降低，用于相比，生料中石灰石的配入量大大降低，用于分解分解CaCOCaCO3 3的热耗大幅度降低，放出的

15、热耗大幅度降低，放出COCO2 2大大降大大降低，且熟料烧成温度较低，理论热耗较低，烧低，且熟料烧成温度较低，理论热耗较低，烧成范围较宽，节约能量。成范围较宽，节约能量。硫铝酸盐水泥生产的工艺特点硫铝酸盐水泥生产的工艺特点硫铝酸盐水泥的原燃材料硫铝酸盐水泥的原燃材料原材料原材料：铝质原料（主要提供铝质原料（主要提供Al2O3，也提供，也提供SiO2和和Fe2O3）石灰质原料（主要提供石灰质原料（主要提供CaO）硫系原料（主要提供硫系原料（主要提供SO3）燃料：燃料：烟煤烟煤原料和燃料要求原料和燃料要求n矾土：矾土： Al2O3 60%， SiO2 15% n石灰石：石灰石：CaO 50% ，

16、SiO2 3.5% n二水石膏：二水石膏： SO3 38%。硬石膏：。硬石膏：SO3 38%n工业烟煤：发热量工业烟煤：发热量23826kJ/kg，灰分，灰分3.5%， 挥发分挥发分25% n原料总有害成分：原料总有害成分：R2O 0.5% 硫铝酸盐水泥熟料矿物组成相图硫铝酸盐水泥熟料矿物组成相图三个系数：碱度系数三个系数：碱度系数CmCm，铝硅比，铝硅比N N，铝硫比，铝硫比P P223232320.70.730.641.41.87CaOTiOCmAl OFe OFe OSiO硫铝酸盐的率值硫铝酸盐的率值碱度系数碱度系数CmCm：表示熟料中氧化硅、氧化铝和氧化铁饱：表示熟料中氧化硅、氧化铝和

17、氧化铁饱和形成和形成C C4 4A A3 3、C C2 2AFAF、C C2 2S S的程度。的程度。CmCm的范围一般为的范围一般为0.95-0.980.95-0.98，必须小于，必须小于1(1(就在于硫铝酸盐水泥系数中，就在于硫铝酸盐水泥系数中，不能有不能有f-CaOf-CaO的存在，否则将造成水泥的急凝的存在，否则将造成水泥的急凝) )。232320.64Al OFe ONSiO232330.64Al OFe OPSO铝硫比铝硫比P P：表示熟料中氧化铝含量与三氧化硫含量之比，：表示熟料中氧化铝含量与三氧化硫含量之比，反映了形成反映了形成C C4 4A A3 3的氧化铝与三氧化硫的适当比

18、例。一般的氧化铝与三氧化硫的适当比例。一般控制控制P P3.86.3.86. 铝硅比铝硅比N N：表示熟料中氧化铝含量与氧化硅含量值比，：表示熟料中氧化铝含量与氧化硅含量值比，也反映了熟料中也反映了熟料中C C4 4A A3 3 、C C2 2S S的比例。一般控制的比例。一般控制N N3 3。 CaO CaO的配入量：的配入量：在硫铝酸盐水泥中，形成熟料在硫铝酸盐水泥中，形成熟料矿物所需要的矿物所需要的CaOCaO是是按照不足按照不足来设计的，因为如果来设计的，因为如果CaOCaO的配入量过多，超出形成熟料矿物所需要的量，的配入量过多，超出形成熟料矿物所需要的量，将会形成将会形成f-CaO,

19、f-CaO,从而造成熟料的急凝、强度低；同从而造成熟料的急凝、强度低；同时，高钙条件下，时，高钙条件下， C C4 4A A3 3的水化速度会大大加快。的水化速度会大大加快。 SO SO3 3的配入量：的配入量：在硫铝酸盐水泥中，形成熟料在硫铝酸盐水泥中，形成熟料矿物所需要矿物所需要SOSO3 3的量的量按照过足按照过足来设计的，由于在硫来设计的，由于在硫铝酸盐水泥熟料煅烧过程中，铝酸盐水泥熟料煅烧过程中， SO SO3 3总会有所挥发，总会有所挥发，如果如果SOSO3 3配入量不足，将会直接影响配入量不足，将会直接影响C C4 4A A3 3的形成。的形成。在配料计算中在配料计算中SOSO3

