唐 山 学 院

水泥方向综合实验

实验题目：粉煤灰硅酸盐水泥的研制

系 别：_________________________ 环境与化学工程系

班 级：_________________________

姓 名：_________________________

指 导 教 师：_________________________ 朱晓丽 么琳

20xx年6年16 日

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一、粉煤灰硅酸盐水泥概述 粉煤灰，是从煤燃烧后的烟气中收捕下来的细灰，粉煤灰是燃煤电厂排出的主要固体废物。我国火电厂粉煤灰的主要氧化物组成为:二氧化硅、氧化铝、氧化亚铁、氧化铁、氧化钙、二氧化钛等。粉煤灰是我国当前排量较大的工业废渣之一，随着电力工业的发展，燃煤电厂的粉煤灰排放量逐年增加。大量的粉煤灰不加处理，就会产生扬尘，污染大气;若排入水系会造成河流淤塞，而其中的有毒化学物质还会对人体和生物造成危害。粉煤灰可作为混凝土的掺合料。

凡是由硅酸盐水泥熟料、粉煤灰和适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料称为粉煤灰硅酸盐水泥。代号P.F。水泥中粉煤灰的参加量按质量百分比计为20%～40%。允许参加不超过混合材总量的1/3的粒化高炉矿渣。此时混合材总参加量可达50%，但粉煤灰量仍不得少于20%或超过40%。粉煤灰水泥结构比较致密，内比表面积较小，而且对水的吸附能力小得多，同时水泥水化的需水量又小，所以粉煤灰水泥的干缩性就小，抗裂性也好。此外，与一般掺活性混合材的水泥相似，水化热低，抗腐蚀能力较强等。

二、粉煤灰硅酸盐水泥在我国的社会效益与经济效益

1、粉煤灰硅酸盐水泥在我国的社会效益

我国是个产煤大国，以煤炭为电力生产基本燃料。我国的能源工业稳步发展，发电能力年增长率为7.3%，电力工业的迅速发展，带来了粉煤灰排放量的急剧增加，燃煤热电厂每年所排放的粉煤灰总量逐年增加，19xx年粉煤灰排放量达1.25亿吨，20xx年约为1.5亿吨，到20xx年达到3亿吨，给我国的国民经济建设及生态环境造成巨大的压力。另一方面，我国又是一个人均占有资源储量有限的国家，粉煤灰的综合利用，变废为宝、变害为利，已成为我国经济建设中一项重要的技术经济政策，是解决我国电力生产环境污染，资源缺乏之间矛盾的重要手段，粉煤灰的处置受到整个社会的广泛关注。20世纪70年代，世界性能源危机，我国为了响应世界组织号召，于19xx年将其作为资源综合利用突破口，如何对粉煤灰资源进行合理有效地利用是我国经济和社会发展的一项长远的战略方针。

2、粉煤灰硅酸盐水泥在我国的经济效益

粉煤灰是具有一定活性的火山灰质混合材料，它具有潜在活性高，矿物体化学稳定性好，颗粒细，有害物质少，可以改善混凝土及砂浆物理性能等优点。综合利用粉煤灰做水泥混合材能够改善生态环境，变废为宝，节约能源，增产水泥，降低成本，具有显著的环境效益，社会效益，经济效益，是一项利国利民的工作。符合可持续发展战略。

我国为推动粉煤灰硅酸盐水泥的生产与使用，特制订了粉煤灰硅酸盐水泥标准，是我国五大水泥品种之一。

三、粉煤灰硅酸盐水泥的理论研究现状与发展趋势

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1、通过大量试验在水泥熟料中复合掺入超细粉煤灰及磨细钢渣粉,配制了用于公路路面水泥混凝土工程的复合硅酸盐水泥,重点改善道路水泥的抗折强度、耐磨性能以及收缩抗裂性能。结果表明,随着超细粉煤灰及磨细钢渣粉的掺入,所配制的水泥胶砂强度及耐磨性均满足425号道路硅酸盐水泥要求,与基准水泥相比,规定龄期的收缩变形均显著降低,圆环法抗裂试验结果也表明水泥抗裂性能得到大幅度增强。

