| 词条 | 水泥 |
| 释义 | § 基本定义 水泥构件水泥，是指一种细磨材料，加入适量水后成为塑性浆体，既能在空气中硬化，又能在水中硬化，并能把砂、石等材料牢固地粘结在一起，形成坚固的石状体的水硬性胶凝材料。水泥是无机非金属材料中使用量最大的一种建筑材料和工程材料，广泛用于建筑、水利、道路、石油、化工以及军事工程中。近年来，工业发达国家的水泥产量因需要量基本达到饱和，水泥年产量已趋于平稳或下降，而中国等发展中国家的水泥产量则增长较快,例如:1983年世界水泥产量为900Mt，中国的水泥产量则为100Mt。 § 各类水泥的定义： 水泥 水泥与钢材、木材、塑料统称为四大基础工程材料，由于水泥的用量大、用途广、性能稳定且耐久性好及其制成品结构性能优良，所以水泥是建筑工程和各种构筑物不可或缺的最大宗材料，而且在今后相当长的时期内，不可能会有别的材料可以完全代替它。 近20年来，随着国民经济的快速增长，我国水泥工业飞速发展并取得了巨大成绩。然而，我国水泥工业还存在着产业结构问题，水泥的生产制造也遇到了全球性的资源、能源、生态环境的严重挑战，所以我们必须加速产业结构调整和积极推广新型干法水泥和生产技术，采用绿色水泥生产技术，发展循环经济，实现经济社会和自然环境和谐的可持续发展。 水泥是一种粉体材料，水泥的加工制造属于重化工与粉体工程的范畴，因此研究散体物料的规律性、采用先进的粉体技术对水泥工业来说，有着非常重要的作用和意义。 1、水泥：加水拌和成塑性浆体，能胶结砂、石等材料既能在空气中硬化又能在水中硬化的粉末状水硬性胶凝材料。 2、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。 3、 普通硅酸盐水泥：由硅酸盐水泥熟料、6%~15%混合材料，适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料，称为普通硅酸盐水泥（简称普通水泥），代号：P.O。矿渣硅酸盐水泥4、矿渣硅酸盐水泥：由硅酸盐水泥熟料、粒化高炉矿渣和适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料, 称为 矿渣硅酸盐水泥，代号：P.S。 5、 火山灰质硅酸盐水泥：由硅酸盐水泥熟料、火山灰质混合材料和适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料。称为火山灰质硅酸盐水泥，代号：P.P。 6、粉煤灰硅酸盐水泥：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。 7、复合硅酸盐水泥：由硅酸盐水泥熟料、两种或两种以上规定的混合材料和适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料，称为复合硅酸盐水泥（简称复合水泥），代号P.C。 8、中热硅酸盐水泥：以适当成分的硅酸盐水泥熟料、加入适量石膏磨细制成的具有中等水化热的水硬性胶凝材料。 9、低热矿渣硅酸盐水泥：以适当成分的硅酸盐水泥熟料、加入适量石膏磨细制成的具有低水化热的水硬性胶凝材料。 10、快硬硅酸盐水泥：由硅酸盐水泥熟料加入适量石膏，磨细制成早强度高的以3天抗压强度表示标号的水泥。 11、 抗硫酸盐硅酸盐水泥：由硅酸盐水泥熟料，加入适量石膏磨细制成的抗硫酸盐腐蚀性能良好的水泥。 12、 白色硅酸盐水泥：由氧化铁含量少的硅酸盐水泥熟料加入适量石膏，磨细制成的白色水泥。水泥13、道路硅酸盐水泥：由道路硅酸盐水泥熟练，0%~10%活性混合材料和适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料，称为道路硅酸盐水泥，（简称道路水泥）。 14、砌筑水泥：由活性混合材料，加入适量硅酸盐水泥熟料和石膏，磨细制成主要用于砌筑砂浆的低标号水泥。 15、 油井水泥：由适当矿物组成的硅酸盐水泥熟料、适量石膏和混合材料等磨细制成的适用于一定井温条件下油、气井固井工程用的水泥。 