水泥混合材和混凝土掺合料

本书可供水泥和混凝土领域的生产技术人员、科研人员、工程技术人员阅读，也可供高校相关专业师生参考。

引言

第一章用于水泥和混凝土的矿渣与矿渣粉

第一节概述4

一、矿渣的来源及其制备4

二、应用历史和发展趋势8

第二节矿渣的组成、结构与性能11

一、化学成分11

二、矿渣的组成结构与水硬活性13

三、矿渣粉的品质指标20

第三节矿渣对水泥水化过程和性能的影响24

一、对水泥水化和硬化的影响24

二、掺矿渣粉水泥的水化程度25

三、对水泥流变性能的影响26

四、对水泥凝结时间的影响29

五、对水泥水化热的影响30

六、对水泥胶砂强度的影响30

七、对硬化水泥浆体化学收缩的影响31

第四节矿渣粉对混凝土性能的影响33

一、新拌混凝土33

二、硬化混凝土35

第五节矿渣粉对混凝土耐久性的影响38

一、抗冻性能38

二、抗渗性能38

三、抗硫酸盐侵蚀性能39

四、碱?骨料反应41

五、抗碳化和钢筋锈蚀42

参考文献42

第二章用于水泥和混凝土的粉煤灰

第一节概述45

一、来源和制备45

二、应用历史和发展趋势50

第二节粉煤灰的组成、结构与性能52

一、化学成分52

二、颗粒形态53

三、细度与烧失量54

四、需水量比58

五、三氧化硫含量与碱含量60

六、氧化钙含量61

七、矿物组成和活性61

第三节粉煤灰对水泥性能的影响64

一、对水泥水化的影响64

二、水化热68

三、凝结时间70

四、水泥的胶砂强度70

第四节粉煤灰用作混凝土掺合料72

一、在混凝土中的效应分析72

二、对新拌混凝土性能的影响73

三、对硬化混凝土性能的影响75

四、对混凝土耐久性的影响78

第五节粉煤灰在高性能自密实混凝土中的应用技术85

一、掺入粉煤灰的技术优势85

二、掺粉煤灰自密实混凝土配合比的设计87

三、配合比的优化91

四、施工现场室内验证92

第六节粉煤灰在大体积混凝土和碾压混凝土中的应用94

一、粉煤灰取代水泥的最大限量94

二、碾压混凝土的技术特点94

三、粉煤灰对碾压混凝土性能的影响95

参考文献100

第三章用作水泥混合材和混凝土掺合料的钢渣粉

第一节概述102

一、钢渣的来源102

二、钢渣应用历史103

三、钢渣应用前景104

第二节钢渣组成、结构与性能104

一、钢渣化学组成与胶凝性能104

二、钢渣矿物组成与胶凝性能105

第三节钢渣活性激发措施与机理106

一、机械磨细106

二、化学激发107

三、热激发108

四、矿物重构109

第四节掺加钢渣粉的水泥性能110

一、水泥强度110

二、标准稠度需水量、凝结时间113

三、体积安定性113

四、水化热116

第五节钢渣粉对混凝土性能的影响117

一、新拌混凝土117

二、硬化混凝土119

参考文献122

第四章煤矸石和偏高岭土在水泥和混凝土中的应用

第一节煤矸石在水泥和混凝土中的应用125

一、煤矸石的化学和矿物组成125

二、煤矸石的活性127

三、掺加煤矸石的水泥和混凝土的性能131

第二节偏高岭土在水泥和混凝土中的应用134

一、偏高岭土的组成和结构134

二、偏高岭土的制备技术135

三、偏高岭土用于水泥和混凝土的性能137

参考文献144

第五章用作水泥混合材和混凝土掺合料的磷渣粉

第一节概述146

一、磷渣的来源146

二、磷渣与磨细磷渣粉的应用历史147

三、应用前景150

第二节磷渣组成、结构和性能150

一、化学成分150

二、磷渣中玻璃体形态151

三、磷渣的品质指标153

第三节磷渣活性的激发措施与机理分析154

一、磷渣的水硬活性154

二、影响磷渣活性的主要因素155

三、磷渣活性的物理激发方法156

四、磷渣活性的化学激发措施157

第四节磷渣粉对水泥水化和性能的影响159

一、掺磷渣粉水泥的水化硬化过程159

二、对水泥凝结时间的影响168

三、对水泥水化热的影响170

四、对水泥强度的影响172

第五节磷渣粉对混凝土性能的影响174

一、新拌混凝土174

二、硬化混凝土176

三、磷渣粉对混凝土性能影响的综合评价179

四、磷渣应用中存在的问题180

参考文献181