2、发展水泥品种

目前，我国粉煤灰水泥主要有两大品种：普通粉煤灰水泥,粉煤灰矿渣两掺的复合水泥。

（1）特种粉煤灰水泥

近年来，许多科学工作者根据粉煤灰的特性，研制了一些粉煤灰掺加量较多，具有某些特性和特殊用途的水泥，人们称之为特种水泥。

（2）粉煤灰低热水泥

粉煤灰、矿渣和少量硅酸盐水泥熟料、硬石膏配制的。这种水泥的特点是熟料用量少，粉煤灰掺量多。且具有水化热较低，微膨胀等特性。

（3）粉煤灰砌筑水泥

现代水泥工业向生产高强度水泥发展，仅要求强度为50号或25号的砌筑砂浆，会浪费水泥，提高工程造价。正是为了解决这一实际问题，用于砌筑砂浆的粉煤灰砌筑水泥就应运而生。

（4）低温合成粉煤灰水泥

低温合成粉煤灰水泥中粉煤灰含量可达70％，而且干灰、湿灰都能利用。这种水泥的特性是快凝、安定性好、强度发挥快、冬季也能正常施工(5℃以上)。

四、粉煤灰硅酸盐水泥的技术现状与发展趋势

（一）（1）新型干法水泥生产技术

窑外预分解技术是新型干法水泥技术的核心，也是当代新型干法水泥煅烧技术发展的主流技术，它是在悬浮预热器窑的基础上进一步发展而成。现代窑外预分解技术按分解炉与回转窑的相对位置关系的不同，又分为在线式预分解窑系统和离线式预分解窑系统。“三传一反”过程变成了悬浮态气固间的“三传一反”过程，大大地提高了各过程的效率和速率，达到了提高回转窑生产能力的目的，降低了单位熟料的各种物资消耗，最终实现了提高经济效益的目的

（2）回转窑生产技术

水泥工业在发展过程中出现了不同的生产方法和不同类型的回转窑，按生料制备的方法可分为干法生产和湿法生产，与生产方法相适应的回转窑分为干法回转窑和湿发回转窑两类。

干法回转窑与湿法回转窑相比优缺点正好相反。干法将生料制成生料干粉，水分一般小于1％，因此它比湿法减少了蒸发水分所需的热量。中空式窑由于废气温度高，所以热耗不低。干法生产将生料制成干粉，其流动性比泥浆差。所以原料混合不好，成分不均匀。

（二） 现今生产工艺

采用"两高三分超细法"新工艺生产早强型粉煤灰硅酸盐水泥技术是现今工艺最合理，技术最成熟的粉煤灰水泥生产技术。它的特点是：

（1）成功地解决了粉煤灰早期强度低，凝结时间长的问题。

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（2）采用两点掺入三分法利用，粉煤灰利用量大掺量高达40%，效益显著。

（3）使熟料高强，快凝，从技术上来说是一个突破。

（4）解决了代塑性生料同样烧出优质熟料的重大问题

（5）采用干法排灰，粉煤灰分制堆放均化和使用高细粉磨是"两高三分超细法"的重大技术措施。 采用"两高三分超细法"新工艺生产早强粉煤灰硅酸盐水泥，每吨水泥利用灰渣40%～50%（用作混合材3035%，代替粘土料10%左右），若建一条20万吨/年生产线，年可创产值4000多万元，利税500多万元，利用粉煤灰12万吨。经济效益、社会效益和环境效益都十分可观。

