水泥cement
沿革 大約2000年前，希臘和古羅馬人在建筑工程中使用了一種石灰和火山灰的混合物，它們?cè)谒芯徛磻?yīng)生成堅(jiān)硬的固體，這是最早應(yīng)用的水泥。19世紀(jì)初，英、法等國(guó)將粘士化的石灰（或泥灰?guī)r）經(jīng)燒結(jié)成為水硬性材料，當(dāng)其中氧化鋁和氧化硅含量之和達(dá)到20％～35％時(shí)，稱為天然水泥。這種水泥的燒成溫度低，不控制成分。1824年英國(guó)人J.阿斯普丁用石灰石和粘土的人工混合物燒成一種水硬性的膠凝材料，它在凝結(jié)硬固后的顏色、外觀和當(dāng)時(shí)英國(guó)用于建筑的優(yōu)質(zhì)波特蘭石頭相似，故稱之為波特蘭水泥。他為此取得了專利，1825年，在英國(guó)建廠生產(chǎn)。但阿斯普丁所得產(chǎn)物。因燒成溫度低而質(zhì)量不夠好。真正類似于現(xiàn)在的波特蘭水泥是1850年英國(guó)人I.C.約翰孫制造的。從此開始了波特蘭水泥工業(yè)。一百多年來，硅酸鹽水泥的生產(chǎn)工藝和性能不斷得到改進(jìn)，同時(shí)又研制了為數(shù)眾多的新品種，迄今已發(fā)展到100多種水泥。
中國(guó)在1889年于唐山建立了第一座水泥廠，1906年在唐山成立啟新洋灰股份有限公司（見啟新水泥廠），開創(chuàng)了中國(guó)的水泥工業(yè)。1949年的水泥產(chǎn)量為660kt，到1984年已達(dá) 120Mt，水泥品種也從單一的硅酸鹽水泥發(fā)展至60多個(gè)品種。（見彩圖）
硅酸鹽水泥 一類以高堿性硅酸鹽為主要化合物的水硬性水泥的總稱（在西方國(guó)家通稱波特蘭水泥）。它是將鈣質(zhì)（石灰石等）和鋁硅酸質(zhì)（粘土等）原料按一定比例混合，磨細(xì)后在水泥窯內(nèi)經(jīng)高溫（約1720K）煅燒，得到水泥熟料，再與適量的石膏共同研磨至一定細(xì)度而制得的。
性能 硅酸鹽水泥的相對(duì)密度為3.1～3.2。水泥與水接觸會(huì)放出熱量，經(jīng)過一定時(shí)間便凝結(jié)（不同品種的水泥有不同的凝結(jié)時(shí)間）。為保證水泥有合適的凝結(jié)時(shí)間，常加入適量的石膏，化肥工業(yè)副產(chǎn)品磷石膏、氟石膏也可作代用品。石膏的加入量主要決定于水泥熟料中鋁酸鹽的含量，加入量以三氧化硫計(jì)不能超過3.5％。水泥應(yīng)有良好的體積安定性。凝結(jié)后的水泥在空氣中和水中很快硬固并具有機(jī)械強(qiáng)度（抗壓和抗折強(qiáng)度）。一般以水泥：砂=1:2.5的砂漿試樣在水中養(yǎng)護(hù)3天、7天和28天的抗壓和抗折強(qiáng)度，均符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)作為水泥的強(qiáng)度指標(biāo)，以kg/cm2計(jì)，并以28天的抗壓強(qiáng)度的數(shù)值稱為水泥的標(biāo)號(hào)。硅酸鹽水泥常用標(biāo)號(hào)有325、425、525和625。一些高強(qiáng)和超高強(qiáng)水泥的標(biāo)號(hào)，甚至可達(dá)1000以上。水泥熟料中各礦物與水接觸時(shí)發(fā)生水化反應(yīng)(即水合)，同時(shí)生成氫氧化鈣、水化硅酸鈣凝膠、水化鋁酸鈣和水化鐵酸鈣等。當(dāng)有石膏時(shí)，后兩種水化物分別生成水化硫鋁酸鈣和水化硫鐵酸鈣。水泥漿體在干燥條件下會(huì)收縮，在潮濕環(huán)境下會(huì)膨脹。氫氧化鈣和水化鋁酸鈣將受海水中硫酸鹽的侵蝕作用，因此對(duì)海港等所用水泥要限制水泥中鋁酸鈣的含量。若水泥中堿含量過高，而制成混凝土的集料又含有活性氧化硅時(shí)，還會(huì)發(fā)生堿－集料反應(yīng)，體積膨脹，水泥石和混凝土將會(huì)毀壞。熟料中過多的游離氧化鈣和方鎂石在水化反應(yīng)時(shí)，也產(chǎn)生體積膨脹，造成水泥體積安定性不良，這種水泥就不合格。
