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水泥
 

水泥:粉狀水硬性無機膠凝材料。加水攪拌後成漿體,能在空氣中硬化或者在水中硬化,並能把砂、石等材料牢固地膠結在一起。

早期石灰與火山灰的混合物與現代的石灰火山灰水泥 很相似,用它膠結碎石製成的混凝土,硬化後不但強度較高,而且還能抵抗淡水或含鹽水的侵蝕。長期以來,它作為一種重要的膠凝材料,廣泛應用於土木建築、水利、國防等工程。[1]

中文名: 水泥

外文名: cement一詞由拉丁文caementum發展而來

材   料 :粉狀水硬性無機膠凝材料

形   狀 :細磨成粉末狀  

水泥歷史

1756年,英國工程師J.斯米頓在研究某些石灰在水中硬化的特性時發現:要獲得水硬性石灰,必須採用含有粘土的石灰石來燒制;用於水下建築的砌築砂漿,最理想的成分是由水硬性石灰和火山灰配成。這個重要的發現為近代水泥的研製和發展奠定了理論基礎。

1796年,英國J.帕克用泥灰岩燒制出了一種水泥,外觀呈棕色,很像古羅馬時代的石灰和火山灰混合物,命名為羅馬水泥。因為它是採用天然泥灰岩作原料,不經配料直接燒制而成的,故又名天然水泥。具有良好的水硬性和快凝特性,特別適用於與水接觸的工程。

1813年,法國的土木技師畢加發現了石灰和粘土按三比一混合製成的水泥性能最好。

1824年,英國建築工人約瑟夫·阿斯譜丁(Joseph Aspdin)發明了水泥並取得了波特蘭水泥的專利權。他用石灰石和粘土為原料,按一定比例配合後,在類似於燒石灰的立窯內煅燒成熟料,再經磨細製成水泥。因水泥硬化後的顏色與英格蘭島上波特蘭地方用於建築的石頭相似,被命名為波特蘭水泥。它具有優良的建築性能,在水泥史上具有劃時代意義。[2]

1871年,日本開始建造水泥廠。

1877年,英國的克蘭普頓發明了迴轉爐,並於1885年經蘭薩姆改革成更好的迴轉爐。

1889年,中國河北唐山開平煤礦附近,設立了用立窯生產的唐山「細綿土」廠。1906年在該廠的基礎上建立了啟新洋灰公司,年產水泥4萬噸。

1893年,日本遠藤秀行和內海三貞二人發明了不怕海水的硅酸鹽水泥。

1907年,法國比埃利用鋁礦石的鐵礬土代替粘土,混合石灰岩燒製成了水泥。由於這種水泥含有大量的氧化鋁,所以叫做「礬土水泥」。

20世紀,人們在不斷改進波特蘭水泥性能的同時,研製成功了一批適用於特殊建築工程的水泥,如高鋁水泥,特種水泥等。全世界的水泥品種已發展到100多種,2007年水泥年產量約20億噸。中國在1952年制訂了第一個全國統一標準,確定水泥生產以多品種多標號為原則,並將波特蘭水泥按其所含的主要礦物組成改稱為矽酸鹽水泥,後又改稱為硅酸鹽水泥至今。[3]

主要成分

水泥的主要成分有:碳酸鈣(caco3) 二氧化矽(sio2) 三氧化二鋁(al2o3)三氧化二鐵(fe2o3)依照特定的物理和化學標準規格所調製,必須謹慎監控原料配製過程。特殊水泥有:飛灰水泥 、卜蘭特水泥、火山灰水泥 、矽灰水泥 、輸氣水泥 、高鋁水泥 、膨脹水泥 、高爐水泥、苦土水泥 、油井水泥…等。其中高爐水泥依需求不同添加如「減水劑、緩凝劑及早強劑」

水泥生料由石灰石粘土和鋼渣(鐵粉)組成。石灰石的主要成份是氧化鈣( CaO )和氧化鎂( MgO ),粘土的主要成分是二氧化硅( SiO2 )和三氧化二鋁( Al2O3 ),鋼渣的主要成份是三氧化二鐵( Fe2O3 )。

水泥熟料的成份:

主要化學成分是氧化鈣、氧化硅、氧化鋁、氧化鐵等,它的主要礦物成份是硅酸三鈣、硅酸二鈣、鋁酸三鈣和鐵鋁酸四鈣等。[4]

分類

按用途及性能分為

1、通用水泥: 一般土木建築工程通常採用的水泥。通用水泥主要是指:GB175-2007規定的六大類水泥,即硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥、礦渣硅酸鹽水泥、火山灰質硅酸鹽水泥、粉煤灰硅酸鹽水泥和複合硅酸鹽。

