工艺技术-无机材料工艺学课件(ppt 92页)

无机材料工艺学 课程内容 v1、水泥工艺学 v2、玻璃工艺学 v3、陶瓷工艺学 绪 言 v 主要讲解这三种普通硅酸盐材料的生产工 艺原理、流程和方法特点，为大家将来从事 科研、产品开发或生产管理提供一定的理论 基础。 材料回顾 使用效能 性能 组成与结构 合成与制备工艺 v 1、有关 “ 材料 ” 的定义： v 材料科学与工程 v 材料学 v 无机非金属材料 v 结构材料、功能材料、建筑材料、环境材 料、生态材料 v 2、材料分类 ： v 金属材料； v 无机非金属材料： 矿物岩石材料； 水泥、玻璃； 陶瓷、耐火材料； v 高分子材料； v 复合材料； v3、材料工艺 v v 定义 ：我们将任何一种材料从原料 成品的整个过程称为材料工艺过程。 v 它包括原料制备工艺、成型工艺、 溶制（窑炉工艺），制品工艺等。 v4、无机非金属材料工艺 ： 将原料选择 粉碎 配方设计 混合 高温（成型） 制品 后期处理的整个 过程称为工艺过程，研究工艺过程中的各 种物理化学变化、机械加工方法、生产各 种的控制等以确保产品质量的过程称为工 艺学。 v 书名为 普通硅酸盐工艺学 。 “普通 ”二 字说明该课所讲是我们日常所见到的，生活 中常用到的水泥、玻璃、陶瓷的工艺学。区 别于特种水泥、特种玻璃、特种陶瓷工艺学 。 v 不同无机非金属材料其各自的工 艺过程不尽相同，但有着许多的共性 和相似性，下面就硅酸盐水泥、平板 玻璃、普通陶瓷、常用耐火材料的制 备工艺过程分别加以阐述。 第一篇 水泥工艺学 第一章 引 言 一、胶凝材料的定义和分类 v 1、定义 ： v 在 物理化学 的作用下，能从 浆体 变成 坚硬的 石状体 ，并能 胶结 其它物料而具有一 定 机械强度 的物质，统称为胶凝材料。 2、分类 水泥： 起源于 胶凝材料 。 胶凝材料分类： 无机胶凝材料 有机胶凝材料 气硬性石灰、石膏 水硬性各种水泥 沥青、树脂、橡胶 拌水后只能在 空气 中硬化 拌水后既能在 空气 中硬化 又能在 水 中硬化 二、凝胶材料发展史 v 公元前 20003000 年如中国（长城 石灰） 、埃及（金子塔 煅烧石膏）、罗马（庞贝圣庙 石灰）使用石膏胶凝材料，十八世纪后期发展 水硬性石灰，十九世纪初 (18791825) ， Portland 水泥即硅胶盐水泥制成。英国（ J. Aspdin） 1824年首获 Portland cement 专利。 19071909 ，制成快硬性高铝水泥，近年又发 展了硫铝酸盐水泥、氟铝酸盐水泥等。（要学会 用材料的眼光看世界，你会有意想不到的收获） 。 胶 凝 材料发展史 阶 段 时间 胶凝材料 天然黏土时期 新石器时代 距今约 400010000 年 天然黏土 泥巴墙 不抗水 强度低 胶 凝 材料发展史 阶 段 时间 胶凝材料 天然黏土时期 新石器时代 距今约 400010000 年 天然黏土 石膏一石灰时期 公元前 20003000 年 石灰、石膏 石块、砖用石灰粘结 人们发现石灰岩在火中煅烧脱 水、在雨中胶结产生胶凝性， 因而可用来调制砌筑 砂浆。 阶 段 时间 胶凝材料 天然黏土时期 新石器时代 距今约 400010000 年 天然黏土 石膏一石灰时期 公元前 20003000 年 石灰、石膏 石灰一火山灰时期 公元初至 18世纪 石灰、火山灰 在石灰中掺加某些火山灰沉积物，不仅强度提高，而 且还具有一定的 抗水性。 