水泥基材料：绪论

材料科学的研究对象与目的

水泥基材料的应用历史、现状和分类绪论材料科学的发展材料的定义： 为了达到特定的目的，而为人类所使用的物质。 材料是由一定配比的若干相互作用的元素所构成，具有一定的结构层次和确定的性质，并能用于制造工具、器件、设备和建筑物等的系统。

广义上说，材料是指能为人类制造有用器件的物质。但随着社会的发展，自然资源和能源的减少，材料的定义必须考虑其经济和社会因素，因此材料的定义发展为：“材料是人类社会所能接受的、经济地制造有用器件的物质”。在上述定义中，定语“人类社会所能接受的”包括资源、能源和环境因素。原料（RawMaterials）由原料到材料。原料一般不是为获得产品，而是生产材料，往往伴随化学变化。材料的特点往往是为获得产品，一般从材料到产品的转变过程不发生化学变化。材料与物质

(MaterialsandMatter)材料可由一种或多种物质组成。同一物质由于制备方法或加工方法不同，可以得到用途各异、类型不同的材料。类别材料可以根据化学组成、状态、作用和使用领域分类。金属材料无机非金属材料有机高分子材料化学组成分类components状态分类state气态固态液态单晶多晶复晶非晶人类使用材料是一巨大的、全球性的、时空无限的循环体系人类使用材料的历史人类使用材料的历史与人类文明史同样长。人类有目的地制造工具时就是人类使用材料的开端。材料是一切物质生产不可缺少的要素。人类历史上以材料命名的时代： 石器时代——青铜器时代——铁器时代 信息时代仍以材料的发展为推动力。材料的发展与人类社会石器砍砸器（旧石器时代）破土器（新石器时代）

铜鉞铜鼎钢桥单晶硅芯片太阳能电池材料科学的研究内容研究材料的组成、结构、加工与材料的性能及其应用之间的相互关系。材料科学的任务了解现有材料的组成、结构与性能间的关系，研究如何提高现有材料的使用性能。根据人们的需要，有目的地设计、制造新材料。

为了达到上述目的，需要应用化学、物理及其他相关学科的理论和方法，以及各种测试分析技术来研究材料的成分和结构及其与材料性能间的关系。材料的性质是材料系统对外界作用的反应（电、磁、热、光、力等），它依赖于材料的结构。材料内部各结构层次的特性，取决于组元的种类、比例和外部环境（温度、压力等）。材料的组成、结构和性能是彼此相关联的整体。金刚石C60石墨碳的不同形态具有完全不同的性能材料科学与工程物质世界分级钱学森将其分为： 胀观、宇观、宏观、微观、渺观 （1030－10－33mm）吴中伟将其分为： 宏观、粗观、细观、微观宏观构筑物、器件整体粗观（macro，＞mm）混凝土制备、组成细观（亚微观，submicro，μm）相组成微观（micro，nm）原子、分子后三部分是材料科学研究的对象。

材料的宏观结构与微观结构的关系材料结构与性能的经时变化相构成单一材料的基本单元是相。相是指材料系统中物理和化学性质相同的均匀部分。组成相结构的单元是原子（团）或分子。相的特征用相中原子的空间排布来描述晶体：相中的原子排布有明显的周期性和对称性；原子排布具有长程有序。非晶体：相中的原子排布无明显的周期性和对称性；原子排布仅有短程有序。材料的结构层次原子结构相结构单一材料结构复合材料结构上一级材料结构的性能由组成单元与单元间相互作用所决定。材料科学的目的科学地设计、制造和使用材料。材料研究目前在一定程度上仍然是一门“经验”学科。许多新材料的发现仍是“机遇”的产物。材料工程

对于工程技术人员：如何选择特定应用环境下需要的材料，来满足使用要求，如何按实际要求设计新材料，须弄清以下三个关系：

（材质）——材料内部结构与性能（内部形态）——加工工艺与性能（使用环境，耐久性）——材料的性能与使用过程材料设计的定义严格：按照科学原理制备预先确定性能目标的材料。宽松：依据积累的经验，归纳的试验规律和总结的科学原理，制备预先确定目标性能的材料。 严格定义的材料设计目前只在少数材料种类实现。为了设计材料，必须首先了解材料的组成、结构与性能的关系。材料物相分析就是了解材料微观结构的技术。随着物相分析技术的发展，人们对于材料微观结构的了解也逐步深入，使材料设计的水平逐步提高。肉眼光学显微镜电子显微镜0.1mm10-3mm10-9mm现代物相分析技术使用各种仪器，对材料的微观结构进行分析，可分为两类：