品種 硅酸鹽水泥根據(jù)其中礦物組成的變化和外加混合材料的不同而有不同的品種。熟料中只加石膏而制得的水泥稱純硅酸鹽水泥，如在其中加入高爐礦渣、粉煤灰或火山灰等混合材料，則分別稱為礦渣硅酸鹽水泥、粉煤灰硅酸鹽水泥和火山灰硅酸鹽水泥。如果上述混合材料的加入量不超過15％，則稱為普通硅酸鹽水泥（簡(jiǎn)稱普通水泥）。上述五種水泥的生產(chǎn)量最大，常稱為五大品種水泥。根據(jù)工程要求，在生產(chǎn)過程中可以改變水泥熟料的化學(xué)成分，從而生成的各種礦物的含量有差別，如對(duì)于高溫油井水泥要求硅酸二鈣含量增多；大壩用水泥則要求鋁酸鈣和硅酸三鈣的含量低；白色硅酸鹽水泥要求氧化鐵的含量小于 0.5％；快硬水泥應(yīng)使硅酸三鈣的含量高等。從節(jié)約能源和開拓資源出發(fā)，生產(chǎn)硅酸鹽水泥時(shí)，組分中有時(shí)還加入石膏和螢石，提高氧化鐵含量，降低氧化鈣含量，生成以硅酸二鈣、鐵鋁酸鈣和無水硫鋁酸鈣為主要礦物的水泥熟料。有的水泥中并含有少量的氟鋁酸鈣。
原料 硅酸鹽水泥熟料中的主要化學(xué)組成是氧化鈣、氧化硅、氧化鋁和氧化鐵。氧化鈣主要來源于石灰質(zhì)原料，如石灰石、白堊、泥灰?guī)r等；氧化鋁和氧化硅則來源于含硅酸鋁的物質(zhì)，如粘土、高爐礦渣、粉煤灰等；氧化鐵則利用硫酸生產(chǎn)中的硫鐵礦渣。用于生產(chǎn)硅酸鹽水泥的石灰質(zhì)原料中的氧化鈣含量一般在52％左右；粘土質(zhì)原料中的氧化硅含量達(dá)57％左右，氧化鋁的含量則小于20％。為了降低煅燒溫度，并在煅燒過程中生成一部分熔融物，常加少量氧化鐵原料。對(duì)原料還要控制其中堿和氧化鎂的含量，即在水泥熟料中氧化鎂的含量應(yīng)小于5％，總堿量(Na2O+K2O)對(duì)于一般水泥應(yīng)小于1.2％，對(duì)低堿水泥則應(yīng)小于0.6％。
生產(chǎn)工藝 硅酸鹽水泥生產(chǎn)工藝流程可分為生料制備、熟料煅燒、水泥制成（粉磨）和包裝等過程。
?、偕现苽洹“◤脑掀扑殚_始至成分調(diào)配到合乎要求的生料過程。生料制備有干法和濕法兩種方法。在干法制備過程（圖1）中，
生料的研磨在不同類型的磨機(jī)中進(jìn)行，主要有球磨、管磨、立式磨和烘干與研磨同時(shí)進(jìn)行的中間卸料磨等。為節(jié)約研磨過程的電能、提高磨機(jī)效率，生產(chǎn)中常采用閉路（圈流）式粉磨，即將出磨機(jī)物料先經(jīng)過一個(gè)顆粒分級(jí)設(shè)備──選粉機(jī)，選出細(xì)顆粒部分作為產(chǎn)品，粗顆粒部分返回磨機(jī)內(nèi)繼續(xù)研磨。閉路系統(tǒng)粉磨比開路粉磨(不經(jīng)過選粉機(jī)分級(jí))的產(chǎn)量約可提高15％～25％，并減少了過粉碎現(xiàn)象。缺點(diǎn)是設(shè)備投資大、操作和管理較復(fù)雜。近年來，又采用一種新型的帶選粉機(jī)的立式輥輪磨(圖2)，將破碎、研磨、干燥和分級(jí)在同一個(gè)裝置內(nèi)完成。目前，最大的立式磨每小時(shí)產(chǎn)量可達(dá)400t。