胶 凝 材料发展史 阶 段 时间 胶凝材料 天然黏土时期 新石器时代 距今约 400010000 年 天然黏土 石膏一石灰时期 公元前 20003000 年 石灰、石膏 石灰一火山灰时 期 公元初至 18世纪 石灰、火山灰 天然水泥时期 18世纪下半叶 天然水泥 石灰被人们用了数千年，一直到史密顿遇上了 “倒霉事 ”为止，发现了 天然水泥 。 胶 凝 材料发展史 天然水泥的发现 1756年，英国海峡群岛上的一座灯塔，突然失火烧毁了 。这真要命，要知道这可是英吉利海峡南端最重要的灯塔， 没有了它，要影响无数船只的航行。英国政府命令工程师 史 密顿（ J.Smetetonf） 用最快的速度重建这座灯塔。 史密顿立即通知将石灰石运往灯塔所在的小岛，以便烧 成石灰后将岛上产的石头黏合起来重砌灯塔。 两星期后，石灰石运到了，史密顿兴冲冲地赶到卸料码 头。当他见到这些越山跨海送来的石灰石时，不由失声惊叫 起来： “ 真倒霉，这石头怎么是带有黑色的？它 混有太多的 土质 ，用这种 次品原料 建造高标准的灯塔，不是开玩笑吗？ ” 可是，时间已不允许他再调运优质石灰石了，史密顿只好 将就着用这些劣质原料进行烧制。 天然水泥的发现 不料，史密顿却因祸得福。用这批石灰石烧出来的石 灰，性能居然好得出奇，将石块黏结得从来没有过的结实 。当监工官员将这出人意料的结果通知史密顿时，他惊喜 得跳了起来。随即他又 冷静 下来， “ 这石灰中有名堂， 要 查一查 。 ” 史密顿马上对这些石灰进行了检验，结果发现 这些石灰的确不纯，其中竟含有多达约 20的黏土。 “ 看来，正是这些被视为杂质的黏土起了好的作用。 ” 史密顿后来就 有意识 地把黏土同石灰石适当地配合加以 煅烧，这种石灰性能果然理想。 天然水泥的发现 史密顿的做法很快传遍欧洲各国，引起了许多人的兴 趣，人们仿效此法去煅烧也都获得了成功。 1820年前后， 俄国建筑师契利耶夫在莫斯科地区从事建筑施工时，就用 这种方法烧石灰，造了好些建筑物，其中最著名的是用它 来修复克里姆林宫的墙垣。 阶 段 时间 胶凝材料 天然黏土时期 新石器时代 距今约 400010000 年 天然黏土 石膏一石灰时期 公元前 20003000 年 石灰、石膏 石灰一火山灰时期 公元初至 18世纪 石灰、火山灰 天然水泥时期 18世纪下半叶 天然水泥 硅酸盐水泥时期 19世纪初 硅酸盐水泥 水泥的发明 胶 凝 材料发展史 水泥的发明 天然水泥被发现后。 “ 能不能使它的性能更好一些呢？ ” 一位名叫 阿 斯普 丁 （ J.Aspdin） 的英国工匠企图对史密顿的发明进行改进 。他 联想 到古罗马人为增强石灰的黏结力，曾在石灰中加 入火山灰的做法，因而产生了 新的想法 ：火山灰是岩石高 温熔烧后的产物，那么，把陶器、砖瓦的屑片磨成细粉， 是不是也跟火山灰差不多呢？ 阿 斯普丁 试 了一下，效果果然不错。后来他又 由此想 到 ，煤高温燃烧后的煤渣、炼铁高炉里流出的经高温冶炼 的矿渣可能也有类似的功能， 经试验 也证实了他的想法是 对的。 水泥的发明 1824年， 阿 斯普丁在 反复试验 的基础上， 总结 出石灰 、黏土、矿渣等各种原料之间的比例以及生产这种混合料 的方法。 阿 斯普丁为他的这项发明 申请了专利 ，用这项专 利生产出来的便是今天被我们称为 “ 水泥 ” 的建筑材料。 