16、石膏矿渣水泥：以粒化高炉矿渣为主要组分材料，加入适量石膏、硅酸盐水泥熟料或石灰磨细制成的水泥。 § 词语来源 cement一词由拉丁文caementum发展而来，是碎石及片石的意思。水泥的历史可追溯到古罗马人在建筑工程中使用的石灰和火山灰的混合物 。1796年英国人J.帕克用泥灰岩烧制一种棕色水泥，称罗马水泥或天然水泥。1824年英国人J.阿斯普丁用石灰石和粘土烧制成水泥，硬化后的颜色与英格兰岛上波特兰地方用于建筑的石头相似，被命名为波特兰水泥，并取得了专利权。20世纪初，随着人民生活水平的提高，对建筑工程的要求日益提高，在不断改进波特兰水泥的同时，研制成功一批适用于特殊建筑工程的水泥，如高铝水泥，特种水泥等，水泥品种已发展到100多种。 水泥的生产工艺，以石灰石和粘土为主要原料，经破碎、配料、磨细制成生料，喂入水泥窑中煅烧成熟料，加入适量石膏（有时还掺加混合材料或外加剂）磨细而成。 § 发展历程 大约2000年前，希腊和古罗马人在建筑工程中使用了一种石灰和火山灰的混合物，它们在水中缓慢反应生成坚硬的固体，这是最早应用的水泥。19世纪初，英、法等国将粘士化的石灰（或泥灰岩）经烧结成为水硬性材料，当其中氧化铝和氧化硅含量之和达到20％～35％时，称为天然水泥。这种水泥的烧成温度低，不控制成分。1824年英国人J.阿斯普丁用石灰石和粘土的人工混合物烧成一种水硬性的胶凝材料，它在凝结硬固后的颜色、外观和当时英国用于建筑的优质波特兰石头相似，故称之为波特兰水泥。他为此取得了专利，1825年，在英国建厂生产。但阿斯普丁所得产物。因烧成温度低而质量不够好。真正类似于现在的波特兰水泥是1850年英国人I.C.约翰孙制造的。从此开始了波特兰水泥工业。一百多年来，硅酸盐水泥的生产工艺和性能不断得到改进，同时又研制了为数众多的新品种,迄今已发展到100多种水泥。 1756年，英国工程师J.斯米顿在研究某些石灰在水中硬化的特性时发现：要获得水硬性石灰，必须采用含有粘土的石灰石来烧制；用于水下建筑的砌筑砂浆，最理想的成分是由水硬性石灰和火山灰配成。这个重要的发现为近代水泥的研制和发展奠定了理论基础。 1796年，英国人J.帕克用泥灰岩烧制出了一种水泥，外观呈棕色，很像古罗马时代的石灰和火山灰混合物，命名为罗马水泥。因为它是采用天然泥灰岩作原料，不经配料直接烧制而成的，故又名天然水泥。具有良好的水硬性和快凝特性，特别适用于与水接触的工程。 1813年，法国的土木技师毕加发现了石灰和粘土按三比一混合制成的水泥性能最好。 1824年，英国建筑工人J.阿斯普丁取得了波特兰水泥的专利权。他用石灰石和粘土为原料，按一定比例配合后，在类似于烧石灰的立窑内煅烧成熟料，再经磨细制成水泥。因水泥硬化后的颜色与英格兰岛上波特兰地方用于建筑的石头相似，被命名为波特兰水泥。它具有优良的建筑性能，在水泥史上具有划时代意义。 1907年，法国比埃利用铝矿石的铁矾土代替粘土，混合石灰岩烧制成了水泥。由于这种水泥含有大量的氧化铝，所以叫做“矾土水泥”。 1871年，日本开始建造水泥厂。 1877年，英国的克兰普顿发明了回转炉，并于1885年经兰萨姆改革成更好的回转炉。 1889年，中国河北唐山开平煤矿附近，设立了用立窑生产的唐山“细绵土”厂。1906年在该厂的基础上建立了启新洋灰公司，年产水泥4万吨。 1893年，日本远藤秀行和内海三贞二人发明了不怕海水的硅酸盐水泥。 20世纪，人们在不断改进波特兰水泥性能的同时，研制成功了一批适用于特殊建筑工程的水泥，如高铝水泥，特种水泥等。全世界的水泥品种已发展到100多种，2007年水泥年产量约20亿吨。水泥中国在1889年于唐山建立了第一座水泥厂，1906年在唐山成立启新洋灰股份有限公司（见启新水泥厂），开创了中国的水泥工业。1949年的水泥产量为660kt,到1984年已达 120Mt，水泥品种也从单一的硅酸盐水泥发展至60多个品种。 § 分类 水泥的分类方法有多种：①根据生产的原料性质分为天然水泥、有熟料水泥（用石灰石和粘土按所需成分配合，在较高温度下煅烧得到的产物称为熟料）和无熟料水泥（利用粉煤灰、高炉矿渣等工业废料或天然火山灰与石灰、水玻璃等碱性激发剂以及石膏按比例磨细,不经煅烧而制得的水泥）。②根据水泥的性能,可分为快硬水泥(早强水泥)、低热水泥、膨胀水泥、耐酸水泥、耐火水泥等。③根据用途，可分为油井水泥、大坝水泥、喷射水泥、海工水泥等。④根据水泥中主要化学成分，分为硅酸盐水泥、铝酸盐水泥(高铝水泥)、磷酸盐水泥等，后者应用较少。虽然水泥的品种繁多，但95％以上属硅酸盐水泥类，只是根据工程的要求改变其中化学组成，或在使用时加入某些调节性能的物质而已。具体的一些分类方法如下： 1、水泥按用途及性能分为： (1)通用水泥: 一般土木建筑工程通常采用的水泥。通用水泥主要是指：GB175—1999、GB1344—1999和GB12958—1999规定的六大类水泥，即硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥和复合硅酸盐水泥。 (2)专用水泥:专门用途的水泥。如：G级油井水泥，道路硅酸盐水泥。 (3)特性水泥:某种性能比较突出的水泥。如：快硬硅酸盐水泥、低热矿渣硅酸盐水泥、膨胀硫铝酸盐水泥。 2、水泥按其主要水硬性物质名称分为： (1)硅酸盐水泥，即国外通称的波特兰水泥； (2)铝酸盐水泥； (3)硫铝酸盐水泥； (4)铁铝酸盐水泥； (5)氟铝酸盐水泥； (6) 以火山灰或潜在水硬性材料及其他活性材料为主要组分的水泥。 3、水泥按其主要技术特性分为： （1） 快硬性：分为快硬和特快硬两类； （2） 水化热：分为中热和低热两类； （3） 抗硫酸盐性：分中抗硫酸盐腐蚀和高抗硫酸盐腐蚀两类； （4） 膨胀性：分为膨胀和自应力两类； （5） 耐高温性：铝酸盐水泥的耐高温性以水泥中氧化铝含量分级。 4、水泥按其命名的原则分类： 水泥的命名按不同类别分别以水泥的主要水硬性矿物、混合材料、用途和主要特性进行，并力求简明准确，名称过长时，允许有简称。 通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。 专用水泥以其专门用途命名，并可冠以不同型号。特性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，并可冠以不同型号或混合材料名称。 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是以主要组分的名称冠以活性材料的名称进行命名，也可再冠以特性名称，如石膏矿渣水泥、石灰火山灰水泥等。 § 性能指标 水泥评价水泥质量的好坏具有一定的指标，水泥主要技术指标如下： （1）比重与容重：普通水泥比重为3：1，容重通常采用1300公斤/立方米。 （2）细度：指水泥颗粒的粗细程度。颗粒越细，硬化得越快，早期强度也越高。 （3）凝结时间：水泥加水搅拌到开始凝结所需的时间称初凝时间。从加水搅拌到凝结完成所需的时间称终凝时间。硅酸盐水泥初凝时间不早于45分钟，终凝时间不迟于12小时。 （4）强度：水泥强度应符合国家标准。 （5）体积安定性：指水泥在硬化过程中体积变化的均匀性能。水泥中含杂质较多，会产生不均匀变形。 （6）水化热：水泥与水作用会产生放热反应，在水泥硬化过程中，不断放出的热量称为水化热。 中国水泥新标准与老标准相比主要有两个方面的变化：一是采用GB/T 17671—1999《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》代替现行GB177—85《水泥胶砂强度检验方法》；二是以ISO强度为基础修订了我国六大通用水泥标准。 （1） GB/T 17671—1999《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》标准制订 GB/T 17671—1999是我国等同采用国际标准ISO 679—1989制定的，于1999年2月8日发布，1999年5月1日起生效。 