2、專用水泥:專門用途的水泥。如:G級油井水泥,道路硅酸鹽水泥。

3、特性水泥:某種性能比較突出的水泥。如快硬硅酸鹽水泥、低熱礦渣硅酸鹽水泥、膨脹硫鋁酸鹽水泥、磷鋁酸鹽水泥和磷酸鹽水泥。

按其主要水硬性物質名稱分

1、硅酸鹽水泥,即國外通稱的波特蘭水泥;水泥原態

2、鋁酸鹽水泥;

3、硫鋁酸鹽水泥;

4、鐵鋁酸鹽水泥;

5、氟鋁酸鹽水泥;

6、磷酸鹽水泥

7、 以火山灰或潛在水硬性材料及其他活性材料為主要組分的水泥。

按主要技術特性分

1、快硬性(水硬性):分為快硬和特快硬兩類;

2、水化熱:分為中熱和低熱兩類;

3、抗硫酸性性:分中抗硫酸鹽腐蝕和高抗硫酸鹽腐蝕兩類;

4、 膨脹性:分為膨脹和自應力兩類;

5、 耐高溫性:鋁酸鹽水泥的耐高溫性以水泥中氧化鋁含量分級。[5]

特點和用途

1、硅酸鹽水泥,代號P.I,代號P.II

特點:凝結硬化快、抗凍性好、早期強度高、水化熱大。

缺點:耐海水浸蝕和耐化學腐蝕性差。

適用於:重要結構的高強度混凝土和預應力混凝土;冬季施工及嚴寒地區遭受反覆冰凍工程;

不適用於:經常受壓力水作用的工程;受海水、礦物水作用的工程;大體積混凝土;

2、普通水泥,代號P.O

特點:早期強度高、水化熱大、抗凍性好。

缺點:耐熱性差、耐腐蝕與抗滲性較差。

適用於:一般土建工程及受冰凍作用的工程;早期強度要求高的工程;

不適用於:大體積混凝土工程;受化學及海水浸蝕的工程;受水壓作用的工程;

3、礦渣硅酸鹽水泥,代號P.S

特點:抗浸蝕、耐水性好、耐熱性好、水化熱低、蒸汽養護強度發展較快、後期強度較大。

缺點:早期強度低、凝結慢、抗凍性較差、干縮性大,有泌水現象。

適用於:地下、水下(含海水)工程及受高壓水作用的工程;大體積混凝土;蒸汽養護工程;有抗浸蝕、耐高溫要求的工程;

不適用於:早期強度要求高的工程;嚴寒地區處在水位升降範圍內的工程;

4、火山灰質水泥,代號P.代號P

特點:抗侵蝕能力強、抗滲性好、水化熱低、後期強度較大。

缺點:耐熱性較差、抗凍性差、吸水性強、干縮性較大。

適用於:地上、地下及水中的大體積混凝土工程;蒸汽養護的混凝土構件;有抗浸蝕要求的一般工程;

不適用於:期強度要求高的工程;受凍工程;乾燥環境中的工程;有耐磨性要求的工程;

5、粉煤灰水泥,代號P.F

特點:抗滲性較好、干縮性小、水化熱低、抗侵蝕能力較好。

缺點:抗碳化能力差

適用於:地上、地下及水中的大體積混凝土工程;蒸汽養護的混凝土構件;有抗浸蝕要求的一般工程;

不適用於:有碳化要求的工程;

6、複合硅酸鹽水泥,代號P.C

特點:後期強度增長較快、水化熱較低、耐蝕性較好。

缺點:凝結硬化慢、早期強度低、抗凍性差。

適用於:在高濕環境中或長期處於水中的混凝土工程;厚大體積的混凝土工程;受浸蝕介質作用的混凝土工程;

不適用於:求快硬早強的混凝土工程;嚴寒地區處在水位升降範圍內的混凝土工程。[6]

生產工藝

水泥是由石灰質(如石灰石、由聖、泥灰質石灰石等)和粘土質(如粘土、泥灰質粘土等)原料,按適當比例配成生料,在高溫下(1300-1450℃)燃燒至部分熔融,所得以硅酸鈣為主要成分的熟料,加入適量的石膏,磨成細粉面製成的水硬性膠結材料。在熟料磨細時,允許均勻摻入不超過水泥成品重量15%的活性混合材料(如火山灰、粒狀高爐礦渣等)或摻入不超過水泥成品重量10%的填充性混合材料(如石英砂、石灰岩等)。[7]