由于 阿 斯普丁的水泥在硬结后的颜色和强度，都和当时英 国波特兰岛上所产的石材差不多，所以人们就称它为 “ 波 特兰水泥 ” 。 水泥的发明 “ 波特兰水泥 ” 最早的一次大规模应用，是建造了穿 越泰晤士河河底的隧道。尔后，它在世界各地迅速推广开 来，法国和德国分别在 1840年和 1855年建设了水泥制造厂 。现在，水泥已成为现代人类生活中不可缺少的物资了。 水泥的发明 中国最早的水泥厂是外资企业澳门的青洲英坭厂，建 于 1886年。 唐山细绵土厂 （后改组为启新洋灰公司，现为 启新水泥厂） 是中国最早的民族水泥企业，创建于 1889年 ，比澳门的青洲英坭厂晚了 3年，是中国人开办的第一个水 泥厂。 阶 段 时间 胶凝材料 天然黏土时期 新石器时代 距今约 400010000 年 天然黏土 石膏一石灰时期 公元前 20003000 年 石灰、石膏 石灰一火山灰时期 公元初至 18世纪 石灰、火山灰 天然水泥时期 18世纪下半叶 天然水泥 硅酸盐水泥时期 19世纪初 硅酸盐水泥 多品种水泥时期 20世纪至今 各种水泥 胶 凝 材料发展史 三、水泥的定义和分类 v 1、定义 ： v 加入水后成塑性浆体，能在空气和 水中硬化，并能胶结砂、石等材料的细粉 状水硬性胶凝材料称为水泥。 水泥 的定义和分类 2、分类 通用水泥 专用水泥 特性 水泥 按用途和性能分类 一般土木 建筑工程上使用水泥 。 以水泥的主要水硬性矿物名称冠以 混合材料名称或其他适当名称命名。 2008年 6月 1日实施的新标准 ，通称 六大 (通用 )水泥 。 硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、 矿渣硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐 水泥、火山灰质硅酸盐水泥、复 合 硅酸盐水泥。 P8 七大品种 (1) 水泥 的定义和分类 2、分类 通用水泥 专用 水泥 特性 水泥 按用途和性能分类 有专门用途的 水泥 。 以专门用途命名，并可冠以不同型 号。如 A级油井水泥 (可泵性好、凝结硬化快 及早期强度高的特点， 高压井效果好 )、 G级油 井水泥 (基本油井水泥， 能与多种外加剂配合， 能适应较大的井深和温度变化范围 )、 彩色水 泥、 道路硅酸盐水泥 等。 有某种特殊性能的 水泥 。 以水泥的主要水硬性矿物名称冠以水 泥的主要特性命名。如 快硬硅酸盐水泥 、低热矿渣硅酸盐水泥等。 (1) 一般土木 建筑工程上使用水泥 。 水泥 的定义和分类 2、分类 通用水泥 专用 水泥 特性 水泥 按用途和性能分类 有专门用途的 水泥 。 有某种特殊性能的 水泥 。 (1) 一般土木 建筑工程上使用水泥 。特种水泥 目前我国特种水泥已发展到 6大体系， 7个大 类，共 70多个品种。我国水泥品种开发和研 制已跨入世界先进行列。 水泥 的定义和分类 2、分类 硅酸盐 铝酸盐 硫铝酸盐 铁铝酸盐 氟铝酸盐 其他 按水泥 主要水 硬性物 质所属 体系分 类 (2) 以火山灰性或潜在水硬性材 料以及其他活性材料为主要 组分的水泥。 水泥 的定义和分类 v 国外性能各异的特种水泥 v 1.弹力水泥 英国牛津大学研制成功的这种水泥，系在 生产流程中减少水泥的含水量，并加入一种聚 合物，使其强度比普通水泥高 10倍，而且具有 柔韧性。 