GB/T 17671—1999与GB177—85同属检验水泥胶砂强度的“软练法”，即采用塑胶砂，4X4X160m棱柱试体，将试体先进行抗折强度试验，折断后的两个半截试体再进行抗压强度试验。两者的核心差别在于胶砂组成不同，ISO方法采用的水灰比适中，灰砂比适中，特别是采用了级配标准砂，因而ISO方法检验得到的强度数值比GB-177方法更接近于水泥在砼中的使用效果。 （2）六大水泥标准修订的主要内容 a．水泥胶砂强度检验方法改为GB/T 17671—1999方法 六大水泥产品标准均引用GB/T 17671—1999方法作为水泥胶砂的强度检验方法，不再采用GB 177—85方法。因此GB/T 17671—1999方法上升为强制性方法，而GB 177—85方法下降为推荐性方法。 b．水泥标号改为强度等级 六大水泥老标准实行以Kgf/cm2表示的水泥标号，如32.5、42.5、42.5R、52.5、52.5R等。 六大水泥新标准实行以Mpa表示的强度等级，如32.5、32.5R、42.5、42.5R、52.5、52.5R等，使强度等级的数值与水泥28天抗压强度指标的最低值相同。 新标准还统一规划了我国水泥的强度等级，硅酸盐水泥分为三个等级6个类型，42.5、42.5R、52.5、52.5R、62.5、62.5R，其他五大水泥也分3个等级6个类型即32.5、32.5R、42.5、42.5R、52.5、52.5R c．强度龄期与各龄期强度指标设置 六大水泥新标准规定的水泥强度龄期均为3天、28天两个龄期，每个龄期均有抗折与抗压强度指标要求。 § 生产工艺 一、生产方法 硅酸盐类水泥的生产工艺在水泥生产中具有代表性，是以石灰石和粘土为主要原料，经破碎、配料、磨细制成生料，然后喂入水泥窑中煅烧成熟料，再将熟料加适量石膏（有时还掺加混合材料或外加剂）磨细而成。 水泥生产随生料制备方法不同，可分为干法(包括半干法)与湿法（包括半湿法）两种。 1、干法生产。将原料同时烘干并粉磨，或先烘干经粉磨成生料粉后喂入干法窑内煅烧成熟料的方法。但也有将生料粉加入适量水制成生料球，送入立波尔窑内煅烧成熟料的方法，称之为半干法，仍属干法生产之一种。 2、湿法生产。将原料加水粉磨成生料浆后，喂入湿法窑煅烧成熟料的方法。也有将湿法制备的生料浆脱水后，制成生料块入窑煅烧成熟料的方法，称为半湿法，仍属湿法生产之一种。 干法生产的主要优点是热耗低（如带有预热器的干法窑熟料热耗为3140～3768焦/千克），缺点是生料成分不易均匀，车间扬尘大，电耗较高。湿法生产具有操作简单，生料成分容易控制，产品质量好，料浆输送方便，车间扬尘少等优点，缺点是热耗高（熟料热耗通常为5234～6490焦/千克）。 二、生产工序 水泥的生产，一般可分生料磨制、煅烧和粉磨等三个工序。 (1) 生料磨制 分干法和湿法两种。干法一般采用闭路操作系统，即原料经磨机磨细后，进入选粉机分选，粗粉回流入磨再行粉磨的操作，并且多数采用物料在磨机内同时烘干并粉磨的工艺，所用设备有管磨、中卸磨及辊式磨等。湿法通常采用管磨、棒球磨等一次通过磨机不再回流的开路系统，但也有采用带分级机或弧形筛的闭路系统的。 (2) 煅烧 煅烧熟料的设备主要有立窑和回转窑两类，立窑适用于生产规模较小的工厂，大、中型厂宜采用回转窑。 ①立窑：窑筒体立置不转动的称为立窑。分普通立窑和机械化立窑。普通立窑是人工加料和人工卸料或机械加料，人工卸料；机械立窑是机械加料和机械卸料。机械立窑是连续操作的，它的产、质量及劳动生产率都比普通立窑高。近年来，国外大多数立窑已被回转窑所取代，但在当前中国水泥工业中，立窑仍占有重要地位。 根据建材技术政策要求，小型水泥厂应用机械化立窑，逐步取代普通立窑。水泥回转窑②回转窑： 窑筒体卧置（略带斜度），并能作回转运动的称为回转窑。分煅烧生料粉的干法窑和煅烧料浆（含水量通常为35％左右）的湿法窑。 a、干法窑：干法窑又可分为中空式窑、余热锅炉窑、悬浮预热器窑和悬浮分解炉窑。