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水泥的相关知识
水泥的相关知识1．水泥的分类凡细磨材料，加入适当水后，成为塑性浆体，既能在空气中硬化，又能在水中硬化，能把砂、石材料牢固地胶结在一起的水硬性胶凝材料，统称水泥。

水泥是极其重要的建筑材料和工程材料，它和钢材、木材一起是基本建设的三大材料。

广泛应用于工业、农业、国防、城市建设、水利以及海洋开发等工程建设领域，常用来拌制混凝土、砂浆及水泥制品。

水泥的种类繁多。

按其主要水硬性物质分为硅酸盐系水泥、铝酸盐系水泥、硫铝酸盐系水泥、氟铝酸盐系水泥和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；按期途和性能又可分为：通用水泥、专用水泥、特性水泥等3类。

通用水泥指产量较大、适用领域较广、用于一般土木建筑工程的水泥，其中包括硅酸盐水泥、普通水泥、矿渣水泥、火山灰水泥、粉煤灰水泥以及复合水泥，即所谓六大水泥；专用水泥是指具有专门用途的水泥，如油井水泥、大坝水泥、砌筑水泥等；而特性水泥是具有某种突出性能的水泥，如快硬水泥、抗硫酸盐水泥、膨胀水泥等。

2．水泥发展简史远在古代，人们就开始使用黏土(有时还掺入稻草、壳皮等植物纤维)来抹砌简易建筑物。

但未经煅烧的黏土不耐水且强度很低，所以这种建筑物很不
耐久。

在公元初，罗马人就开始用掺火山灰(硅铝化合物)而具有水硬性的石灰砂浆来兴修建筑物。

古罗马的“庞贝”城、罗马圣庙，法国南部里姆斯附近的加德桥以及我国很早就使用的“三合土”建筑物等用的都是石灰火山材料。

1796年出现了罗马水泥。

在此基础上，又进而用含适量(w=)已经将石灰石或白垩和黏土的细粉按一定比例配合，在类似石灰窑的炉内，经高温烧结成块(熟料)，再经粉磨制成水硬性胶凝材料，称为波特兰水泥(我国称为硅酸盐水泥)。

其首批大规模使用的例子是1825-1843年兴建的泰晤土河隧道。

这就是水硬性胶凝材料的初创时期。

硅酸盐水泥出现后近百年来，各国科学家应用物理、化学和物理化学的方法研究了熟料矿物组成和水泥硬化机理，提出用熟料率值控制水泥生产的方法，同时在水泥生产方法和设备方面也进行了不断改进和革新。

1826年建立了第一台间隙立窑。

1885年和1886年相继出现了第一台回转窑和多仓磨机，以后又创造出更多的新型煅烧、粉磨设备，使硅酸盐水泥的生产技术和产品质量不断提高。

还发明了以低碱性铝酸盐为主要成分的高铝水泥。

这一时期是各种不同用途水泥的发展时期。

今天，随着工业、农业、交通、国防的现代化和科学技术的发展，又出现了铝酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、氟铝酸盐水泥等新品种以满足日益增长的各种工程建设的要求。

