水泥-科普123

水泥

生物科学2023-02-02 19:57:26百科

[拼音]：shuini

[外文]：cement

粉状水硬性无机胶凝材料。加水搅拌后成浆体，能在空气中和水中硬化，并能把砂、石等材料牢固地胶结在一起。水泥是重要的建筑材料，用水泥制成的砂浆或混凝土，坚固耐久，广泛应用于建筑、水利、交通、国防等工程。

简史

cement一词由拉丁文caementum发展而来，是碎石及片石的意思。水泥的历史最早可追溯到古罗马人在建筑工程中使用的石灰与火山灰的混合物，这种混合物与现代的石灰火山灰水泥很相似。用它胶结碎石制成的混凝土，硬化后不但强度较高，而且还能抵抗淡水或含盐水的侵蚀。在相当长的一段历史时期内，它作为一种重要的胶凝材料，广泛应用于建筑工程。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，因此，将它命名为罗马水泥。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。罗马水泥具有良好的水硬性和快凝特性，除用于一般的建筑工程外，特别适用于与水接触的工程。罗马水泥广泛应用于土木工程中的兴盛时期，一直延续到1850年，以后才逐渐被波特兰水泥所替代。1824年，英国建筑工人J.阿斯普丁在前人工作的基础上，通过不断试验和实践，首先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，阿斯普丁将它命名为波特兰水泥。由于波特兰水泥具有优良的建筑性能，因此，它逐渐取代了其他种类的胶凝材料，如水硬性石灰、罗马水泥等，应用日益广泛。波特兰水泥的发明，在水泥史上具有划时代意义。从此，水泥的发展进入了一个新的历史时期。

20世纪，随着人们对建筑工程的要求日益提高，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。从1824年到1984年间，全世界的水泥品种已发展到100多种，水泥年产量也达到了87900万吨。

中国水泥工业创始于1889年（清光绪十五年）。当时在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。中国水泥工业从1889年起至1949年中华人民共和国成立前夕的60年中，发展迟缓，不但生产规模小，而且生产技术落后，分布也不合理，大多集中在东北和沿海一带，全国的水泥年产量最高时才达229万吨。

中华人民共和国成立后，通过改造旧有企业与建立新厂，水泥年产量从 1949年的66万吨提高到 1984年的12302 万吨（不包括台湾省的产量）。品种也大量增加，据1982年统计，列有各种标准的水泥就有40种。1952年制订了第一个全国统一标准，确定水泥生产以多品种多标号为原则，并将波特兰水泥按其所含的主要矿物组成改称为矽酸盐水泥，后又改称为硅酸盐水泥至今。70年代以来，中国水泥工业除发展以回转窑生产的大、中型水泥厂外，用立窑生产的水泥厂也获得迅速发展，立窑生产的水泥产量逐年增加。

分类

中国标准规定，水泥按其用途及性能可分为三大类:用于一般土木建筑工程的一般用途水泥，如纯熟料硅酸盐水泥、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、混合硅酸盐水泥等；适用于某种工程的专用水泥，如油井水泥、型砂水泥等；某些性能比较突出的特种水泥，如快硬硅酸盐水泥、中热硅酸盐水泥、抗硫酸盐硅酸盐水泥、膨胀水泥等。水泥按其主要水硬性矿物名称不同，又可分为:硅酸盐水泥（产量最大，品种最多）、铝酸盐水泥、硫铝酸盐水泥以及少熟料和无熟料水泥。

性能

水泥的生产和使用，必须符合国家标准规定的细度、凝结时间、安定性和强度等品质指标。

细度

水泥的粗细程度，水泥颗粒大小影响它的胶凝性质。水泥磨得细，早期强度发挥快。细度常以标准筛的筛余百分数或比表面积表示。不同品种的水泥，细度往往也不相同。中国标准规定：硅酸盐水泥的细度为0.080毫米方孔筛筛余不得超过12％;快硬硅酸盐水泥则不得超过10％。