未来，国际水泥工业的发展趋势是以节能、降耗、环保、改善水泥质量和提高劳动生产率为中心，实现清洁生产和高效率集约化生产，走可持续发展的道路。研究的重点主要是围绕水泥工业节能降耗、减少了有害气体(二氧化硫，一氧化碳等)排放以及低品位原燃料、工业废弃物的资源化利用等方面．具体表现在两个方面：一是国际水泥工业技术装备上新型干法水泥生产技术向着大型化、节能化以及自动化方向发展。二是水泥及水泥基材料的研究是以水泥的生态化制备、先进水泥基材料、水泥的节能和高性能化、废弃物的资源化利用以及水泥制备和应用中的环境行为评价和改进等方面为研究开发重点，两者相辅相承，推动了水泥工业的可持续发展。

五、实施该项目的具体方案、实施手段

（一） 原材料的准备

1、主要原料的分析检验

可选用天然矿物原料及工业废渣或化学试剂作原料。

① 将需要的主要原料备齐。

② 对所备齐的原料进行采样与制样，进行CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3、MgO

和烧失量等分析。 要求分析者提出分析报告单作原始凭证。

③ 对某些原料做易碎性和易磨性实验、强度、粒度、比表面积等物性检验。

2、主要原料的加工

对天然矿物原料及工业废渣需进行加工处理。一些经上述物性检验（粒度、比表面积等）不合格的原料也要进行加工处理。

① 石灰石

选取化学成分符合要求的石灰石，用实验室常用的小颚式破碎机、小球磨机进行破碎与粉磨至要求的细度。

② 砂岩和铝矾土或粉煤灰

选取化学成分符合要求的砂岩和铝矾土或粉煤灰。如果水分大时，应烘干，然后用小颚式破碎机、小球磨机破碎并粉磨至要求的细度。

③ 钢渣

选取符合要求的钢渣，然后用小颚式破碎机、小球磨机破碎并粉磨至要求的细度。

上述主要原料经加工处理后，要用桶或塑料袋等密封保存。

3、石膏与混合材料的制备

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① 石膏

首先对石膏进行化学成分分析，填写化验报告单作原始凭证。然后检查细度，如不符合要求要进行加工处理。

② 混合材

混合材有粒状高温炉渣、粉煤灰、火山灰等。在化学成分分析后，若细度不符合要求应进行加工处理。

石膏与混合材料加工处理后，要用桶或塑料袋等密封保存。

（二） 合格生料的制备

1、 配料计算

① 根据实验要求确定实验组数与生料量。

② 确定生料率值。

③ 以各原料的化验报告单作依据进行配料计算。

2、 配制生料

① 按配料称量各种原料，放在研钵中研磨。如果量大，则置入球磨罐中充分混磨，直至全部通过0.080 mm的方孔筛。

② 将混磨好的粉料加入5～7%的水，放入成型模具中，置于压力机机座上以30～35 MPa的压力压制成块，压块厚度一般不大于25 mm。

③ 将块状试样在105～110℃下缓慢烘干。

3、 生料质量的检验

① 生料碳酸钙含量的测定。

② 生料化学全分析。

③ 生料细度、表面积测定。

（三） 试烧(生料易烧性测定)

1、 试烧所需仪器、设备及器具

① 电炉

试烧用电炉有硅碳棒电炉与硅钼棒电炉，根据最高烧成温度决定使用哪一种。若试烧的温度较高则选用后一种。

② 试烧用坩埚的选择

坩埚在试烧过程中不能与熟料起化学反应，因此要根据生料成分、所确定的最高煅烧温度及范围来选用坩埚。若烧成温度为1500℃以上，则选用铂坩埚；若烧成温度为1350℃～1480℃，则选用刚玉坩埚；若烧成温度在1350℃以下，则选用高铝坩埚。也可用耐火材料做的匣钵来放置试烧的块料。

如在试烧过程中起反应时，可将反应处的局部熟料弃除。

③ 辅助设备及器具

为了给熟料冷却、炉子降温，需要吹风装置或电风扇。

此外，还需要取熟料用的长柄钳子、石棉手套、干燥器等。

2、试烧

① 将生料块放进坩埚或匣钵中，按预定的烧成温度制度进行试烧。试烧结束后，戴上石棉手套和护目镜，用坩埚钳从电炉中拖出匣钵或坩埚，稍冷后取出试样，置于空气中自然冷却。并观察熟料的色泽等。

