高性能水泥的生产及质量控制

1. 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

2. 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。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。

3. 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。

4. 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。

5. 1、两磨一烧工艺 混合 材 石灰 石 校正 料 砂岩 （粘土） 石膏 铁粉 水泥成品 生料磨 新型干法窑 水泥磨 熟料

6. 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。

7. 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。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。

8. 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。

9. 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。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。 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 。

10. 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 一般 波动 性能 C3S 60% 45% —75% 优异 C2S 15% 5%—30% 后期 C3A 7% 3%—13% 早期 C4AF 10% 4%—17% 抗折 MgO 2% 0.5%—5.5% 安定性 fCaO ＜1.5% 安定性 R2O 0.6% 0.3%—1.2% 耐久性 SO3 0.4% 0.3%—1.2% 耐久性

11. 2、矿物组成与率值关系 在熟料配 KH P 料时严格控 制三率值KH、 C3S C2S C3A C4AF N、P即可。 n

12. 3、硅酸对水泥的水化产物

13. 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

14. 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

15. 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

16. 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。

17. 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。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。

18. 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。

19. 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.F P.O P.P P.S（A、B） P.C 强度划分为：32.5； 32.5R； 42.5； 42.5R； 52.5； 52.5R； 62.5

20. 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。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。

21. 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 CEMⅡ矿渣水泥 CEMⅡ/A-S CEMⅠ波特兰水泥 熟料+石膏 95-100% 矿渣 6%-20%

22. 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%

23. 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%

24. 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%

25. 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%

26. 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%

27. 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%

28. 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：

29. 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

30. 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。

31. （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。

32. （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。

33. 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%）

34. 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

35. 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 3-32 ＞ 65 组成 （%）　＜10 ＞65 0

36. （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。

37. （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（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 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

38. 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

39. （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

40. （3）石膏形态与掺量 石膏种类 溶解度（g/L) 溶解速率 二水石膏 2.08 中 α-半水石膏 6.20 快 β-半水石膏 8.15 快 可溶硬石膏 6.30 慢 天然硬石膏 2.70 慢

41. 德国试验

42. 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， 1“假凝” 铝活性高、溶液中SO3低：形成AFt、AFm、 1 C4AH13，“急凝”，“欠 1硫型”

43. （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， 1到 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

44. （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

45. 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。

46. 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

47. 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

48. 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

49. 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 前提条件，熟料强度高，外加剂相容性好

50. 水泥性能： 砼性能： 4、C80免压蒸管桩水泥 由PⅠ52.5水泥+石膏+矿粉组成，水泥性能：