使用这种水泥时，可像面团一样随意 拉长、卷叠、挤压 ，或者注入预先做好的模具 内，制成各种水泥制品，而且可大大节约原材 料。用这种水泥的净浆可制备弹簧、棒、管、 盘和唱片等 水泥 的定义和分类 v 国外性能各异的特种水泥 v 2.变色水泥 国外在白色水泥中加入二氧化钴，制 成一种 能随空气含水量多少而变色的水泥 。由于它可预报天气、湿度的变化，故又 称为气象水泥。 水泥 的定义和分类 v 国外性能各异的特种水泥 v 3.木质水泥 由瑞典研制。是在水泥中加入粒径为 300微米的聚合物制成。使用中除有普通水 泥的特点外，其制品还 能像木材一样锯切 、钉割和开螺孔 ，并具有良好的隔音和防 火性能。 水泥 的定义和分类 v 国外性能各异的特种水泥 v 4.夜光水泥 国外研究出一种夜光水泥。多用于在 公路上标划车道、人行道线和各种路面标 志等，可 贮存白天的日光及来往车辆的灯 光，夜晚时闪闪发光 ，构成 “夜光公路 ”， 给城市夜色增添光彩，方便夜行车辆。 水泥 的定义和分类 v 国外性能各异的特种水泥 v 5.贮热水泥 这是一种多孔泡沫水泥，具有重量特 轻、比重小于水、强度很高等特点。在高 层建筑中使用它无需打桩，利于加快建设 进度，并可在白天贮存太阳光的热量，晚 上再慢慢地放出热量，因而是一种建造太 阳能房屋的材料。 水泥 的定义和分类 v 国外性能各异的特种水泥 v 6.自愈水泥 自愈水泥内掺一些粘性流体并山一些 多孔的纤维包裹， 一旦水泥裂缝，纤维外 包装也破裂，将混合物放出，填补裂缝 。 该水泥还包含一种防护性药剂，因为用来 回固的钢筋会由于盐分和污水的腐蚀而生 锈。用这种纤维将钢筋包起来，可防止砼 中的钢筋腐蚀。这种水泥可应用于重点工 程，因具只产生微小裂缝，可避免更大的 灾害性断裂，在应用中可提高建筑物的 安 全系数。 水泥 的定义和分类 v 国外性能各异的特种水泥 v 7.自找平水泥 这种水泥是将共聚物乳液、水泥和水 混介而成，共聚物是在存在非离子或阳离 子表而活性剂的条件下，由烯类不饱和单 体与酸加成物共聚合而成。将上述共聚物 乳液 167份、水泥 100份和水 100份混均后 即成聚合物水泥。这种水泥自行流动性好 、凝固快，涂层具有柔软性等优点。可用 喷涂方法喷涂在混凝土楼板上， 涂层能自 找平 ，形成平整的地面涂层。 四、水泥 在国民经济中的作用 四大基础工程材料： 水泥 、钢材、木材、塑料 现虽有许多新的胶凝材料出现，尚无任何 一种材料可以取代水泥作为基础工程材料的地 位。 水泥 在国民经济中的作用 水泥基材料 住宅建设 市政工程 地下工程 住宅建设 市政工程 公路建设 高层建筑 军事工程 港口建设 桥梁工程 核电建设 大坝工程 油井工程 农田水利 环境治理 水下工程 五、水泥工艺发展概况及方向 v v 1、规模扩大； v 2、窑炉改变； v 3、粉末工艺改进； v 4、能源、资源、环境 第二章 硅酸盐水泥国家标准 及其生产 v 硅酸盐水泥的通常含义：以硅酸钙为主要 成分的熟料制得的水泥的总称。 v 国外，硅酸盐水泥统称为波特兰水泥。 