無(wú)機(jī)膠凝材料項(xiàng)目化教程-水泥2

《無(wú)機(jī)膠凝材料項(xiàng)目化教程》主講：李子成內(nèi)容回顧作業(yè)1：在維修古建筑時(shí)，工作人員發(fā)現(xiàn)古建筑中石灰砂漿堅(jiān)硬，強(qiáng)度較高。有人認(rèn)為是古代生產(chǎn)的石灰質(zhì)量?jī)?yōu)于現(xiàn)代石灰。此觀點(diǎn)是否正確，為什么？作業(yè)2：同樣是含有粘土雜質(zhì)，為什么在建筑石膏和建筑石灰中體現(xiàn)的水硬性效果不同？作業(yè)3：建筑石膏制備過(guò)程中的陳化和石灰消化過(guò)程中的陳伏有何不同？硅酸鹽水泥1硅酸鹽水泥的生產(chǎn)過(guò)程與方法2硅酸鹽水泥熟料礦物形成的物理化學(xué)過(guò)程3硅酸鹽水泥熟料礦物的組成、結(jié)構(gòu)及其與膠凝性能的關(guān)系4硅酸鹽水泥的水化反應(yīng)及機(jī)理5水泥漿結(jié)構(gòu)的形成過(guò)程與特性6水泥石的結(jié)構(gòu)7水泥的工程性質(zhì)2硅酸鹽水泥熟料礦物形成的物理化學(xué)過(guò)程【重點(diǎn)】生料的干燥與脫水;碳酸鈣分解;固相反應(yīng);液相的形成與熟料的燒結(jié);熟料的冷卻生料在煅燒中過(guò)程形成水泥熟料的物理化學(xué)過(guò)程是十分復(fù)雜的，按溫度的升高大體上可以分為下述幾個(gè)階段:生料的干燥與脫水;碳酸鈣分解;固相反應(yīng);液相的形成與熟料的燒結(jié);熟料的冷卻一、生料的干燥與脫水干燥

生料中自由水的蒸發(fā)，稱(chēng)為干燥。脫水

生料中粘土礦物的分解并放出其化合水，稱(chēng)為脫水。化合水結(jié)晶水層間水以O(shè)H-離子形態(tài)存在于晶體結(jié)構(gòu)的格子中

以H2O分子形態(tài)存在于粘土礦物的層狀結(jié)構(gòu)間一、生料的干燥與脫水高嶺石Al2O3·2SiO2·2H2O

是一種有代表性的粘土礦物，具有“單網(wǎng)層”結(jié)構(gòu)，即由一層水鋁石和一層硅氧層結(jié)合而成。圖4-5所示。其結(jié)構(gòu)中的(OH)處于兩種不同的環(huán)境中：

3/4的(OH)位于兩個(gè)單網(wǎng)層之間，稱(chēng)之為外層的(OH)；

1/4的(OH)位于單網(wǎng)層之中，故稱(chēng)之為內(nèi)層的(OH)。高嶺石受熱時(shí)，外層(OH)易于脫出，而內(nèi)層的(OH)則較困難，其脫水反應(yīng)可用下式表示：

Al2O3·2SiO2·2H2O470℃-540℃

Al2O3·2SiO2·1/2H2O+3/2H2OAl2O3·2SiO2·1/2H2O＞540℃Al2O3·2SiO2+1/2H2O二、碳酸鈣分解分解條件

CaCO3CaO+CO2-1645J/g(890oC時(shí))MgCO3MgO+CO2-(1047~1214)J/g(590oC時(shí))

為了使分解能順利進(jìn)行，必須保持較高的反應(yīng)溫度和較低的CO2分壓。分解過(guò)程1.熱氣流傳向顆粒表面；2.熱量由表面向分解面?zhèn)鬟f；3.分解處的碳酸鈣在一定溫度下進(jìn)行分解并放出CO2;4.CO2氣體穿過(guò)CaO層向表面擴(kuò)散;5.表面的CO2向周?chē)橘|(zhì)擴(kuò)散。傳熱傳質(zhì)物理過(guò)程化學(xué)反應(yīng)過(guò)程影響碳酸鈣分解速度的因素溫度CO2分壓原料粒度在窯內(nèi)的運(yùn)行狀態(tài)：懸浮狀態(tài)分解快石灰石的種類(lèi)和物理性質(zhì)：致密程度、料塊形狀、雜質(zhì)等二、碳酸鈣分解1.溫度碳酸鹽分解是吸熱反應(yīng)，是熟料形成過(guò)程中消耗熱量最多的一個(gè)工藝過(guò)程。溫度升高使分解速度加快。但應(yīng)注意，溫度過(guò)高，將增加廢氣溫度和熱耗，預(yù)熱器和分解爐結(jié)皮、堵塞的可能性亦大。2.CO2的分壓碳酸鹽分解是可逆反應(yīng)，受系統(tǒng)溫度和周?chē)橘|(zhì)中CO2的分壓影響較大。為了使分解反應(yīng)順利進(jìn)行，必須保持較高的反應(yīng)溫度和良好的通風(fēng)，降低周?chē)橘|(zhì)中CO2的分壓。3.生料細(xì)度和顆粒級(jí)配生料顆粒粒徑越小，比表面積越大，傳熱面積增大，分解速度加快；生料顆粒均勻，粗顆粒少，也可加速碳酸鹽的分解。