第六章用于水泥和混凝土的硅粉

第一节概述183

一、硅粉的来源183

二、硅粉的种类184

三、应用历史和发展趋势185

第二节硅粉的组成、结构与性能188

一、化学成分188

二、矿物结构形态189

三、物理特性189

四、硅粉在水泥混凝土中的作用机理分析192

第三节硅粉对水泥水化和性能的影响193

一、掺硅粉水泥的水化产物及其微观结构193

二、掺硅粉水泥的水化热195

三、对水泥胶砂流动度的影响195

四、对水泥凝结时间的影响196

五、掺硅粉水泥的强度发展196

六、硅粉对水泥收缩的影响199

七、掺硅粉水泥的抗侵蚀性200

第四节硅粉对混凝土性能的影响201

一、对新拌混凝土性能的影响201

二、硅粉对硬化混凝土性能的影响202

三、硅粉对混凝土耐久性的影响205

第五节硅粉混凝土的主要用途与应用技术特点210

一、主要用途210

二、硅粉混凝土的应用技术特点211

参考文献212

第七章用于混凝土的浆状矿物掺合料

第一节浆状掺合料的制备技术和特点215

一、搅拌磨湿磨矿物掺合料的优势215

二、湿磨参数确定216

第二节浆状掺合料的性能218

一、湿磨处理对矿物掺合料物化性能的影响218

二、浆状掺合料的分散稳定性及流变性能225

三、浆状掺合料的掺合料效应230

四、用浆状掺合料配制不同等级混凝土231

五、浆状掺合料混凝土的凝结时间233

六、浆状掺合料混凝土的耐久性235

七、浆状掺合料水泥石组成、微结构与其混凝土耐久性244

第三节浆状掺合料的应用前景254

一、在商品混凝土中的应用254

二、在水泥基灌浆材料中的应用255

三、在预制混凝土构件中的应用256

四、其他应用257

五、应用前景与社会经济效益258

参考文献259

本书是《水泥生产技术丛书》的一个分册，主要介绍各类硅质工业副产品在水泥和混凝土中的应用技术，包括矿渣和矿渣粉、粉煤灰、钢渣和钢渣粉、煤矸石和高岭土、磷渣粉、硅粉等的基本性能以及用作水泥混合材与混凝土掺合料的制备过程和应用技术。

水泥是社会经济发展最主要的建筑材料之一，在今后几十年甚至上百年之内仍然是无可替代的基础材料，对人类生活文明的重 要性不言而喻。我国是水泥生产和消费大国，自1985年以来，我国水泥年产量一直居世界首位，目前占世界总产量的比重已近50%，2005年的产量已超过10亿吨。全国有水泥生产企业数千家，从业人员数百万人。在今后相当长的时期内，我国水泥的产量仍将持续增长，最终稳定在一个较高的水平上。

水泥工业的快速发展，以及水泥生产装备水平和生产技术水平的逐步提高，使越来越多的工程技术人员投入到水泥行业中。一方面，很多企业规模扩张较快，一些技术人员的专业水平跟不上生产技术的发展;另一方面，由于高等院校对于学生的培养趋于重基础、宽专业，专业授课时数减少，从事水泥生产的专业技术人员需要在生产实践中学习和掌握更多的专业知识。为此我们组织编写了这套水泥生产技术丛书，以期对水泥生产企业的技术人员有所帮助。

本套丛书共有《水泥的原料与燃料》、《水泥熟料烧成工艺与装备》、《水泥生产破碎与粉磨工艺技术及设备》、《水泥化学分析》、《水泥性能及其检验》、《水泥岩相》、《水泥工业大气污染治理》、《水泥窑用耐火材料》、《水泥混合材和混凝土掺合料》和《水泥工艺外加剂技术》10个分册，基本上涵盖了水泥生产工艺全过程、产品性能控制、生产装备及其维护保养等各方面的知识。丛书的作者均为长期从事水泥行业科研、教学和生产一线工作的高级专业技术人员，有较高的专业技术水平和丰富的实践经验，丛书中包含了作者们多年的经验积累和部分研究成果。考虑到目前我国水泥工业的生产装备仍然是窑外分解窑和机械化立窑共存的局面，虽然新型干法窑逐步占据主导地位，但是在今后一段时期仍然会有部分机立窑存在，在提高新型干法窑水泥企业技术水平的同时，提高机立窑企业技术人员的技术水平进而提高机立窑水泥质量和降低资源消耗，也有利于经济可持续发展。因此，本套丛书的内容既力求全面系统地反映水泥新型干法生产工艺技术，也兼顾机立窑存在的客观需求。丛书尽可能从实用的角度总结和反映近年来国内外水泥生产技术方面的新进展和新成果，并给出一些生产实例，相信对于水泥生产企业的技术人员及管理人员会有所帮助，对于从事水泥专业研究和教学的科技人员、教师和研究生也会有较好的参考价值。

