Transcript 高性能水泥生产及质量控制

高性能水泥的生产及质量控制
国家水泥质量监督中心
中国建筑材料科学研究总院
水泥与新材料技术顾问
全国水泥标准化委员会技术顾问
王文义
教授级高级工程师
2010年，我国水泥产量已经达
到18.9亿吨，占世界水泥产量的
60%，企业有5000多家，其中粉磨
站约有1500家，80%以上水泥为新
型干法窑生产（1300多条线），形
成以现代化水泥生产为主体的新局
面。
水泥产品质量达到国际先进水平，
大型装备实际国产化，水泥生产技
术在国际上具有强大的竞争力。
当前水泥企业的主要任务是节能减
排，消纳工业和生活排出的废弃物，
促进全社会的绿色化、生态化发展
进程。
一、现代水泥的生产与管理
现代水泥生产是以新型干法
窑烧成熟料，现代粉磨技术进行
物料的粉磨，生产运行管理全部
由中央控制室控制，全厂为无粉
尘污染的清洁工厂。
1、两磨一烧工艺
校正
石灰 砂岩
料 铁粉 石 （粘土）
混合
材 石膏
水泥成品
生料磨
新型干法窑
熟料
水泥磨
2、以均化—均匀—稳定为
中心的生产模式
均化——原燃材料的预均化及均化，
解决进厂原烧材料的质量、成份波
动。
均匀——生产过程中的配料（如生
料配料、水泥配料）即由电子计量
称进行动态管理。
稳定——保证产品质量的稳定性。
3、水泥企业质量管理规程的实施
水泥生产全过程贯彻实施
“水泥企业质量管理规程”是水泥
行业的传统经验。2011年1月1
日实施的工信部发布的新规程，是
以新型干法窑生产线为中心的规程。
原燃材料采购进厂
堆放、预均化、均化
入磨（生料）物料的细度、水份、主要
成份
入窑生料
率值控制
熟料
质量评价
入水泥磨物料计量、配比
成品细度、so3等全过程都有严格规定 。
出厂水泥强度目标值=等级值
(42.5MPa)+1.2MPa+3S≈48MPa
低于此值为未遂质量事故。
二、硅酸盐水泥的矿物组成与水化产物
 1、硅酸盐水泥熟料的矿物组成
成份
C3S
C2S
C3A
C4AF
MgO
fCaO
R2O
SO3
一般
60%
15%
7%
10%
2%
＜1.5%
0.6%
0.4%
波动
45% —75%
5%—30%
3%—13%
4%—17%
0.5%—5.5%
性能
优异
后期
早期
抗折
安定性
安定性
0.3%—1.2% 耐久性
0.3%—1.2% 耐久性
 2、矿物组成与率值关系
在熟料配
料时严格控
制三率值KH、
N、P即可。
KH
C3S
P
C 2S
C3A
n
C4AF
3、硅酸对水泥的水化产物
水化产物
大致含量
比重
形态
C—S—H
68
多变胶体 ≈0.1μm
CH
25
2.1 —
2.6
2.24
AFt
7
≈1.75
AFm
7
1.96
针状、柱
状晶体
六方薄片
或花状晶
体
等大晶体
尺寸
10—
100μm
10×1μ
m
1×0.1μ
m
 C—S—H：
CaO-SiO2-H2O
C/Si=0.8-1.5
1.5-2.0
Ⅰ型
Ⅱ型
 CH：
Ca(OH)2
 Aft：
3CaO.Al2O3.3CaSO4.32H2O
称钙矾石，成份是变动的。
 AFm：
3CaO.Al2O3.CaSO4.12H2O
称单硫型水化硫铝酸钙
矿渣水泥的水化产物——与硅酸盐相比
 Ca(OH)2
含量减少，结合水量少
火山灰水泥的水化产物——与硅酸盐相比
 Al2O3、SiO2、活性与Ca(OH)2作
用，形成C-S-H，C2ASH8（水溶莫
来石）。C-S-H的Ca/SiO2比小