70年代前后，发展了一种可大幅度提高回转窑产量的煅烧工艺──窑外分解技术。其特点是采用了预分解窑，它以悬浮预热器窑为基础，在预热器与窑之间增设了分解炉。在分解炉中加入占总燃料用量50～60％的燃料，使燃料燃烧过程与生料的预热和碳酸盐分解过程，从窑内传热效率较低的地带移到分解炉中进行，生料在悬浮状态或沸腾状态下与热气流进行热交换，从而提高传热效率，使生料在入窑前的碳酸钙分解率达80％以上，达到减轻窑的热负荷，延长窑衬使用寿命和窑的运转周期，在保持窑的发热能力的情况下，大幅度提高产量的目的。 b、湿法窑：用于湿法生产中的水泥窑称湿法窑，湿法生产是将生料制成含水为32%~40%的料浆。由于制备成具有流动性的泥浆，所以各原料之间混合好，生料成分均匀，使烧成的熟料质量高，这是湿法生产的主要优点。 湿法窑可分为湿法长窑和带料浆蒸发机的湿法短窑，长窑使用广泛，短窑目前已很少采用。为了降低湿法长窑热耗，窑内装设有各种型式的热交换器，如链条、料浆过滤预热器、金属或陶瓷热交换器。 (3) 粉磨 水泥熟料的细磨通常采用圈流粉磨工艺（即闭路操作系统）。为了防止生产中的粉尘飞扬，水泥厂均装有收尘设备。电收尘器、袋式收尘器和旋风收尘器等是水泥厂常用的收尘设备。 近年来，由于在原料预均化、生料粉的均化输送和收尘等方面采用了新技术和新设备，尤其是窑外分解技术的出现，一种干法生产新工艺随之产生。采用这种新工艺使干法生产的熟料质量不亚于湿法生产，电耗也有所降低，已成为各国水泥工业发展的趋势。 三、生产工艺流程举例 原料和燃料进厂后，由化验室采样分析检验，同时按质量进行搭配均化，存放于原料堆棚。 粘土、煤、硫铁矿粉由烘干机烘干水分至工艺指标值，通过提升机提升到相应原料贮库中。 石灰石、萤石、石膏经过两级破碎后，由提升机送入各自贮库。化验室根 据石灰石、粘土、无烟煤、萤石、硫铁矿粉的质量情况，计算工艺配方，通过生料微机配料系统进行全黑生料的配料，由生料磨机进行粉磨，每小时采样化验一次生料的氧化钙、三氧 化二铁和细度的百分含量，及时进行调整，使各项数据符合工艺配方要求。磨出的黑生料经过斗式提升机提入生料库，化验室依据出磨生料质量情况，通过多库搭配和机械倒库方法进行生料的均化，经提升机提入两个生料均化库，生料经两个均化库进行搭配，将料提至成球盘料仓，由设在立窑面上的预加水成球控制装置进行料、水的配比，通过成球盘进行生料的成球。所成之球由立窑布料器将生料球布于窑内不同位置进行煅烧，烧出的熟料经卸料管、鳞板机送至熟料破碎机进行破碎，由化验室每小时采样一次进行熟料的化学、物理分析。根据熟料质量情况由提升机放入相应的熟料库，同时根据生产经营要求及建材市场情况，化验室将熟料、石膏、矿渣通过熟料微机配料系统进行水泥配比，由水泥磨机分别进行425号、525号普通硅酸盐水泥的粉磨，每小时采样一次进行分析检验。磨出的水泥经斗式提升机提入3个水泥库，化验室依据出磨水泥质量情况，通过多库搭配和机械倒库方法进行水泥的均化。经提升机送入2个水泥均化库，再经两个水泥均化库搭配，由微机控制包装机进行水泥的包装，包装出来的袋装水泥存放于成品仓库，再经化验采样检验合格后签发水泥出厂通知单。 § 常见品种 在实际施工中，往往会遇到一些有特殊要求的工程，如紧急抢修工程、耐热耐酸工程、新旧混凝土搭接工程等。对这些工程，前面介绍的几种水泥均难于满足要求，需要采用其他品种的水泥，如快硬硅酸盐水泥、高铝水泥、白色硅酸盐水泥等。 一、快硬硅酸盐水泥快硬水泥凡以硅酸盐水泥熟料和适量石膏磨细制成的，以3d抗压强度表示标号的水硬性胶凝材料称为快硬硅酸盐水泥（简称快硬水泥）。 其初凝时间不得早于45min，终凝时间不迟于10h。由于快硬水泥凝结硬化快，故可用来配制早强、高标号混凝土，适用于紧急抢修工程、低温施工工程和高标号混凝土预制件等。但储存和运输中要特别注意防潮，施工时不能与其他水泥混合使用。另外，这种水泥水化放热量大而迅速，不适合用于大体积混凝土工程。 