20、 3应过量应过量10%10%左右。左右。硫铝酸盐水泥的配料原则硫铝酸盐水泥的配料原则 硫铝酸盐水泥熟料中的矿物主要为硫铝酸盐水泥熟料中的矿物主要为C4A3、C2S、C4AF，一般，一般还存在少量还存在少量游离石膏游离石膏(f-CaSO4)、方镁方镁石石(MgO)和钙钛和钙钛矿矿( (CaOTiO2即即CT) ) 等，煅等，煅烧不太正常或配料不当时，还有少量钙黄长石烧不太正常或配料不当时，还有少量钙黄长石( (2CaOAl2O3SiO2即即C2AS) )、硫硅酸钙、硫硅酸钙( (4CaO2SiO2CaSO4即即2C2SCaSO4) ) 、游离石灰、游离石灰( (f-CaO)和铝酸钙和铝酸钙(C1

21、2A7,CA) )等。等。硫铝酸盐水泥熟料的矿物组成硫铝酸盐水泥熟料的矿物组成无水硫铝酸钙无水硫铝酸钙n3CaO3Al2O3CaSO4n晶体结构：多孔结构晶体结构：多孔结构 （高活性的原因）（高活性的原因）n形貌：六角形板状或四边形柱状形貌：六角形板状或四边形柱状n晶体尺寸：晶体尺寸：510mCa2+Al-OS-O硅酸二钙硅酸二钙n2CaOSiO2n四种晶型n形貌：不规则圆形，细小、破碎（工业熟料）n尺寸：510m铁相铁相n4CaOAl2O3Fe2O3n2CaOFe2O36CaO2Al2O3Fe2O3固溶体n斜方晶系，棱柱状n形成：2CaOFe2O3矿物随温度的升高，不断固溶各类铝酸钙矿物少量

22、矿物少量矿物n游离石膏（游离CaSO4）n方镁石（MgO）n钙钛矿（CaOTiO2）煅烧不正常或配料不当时：n钙黄长石（2CaOAl2O3SiO2）n硫硅酸钙（4CaOSiO2CaSO4）n游离石灰（游离CaO）硫铝酸盐水泥熟料微观形貌硫铝酸盐水泥熟料微观形貌水泥名称熟料矿物组成w%普通硫铝普通硫铝酸盐水泥酸盐水泥C C4 4A A3 3C C2 2S SC C4 4AFAF55-7555-758-378-373-103-10高铁硫铝酸盐水泥C4A3C3AC6AF233-6314-3715-35铝酸盐水泥CAC2AC2AS40-4515-3020-36硅酸盐水泥C3SC2SC3AC4AF42-

23、6015-355-1410-16不同水泥熟料的矿物组成不同水泥熟料的矿物组成各种水泥熟料化学成分各种水泥熟料化学成分w%w%水泥名称SiO2Al2O3Fe2O3CaOSO3普通硫铝酸盐水普通硫铝酸盐水泥熟料泥熟料3-133-1330-3830-381-31-338-4538-458-158-15高铁硫铝酸盐水泥熟料5-1325-355-1343-507-12铝酸盐水泥熟料1050-58332-36硅酸盐水泥熟料21-254-82-464-67室温室温-300：原料脱水干燥原料脱水干燥300-450： 型无水石膏转变为型无水石膏转变为型无水石膏。型无水石膏。450-600：矾土的水铝石分解，形成

24、矾土的水铝石分解，形成-Al2O3,物料物料 总同时总同时出现出现-SiO2及及Fe2O3。850-900：碳酸钙分解，产生碳酸钙分解，产生CaO,CaO,随温度升高分解反应加随温度升高分解反应加快。快。950以上以上： C C4 4A A3 3和和C C2 2ASAS开始形成。开始形成。1050：C C4 4A A3 3和和C C2 2ASAS增加，石灰吸收率达到增加，石灰吸收率达到1/21/2左右。生料左右。生料中的中的-Al2O3, -SiO2、CaSOCaSO4 4和和CaOCaO的含量迅速减少。的含量迅速减少。熟料的形成过程熟料的形成过程1150：出现出现-C-C2 2S S，石灰吸