常见的水泥品种：(1)硅酸盐水泥硅酸盐水泥又称纯熟料水泥，国外称波特兰水泥。

它是由硅酸盐水泥熟料、适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料。

生产硅酸盐系水泥的原料主要是石灰质原料和黏土质原料。

石灰质原料(石灰、白垩等)主要提供CaO，黏土质原料(黏土、黏土质页岩、黄土等)主要提供SiO2、A12O3及Fe2O3。

有时还要加入少量校正原料(硅藻土、黄铁矿渣等)来调整这2种原料化学成分的不足。

在水泥生产过程中，为调节水泥的凝结时间还要加入二水石膏、半水石膏、硬石膏以及它们的混合物或工业副产石膏等缓凝剂。

为改善水泥性能、调节水泥标号，生产中往往还要加入一些矿物材料，称为混合材料。

水泥的生产工艺主要包括生料制备、煅烧、熟料磨细、储存或包装出厂。

将原料按适当比例配合，磨细混均，制成干料粉、料球或料
浆，即为生料。

制备生料的方法有干法、湿法和半干法。

在立窑或回转窑中对生料煅烧，烧成温度在1300~1450℃之间，此时将发生一系列物理化学变化。

烧成的物料在窑内从1300℃冷却1000℃左右，然后离窑冷却，所得到的颗粒状物料就是硅酸水泥熟料。

熟料中加入w=2~6%的石膏，将其共同磨细就得到硅酸盐水泥。

将熟料、石膏和其他混合材料共同磨细，可生产出掺混材料不同的硅酸盐水泥，如普通水泥、矿渣水泥、火山灰水泥、粉煤灰水泥等。

硅酸盐水泥的主要矿物成分是：硅酸三钙(3CaO·SiO2，简写为C3S)、硅酸二(2CaO·SiO2，简写为C2S)、铝酸三钙(2CaO·Al2O3，简写为C3A)、铁铝酸四钙(4CaO·A12O3·Fe2O3，简写为C4AF)，还有游离氧化钙和氧化镁，是有害成分。

硅酸盐水泥熟料是多种矿物组分组成的，各组分的比例不同，水泥的性质就发生相应变化。

如提高3CaO·SiO2的质量分数，可制得高强水泥；提高3CaO·SiO2和3CaO·Al2O3的质量分数可制得快硬水泥；降低3CaO·SiO2和3CaO·Al2O3的质量分数，提高2CaO·SiO2的质量分数，可制得中、低热水泥；提高4CaO·A12O3·Fe2O3的质量分数，降低3CaO·Al2O3的质量分数，可制得道路水泥。