② 将冷却至室温的熟料试块砸碎磨细（要求全部通过0.080 mm的筛），装在编号的样品袋中，置于干燥器内。

③ 取一部分样品，用甘油乙醇法测定游离氧化钙，以分析水泥熟料的煅烧 4

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程度。

3、如果游离氧化钙高，易烧性不好，就应按上述步骤反复进行试烧(生料易烧性测定)，直到满意为止。

（四）水泥熟料的煅烧（熟料的制备）

根据试烧(生料易烧性实验)的结果，对生料及烧成制度等进行调整。

1、首先根据各原料成分及生料化验分析单提供的数据，进行熟料率值的修改、熟料矿物组成的再设计与再计算。此外，为获得优质高产低能耗的熟料，还要考虑以下几个问题：

① 熟料的矿物组成与生料化学成分的关系。

② 熟料反应机理和动力学有关理论知识的联系。

③ 固相反应的活化能及活化方式及固相反应扩散系数等的联系。

④ 熟料形成时液相烧结与相平衡的关系。

⑤ 熟料易烧性和易磨性试验效果与联系。

⑥ 少量助熔剂的加入作用与效果。

⑦ 熟料煅烧的热工制度对其熟料质量的影响。

⑧ 熟料的冷却速度及其对熟料质量的影响等。

2、按调整后的参数，配制新的生料。

3、将生料块放进坩埚或匣钵中，按预定的烧成温度制度进行煅烧。煅烧结束后，戴上石棉手套和护目镜，用坩埚钳从电炉中拖出匣钵或坩埚，稍冷后取出试样，立即风扇吹风冷却（在气温较低时在空气中冷却）。并观察熟料的色泽等。

4、将冷却至室温的熟料试块砸碎磨细，装在编号的样品袋中，置于干燥器内。

（五）水泥熟料性能试验

将制备好的熟料作如下实验:

1、熟料成分全分析并提供分析报告单。

2、根据化验单上的数据进行熟料矿物组成等计算以检查配料方案是否达到预期效果。

3、取部分熟料作岩相检验。

4、熟料游离氧化钙的测定。

5、细度测定。

6、掺适量石膏和混合材于熟料中，磨细至要求的细度后，作水泥强度检验。

六、确定该项目的预期结果

如果在原材料的选择，配比以及在最后烧制，冷却，粉磨过程中没出现重大错误，烧出的粉煤灰硅酸盐水泥应具有良好的安定性，强度等级比较高，细度正常，凝结时间正常并有良好的抗硫酸盐性能。