4.生料懸浮分散程度懸浮態(tài)：懸浮預(yù)熱器內(nèi)生料處于懸浮態(tài)，比表面積可達(dá)200～400m2/kg，生料粉中CaCO3分解受化學(xué)反應(yīng)速率控制。堆積態(tài)：回轉(zhuǎn)窯內(nèi)生料處于堆積態(tài)，CaCO3分解受傳熱、傳質(zhì)過(guò)程控制。5.石灰石的種類(lèi)和物理性質(zhì)石灰石中伴生其他礦物和雜質(zhì)具有降低分解溫度的作用；方解石晶體越小、缺陷越多，分解越快。如果黏土質(zhì)原料的主導(dǎo)礦物是高嶺土，由于其活性大，在800℃下能與氧化鈣或直接與碳酸鈣進(jìn)行固相反應(yīng)，生成低鈣礦物，則可以促進(jìn)碳酸鈣的分解過(guò)程；反之，如果黏土的主導(dǎo)礦物是活性差的蒙脫石和伊利石，則CaCO3的分解速度慢。定義

在生料煅燒過(guò)程中，碳酸鹽分解的組分與粘土分解的組分通過(guò)質(zhì)點(diǎn)的相互擴(kuò)散而進(jìn)行的反應(yīng)稱(chēng)為固相反應(yīng)。在不同的固相反應(yīng)溫度下其反應(yīng)產(chǎn)物如下：~800oC：CaO·Al2O3(CA)、CaO·Fe2O3(CF)與2CaO·SiO2(C2S)開(kāi)始形成。800~900oC：開(kāi)始形成了12CaO·7Al2O3(C12A7)。900~1100oC：2CaO·Al2O3·SiO2(C2AS)形成之后又分解。開(kāi)始形成3CaO·Al2O3(C3A)和4CaO·Al2O3·Fe2O3(C4AF)。所有碳酸鈣均分解，游離氧化鈣達(dá)最高值。l100~1200oC：大量形成C3A和C4AF，C2S含量也達(dá)到最大值。

三、固相反應(yīng)影響固相反應(yīng)的因素固相反應(yīng)的溫度（質(zhì)點(diǎn)鍵力與質(zhì)點(diǎn)遷移）粒子的細(xì)度和均勻性（比表面積）相互進(jìn)行固相反應(yīng)的物質(zhì)狀態(tài)（活性體）礦化劑（形成固溶體、低共熔物或中間體）三、固相反應(yīng)在溫度為800~1200oC之間，通過(guò)固相反應(yīng)可以形成若干水泥熟料礦物如：C3A、C4AF以及C2S。但是，若僅通過(guò)固相反應(yīng)形成C3S時(shí)，則其溫度需高達(dá)1600oC。為了降低C3S的形成溫度，必須使熟料中出現(xiàn)液相，燒至部分熔融，這時(shí)，物料逐漸由疏松狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樯珴苫液?，結(jié)構(gòu)致密的熟料，并伴隨著體積收縮。與此同時(shí)，C2S與游離CaO逐漸溶解于液相中，相互反應(yīng)形成硅酸鹽水泥熟料的主要礦物——硅酸三鈣。

四、液相的形成與熟料的燒結(jié)四、液相的形成與熟料的燒結(jié)熟料燒結(jié)階段鐵相，鋁相及部分C2S相的熔融燒結(jié)（球化）f-CaO與未反應(yīng)的SiO2及C2S生成C3S相C2S多晶轉(zhuǎn)變?yōu)棣?C2SC2S和C2S相的晶體長(zhǎng)大與再結(jié)晶揮發(fā)物的蒸發(fā)四、液相的形成與熟料的燒結(jié)熟料燒結(jié)和C3S形成的關(guān)鍵因素液相的形成溫度液相量液相的性質(zhì)CaO與C2S在液相中的溶解速率四、液相的形成與熟料的燒結(jié)液相的形成溫度液相量四、液相的形成與熟料的燒結(jié)液相的性質(zhì)：粘度越小越有利于C3S的形成，粘度主要取決于溫度及鋁率（鋁率越小粘度越低，但是液相量少）。與C2S在液相中的溶解速率：主要決定于CaO和C2S的粒子尺寸及晶體缺陷，尺寸越小，溶解速率越大；缺陷多，無(wú)序度大的新生態(tài)，活性大，易溶于液相中，利于C3S的形成。五、熟料的冷卻快速冷卻快速冷卻可使高溫下形成的液相來(lái)不及結(jié)晶而成玻璃相，同時(shí)也使C3S等礦物晶體的尺寸因來(lái)不及長(zhǎng)大而保持其細(xì)小均勻分布的狀態(tài)，并且由于急冷在熟料粒子內(nèi)部產(chǎn)生較大的結(jié)晶應(yīng)力，使其形成較多的微細(xì)裂紋。工藝裝備允許的條件下盡可能采用快速冷卻，這不僅能使水泥熟料的使用性質(zhì)(如水泥的活性)，以及抗硫酸鹽性能等變好，而且也能改善熟料的工藝性質(zhì)，特別是使其易磨性變好。熟料快速冷卻的目的和作用是：⑴為了防止C3S在12