石膏矿渣水泥水化产物
（80%—85%矿渣+10%—15%石膏+5%
熟料）
C-S-H和钙矾石
4、硅酸盐水泥的凝结硬化过程
 1、起始期——水泥加水后，立即急剧
反应，放热，石膏、可溶碱、C3A、C3S
水化，AFe形成，放热下降。这阶段很
短（4-5min）。
 2、诱导期——进入缓慢水化阶段，一
般40min-2h，由硅酸盐矿物水化，胶
体状产物逐渐形成网络结构，浆体失
去部分流动性，产生初凝。
 3、加速期——反应速度加快，大量C-
S-H、Ca(OH)2形成，又大量放热（二
个峰），AFe继续生成，浆体完全失去
流动性，终凝产生。进而产生强度。
 扩散控制期——水化产物不断增加，
颗粒表面包裹的厚度与密度不断增加，
这时水进入颗粒表面，必须穿过包裹
层，进入控制期，水泥浆不断硬化。
三、通用硅酸盐水泥的组成与特点
解放以来，我国通用硅酸盐水泥
一直实施多品种多标号的发展路线，
多品种是生产通用硅酸盐水泥时允许
掺加混合材料，并依据混合材料种类
和掺量划分通用水泥品种。
多标号就是按水泥强度高低，将
水泥质量划分多个标号，我国水泥的
发展模式是正确的，目前国际上也逐
渐采用了这个模式。
我国通用硅酸盐水泥国家标准
将通用硅酸盐水泥划分六大类

P.Ⅰ 、Ⅱ
P.O
P.S（A、B）
P.F
P.P
P.C
强度划分为：32.5； 32.5R；
42.5； 42.5R； 52.5； 52.5R；
62.5
允许使用混合材料有：矿渣、粉煤
灰、火山灰质材料、石灰石、砂岩、
窑灰等六种。
使用其它混合材料的通用水泥还有：
JC600-2002石灰石硅酸盐水泥；
JC/T740-2005磷渣硅酸盐水泥；
GB13590-2006钢渣硅酸盐水泥；
GB/T23933-2009镁渣硅酸盐水泥。
2、欧洲通用硅酸盐水泥—EN197-1：
2000
 将通用水泥划分5大类，27个品种
CEMⅠ波特兰水泥
熟料+石膏
95-100%
CEMⅡ矿渣水泥 CEMⅡ/A-S
矿渣
6%-20%
CEMⅡ矿渣水泥 CEMⅡ/B-S
矿渣
21%-35%
CEMⅡ硅灰水泥 CEMⅡ/A-D
硅灰
6%-10%
CEMⅡ火山灰水泥 CEMⅡ/A-P
火山灰
6%-20%
CEMⅡ火山灰水泥 CEMⅡ/B-P
火山灰
21%-35%
CEMⅡ粉煤灰水泥 CEMⅡ/A-V
火山灰
6%-20%
CEMⅡ粉煤灰水泥 CEMⅡ/B-V
火山灰
21%-35%
CEMⅡ页岩水泥 CEMⅡ/A-T
页岩
6%-20%
CEMⅡ页岩水泥 CEMⅡ/B-T
页岩
21%-35%
CEMⅡ石灰石水泥 CEMⅡ/A-C
石灰石
6%-20%
CEMⅡ石灰石水泥 CEMⅡ/B-C
石灰石
21%-35%
CEMⅡ复合水泥 CEMⅡ/A-M
6%-20%
CEMⅡ复合水泥 CEMⅡ/B-M
21%-35%
CEMⅢ矿渣水泥 CEMⅢ/A
矿渣
36%—65%
CEMⅢ矿渣水泥 CEMⅢ/B
矿渣
66%—80%
CEMⅢ矿渣水泥 CEMⅢ/C
矿渣
81%—95%
CEMⅣ火山灰水泥 CEMⅣ/A
火山灰、粉煤灰
11%—35%
CEMⅣ火山灰水泥 CEMⅣ/B
火山灰、粉煤灰
36%—55%
CEMⅤ复合水泥 CEMⅤ/A
混合材
18%—30%
CEMⅤ复合水泥 CEMⅤ/B
混合材
31%—50%
3、通用硅酸盐水泥的特点
 随着矿渣掺量的增加（0%—85%）
抗腐蚀性：
凝结时间：
泌水率：
稍有增加
稠度：
变化不大
砼R28：
水化热：
 随火山灰掺量的增加（0%—50%）