v 按水泥中混合材料的种类和含量，又可将 硅酸盐水泥分为这样几类： 六大品种水泥 v 1、硅酸盐水泥类，石灰石或粒化高炉矿渣、 适量石膏，掺量为： 0-5% v 2、普通硅酸盐水泥类，混合材料掺量为： 6- 15% v 3、矿渣硅酸盐水泥类，粒化高炉矿渣掺量为 ： 20-70% v 4、粉煤灰硅酸盐水泥类，粉煤灰掺量为： 20- 40% v 5、火山灰质硅酸盐水泥类，火山灰质混合材 料掺量为： 20-50% v 6、复合硅酸盐水泥类，混合材料掺量为： 15- 50% v一、定义 v 1、 硅酸盐水泥：由硅酸盐水泥熟料、 0% 5% 石灰石或粒化高炉矿渣、适量石膏磨细制成的水硬 性胶凝材料，称为硅酸盐水泥，分 P.I和 P.II,即国外 通称的波特兰水泥。 v P 为不掺混合料 （ 型） v P 为掺混合料 300m2/Kg的比表面 积；普通： 80m方孔筛余 45min, 终凝 45min, 终凝 10h 。 v7、 安定性：煮沸检验合格； v8、碱： Na2O 0.658K2O0.60% v9、 强度：满足标号规定。 硅酸盐水泥的技术指标分类解释 v 1、化学指标 ： 是保证水泥质量和性能的重要依 据 v （ 1）氧化镁含量：在水泥熟料中，常含有少 量与其他矿物结合的游离氧化镁，它是高温时形成 的方镁石，它水化为氢氧化镁的速度很慢，常在水 泥硬化以后才开始水化，在水化时产生体积膨胀， 可导致水泥石结构产生裂缝甚至破坏，因此，它是 引起水泥安定性不良的原因之一。 v 因此，国家标准（ GB175-1999） 规定，水泥 中氧化镁的含量不得超过 5%。如果水泥经压蒸安 定性试验合格，则水泥中氧化镁的含量允许放宽 到 6%。 v （ 2）三氧化硫含量：水泥中的 S03主要是 在生产时为调节凝结时间加入石膏而带来的 ，也可能是煅烧熟料时加入石膏矿化剂而带 入熟料的。适量石膏虽能改善水泥性能（如 提高水泥强度、降低收缩性、改善抗冻耐蚀 和抗渗性等），但石膏超过一定含量后，水 泥性能会变差，甚至引起硬化水泥石膨胀， 导致结构破坏。因此水泥中 S03的含量必须 加以限制。 v 现行国家标准规定，水泥中 S03的含量不 得超过 3.5%。 v （ 3）烧失量：水泥煅烧不佳或受潮后， 均会导致烧失量增加。烧失量测定是以水泥 试样在 950-1000 下灼烧 15-20min， 冷至 室温称量。如此反复灼烧直至恒重，按下式 计算烧失量： X（ mo-m1） /mo100 v 式中： X 烧失量 % v mo 灼烧前试样质量 g v m1 灼烧后试样质量 g v 普通水泥、矿渣水泥中的烧失量，回转窑 厂不得大于 5%， 立窑大不得大于 7%。 v 2、物理指标 v （ 1）细度：水泥细度是表示水泥磨细后 的程度或水泥分散度的指标。它对水泥的水 化硬化速度、水泥需水量、和易性、放热速 率及强度都有影响。水泥细度可用 筛析法 和 比表面积法 表示。现行标准规定，普通水泥 、矿渣水泥、火山灰水泥和粉煤灰水泥，在 0.08mm方孔筛上筛余量不得超过 10%；硅 酸盐水泥细度不少于 300 2/g。 v（）凝结时间 v 定义 水泥加水开始到水泥浆失去流动性，即从可塑性发展到固 体状态所需要的时间叫凝结时间。 初凝时间 从水泥加水拌和到水泥浆 开始失去可塑性 所需的时间； 终凝时间 从水泥加水拌和到水泥浆 完全失去可塑性 ，并开始具有强度所需的时间。 v 测定方法 用标准稠度的水泥净浆，在规定的温湿度下，用凝结时 间测定仪来测定。 v 国标要求 硅酸盐水泥 ： 初凝时间 45min；终凝时间 390min 。 其它通用水泥 ：初凝时间 45min；终凝时间 600min。 