水泥       (cement)

一种粉状矿物质材料，加入适量水搅拌后，成为塑性浆体，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形成水硬性无机胶凝材料。水泥是一种重要的建筑材料，用水泥制成的混凝土和砂浆，广泛应用于冶金建筑及各种土木建筑工程中。

简史      水泥的生产和使用起源于古罗马人在土木建筑工程中使用的石灰火山灰胶凝材料。这种胶凝材料与气硬性胶凝材料一一石灰相比，具有强度高、抗水性强等特点。18世纪中叶，英国人斯米顿(J．Smeaton)制成水硬性石灰。18世纪末，英国人帕克(J．PaRKEr)用泥灰岩烧制成水泥，名为罗马水泥，又名天然水泥。1824年，英国人阿斯普丁(J．Aspdin)用石灰石和粘土为原料，按一定比例混合，在立窑内煅烧成熟料，经磨细制成水泥。这种水泥硬化后酷似当时在英国被大量用作优质建筑材料的英格兰南部波特兰(Portland)所产的石灰石，故名波特兰水泥。这种水泥与当时其他水硬性胶凝材料相比，具有优良的性能，使用日益广泛。波特兰水泥的发明，在建筑史上具有划时代的意义。

中国于1889年建成第一个水泥厂，即唐山启新水泥厂。其后半个多世纪，生产发展迟缓，1949年全国年产水泥66万t。50年代以来，水泥工业迅速发展，至80年代后期水泥年生产能力超过2亿t，居世界前列。

分类      按熟料的主要矿物组成，水泥分为硅酸盐水泥、铝酸盐水泥和硫铝酸盐水泥。按用途分为一般用途水泥(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、复合硅酸盐水泥和钢渣水泥等)和特种水泥(快硬硅酸盐水泥、中热水泥、抗硫酸盐水泥、膨胀水泥、油井水泥和防辐射水泥等)。在水泥总产量中硅酸盐水泥占绝大部分，在机理和生产工艺上有代表性。另外，镁氧水泥、水玻璃耐酸水泥和硫磺水泥，是非水硬性的胶结材料，故不纳入水泥分类。

生产工艺         硅酸盐水泥的生产是以石灰石和粘土为主要原料，经破碎、配料、磨细制成生料，在水泥窑中煅烧成熟料，掺适量石膏(有时掺一定量的混合材料)，共同磨细而成。

按照生料制备方法，水泥生产分干法和湿法两种。干法生产需将原料烘干、粉磨，然后将生料粉喂入干法窑内煅烧成熟料。半干法是将生料粉加入适量水制成生料球后送入窑内煅烧成熟料。湿法生产是将原料加水粉磨成生料浆后，喂入湿法窑内煅烧成熟料。半湿法则将生料浆脱水，制成生料块，再入窑煅烧成熟料。干法生产烧成热耗低，但生料成分不易均匀，扬尘大，电耗高。湿法生产操作简便，料浆易于输送，扬尘少，生料成分易控制，产品质量高，但热耗高。无论采用哪种方法，生料在水泥烧成窑中烧成熟料都要经过干燥、预热、分解(包括碳酸盐分解)、烧成、冷却等过程。

水泥窑有立窑和回转窑(旋窑)两类。中国的小水泥厂多用立窑(普通立窑和机械化立窑)，大水泥厂多用回转窑。立窑的构造简单，占地面积小，投资少，热耗低，但熟料的均匀性差，不易控制，成本高。回转窑有干法窑和湿法窑两种。干法窑又分中空式窑、余热锅炉窑、悬浮预热器窑和悬浮分解炉窑。目前在水泥工业中新发展的一种生产工艺——窑外分解技术，可大幅度地提高回转窑的产量。窑外分解技术的特点是采用预分解炉，在炉中加入大量燃料，提前完成生料的预热和碳酸盐预分解；炉中的生料处于悬浮状态或沸腾状态，与热气流直接进行热交换，传热效率大大提高。这种方法能减轻窑的热负荷，延长窑衬使用寿命和窑的运转周期，达到大幅度提高产量的目的。湿法窑分湿法长窑和带料浆蒸发机的湿法短窑。目前，湿法长窑仍得到广泛应用。立波尔(LEpol)窑属于一种半干法或半湿法窑，由回转窑和回转式炉算子加热机组成。生料球或生料块在加热机中干燥、预热和碳酸盐部分分解后入窑煅烧。这种水泥窑的热耗低，单位容积产量高，但加热机结构和操作复杂，有时影响物料预煅烧质量，目前只有少数水泥厂采用。在水泥窑烟气中收集得到的粉尘(窑灰)，如大量回喂入窑，会造成窑内碱的循环，影响熟料质量，如从烟囱放空，又严重影响环境。目前，中国国家标准允许在普通硅酸盐水泥和掺活性混合材料的硅酸盐水泥中掺入不大于5％～8％的窑灰。

性能       硅酸盐水泥熟料的矿物组成主要是硅酸三钙(3CaO•SiO2，简写为C3S)、硅酸二钙(2CaO•SiO2，简写为C2S)、铝酸三钙(3CaO•Al2O3，简写为C3A)和铁铝酸四钙(4CaO • Al2O3 • Fe2O3，简写为C4AF)。上述熟料矿物具有遇水水化、胶化和结晶的性能。硅酸盐水泥水化后形成水化硅酸钙、氢氧化钙、水化铝酸钙和水化铁酸钙等水化产物。形成的水泥石结构由水化物结晶体、凝胶体、毛细孔、凝胶子L、未水化水泥熟料内核等组成。水泥的水化是长期的过程，随着时间的延长水化产物的成分和结构不断变化。由于现代物理化学手段和微观测试技术的进步，对水泥水化硬化、水泥石组成和结构的认识不断提高，人们可直接观察到水泥水化过程及水化产物——各种结晶体和凝胶结构的存在及其变化。对水泥水化硬化机理的研究，有力地促进了水泥科学和工艺学的发展。为保证工程质量，水泥的质量必须符合标准规定的细度、凝结时间、安定性和强度等指标。水泥的细度对水泥的水化和胶凝性质有很大影响。细者早期强度发展快，早期水化热大。通常以标准筛的筛余百分率表示水泥的细度。对不同品种的水泥，细度要求不同。水泥的凝结时间分为初凝和终凝。初凝指从水泥加水拌合至失去流动性所经历时间，不得过快。终凝指从水泥加水拌合至初具强度所经历时间，不宜过慢。凝结时间用维卡仪测定。安定性是水泥在硬化时体积是否均匀变化的性能。如水泥中存在过多的游离氧化钙、氧化镁或硫酸盐，会使水泥石产生不均匀的体积变化，造成开裂，甚至崩溃。常用试饼沸煮法或雷氏夹法检测。在工程中不允许使用安定性不合格的水泥。水泥强度是用规定的材料和方法制成标准试件，在一定龄期(如3、7、28d)所得的抗折和抗压强度。中国标准规定采用福建平潭标准砂，用1：2．5水泥胶砂，按标准指定的方法测定强度。一般用途水泥按一定龄期的强度值作为划分标号的标准。

使用      水泥是水硬性胶凝材料，水化过程需要时间，且要求一定的温度和湿度条件。随着水化过程的进行，强度提高，结构密实。所以水泥使用时，应注意养护，即保持水泥水化所需要的环境条件。在空气中，水泥易受潮变质，受潮后，凝结时间延长，强度降低，所以水泥出厂后应在短期内使用完毕，不宜长期贮存。各种水泥的选用见硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥和特种水泥。