抗腐蚀性：
干缩性：
稠度：
凝结时间：
水化热：
砼R28
四、水泥施工性能的控制
1、现行标准对水泥质量的控制方法
（1）胶凝性方面：
细度（或比表面积）、凝结时间、安
定性、R3、R28。
有明确的指标要求。混合材料的品种
和掺加量等，由检验报告提供。
（2）耐久性方面：
SO3、MgO、R2O、Cl有明确规定。

（3）对水泥使用性能（施工性）：
标准中无规定，如：需水性、泌
水性、出厂水泥温度、外加剂相容性
等。
 2、目前建筑施工部门对水泥质量的主
要意见
（1）质量稳定性。如：颜色变化、凝结
时间变化、强度波动等。
（2）水泥需水量大，泌水量大。
（3）水泥与外加剂相容性。
（4）混凝土早期裂缝多。
3、水泥的需水性和保水性
（1）水泥需水量的构成：
需水量

颗粒表面润湿水
多孔性材料内部吸水（如火山灰材料）
初期水化水（很少）

颗粒间的空隙水（很大，约占60%）



水泥比面积愈大
润湿水、水化水愈多
 火山灰混合材愈多
内部吸水愈多
 水泥胶凝材料颗粒级配不合理
空隙多，水量愈大
（2）水泥砼泌水现象
有砼砂石骨料级配和施工方法原因；
有水泥胶凝材料原因：细度粗、多孔
材料少
4、水泥及胶凝材料的颗粒级配控制
水泥及混合材料和掺和料组成水
泥胶凝材料，这种胶凝材料的颗粒级
配主要由水泥厂调控，施工单位现场
掺和料也应调控，调控机理有三条：
（1）强度机理——为了充分利用熟料
活性，国内外公认颗粒分布：
粒度（μm） ＜3
组成 （%） ＜10
3-32
＞65
＞ 65
0
它是一个以3-32μm为中心的窄
分布曲线，优点是充分利用熟料活性，
缺点是水泥需水量大，使用性能差。
（2）密实机理——使水泥颗粒密实堆积，
提高水泥石的密实性。
按Fuller方程要求的粒度分布：
粒度（μm） ＜3
＜32
＜65
组成 （%） 20-30 70-80 80-95
它是一个0-80μm（ 0-65μm）范
围内的宽粒度分布。它的优点是水泥
颗粒密实堆积，减少需水量。缺点是
熟料有点过细粉磨现象，有过粗颗粒，
浪费能源
（3）三峰合一机理——充分发挥熟
料活性和混合材及掺合料的作用，
发挥各自的优点，组成水泥胶凝材
料的理想粒度分布
4、水泥及胶凝材料的颗粒级配
 细颗粒——以混合材（掺和料）为主；
 中等颗粒——以熟料为主；
 粗颗粒——以混合材料为主。
5、水泥与外加剂相容性
（1）、外加剂品种与掺量
（2）、熟料影响
矿物组成：C3A＞C4Af＞C3S＞C2S
矿物晶形：C3A与C4AF结晶形态
碱含量：R2O≈0.6%左右为好
硫碱比：SD=0.774SO3/(Na2O+0.658K2O)
≈100%
fCa：适当小
需水量：愈小愈好，如22%—24%稠度
（3）石膏形态与掺量
石膏种类
二水石膏
α-半水石膏
β-半水石膏
可溶硬石膏
天然硬石膏
溶解度（g/L)
2.08
6.20
8.15
6.30
2.70
溶解速率
中
快
快
慢
慢
德国试验
1
2
3
石膏净浆形
态
二水+硬
半+二水
(过量)
二水+半
(过量)
净浆
好
好
差(急凝)
差
随时间变
好
有改善
水泥编号
净浆掺超量
塑化剂
铝酸盐活性与溶液中硫酸盐匹配
铝活性低、溶液中SO3低：形成AFt，凝结正常
铝活性高、溶液中SO3高：形成AFt，凝结正常
铝活性低、溶液中SO3高：形成AFt和二水石膏，
“假凝”
铝活性高、溶液中SO3低：形成AFt、AFm、
C4AH13，“急凝”，
“欠
硫型”
1
1