由于作者的知识水平和掌握的资料有限，丛书所述内容难免有疏漏和不妥之处，我们真诚欢迎读者提出宝贵的意见和建议，以便再版时使其得到改进和完善。

《水泥生产技术丛书》编委会

2006年11月

前言

水泥混凝土作为当今大宗的人造建筑材料，在经济建设中起着重要的作用，但混凝土所使用的胶凝材料--水泥，其生产过程的资源消耗、能源消耗与环境污染等问题十分突出，水泥生产消耗大量的石灰石、黏土、煤等不可再生的资源，同时排放数以亿吨计的CO2、SO2和NOx等废气及粉尘，对环境造成严重污染。根据最新的统计，生产1t水泥大概排放0?88tCO2，由此推算水泥工业排放的CO2占全球CO2总排放量的7?5%。如何少用熟料，多掺入工业废弃物(矿渣、粉煤灰、钢渣、磷渣、硅粉等)用于水泥混凝土生产，是可持续发展和降低混凝土生产成本的重要技术路线。今后负责选择材料的工程师，将被期待履行更多的社会职责，不仅要考虑材料的工程性能和造价，而且要重视其生态友好性。

在全世界能源和自然资源保护日益重要的背景下，大多数国家对工业废弃物在施工过程中具有的经济、环境和技术方面的优势表现出积极的兴趣，许多工业废弃物被证明在减少水泥生产对环境冲击方面具有很多技术优势。混凝土有优良的生态形象，而且可以普遍接受的是似乎没有比混凝土业更好的产业来处理其他工业活动排放的数量庞大的废弃物。

混凝土行业消纳的工业废弃物主要是矿渣和粉煤灰，随着产业政策的调整和环境保护意识的提高，其他工业废弃物的利用也呈现上升趋势，包括磷渣、钢渣、钒钛渣等各种冶金渣。在混凝土中使用这些硅质工业副产品有诸多优势，比如:节省能源和天然资源、减少CO2排放、利废环保等。2008年，我国的水泥产量为13?99亿吨，几乎是世界水泥产量的一半，其中熟料产量为9?7亿吨，余下的混合材主要是矿渣和粉煤灰。这些混合材高达3?5亿吨，因而也相应地减少了大约3亿吨的CO2排放。我国生产的水泥约有25%是来自混合材的贡献(另5%是石膏)。

除了在水泥生产中用作混合材外，工业废弃物经过处理和筛选后，也可以作为单独的胶凝组分直接用于混凝土的生产，这些硅质工业副产品相当大的部分具有潜在活性或胶凝性，在混凝土行业甚至不被称为副产品或工业废弃物，而代之以矿物掺合料、矿物外加剂和"辅助胶凝材料"之类比较积极的术语。

基于以上事实，硅质工业副产品在水泥混凝土行业中的应用持续地成为全世界广泛关注的研究领域，其应用使现代混凝土更耐久、更绿色、更环保，成为进一步推动水泥混凝土行业发展循环经济和可持续发展的动力。本书系统地阐述和总结了各国学者在该领域的最新研究成果，展望了混凝土行业利用其他工业废弃物的巨大潜力，内容包括矿渣和矿渣粉、粉煤灰、钢渣和钢渣粉、煤矸石和高岭土、磷渣粉、硅粉等硅质工业副产品在水泥混凝土中的应用技术，其中很大一部分是笔者和同事的工作成果，具有一定的实用价值。

目前市场上还没有一部专门介绍水泥混合材和混凝土掺合料的图书。本书作为第一本关于水泥混合材和混凝土掺合料的专著，力求比较全面地介绍各类工业废弃物制备水泥混合材和混凝土掺合料的生产过程、产品性能和应用技术，以期为读者提供一些参考。

本书在撰写过程中得到了长江科学院同事们的支持和帮助，恕未能一一提及，在此一并表示真诚的感谢。笔者还要特别感谢我的家人对我的理解、支持和帮助。

由于笔者水平有限，书中内容难免存在不妥和疏漏，敬请读者指正。

王迎春

2011年3月

水泥混合材料通常分为活性混合材料和非活性混 合材料两大类。

活性的有:粒化高炉矿渣、火山灰质混合材料、粉煤灰;它们与水调和后，本身不会硬化或硬化极为缓慢，强度很低。但在氢氧化钙溶液中，就会发生显著的水化，而且在饱和氢氧化钙溶液中水化更快。

非活性混合材料有:磨细的石英砂、石灰石、粘土、慢冷矿渣及各处废渣等。它们与水泥成分不起化学作用或化学作用很小，非活性混合材料掺入硅酸盐水泥中仅起提高水泥产量和降低水泥强度、减少水化热等作用。当采用高强度等级水泥拌制强度较低的砂浆或混凝土时，可掺入非活性混合材料以代替部分水泥，起到降低成本及改善砂浆或混凝土和易性的作用。