凝结时间

水泥的凝结时间分为初凝和终凝。初凝是指水泥从加水拌和开始，到失去流动性所经过的时间。终凝是指水泥从加水拌和开始，到能承受一定压力的硬化体所经历的时间。不同品种的水泥规定有不同的凝结时间，如中国标准规定：硅酸盐水泥、普通水泥、矿渣水泥、火山灰水泥和粉煤灰水泥的初凝时间不得早于45分钟，终凝时间不得迟于12小时。高铝水泥的初凝时间不得早于40分钟，终凝时间不得迟于10小时。水泥凝结时间过快或过慢，将直接影响到混凝土的灌筑和施工进度。

安定性

水泥浆硬化后，由于水泥中存在过量的氧化钙、氧化镁或硫酸盐而产生不均匀的体积变化，以致造成水泥石（水泥硬化体的简称）的开裂，甚至崩溃，严重影响建筑工程质量。因此，对水泥和熟料的上述组分都有限量规定。如中国标准规定：硅酸盐水泥中三氧化硫含量不得超过3.5％，熟料中氧化镁含量不得超过5％（如水泥经压蒸安定性试验合格，含量允许放宽到6％）。安定性用国家标准规定的沸煮或压蒸方法进行鉴定。

强度

不仅是评定水泥质量的重要指标，也是设计混凝土的主要依据。标准规定水泥有3、7、28天三个龄期的强度值。一般用途的水泥以28天抗压强度值作为质量分级指标。同一水泥用不同的方法检验，获得的强度值也不相同。检验水泥强度的方法有两种：硬练胶砂强度试验法(用干硬性水泥胶砂，按规定操作程序测试水泥强度的方法，简称硬练法)和软练胶砂强度试验法(用塑性水泥胶砂，按规定操作程序测试水泥强度的方法，简称软练法)，国际标准化组织(ISO)从1968年起，采用软练法作为国际标准检验方法。中国从1979年7月1日起，统一采用软练法，同时废除硬练法。水泥强度的等级用“标号”表示，通常根据强度标准检验方法测得的水泥28天抗压强度值确定，例如标号为425号的水泥，是指该水泥28天抗压强度值在42.5～52.4兆帕之间，同时3、7天抗压强度值和3、7、28天抗折强度值也必须达到标准中相应于425号水泥的规定值。某些特种水泥，如快硬水泥和高铝水泥等，则是以3天抗压强度值来确定标号。也有的以12或24小时抗压强度值来确定标号，如特快硬水泥等。

水泥的其他物理、化学性能还有比重、水化热、抗渗性、抗冻性、胀缩性、耐热性和耐蚀性等。

生产工艺

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。

生产方法分类

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）。

水泥的生产，一般可分生料磨制、煅烧和粉磨等三个工序。

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。

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。分普通立窑和机械化立窑。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。

（2）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。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。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。

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。

硅酸盐水泥熟料的形成

硅酸盐水泥熟料主要由75%左右(重量计)的硅酸盐矿物，硅酸三钙(3CaO·SiO₂，简写为C₃S)、硅酸二钙(2CaO·SiO₂，简写为C₂S)和22％左右的熔剂矿物，铝酸三钙（3CaO·Al₂O₃，简写为C₃A）和铁铝酸四钙(4CaO·Al₂O₃·Fe₂O₃，简写为C₄AF)组成。水泥生料在窑内的煅烧过程，实质上也是熟料矿物形成的过程。按生料在窑内发生各种不同的反应过程，人们将窑划分为六个带，即干燥带、预热带、碳酸盐分解带、放热反应带、烧成带和冷却带。生料在各带发生的物理化学和热化学变化见表。

硅酸盐水泥水化和硬化机理

水泥用适量水调和后，形成具有胶凝性质的浆体，经过凝结，强度逐渐增长而成为坚硬的石状体。与此同时，伴随有水泥浆体的放热、水泥石体积变化和机械强度的增长等。这些复杂的物理化学变化决定水泥的建筑性能。因此，研究水泥的水化硬化过程、水化产物的性质和水泥石的性能，对于水泥的生产和使用都有重要意义。100多年来，各国学者对水泥浆体凝结硬化并产生强度的机理进行了研究，探索工作主要围绕着硅酸盐水泥矿物的水化和硬化两个方面进行。