水泥加水拌和后，立即发生水化反应成为可塑性水泥浆。

随着水化的不断进行，水泥浆逐步变稠失去塑性，但尚不具有强度的过程称为水泥的凝结。

随着水化的进一步进行，水泥浆将产生明显的强度并发展为坚硬的人造石——水泥石的过程称为硬化。

水泥的水化是复杂的化学反应，凝结、硬化实质上是一个连续、复杂的物理化学变化过程，是水化反应的外观表现，其凝结硬化阶段是人为划分的。

衡量水泥的性质和质量的指标有：密度、容重、细度、需水性、凝结时间、安定性、强度及标号、型号、水化热等。

衡量水泥获得一定稠度所需水量多少的性质称为需水性。

凝结时间是指水泥从和水开始到失去流动性，即从可塑状态发展到固体状态所需的时间，又分为初凝时间和终凝时间。

初凝时间是水泥从水泥和水到水泥浆开始失去塑性的时间；终凝时间是指水泥和水到水泥浆完全失去塑性的时间。

安定性是水泥浆体在硬化后体积变化的稳定性。

若水泥硬化后体积变化不稳定，产生不均匀的变化，即所谓安定性不良，会使混凝土产生膨胀性裂纹，降低工程质量。

强度是选用水泥的重要技术指标。

水泥的硬化是逐渐增长的，因此，水泥标号是以不同龄期的抗压和抗折强度来划分的。

我国规定，需测定硅酸盐水泥水化3d、7d、28d的抗压和抗
折强度，根据28d的抗压强度确定水泥标号。

例如28d抗压强度为42.5MPa的水泥标号为425。

硅酸盐水泥硬度高，适用于重要结构的高强度混凝土和预应力混凝土工程，也适用于制造强度要求高、养护时间尽量短的水泥制品。

硅酸盐水泥凝结硬化快、耐冻性好，适于早期强度高、凝结快、冬季施工及严寒地区遭受反复冻融的工程。

由于硅酸盐水泥水化时生成较多的氢氧化钙，因此耐水及其他腐蚀介质的能力差，不适于经常与流动的淡水接触及有水压作用的工程，也不宜用于受海水、矿物水作用的工程中。

耐热性差，故硅酸盐水泥不适用于有耐热要求的工程，更不能作耐热混凝土。

硅酸盐水泥放热量大，故不宜于制作大体积混凝土如堤坝主体、大型基础及桥墩等构筑物。

(2)掺混合材料的硅酸盐水泥水泥中加入不同比例的各种混合材料，可以制成多种水泥。

如普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥。

①普通硅酸盐水泥(普通水泥，代号P·O)。

它是掺加混合材料较少的硅酸盐水泥，采用和硅酸盐水泥相同的熟料、少量混合材料和适量石膏共同磨细制成。

混合材料的加入量，以水泥成品质量分数计，如果掺活性混合材料，不得超过15％；如果掺填充性混合材料，则总量不得
超过15％，其中填充性混合材料不超过10％。

这种水泥由于混合材料加入量较少，混合材料对水泥影响不大，水泥性质仍接近硅酸盐水泥，用途也与其基本相同。

②矿渣硅酸盐水泥(矿渣水泥，代号P·S)。

采用粒化高炉矿渣作混合材料，加入量为水泥质量的20%~70%，其中可以用火山灰质混合材料代替1/3的矿渣(但最多不超过水泥的15%)，这样制成的胶凝材料称为矿渣水泥。