二、快凝快硬硅酸盐水泥 以硅酸钙、氟铝酸钙为主的熟料，加入适量石膏、粒化高炉矿渣、无水硫酸钠，经过磨细制成的一种凝结快、小时强度增长快的水硬性胶凝材料，称为快凝快硬硅酸盐水泥（简称为双快水泥）。 双快水泥初凝不得早于10min，终凝不得迟于60min。主要用于军事工程、机场跑道、桥梁、隧道和涵洞等紧急抢修工程。同样不得与其他品种水泥混合使用，并注意放热量大而迅速的特点。 三、白色硅酸盐水泥 由白色硅酸盐水泥熟料加入适量石膏，磨细制成的水硬性胶凝材料，称为白色硅酸盐水泥（称简白水泥）。磨制水泥时，允许加入不超过水泥质量5％的石灰石或窑灰作为外加物。 白度是白水泥的一个重要指标。在中国，白水泥的白度分为四个等级。根据白度及标号，又分为优等品、一等品和合格品。 白水泥强度高，色泽洁白，可配制彩色砂浆和涂料、白色或彩色混凝土、水磨石、斩假石 等，用于建筑物的内外装修。白水泥也是生产彩色水泥的主要原料。 四、高铝水泥 高铝水泥属铝酸盐系水泥。是由铝酸钙为主，氧化铝含量约50％的熟料，磨细制成的水硬性胶凝材料（旧称矾土水泥）。 高铝水泥是一种快硬、高强、耐热及耐腐蚀的胶凝材料。主要特性有：早期强度高、耐高温和耐腐蚀。高铝水泥主要用于工期紧急的工程。如国防、道路和特殊抢修工程等，也可用于冬季施工的工程。水泥五、膨胀水泥 由硅酸盐水泥熟料与适量石膏和膨胀剂共同磨细制成的水硬性胶凝材料，称为膨胀水泥。按水泥的主要成分不同，分为硅酸盐、铝酸盐和硫铝酸盐型膨胀水泥；按水泥的膨胀值及其用途不同，又分为收缩补偿水泥和自应力水泥两大类。 膨胀水泥是在硬化过程中不但不收缩，而且有不同程度的膨胀。膨胀水泥除了具有微膨胀性能外，也具有强度发展快，早期强度高的特点。可用于制作大口径输水管和各种输油、输气管，也常用于有抗渗要求的工程、要求补偿收缩的混凝土结构、要求早强的工程结构节点浇筑等。但是，这种水泥的使用温度不宜过高，一般使用温度为60℃以下为好。 § 常见水泥综合分析 一、硅酸盐水泥水泥一类以高碱性硅酸盐为主要化合物的水硬性水泥的总称（在西方国家通称波特兰水泥）。它是将钙质（石灰石等）和铝硅酸质（粘土等）原料按一定比例混合,磨细后在水泥窑内经高温（约1720K）煅烧，得到水泥熟料，再与适量的石膏共同研磨至一定细度而制得的。 1、性能 硅酸盐水泥的相对密度为3.1～3.2。水泥与水接触会放出热量，经过一定时间便凝结（不同品种的水泥有不同的凝结时间）。为保证水泥有合适的凝结时间，常加入适量的石膏，化肥工业副产品磷石膏、氟石膏也可作代用品。石膏的加入量主要决定于水泥熟料中铝酸盐的含量,加入量以三氧化硫计不能超过3.5％。水泥应有良好的体积安定性。凝结后的水泥在空气中和水中很快硬固并具有机械强度（抗压和抗折强度）。一般以水泥：砂=1:2.5的砂浆试样在水中养护3天、7天和28天的抗压和抗折强度，均符合国家标准作为水泥的强度指标，以kg/cm2计，并以28天的抗压强度的数值称为水泥的标号。硅酸盐水泥常用标号有325、425、525和625。一些高强和超高强水泥的标号，甚至可达1000以上。水泥熟料中各矿物与水接触时发生水化反应(即水合)，同时生成氢氧化钙、水化硅酸钙凝胶、水化铝酸钙和水化铁酸钙等。当有石膏时，后两种水化物分别生成水化硫铝酸钙和水化硫铁酸钙。水泥浆体在干燥条件下会收缩，在潮湿环境下会膨胀。氢氧化钙和水化铝酸钙将受海水中硫酸盐的侵蚀作用，因此对海港等所用水泥要限制水泥中铝酸钙的含量。若水泥中碱含量过高，而制成混凝土的集料又含有活性氧化硅时，还会发生碱－集料反应，体积膨胀，水泥石和混凝土将会毁坏。熟料中过多的游离氧化钙和方镁石在水化反应时，也产生体积膨胀，造成水泥体积安定性不良，这种水泥就不合格。 2、品种 硅酸盐水泥根据其中矿物组成的变化和外加混合材料的不同而有不同的品种。熟料中只加石膏而制得的水泥称纯硅酸盐水泥，如在其中加入高炉矿渣、粉煤灰或火山灰等混合材料，则分别称为矿渣硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥和火山灰硅酸盐水泥。如果上述混合材料的加入量不超过15％，则称为普通硅酸盐水泥（简称普通水泥）。