1.确定材料的组成，包括宏观整体组成与微区组成。

2.确定材料的结构。两类分析既有区别，又有联系。成分分析破损性分析： 化学湿法分析 光谱分析——确定原子组成

吸收光谱、发射光谱、荧光光谱

色谱和质谱分析——确定原子团组成 红外、紫外光谱——确定有机官能团非破损性分析： 电子探针——微区分析 表面分析（俄歇能谱、X光电子能谱、低能电子衍射谱）结构分析相分析

X射线衍射分析 热分析 电子衍射分析显微形貌分析孔与颗粒结构分析原子与分子结构分析

Moessbauer谱

X光电子能谱 红外和拉曼光谱

紫外光谱

质谱和色谱 电子顺磁共振谱 核磁共振谱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。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。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LeChatelier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。19世纪末的水泥实验室1875年的抗折试验机现代化的水泥实验室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——水泥粉磨水泥生产过程生产方式：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 铁带预分解炉的水泥熟料生产线水泥生产的发展方向：

大型化，自动化（日产熟料12000t）

——2009年我国日产5000吨及以上生产线设计水泥熟料产能占新型干法水泥熟料产能的比重为45.27%。

产品的个性化，适应用户要求

——多仓配料，粉磨站

——2009年全国水泥粉磨企业产量5.01亿吨，占全国水泥产量的30.36%。 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。节能减排，生产低碳水泥

每吨熟料大约排放0.8吨CO2，

2009年我国水泥工业万元GDP的CO2排放量约14.7吨，是全国平均万元GDP排放CO2量的5.9倍。

节能减排，实现低碳水泥生产(1)提高水泥窑炉的能量利用率；(2)实施节电技术及采用节电设备降低电耗；(3)集约化、规模化生产；(4)使用替代原料作为生产熟料的原料；(5)使用辅助胶凝材料替代部分熟料；(6)大量使用可燃废弃物作为替代燃料；(7)提高水泥品质，延长混凝土的使用寿命；(8)收集回收CO2，生产衍生产品。

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40亿吨。发达国家产量趋于下降，发展中国家产量增加。2014年中国水泥产量超过24.76亿吨，占世界总产量的60%。2011年至2013年期间，中国生产和消耗了66亿吨水泥，超过美国在整个二十世纪的消耗量。中国水泥熟料产能的增长情况2013年全国新投产水泥熟料生产线72条，新增水泥熟料年设计产能9430万吨。新增日产4000吨以上生产线49条，日产2000～4000吨生产线23条。全国新型干法水泥生产线累计1714条，设计熟料产能达17亿吨。2013年生产熟料13.62吨,熟料占水泥总产量的56.5%，9亿吨混合材和1亿吨石膏被使用。中国水泥产量的快速增长年份水泥产量（亿吨）增长率（%）2000年5.974.19%2003年8.6218.91%2006年12.3715.71%2009年16.4618.53%2010年18.6813.51%2011年20.6310.44%2012年21.845.87%2013年24.109.6%2014年24.761.8%水泥生产已进入平台期，产量将维持在25亿吨上下。2005年全国人均消费水泥图例

(公斤⁄人年)>1000901～1000801～900701～800601～700501～600401～500301～400≤3002005年全国（分省）人均熟料产能图例

(公斤⁄人年)>500451～500401～450351～400301～350251～300201～250151～200≤150现行通用水泥标准GB175-2007从2008年6月开始执行。将GB175、GB1344合为一个标准，称为“通用水泥”标准。新水泥标准GB175-2007取消PO32.5。PO水泥中的混和材掺量提高到20％。增加氯离子含量限制：0.06％水泥中的外加剂含量限制降低到0.5％按协议方法检测混和材掺量。细度不作为必检项目GB175-2007第二号修改单2014年12月2日发布第2号修改单，于2015年12月1日起实施。取消PC32.5复合硅酸盐水泥。熟料化学进展不大，应用研究很活跃。水泥生产新技术不多。重视可持续发展，重视环境保护，重视节约资源和能源混凝土应用技术发展很快。水泥研究现状第十四届国际水泥化学会议2015年10月在北京举行。中国经过了20年的申请，才获得主办机会。预期有近千名代表参会，500多篇论文。第十三届国际水泥化学会议主题生产过程中的化学与工程

25篇论文

ProductionprocesschemistryandengineeringClinkerformationreactionsVolatilecyclesThechemistryofemissionsAdvancedtechniquesforprocesscontrolNewclinkertypes:chemistryandprocessing第十三届国际水泥化学会议主题2.可持续生产Sustainableproduction90篇论文