水泥生料在窯內(nèi)受熱過程中發(fā)生一系列物理和化學(xué)變化，如游離水的蒸發(fā)、粘土脫去結(jié)晶水、碳酸鈣分解成氧化鈣。后者與粘土中的氧化硅和氧化鋁及鐵礦石間發(fā)生固相反應(yīng)生成化合物，它們的存在形式主要有四種，即硅酸三鈣(3CaO·SiO2，簡(jiǎn)寫C3S)、硅酸二鈣（2CaO·SiO2，簡(jiǎn)寫C2S），鋁酸三鈣(3CaO·AI2O3，簡(jiǎn)寫C3A)和鐵鋁酸四鈣(4CaO·Al2O3·Fe2O3，簡(jiǎn)寫C4AF)。還有少量未化合的氧化鈣和方鎂石 (MgO)。有時(shí)還有硫酸鹽、鈦酸鹽等，但數(shù)量更少。由于熟料中還含有其他氧化物，上述各化合物并不是以純的狀態(tài)存在，往往固溶有其他各種氧化物。故又將它們按照礦物相(即晶相)來命名，如硅酸三鈣稱阿利特，它在熟料中占50％以上；硅酸二鈣稱貝利特，約含有25％；鋁酸三鈣為鋁酸鹽;鐵鋁四鈣稱才利特。從反光顯微鏡下觀察到的水泥熟料結(jié)構(gòu)(圖3)可見到六方晶體是阿利特，圓粒晶體是貝利特。晶體間的物質(zhì)系由于物料在1450℃左右溫度下有約30％熔融經(jīng)冷卻后形成，稱中間相，其中亮的部分是才利特，又稱白色中間相（即無定形的非晶相），暗色的是鋁酸鹽，又稱黑色中間相。水泥熟料化學(xué)成分(％)有一定范圍要求，氧化鈣62～67，氧化硅20～24，氧化鋁4～7，氧化鐵3～5。
用途 廣泛用于民用和工業(yè)用的建筑工程，例如油田和氣田的固井、水利工程中的大體積壩體、軍事?lián)屝薰こ?，還可用于作耐酸、耐火材料，坑道中噴射封頂以代替坑木。水泥還可以代替木材和鋼材用于多種場(chǎng)合，如電線桿、鐵路枕軌、輸油和輸汽管道、貯原油和貯氣罐等。
高鋁水泥 又稱礬土水泥，它是以低堿性鋁酸鹽為主要礦物的水硬性材料。生產(chǎn)高鋁水泥的原料是石灰石和礬土，有燒結(jié)法和熔融法。中國(guó)以燒結(jié)法生產(chǎn)為主。其主要化學(xué)成分(％)：氧化鈣32～34，氧化鋁50～60，氧化硅4～8，氧化鐵1～3，氧化亞鐵0～1，氧化鈦1～3。燒成后的礦物有：鋁酸一鈣(CaO·Al2O3，簡(jiǎn)寫CA)、二鋁酸一鈣（CaO·2Al2O3，簡(jiǎn)寫CA2）、七鋁酸十二鈣（12CaO·7Al2O3，簡(jiǎn)寫 C12A7）、硅酸二鈣、鋁硅酸二鈣(2CaO·Al2O3·SiO2簡(jiǎn)寫C2AS)和少量鈦酸鈣（CaO·TiO2，簡(jiǎn)寫CT）。中國(guó)生產(chǎn)的高鋁水泥的主要的礦物組成(％)范圍是:CA40～50，CA220～35，C2AS20～30。CA是水硬性很高的礦物，凝結(jié)速度不快，但硬化迅速，早期強(qiáng)度高。CA2水硬性較低，C2AS在結(jié)晶狀態(tài)下不具水硬性。
高鋁水泥的早期強(qiáng)度發(fā)展很快，24小時(shí)即達(dá)極限強(qiáng)度值的80％，并以3天抗壓強(qiáng)度值作為它的標(biāo)號(hào)（包括1天、3天的抗壓和抗折強(qiáng)度），標(biāo)號(hào)有425、525、625和725。 高鋁水泥具有良好的抗硫酸鹽性和一定的耐高溫性，它在900℃和1300℃尚可分別保留原有強(qiáng)度的 70％和53％。它主要用于搶修工程，早期強(qiáng)度要求高、抗硫酸鹽腐蝕和抗凍等的工程。它適于冬季施工，但不適于作為永久性結(jié)構(gòu)材料。它還可以與耐火集料配合制成耐火混凝土，用作工業(yè)窯爐的內(nèi)襯。高鋁水泥亦可配制成不同的品種，有鋁酸鹽自應(yīng)力水泥、鋁酸鹽膨脹水泥和耐火度不低于1580℃的耐熱混凝土等。中國(guó)于1955年開始生產(chǎn)高鋁水泥，并首次采用回轉(zhuǎn)窯燒結(jié)法生產(chǎn)。
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