上述五种水泥的生产量最大，常称为五大品种水泥。根据工程要求，在生产过程中可以改变水泥熟料的化学成分，从而生成的各种矿物的含量有差别，如对于高温油井水泥要求硅酸二钙含量增多；大坝用水泥则要求铝酸钙和硅酸三钙的含量低；白色硅酸盐水泥要求氧化铁的含量小于 0.5％；快硬水泥应使硅酸三钙的含量高等。从节约能源和开拓资源出发，生产硅酸盐水泥时，组分中有时还加入石膏和萤石，提高氧化铁含量，降低氧化钙含量，生成以硅酸二钙、铁铝酸钙和无水硫铝酸钙为主要矿物的水泥熟料。有的水泥中并含有少量的氟铝酸钙。 3、原料 硅酸盐水泥熟料中的主要化学组成是氧化钙、氧化硅、氧化铝和氧化铁。氧化钙主要来源于石灰质原料，如石灰石、白垩、泥灰岩等；氧化铝和氧化硅则来源于含硅酸铝的物质，如粘土、高炉矿渣、粉煤灰等；氧化铁则利用硫酸生产中的硫铁矿渣。用于生产硅酸盐水泥的石灰质原料中的氧化钙含量一般在52％左右；粘土质原料中的氧化硅含量达57％左右，氧化铝的含量则小于20％。为了降低煅烧温度，并在煅烧过程中生成一部分熔融物，常加少量氧化铁原料。对原料还要控制其中碱和氧化镁的含量，即在水泥熟料中氧化镁的含量应小于5％，总碱量(Na2O+K2O)对于一般水泥应小于1.2％，对低碱水泥则应小于0.6％。 4、生产工艺 硅酸盐水泥生产工艺流程可分为生料制备、熟料煅烧、水泥制成（粉磨）和包装等过程。 水泥 ①生料制备：包括从原料破碎开始至成分调配到合乎要求的生料过程。生料制备有干法和湿法两种方法。在干法制备过程（图1）中,石灰石等大块硬质原料，按传统工艺是先经过一次破碎至大小在100mm左右的块料,或再经第二次破碎至小于25mm的块料（近年来已发展一次即破碎至小于25mm的块料工艺）。粘土等含水原料则应经烘干再与石灰石、铁矿石等按比例送入磨机内，研磨成细的生料粉，输入搅拌库，在库中用压缩空气搅拌,并调整成分至合格的生料粉。湿法制备生料过程与干法的主要区别，在于粘土是先用水淘洗成泥浆，与石灰石和铁矿石共同研磨至含水分约为35％的生料浆。干法制备生料的主要优点是在煅烧水泥熟料时的热耗比湿法低,每千克熟料的热耗只需要3.6～4.6MJ，而湿法需要 5.2～6.3MJ。但湿法制备的生料成分较易均匀。一些先进干法生产水泥厂，近年来采用原料预均化和生料成分自动控制等措施，以保证生料粉成分的均匀。 水泥 生料的研磨在不同类型的磨机中进行，主要有球磨、管磨、立式磨和烘干与研磨同时进行的中间卸料磨等。为节约研磨过程的电能、提高磨机效率，生产中常采用闭路（圈流）式粉磨，即将出磨机物料先经过一个颗粒分级设备──选粉机，选出细颗粒部分作为产品，粗颗粒部分返回磨机内继续研磨。闭路系统粉磨比开路粉磨(不经过选粉机分级)的产量约可提高15％～25％，并减少了过粉碎现象。缺点是设备投资大、操作和管理较复杂。近年来，又采用一种新型的带选粉机的立式辊轮磨(图2)，将破碎、研磨、干燥和分级在同一个装置内完成。目前,最大的立式磨每小时产量可达400t。 ②熟料煅烧 已制备好的生料在不同型式的窑内煅烧成水泥熟料。一般生料粉或生料浆在回转窑内煅烧，中国大多数小型水泥厂均采用立窑煅烧，用立窑煅烧时生料粉中混入需要的煤粉，并加适量水混合制成直径为10～30mm的生料球。立窑煅烧的水泥熟料质量略差，但煅烧温度低，耗煤量较小。为了节约能耗、提高回转窑的生产能力，自70年代开始发展了窑尾带预热器和分解炉的窑外分解技术。 水泥生料在窑内受热过程中发生一系列物理和化学变化，如游离水的蒸发、粘土脱去结晶水、碳酸钙分解成氧化钙。后者与粘土中的氧化硅和氧化铝及铁矿石间发生固相反应生成化合物，它们的存在形式主要有四种，即硅酸三钙(3CaO·SiO2，简写C3S)、硅酸二钙（2CaO·SiO2，简写C2S）,铝酸三钙(3CaO·AI2O3，简写C3A)和铁铝酸四钙(4CaO·Al2O3·Fe2O3,简写C4AF)。还有少量未化合的氧化钙和方镁石 (MgO)。有时还有硫酸盐、钛酸盐等,但数量更少。