UseofalternativerawmaterialsandfuelsReductionofclinkercontentsOtherwaysofloweringCO2emissionsEnergybalanceCO2capture:physico-chemicaltreatmentsLifecyclesWastere-use第十三届国际水泥化学会议主题3.新型胶凝材料Newcementitiousmatrix67篇论文

.Alkali-activatedbinders.Othernon-Portlandcementsystems.Hybridorganic-inorganicbinders水化与微结构Hydrationandmicrostructure 92篇论文

.Hydrationreactions.Hydratestructure.Microstructuredevelopment.Modelling.Toxicandradioactivewastesolidificationandinmobilization第十三届国际水泥化学会议主题5.水化与热力学Hydrationandthermodynamics

15篇论文

.Thermodynamicsandkinetics6.建模Modelling27篇论文

.Ab.Intio.Moleculardinamics,etc....Othertechnicsformodelling第十三届国际水泥化学会议主题7.新拌与硬化混凝土性能Propertiesoffreshhardenedconcrete55篇论文

.Chemicaladmixtures.Rheologyandworkability.Shrinkage,creep.Supplementarycementitiousmaterials.Relationshipbetweenmicrostructureandproperties.Specialconcretes第十三届国际水泥化学会议主题8.混凝土耐久性Concretedurability63篇论文

.Sulphateattack.Gasandiontransportprocesses:permeability,diffusionandmodelling.Reinforcementcorrosion.Alkali-aggregatereaction.Freezing-thawingresistance.Performanceathightemperatures9.标准化Standarization第十三届国际水泥化学会议摘要来源第十三届国际水泥化学会议文章主题分布水泥发展趋势水泥熟料在化学成分和矿物组成方面的潜力是有限的。为进一步改善水泥性能,同时达到节能减排目的,一个比较现实和有效的途径是在调整水泥熟料及混合材的品种、细度、颗粒分布和组成上下功夫。使水泥的工作性、强度增长特性和耐久性等有较大改善和突破性进展。对于水泥的强度提高的需求不迫切。水泥发展趋势另一个发展途径是碱激发矿渣或粉煤灰（碱激发胶凝材料）。它在材料强度、热稳定性和化学稳定性等方面可能达到一个新的极限。这一技术目前还处于研究开发阶段,尚未大规模实际应用,仍有一些实际问题还需研究解决,如原材料的质量稳定性、制品耐久性等等。水泥强度提高情况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EN197-1:2000欧洲的水泥标准EN197-1:2000这个标准将水泥从大的方面分为两类,即普通水泥和特性水泥。普通水泥是指硬化过程主要取决于硅酸钙水化反应的水泥。特性水泥包括具有特殊性能的普通水泥和具有其它硬化机理的水泥。欧洲的水泥标准的特点水泥品种的划分更加统一、严谨和细化。方便了生产与使用间的信息交流,方便于用户,更有利于建立一般通用的水泥使用规则,使用户有章可循。划分为5大类,27个品种,统一冠以CEM标志。欧洲的水泥标准的特点将“波特兰水泥”的组成作了限定。非熟料主要组分(我国称为混合材部分)含量≤35%的冠以“波特兰”称呼。对CEMⅡ类水泥又作了细化。划分为A和B级。非熟料主要组分含量在6%～20%的为A级;在21%～35%的为B级。高炉水泥的矿渣含量细化了。按矿渣含量分为3级:A级36%～65%,B级66%～80%,C级81%～95%。对含2种以上非熟料主要组分的水泥又作了细分。总含量在35%以下的称“复合波特兰水泥”，组分种类可不受限制；总含量36%~80%的称复合水泥。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中国的水泥分类强度等级：32.542.552.562.5复合硅酸盐水泥P.C中国的通用水泥我国水泥生产情况调研水泥品种分布情况

硅酸盐水泥占8%普通硅酸盐水泥占69%复合硅酸盐水泥占14%矿渣硅酸盐水泥占8%火山灰硅酸盐水泥占1%我国水泥生产情况调研水泥熟料强度

我国水泥生产情况调研混合材掺加量

普通水泥中混合材的实际掺量P.O42.5水泥最大掺量26%平均掺量20%P.O32.5水泥最大掺量48%平均掺量28%我国水泥生产情况调研混合材种类

普通水泥中混合材的种类立窑企业：矿渣、粉煤灰、煤矸石、石灰石、石煤渣、钢渣、铁合金渣、炉渣、石煤、化铁炉渣、锑矿渣、硅锰渣、磷渣、锅炉渣新型干法企业：粉煤灰、粒化高炉矿渣、铁合金渣、石灰石、铁合金渣

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54.51997年德国61.632.45.7--19