25、收率达到，石灰吸收率达到2/3.2/3.1250： C C4 4A A3 3继续增加，继续增加，C C2 2ASAS消失，同时出现消失，同时出现2C2C2 2SCaSOSCaSO4 4 。除此之外，其它组分消失。物料主要矿。除此之外，其它组分消失。物料主要矿物组成为：物组成为：C C4 4A A3 3,C,C2 2S,2CS,2C2 2SCaSOSCaSO4 ,4 ,f-CaSOf-CaSO4 4和少量铁相和少量铁相(C6 6AF2 2)1300：2C2C2 2SCaSOSCaSO4 4消失。熟料主要矿物为：消失。熟料主要矿物为：C C4 4A A3 3,-C,-C2 2S,-CS,-C2 2

26、S,S,铁相及铁相及CaSOCaSO4 41300-1400：矿物无明显变化。矿物无明显变化。1400以上以上： C C4 4A A3 3和和CaSOCaSO4 4开始分解，熟料出现融块。开始分解，熟料出现融块。 硫铝酸盐水泥熟料的烧成温度为：硫铝酸盐水泥熟料的烧成温度为：(1350(135050)50)。此。此时不但熟料形成反应已经完成，而且烧结情况也比较好。时不但熟料形成反应已经完成，而且烧结情况也比较好。 a. a.石膏在形成硫铝酸盐水泥熟料中的作用：导石膏在形成硫铝酸盐水泥熟料中的作用：导向化合和稳定矿物向化合和稳定矿物 导向化合导向化合：石膏不仅能使最终产物中：石膏不仅能使最终产物中

27、CACA改变为改变为C C4 4A A3 3，并使无活性的，并使无活性的C C2 2ASAS改变为改变为C C4 4A A3 3和和C C2 2S S。 稳定矿物稳定矿物：阻止在高温冷却过程中发生向惰性：阻止在高温冷却过程中发生向惰性的的- C- C2 2S S的晶型转变的晶型转变 b.b.石膏在形成硫铝酸盐水泥中的作用：跟硅酸石膏在形成硫铝酸盐水泥中的作用：跟硅酸盐水泥中的作用一样，起到缓凝作用。盐水泥中的作用一样，起到缓凝作用。石膏的作用石膏的作用导向作用铝酸盐水泥熟料形成反应铝酸盐水泥熟料形成反应无活性无活性引入石膏后的反应反应引入石膏后的反应反应高活性高活性硫铝酸盐水泥的水化硫铝酸盐水

28、泥的水化主要水化产物：主要水化产物：n水化硫铝酸钙（水化硫铝酸钙（Aft、AFm)n铝胶铝胶n铁胶铁胶n水化硅酸钙凝胶水化硅酸钙凝胶C C4 4A A3 3水化水化早期水化活性高早期水化活性高试试样样水水灰灰比比抗压强度抗压强度/MPa6h1d3d7d14d60d净净浆浆0.3915.336.640.530.734.634.6铁相的水化铁相的水化-6CaO2Al2O3Fe2O3 - 4CaOAl2O3Fe2O3 6CaOAl2O32Fe2O3 - 4CaOAl2O3Fe2O3 A A 硫铝酸盐水泥熟料的相对密度比硅酸盐水泥熟硫铝酸盐水泥熟料的相对密度比硅酸盐水泥熟料低，一班波动在料低，一班波动在2.87-2.922.87-2.92之间。之间。 B B 硫铝酸盐水泥水化产物主要由钙矾石、铝胶和硫铝酸盐水泥水化产物主要由钙矾石、铝胶和铁胶等组成。铁胶等组成。 C C 硫铝酸盐水泥的初凝时间比硅酸盐水泥快的多，硫铝酸盐水泥的初凝时间比