由于熟料中还含有其他氧化物,上述各化合物并不是以纯的状态存在，往往固溶有其他各种氧化物。故又将它们按照矿物相(即晶相)来命名，如硅酸三钙称阿利特，它在熟料中占50％以上；硅酸二钙称贝利水泥特,约含有25％；铝酸三钙为铝酸盐;铁铝四钙称才利特。从反光显微镜下观察到的水泥熟料结构（图3）可见到六方晶体是阿利特,圆粒晶体是贝利特。晶体间的物质系由于物料在1450℃左右温度下有约30％熔融经冷却后形成，称中间相，其中亮的部分是才利特,又称白色中间相（即无定形的非晶相）,暗色的是铝酸盐,又称黑色中间相。水泥熟料化学成分(％)有一定范围要求，氧化钙62～67，氧化硅20～24，氧化铝4～7，氧化铁3～5。 ③水泥制成和包装 从窑内出来的水泥熟料经冷却后加入适量石膏(控制水泥中SO3≤3.5％)，在磨粉机内研细，制成硅酸盐水泥。水泥研磨的细度对水泥质量影响较大，提高细度，可提高水泥的强度，但相应的电耗也增大。细度一般控制在0.08mm方孔筛上的筛余量不大于10％,或者比表面积在3000cm2/g左右。水泥研磨过程中的粉尘较大，因此在设备进出口、输送过程及包装处均应安装收尘设备，如沉降室、旋风收尘器、袋收尘器等。一些先进的工厂中均装有电除尘器。在中国还利用含K2O高的粘土或钾长石代替粘土原料，在煅烧过程中使氧化物挥发至尘埃中，收集含K2O较高的粉尘,可以作钾肥使用。水泥粉常用纸袋包装，但近年来已大量改用散装船、散装车输送，提高了装运效率，降低了成本。 5、用途：广泛用于民用和工业用的建筑工程，例如油田和气田的固井、水利工程中的大体积坝体、军事抢修工程,还可用于作耐酸、耐火材料,坑道中喷射封顶以代替坑木。水泥还可以代替木材和钢材用于多种场合，如电线杆、铁路枕轨、输油和输汽管道、贮原油和贮气罐等。 二、高铝水泥 高铝水泥又称矾土水泥，它是以低碱性铝酸盐为主要矿物的水硬性材料。生产高铝水泥的原料是石灰石和矾土,有烧结法和熔融法。中国以烧结法生产为主。其主要化学成分(％)：氧化钙32～34,氧化铝50～60,氧化硅4～8，氧化铁1～3,氧化亚铁0～1,氧化钛1～3。烧成后的矿物有：铝酸一钙(CaO·Al2O3,简写CA)、二铝酸一钙（CaO·2Al2O3，简写CA2）、七铝酸十二钙（12CaO·7Al2O3，简写 C12A7）、硅酸二钙、铝硅酸二钙(2CaO·Al2O3·SiO2简写C2AS)和少量钛酸钙（CaO·TiO2，简写CT）。中国生产的高铝水泥的主要的矿物组成(％)范围是:CA40～50，CA220～35，C2AS20～30。CA是水硬性很高的矿物,凝结速度不快,但硬化迅速,早期强度高。CA2水硬性较低，C2AS在结晶状态下不具水硬性。 高铝水泥的早期强度发展很快，24小时即达极限强度值的80％，并以3天抗压强度值作为它的标号（包括1天、3天的抗压和抗折强度），标号有425、525、625和725。 高铝水泥具有良好的抗硫酸盐性和一定的耐高温性，它在900℃和1300℃尚可分别保留原有强度的 70％和53％。它主要用于抢修工程，早期强度要求高、抗硫酸盐腐蚀和抗冻等的工程。它适于冬季施工，但不适于作为永久性结构材料。它还可以与耐火集料配合制成耐火混凝土，用作工业窑炉的内衬。高铝水泥亦可配制成不同的品种，有铝酸盐自应力水泥、铝酸盐膨胀水泥和耐火度不低于1580℃的耐热混凝土等。中国于1955年开始生产高铝水泥，并首次采用回转窑烧结法生产。 § 参考资料 1、王培铭 主编，《无机非金属材料学》，同济大学出版社，1999年版 2、http://www.sqjsj.gov.cn/ReadNews.asp?NewsID=18630 3、http://col.njtu.edu.cn/zskj/3013/2/243.htm 4、http://house.cnool.net/(S(h1pn3wqomn5chn55bfxebs45))/shownews.aspx?id=4091 |
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