一般來講,水泥行業生產的是硅酸鹽水泥,硅酸鹽水泥是 一種細緻的、通常為灰色的粉末,它由鈣 ( 來自石灰石 )、 硅酸鹽鋁酸鹽 ( 黏土 ) 以及鐵酸鹽組成。在一個硅酸鹽 水泥工廠中,水泥生產有以下幾個主要階段:

1、生料的準備

石灰石是水泥生產的主要原材料,大多數工廠都位於石灰石採石場附近,以儘量降低運輸成本。 通過爆破或者使用截裝機來進行原料 ( 石灰石、頁岩、 硅土和黃鐵礦 ) 的提取。 原料被送至破碎機,在那裡經過破碎或錘擊變成碎塊。壓碎的石灰石和其它原料通常覆蓋儲存,以防受外界環 境的影響,同時也可最大程度地減小灰塵。 在大多數情況下,採石場和水泥廠會需要分離的或單獨 的電源設備。

2、生料磨

在生料磨車間,原料被磨得更細,以保證高質量的混合。在此階段使用了立磨和球磨,前者利用滾筒外泄的壓力 將通過的材料碾碎,後者則依靠鋼球對材料進行研磨。生料最終被運輸到均化堆場進行儲藏和進一步的材料混合。

3、熟料生產

熟料球形結塊的直徑必須在 0.32-5.0cm 範圍之內,它們 是在原料之間的化學反應中產生的。 高溫處理系統包括三個步驟:烘乾或預熱、煅燒 ( 一次 熱處理,在其過程中生成氧化鈣 ) 以及焙燒 ( 燒結 )。

4、儲存及熟料磨

熟料從熟料料倉中取出並送到給料倉,在進入熟料磨之 前與石膏和添加劑進行配比混合。在熟料粉磨過程中,熟料與其它原料被一同磨成細粉, 多達 5% 的石膏或附加的硬石膏被添加進來,以控制水 泥的凝固時間,同時加入的還有其它化合物,例如用來 調節流動性或者含氣量的化合物。很多工廠使用滾式破 碎機來獲取可減小到預定尺寸的熟料和石膏,這些材料 隨後被送入球磨 ( 旋轉式、垂直鋼筒,內含鋼合金滾珠 ) 進行餘下的粉磨加工。

粉磨過程在封閉系統中進行,該系統配備了一個空氣分離機,用來按大小將水泥顆粒分開,沒有完全磨細的材 料被重新送過該系統。 這道高能耗的工序需要自動化和最優化的控制,以保證目前的質量要求。

5、儲藏和發運

成品水泥被儲藏在巨大的混凝土料倉內。 可以將水泥散裝到卡車或者車皮中發運給客戶,也可以 裝袋,用標準貨車發送。現代化的發運系統提供了全部的物流支持,並且使發運 過程對操作者透明。[8]

水泥標號

水泥的標號是水泥「強度」的指標。水泥的強度是表示單位面積受力的大小,是指水泥加水拌和後,經凝結、硬化後的堅實程度(水泥的強度與組成水泥的礦物成分、顆粒細度、硬化時的溫度、濕度、以及水泥中加水的比例等因素有關)。水泥的強度是確定水泥標號的指標,也是選用水泥的主要依據。[9]

1、硅酸鹽水泥的強度等級分為42.5、42.5R、52.5、52.5R、62.5、62.5R六個等級。

2、普通硅酸鹽水泥的強度等級分為42.5、42.5R、52.5、52.5R四個等級。

3、礦渣硅酸鹽水泥、火山灰質硅酸鹽水泥、粉煤灰硅酸鹽水泥、複合硅酸鹽水泥的強度等級分為32.5、32.5R、42.5、42.5R、52.5、52.5R六個等級。


相關視頻

1、水泥生產的全過程,漲知識了!

2、生活小妙招:水泥的妙用

參考來源

  1. 水泥的分類及用途,鑽牌之家網,2018-08-24
  2. 羅馬人是怎麼發現水泥的?,美篇網,2017.04.08
  3. 水泥的發展歷史,建設工程教育網,2015-01-22
  4. 水泥的主要成分-水泥是用什麼材料做成的?,水泥網,2019/11/25
  5. 水泥的分類及用途,鑽牌之家網,2018-08-24
  6. 不同品種的水泥特點與用途,水泥網,2019/10/30
  7. 水泥的主要成分-水泥是用什麼材料做成的?,水泥網,2019/11/25
  8. 水泥生產工藝流程,水泥網,2007/09/19
  9. 水泥標號是什麼?水泥標號越高越好嗎?,保障網網,2016-07-14