矿渣水泥具有早期强度低、后期强度高、水化热低、耐热性好、耐蚀性强、安定性较好等优异特性，但也存在保水性较差、泌水性较大、硬化后的干缩也较大等缺陷。

利用耐蚀性及耐水性好的特点，矿渣水泥适用于地下、水中及海水中的工程，以及经常有较高水压的工程。

由于耐热性好，还可用在受热工程，配制耐热混凝土。

矿渣水泥水化热较低，适于大体积混凝土使用。

但不适用于冬季施工。

③火山灰及粉煤灰硅酸盐水泥(火山灰水泥、粉煤灰水泥，代号分别为P·P和P·F)。

火山灰水泥和粉煤灰水泥按我国标准划分是2种品种，但从水泥科学角度看，它们都属于火山灰质的硅酸盐水泥。

这2种水泥的性质大致类似，也有区别，此处合为一类水泥。

火山灰水泥中火山灰的质量分数为20%~50%，粉煤灰水泥中粉煤灰的质量分数为20%~40%，其中都可以用高炉粒化矿渣来
代替l/3的火山灰质混合材料。

这类水泥早期强度低，后期强度增长加快，28d之后，强度可以超过同标号硅酸盐水泥；水化热低；耐腐蚀性强；耐热性差；抗冻性差。

可用于制作大体积混凝土构件，还可用于淡水、硫酸盐侵蚀的工程，但效果不如矿渣水泥。

不适于冬季施工和早期强度要求较高的工程、受高热作用的工程以及反复冻融的工程。

(3)专用水泥这里主要介绍以下3种专用水泥。

①砌筑水泥。

凡由活性混合材料或具有水硬性的工业废料为主要原料，加入少量硅酸盐水泥熟料和石膏，经磨细制成的水硬性胶凝材料均称为砌筑水泥。

砌筑水泥对于我国大量的砖混结构有着特殊的意义，它适用于工业与民用建筑的砌筑砂浆和内墙抹面砂浆；不得用于混凝土结构工程；作其他用途时，必须通过试验。

②道路水泥。

以适当成分的生料烧至部分熔融，所得以硅酸钙为主要成分和较多量的铁铝酸盐的硅酸盐水泥熟料称为道路硅酸盐水泥熟料。

道路硅酸盐水泥(道路水泥)就是由道路硅酸盐水泥熟料、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。

道路工程对水泥的要求是：耐磨性好、收缩小、抗冻性好、弹性模量低、应变性较高、抗冲击性能好，以及抗折强度高等。

③大坝硅酸盐水泥(大坝水泥)。

这种水泥又可称为低热水泥，是水化热较低的一种硅酸盐水泥，适用于浸蚀环境中的大体积混凝土工程。

实际生产中主要依靠减小熟料3CaO·Al2O3及3CaO·SiO2的质量分数来降低水泥水化热及提高耐蚀力，但为保证水泥的强度，3CaO·SiO2也不宜过少。

在大坝水泥熟料的基础上，加入适量矿渣等混合材料，可以进一步降低水化热并提高耐蚀力。

因此，我国实际生产的大坝水泥有3种：硅酸盐大坝水泥、普通大坝水泥和矿渣大坝水泥。

前2种大坝水泥熟料中3CaO·SiO2的质量分数应低于6%，矿渣大坝水泥所用熟料中3CaO·SiO2的质量分数允许放宽至8%。

性质也有一定区别，硅酸盐大坝水泥和普通大坝水泥抗冻性、耐磨性较好，早期强度较高，但水化热仍较大，抗蚀性较差，矿渣大坝水泥正好具有与上述相反的特性。

硅酸盐大坝水泥和普通大坝水泥适用于大坝溢流面的面层和水位变动频繁处，要求有较高耐磨性及抗冻性的工程，矿渣大坝水泥则适用于大坝或大体积混凝土内部及水下工程。

(4)特性水泥这里主要介绍以下几种。

①快硬硅酸盐水泥。

这种水泥指早期强度增进较快的水泥，也称早强水泥。

这种水泥的，制造方法和硅酸盐水泥的基本相同，主要依靠调节矿物组成及控制生产措施，使得水泥的性质符合要求。

熟料中硬化最快的矿物成分是3CaO·Al2O3和3CaO·SiO2，为加快硬化，可适当增加石膏的掺量(可达8％)和提高水泥的细度。

快硬水泥的凝结速度略快于一般水泥的凝结速度，以3d的抗压强度来划定标号，有325、375、425三个标号。

快硬水泥的其他性质特点是：水化放热大，抗蚀力较差，易吸潮变质。

一般贮存期不应超过1个月。

主要用于配制早强、高强混凝土，紧急抢修工程，低温施工工程和高强度混凝土构件等。

②膨胀水泥和自应力水泥。

一般硅酸盐水泥在空气中凝结硬化时，通常都表现为收缩。

收缩的大小与水泥品种、熟料的矿物组成、水泥的细度、石膏加入量的多少有关。

由于收缩，水泥混凝土内部会出现裂纹，这样不但影响水泥混凝土的强度，而且也使水泥混凝土的耐久性下降。

当采用膨胀性水泥时即可克服上述缺点。

根据膨胀值和用途不同，膨胀性水泥可分为膨胀水泥和自应
力水泥2种。

前者膨胀性能较低，限制膨胀时所产生的压应力能大致抵消干缩所产生的拉应力，所以有时又称为不收缩水泥或补偿收缩水泥；而后者具有较高的膨胀性能，当这种水泥配制钢筋混凝土时，由于握裹力的存在，混凝土本身一定受到一个来自钢筋的压应力，这种压应力实际上是水泥膨胀导致的，所以称为自应力，这种水泥称为自应力水泥。

获得膨胀水泥有3种方法：一是以硅酸盐水泥为主要成分，以高铝水泥和石膏为膨胀剂，共同形成膨胀性水泥；二是以高铝水泥为主要成分，外加石膏形成膨胀水泥；三是以无水硫铝酸钙熟料为主要成分，外加石膏而成。

这3种方法的本质，都是使水泥在水化硬化时生成水化硫铝酸钙，水化硫铝酸钙生成过程中体积有较大的膨胀，使水泥具有膨胀性能。

膨胀水泥的不透水性比一般水泥显著提高，抗冻性也较好，由于结构紧密，抗蚀性也有一定程度提高。

膨胀水泥适用于补偿收缩混凝土结构工程、防渗层及防渗混凝土、构件的接缝及管道接头、结构的加固与修补、固结机器底座及地脚螺丝等。

自应力水泥用于制造自应力钢筋混凝土压力管及其配件。

③白色硅酸盐水泥(白水泥)。

以适当成分的生料烧至部分熔融，所得到的以硅酸钙为主要
成分，氧化铁的质量分数小的熟料，加入适量石膏，磨细制成的水硬性胶凝材料。

硅酸盐水泥的颜色主要取决于氧化铁的质量分数，当Fe2O3的质量分数为3%~4%时，水泥呈暗灰色；为0.35%~0.4%时，水泥接近白色。

因此，生产白水泥，一般Fe2O3的质量分数要小于0.5%，同时尽可能除去其他着色氧化物(MnO2、TiO2等)，宜采用较纯净的高岭土、纯石英砂、纯石灰石作原料，在较高温度(1500~1600℃)下烧成。

白水泥白度要求为：一级84%，二级75%，三级70%，有325、425两个标号。

白水泥的用途主要有：作水磨石的面层胶凝材料，高级建筑物的饰面及粉刷工程，加矿物颜料制成彩色水泥。

一、水泥生产原燃料及配料生产硅酸盐水泥的主要原料为石灰原料和粘土质原料，有时还要根据燃料品质和水泥品种，掺加校正原料以补充某些成分的不足，还可以利用工业废渣作为水泥的原料或混合材料进行生产。