水化机理

硅酸盐水泥矿物与水接触后，都能与水发生化学反应生成相应的水化物，如水化硅酸钙（由硅酸三钙、硅酸二钙水化生成），水化铝酸钙（由铝酸三钙、铁铝酸四钙水化生成）。解释水泥矿物的水化反应主要有两种迥然不同的理论，即“溶解理论”(也称“液相水化论”)和“局部化学反应理论”(也称“固相水化论”)，长期以来存在争论。前者认为，水化反应是通过液相进行的，当水泥矿物与水接触后，首先是无水矿物的溶解，随之与水反应生成水化物，由于水化物的溶解度比水泥矿物的溶解度小，因而水泥矿物不断溶解，生成物不断沉淀，直至全部反应完成。后者认为，水泥水化反应可看作是一种固相反应，这种反应不经过水泥矿物溶解于水的阶段，而直接以固相与水反应生成水化物。也有的学者认为，当水泥与水反应时，液相水化和固相水化都会发生。早期水化以前者为主，后者可能在水化后期发生。近年来，关于水泥水化物成分和结构的研究，主要围绕着确定硅酸盐水泥最主要的组分硅酸三钙的水化产物进行。现已基本探明水化硅酸钙的结构近似无定形，在不同水化阶段形成的水化硅酸钙都是不相同的。

硬化机理

对于水泥硬化的解释，各国学者曾提出各种不同的理论。1882年，法国人H.-L.勒夏忒列提出的“结晶理论”认为，水泥胶凝作用的产生是由于水泥矿物进入溶液，与水反应生成的水化产物沉淀为互相联结的晶体，并交错生长，从而使水泥石产生强度。1893年，德国人W.米夏埃利斯提出的“胶体理论”认为，水化产物的凝聚作用是由于凝胶状的胶体物质沉淀而产生的，这些物质由于外部的干燥失水或内部未水化颗粒水化时的“内吸作用”，失水而硬化。苏联人A.A.拜科夫发展了上述两种理论，于1926年提出了“三阶段硬化理论”，他认为：水泥的凝结硬化经历溶解、胶化和结晶三个阶段。

50年代，苏联人Π.Α.雷宾德尔等又发展了这一理论。他们认为，水泥凝结初期，由于水化产物间的“范德华力”和“静电引力”，使整个体系在点接触中形成比较疏松的网状结构，之后当微晶体间以化学键结合时，则形成结晶网状结构，导致水泥的硬化。英国人F.M.利（一译李）认为，硅酸盐水泥的水化和硬化经历了如下的过程：当水泥与水混合时，最初几分钟内水化反应很快，以后进入反应速率很低的诱导期（也称静止期或潜状期，通常为半小时至两小时）。在诱导期中，水泥颗粒表面形成水化产物覆盖层，同时在水泥浆体中逐渐生成具有胶体颗粒大小的水化产物。诱导期后，由于覆盖层破裂，水化反应加速，水泥浆体凝结成凝聚状的胶体，并在胶体内部开始形成凝胶网格结构，此时从宏观上人们可以观察到水泥浆体进入初凝和终凝阶段。随着新生成的水化物晶体和从过饱和溶液中重新结晶的水化硅酸钙不断填充在凝胶网格骨架空间，导致水泥的硬化和强度的发展。

由于水泥与水组成的系统是非均质系统，比较复杂。在水泥浆体硬化之前，水化产物的成分和结构长时间地持续变化，特别是水泥主要组分水化硅酸钙的粒子很小，近似无定形，给研究工作带来很大困难。因此，各国学者对水泥水化和硬化机理的解释，仍然存在不少分歧。

参考书目

F.M.李著，唐明述等译：《水泥和混凝土化学》（第三版），中国建筑工业出版社，北京，1980。(F.M.Lea，The Chemistry of Cement and Concrete，3rd ed.，Edward Annold，London，1970.)
南京化工学院等编：《水泥工艺原理》，中国建筑工业出版社，北京，1980。