水泥初凝不小于45min，终凝不大于600min

具有一定的强度，在32.5-52.5之间

游离氧化钙和三氧化硫含量在可控范围之内

熟料中游离氧化钙含量不能过多

水泥中三氧化硫含量不得超过3.5%

熟料中氧化镁不得超过5.0%，若水泥经压蒸安定性检验合格后，氧化镁含量可放宽到6.0%，如果混合材量大于30%，氧化镁含量在5%-6%之间可不做压蒸安定性 5

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检验。

符合细度要求，80微米方孔筛筛余量不得大于10.0%。

参考文献：

（1）《中国水泥工业的生命周期评价》 徐小宁 中国知网 20xx年4月18日

（2）《水泥工艺技术》 肖征明 李坚利 化学工艺出版社 20xx年6月1 日

（3）《面向可持续发展的水泥工业》 蒋尔忠 化学工艺出版社 20xx年11月8 日

（4）《水泥工艺学》（重排版） 沈威 武汉理工大学出版社 20xx年6月 p243-246

（5）陈连发，高新雨《吉林化工学院学报》20xx年知网

（6）《水泥品种与性能》 隋同波 文寨军 王晶 化学工业出版社 20xx年3月

6

第二篇：粉煤灰对硅酸盐水泥水化的影响

粉煤灰对硅酸盐水泥水化的影响

摘要

通过测量数据的基础上获得的研究表明，粉煤灰对硅酸盐水泥熟料水化的影响，主要是在初始阶段。考虑到粉煤灰活性成份，被添加在不同水/水泥比例的硅酸盐水泥中。测定水化热所在的环境温度控制在20℃。测量非蒸发的水含量和矿物组成。研究数据表明，参加水化反应的粉煤灰的量在初始阶段很少，而7 天后变得更多。由于水化反应是一个持续的过程，粉煤灰表面组成部分包括钙，氧，硅，铝，碳等对其稳定的结构造成破坏。此外，玻璃微珠表面变粗糙并粘结融合。

关键词：水化热；一阶和二阶导数治愈；硅酸盐水泥；粉煤灰

中图分类号：TU 525

文献标识码：A

文章编号：1671-4431(2010)17-0099-04

1绪论

随着社会各行业的发展，粉煤灰已被广泛应用在各个方面，因为它减少了混凝土材料的费用，节约能源和资源，减少了环境问题。作为水泥主要成分之一使水泥基复合材料水化过程更复杂，因为它包括很多不固定SiO2和Al2O3 ，因此具有较高的活性[1]。粉煤灰水泥水化更重要的阻碍在水/水泥比[2]。利用粉煤灰产生的效益包括：

1)粉煤灰的综合效率不能完全用单一效率的百分比所替代。

2)粉煤灰在混凝土中的主要影响包括三个方面，通常被称为形态效应，火山灰效应，微集料效应[3]。形态效应表明矿物粉末材料产生的影响源于形状。结构和表面颗粒和颗粒大小区分伽玛特性[4]。火山灰效应表明活性因素包括两方面：(1)粉煤灰有很强的火山灰效应，Ca（OH）2能够影响其活性。(2) 它可以促进水泥水化[5,6,7]。微集料效应主要表现在三个多方面：(1)粉煤灰中玻璃微珠的强度很高，超过700兆帕。(2)粉煤灰颗粒具有良好的界面性能。(3)粉煤灰具有良好的分散性，提高混凝土的硬度和均匀性，并填补细毛孔和硬化混凝土中孔隙 [8，9]。

即使可能有较高的强度和耐久性。粉煤灰有一个相对稳定的表面结构，包含Si —O —Si和Si —O —Al，粉煤灰的火山灰效应启动缓慢，直到几个星期之后粉煤灰的水化没有任何重大的进展程度。

本文提出的研究目标是在不同时期的特点粉煤灰的影响。该研究的重点是获得之间的水化及水化热的程度的关系。实验测定内容包括红外光谱，扫描电镜和非蒸发水量，水分含量是用来调查粉煤灰对硅酸盐水泥熟料的水化的影响。

2实验内容

2.1材料

这项研究使用的材料包括湖北华新水泥股份有限公司的订单42.5水泥熟料和I级粉煤灰。其化学成分和所有的胶凝材料的物理性能见表1

订单42.5是水泥熟料作为基本的胶凝材料。加入粉煤灰作为水泥在5％（FA5）和10％（FA10）水平部分取代胶凝材料的总重量，在控制水泥熟料的比较。，分别进行测试在水/水泥比（W/ b）0.25和1.0热量计和非蒸发水含量。大多数测试运行时间为140 h。此外，一部分进行192 h在观察现象。

表1 化学组成和物理性质

订单42。 5水泥熟料和粉煤灰/％

P. O. 42. 5 Cement Clinker Fly Ash

SiO2 21. 35 49. 669

Al2O3 4. 67 35. 125

Fe2O3 3. 31 4. 197

CaO 62. 60 3. 088

MgO 3. 08 0. 821

K2O 0. 54 1. 171

Na2O 0. 21 0. 372

TiO2 0. 27 1. 687

SO3 2. 25 0. 567

P2O5 0. 10 0. 447

BaO 0. 041 0. 466

ZnO 0. 064 0. 133

MnO 0. 18 0. 044

SrO 0. 13 0. 083

PbO 0. 023 0. 029

Cl 0. 031 —

NiO — 0. 031

CuO — 0. 023

Ga2O3 — 0. 012

ZrO2 — 0. 063

物理性质:

烧失量为0.95 1. 97

平均粒径/μm的0. 11 0. 12

堆积密度/（克?厘米3）3.1 2.6

2.2实验方法

蒸发水含量的测在有以下步骤。无水乙醇是分别在1小时，2小时，3小时，6小时，12小时，1天，第2天，3天，4天，5天，6天，7天，14天，28天用来终止水泥熟料水化。然后把这些样品在105℃静置24h。在环境温度下燃烧，称量燃烧前后的重量。

水化热要在恒温下测量。在这项研究中的水化热测量是在恒定的条件下进行的（20 ± 0。1）℃。量热计为热电传导型，连接计算机接口采集数据。每个测试包括800克样本，混合，然后才放入真空瓶。真空瓶温度控制在（20 ± 0。1）℃。数据采集是在同一时间启动，并记录温度和时间。

对结果进行重复性检查。重复试验结果表明，总误差在5％以上。热速率在最初几分钟有所不同，但经过40分钟的比率基本相同。

3结果和讨论

3.1粉煤灰对水化的影响

粉煤灰的混合物水化热图所示的结果在图.1和图.2。在W / B比为0. 25（图1（a）和图1（b））粉煤灰混合料始于约2小时的加速期，该延迟效应更为明显，大约4小时。更何况，在对普通水泥水化热率已经超过了5?7小时粉煤灰的混合物，关于加速期结束。这些速率在40小时后稳定。结果表明，延缓水

化粉煤灰在初始阶段主要是在休眠和加速时期。

在W / B比为1.0（图1（c）和图.1（d））的延迟效应更为明显。粉煤灰混合料开始它的加速度约为1. 5小时，结束于12小时。这些速率在60小时后稳定。与普通水泥相比，在FA5和FA10峰高（图1（c））进入衰退下降，而峰全部数量已经超过了普通水泥水化由于产品之间的反拨，包括钙（OH）2和粉煤灰。 研究表明在W / B比为1.0的粉煤灰比0.25的粉煤灰混合更均匀。此外，火山灰效应开始加速，由于其中Ca（OH）2和高W / B比值。

表1 水泥和粉煤灰混合物的水化热

(a)W/B=0.25,水化时间：138h

(b)W/B=0.25,水化时间：24h

(c)W/B=1.0,水化时间：138h

(d)W/B=1.0,水化时间：24h

表2 水泥和粉煤灰混合物的热量

（a）W/B=0.25,水化时间：138h

(b)W/B=1.0,水化时间：138h

3.2非蒸发水量

非蒸发水含量结果在W / B = 0.25时。如图. 3。在W / B比0.25（图1（a）和图.1（b））粉煤灰混合料始于约2小时的加速期，这正好是放热率。在长期的非蒸散粉煤灰混合料水含量越来越接近普通水泥的。当水化热达到最大，粉煤灰混合料的非蒸发水含量也达到最大值左右。

4结论

根据本研究获得的结果，它已经表明，除了延缓粉煤灰休眠期和加速粉煤灰水泥水化灰，特别是在W /B= 1.0，在W / B比1.0粉煤灰混合料的加速开始较早，结束最晚在0. 25。结果也是显示同样的趋势非蒸发水含量在0. 25。这些曲线稳定，在40小时后0. 25时60小时为1. 0由于水之间适当的反应，粉煤灰和水泥。

致谢

这项研究已经部分由国家财政支持基础科学研究项目（公关中国），有关“基本在环保混凝土（2009CB623201）的研究。

参考文献

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[3] Ganesh Babu K, Siva Nageswara Rao G.效率粉煤灰在混凝土中的研究[J]。水泥与混凝土复合材料，1993，4（15）：2232229。

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[9] Danshen S. 粉煤灰混凝土[M]。北京：对中国铁道出版社，1989