水泥凝结时间的测定 标准稠度 水泥浆 离底 1 2mm为初凝 园弧形 压痕 终 凝 国标 规定：凡初凝时间或终凝时间不符合规定的水 泥为不合格品。为什么？ 答： v 水泥凝结时间的规定是为了有足够的时间进行施工 操作和硬化的混凝土质量； v 初凝时间太短，来不及施工，水泥石结构疏松、性 能差，水泥无使用价值； v 终凝时间太长，强度增长缓慢，也会影响施工。 v （ 3） 安定性：安定性是指水泥在凝结硬 化过程中体积变化的均匀性 。 v 水泥与水拌制成的水泥浆体，在凝结硬 化过程中，一般都会发生体积变化。如果这 种体积变化是在凝结硬化过程中，则对建筑 的质量并没有什么影响。但是如果混凝土硬 化后，由于水泥中某些有害成分的作用，在 水泥石内部产了剧烈的、不均匀的体积变化 时，在建筑物内部产生破坏应力，导致建设 物强度降低，甚至会引起建筑物开裂，崩塌 等严重事故。 v检测方法： 沸煮法。包括试饼法和雷 氏夹法。 v国标要求：用沸煮法检验必须合格。 试饼法 雷氏夹法 合格标准： 5mm。 肉眼观察表面 有无裂纹 用直尺检查有无弯曲 合格标准： 无裂纹、无弯曲。 试饼法 用标准稠度的水泥净浆做成 试饼，在水中经恒沸 3h后，用 肉眼观察没有裂纹，用直尺检 查没有弯曲，则体积安定合格 ，反之，体积安定性不合格。 雷氏夹法 测量雷氏夹中的水泥净 浆，经沸煮 3h后的膨胀值 。该值不大于 5.0mm时，则 体积安定性合格，否则，为 体积安定性不合格。 体积安定性检测方法 沸煮法 水泥熟料中含有过多的 游离 CaO、 MgO和石膏 。 因为水泥熟料中的游离 CaO、 MgO都是过烧的。水 化速度很慢。在已硬化的水化石中继续与水反应，其 固体体积增大 1.98和 2.48倍。产生不均匀体积变化， 造成水泥石开裂、翘曲。 石膏量过多，在水泥凝结硬化后，会有 钙钒石 形 成，产生膨胀。 水泥体积安定性不良的原因 v （ 4）强度：强度是水泥技术中最基本的 指标，它直接反映了水泥的质量水平和使用 价值。国际上都采用砂浆法作为水泥强度的 标准检验方法。我国亦采用水泥胶砂来评定 水泥强度。 v 我国现行标准（ GB177-1999） 规定，以 13的 水泥和 ISO标准砂，按规定的水灰比 0.50，用标准 制作方法制成 4cm4cm16cm的标准试件。在标 准养护条件下，达到规定龄期（ 3d、 28d） 时，测 定其抗折和抗压强度，按国家标准规定的最低强度 值来评定其所属的强度等级。 v 为提高水泥的早期强度，我国现行标准将水泥 分为普通型和早强型（ R）。 早强型水泥的 3d抗压 强度较同强度等级的普通型强度提高 10-24%，可 达 28d抗压强度的 50%。道路水泥多用早强水泥。 v 需要强调的是， 我国现行国家标准规定， 凡是氧化镁、三氧化硫、初凝时间、安定性 中的任何一项指标不符合标准规定的， 均为 废品 。 v 凡细度、终凝时间、不溶物和烧失量中 的任何一项不符合标准规定的，或混合材掺 加量超过最大限量，或强度低于等级规定的 指标时称为 不合格产品 。废品水泥在工程中 严禁使用。 v五、验收规则： v1、废品： v MgO、 SO3、 初凝时间、安定性 之一不合格为废品； v2、不合格品： v 细度、终凝、不溶物、烧矢量之 一不合格或掺入物超标为不合格 品。 v第二节 硅酸盐水泥的生产 v一、生产