1
（4）混合材料的种类
掺加大量混合材和掺和料都有助改善相容
性，但火山灰掺量过多后，需水量增加。
（5）水泥细度状态
熟料为细粒（＜3μm）超多：比表面积增大，
相 容性差
密实堆积的粒度分布：需水量少，相容性好
P.O 42.5水泥：比表面积≥450m2/kg，相容
性差；中位粒径≤14μm，相
容性变差
水泥圆度系数：愈圆，相容性愈好
1到
`
（6）水泥存放时间与温度：长好，温度
低好
（7）水泥需水量：P小好
（8）水泥凝结时间：适当长好，如2-3h
‘
6、砼的收缩与裂缝
（1）水泥收缩造成的砼裂缝：
化学收缩：7%-9%。C3A大，细度细水化
快，但AFt高好
`
塑性收缩：沉降、失水、化学反应造成
的。塑性阶段夏天砼表面大
量失水
温度收缩：水化热造成砼内外温差。大
体积砼。夏天温度高，水化
快。
干燥收缩：水泥石毛细孔水蒸发造成的。
夏天砼表面水蒸发快。
`
`
碳化收缩：砼表面Ca(OH)2与CO2反应生
成CaCO3造成。
自收缩：在恒温、恒湿下，水泥化学反
应造成。
（2）预防收缩的措施：
减少水泥收缩
熟料矿物组成：高C3S+C2S，低C3A或高
SO3
`
`
细度状态：最佳颗粒级配、堆积密实、
球形化、比表面积不宜过高。
混合材料：粉煤灰有益。
减少砼收缩
配合比：石、砂密实堆积
水灰比：适当小
养护： 加强初期水养护
大体积砼：采用低水化热水泥
掺和料：粉煤灰有益
五、高性能水泥与高性能砼应用
1、高性能砼三个条件：高施工性
高耐久性
高强度或符合结构要
求的强度
2、高性能水泥：高施工性
高耐久性
符合标准的强度等级
`
3、高性能水泥的开发
（1）高性能海工水泥：
采用分别粉磨工艺，选择最佳颗粒级配，
提高抗Cl-渗透性能。
（2）高性能PⅠ52.5水泥：
由熟料与石膏组成，严格控制水泥颗粒
级配
ρ
s
3.15 389
x0
n
＜
3μ
＜
8μ
＜
＜
＜
＜
16μ 24μ 32μ 45μ
18.9 1.14 13.6 35.0 55.1 73.0 87.0 97.0
前提条件，熟料强度高，外加剂相容性好
水泥性能：
稠度
初凝
终凝
SO3
R3
R28
27.2
2:00
2:55
3.24
43.5
65.1
初扩
285
1h
255
砼性能：
W/C
C
减水剂
R3
R28
0.28
550
2.2
83.5
99
4、C80免压蒸管桩水泥
由PⅠ52.5水泥+石膏+矿粉组成，水
泥性能：
稠度
SO3
初凝 终凝 初扩
26.4 3.62 2:35 3:35
305
1h
320
R3
R28
32.3 66.1
砼性能
W/C
C
减水剂
蒸养8h
0.3
490
2.2
82.9
六、提高水泥性能检验水平
1. 水泥取样必须有代表性
2. 影响检验准确性的因素
（1）温度与湿度，必须达到标准要求（室温、
养护箱、水池）
（2）检验仪器设备符合标准要求（应进行科
学的计量检定）
（3）人员操作必须符合标准要求（应进行专
门培训）
（4）ISO标准砂、水泥、样品、水必须与试
验室同条件
3. 主要性能检验中突出影响因素
（1）强度检验—抗压夹具与摆放位置；
（2）比表面积—比表面积仪必须采用标准粉
进行标定；
（3）稠度—滑动杆质量300g±1g检查，滑
动状态检查；
（4）凝结时间—确定初、终凝时间必须在试
体中间环部位；
（5）细度—采用标准粉进行筛
中间环
余修正。
`
`
`
4. 必须参加试验的对比检验
全国大对比、省级大对比、周围试验
对比
谢谢大家！