1、石灰石原料石灰质原料是指以碳酸钙为主要成分的石灰石、泥灰岩、白垩和贝壳等。

石灰石是水泥生产的主要原料，每生产一吨熟料大约需要1.3吨石灰石，生料中80%以上是石灰石。

2、黏土质原料黏土质原料主要提供水泥熟料中的SiO2、
Al2O3、及少量的Fe2O3。

天然黏土质原料有黄土、黏土、页岩、粉砂岩及河泥等。

其中黄土和黏土用得最多。

此外，还有粉煤灰、煤矸石等工业废渣。

黏土质为细分散的沉积岩，由不同矿物组成，如高岭土、蒙脱石、水云母及其它水化铝硅酸盐。

3、校正原料当石灰质原料和黏土质原料配合所得生料成分不能满足配料方案要求时（有的硅质含量不足，有的铝质和铁质含量不足）必须根据所缺少的组分，掺加相应的校正原料（1）硅质校正原料含80%以上（2）铝质校正原料含30%以上（3）铁质校正原料含50%以上二、硅酸盐水泥熟料的矿物组成硅酸盐水泥熟料的矿物主要由硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙和铁铝酸四钙组成。

三、工艺流程1、破碎及预均化（1）破碎水泥生产过程中，大部分原料要进行破碎，如石灰石、黏土、铁矿石及煤等。

石灰石是生产水泥用量最大的原料，开采后的粒度较大，硬度较高，因此石灰石是生产水泥用量最大的原料，开采后的粒度较大，硬度较高，因此石灰石的破碎在水泥厂的物料破碎中占有比较重要的地位。

破碎过程要比粉磨过程经济而方便，合理选用破碎设备和和粉磨设备非常重要。

在物料进入粉磨设备之前，尽可能将大块物料破碎至细小、
均匀的粒度，以减轻粉磨设备的负荷，提高黂机的产量。

物料破碎后，可减少在运输和贮存过程中不同粒度物料的分离现象，有得于制得成分均匀的生料，提高配料的准确性。

（2）原料预均化预均化技术就是在原料的存、取过程中，运用科学的堆取料技术，实现原料的初步均化，使原料堆场同时具备贮存与均化的功能。

原料预均化的基本原理就是在物料堆放时，由堆料机把进来的原料连续地按一定的方式堆成尽可能多的相互平行、上下重叠和相同厚度的料层。

取料时，在垂直于料层的方向，尽可能同时切取所有料层，依次切取，直到取完，即“平铺直取”。

意义：（1）均化原料成分，减少质量波动，以利于生产质量更高的熟料，并稳定烧成系统的生产。

（2）扩大矿山资源的利用，提高开采效率，最大限度扩大矿山的覆盖物和夹层，在矿山开采的过程中不出或少出废石。

（3）可以放宽矿山开采的质量和控要求，降低矿山的开采成本。

（4）对黏湿物料适应性强。

（5）为工厂提供长期稳定的原料，也可以在堆场内对不同组分的原料进行配料，使其成为预配料堆场，为稳定生产和提高设备运转率创造条件。

（6）自动化程度高。

2、生料制备水泥生产过程中，每生产1吨硅酸盐水泥至少要粉磨3吨物料（包括各种原料、燃料、熟料、混合料、石膏），据统计，干法水泥生产线粉磨作业需要消耗的动力约占全厂动力的60%以上，其中生料粉磨占30%以上，煤磨占约3%，水泥粉磨约占40%。

因此，合理选择粉磨设备和工艺流程，优化工艺参数，正确操作，控制作业制度，对保证产品质量、降低能耗具有重大意义。

工作原理：电动机通过减速装置带动磨盘转动，物料通过锁风喂料装置经下料溜子落到磨盘中央，在离心力的作用下被甩向磨盘边缘交受到磨辊的辗压粉磨，粉碎后的物料从磨盘的边缘溢出，被来自喷嘴高速向上的热气流带起烘干，根据气流速度的不同，部分物料被气流带到高效选粉机内，粗粉经分离后返回到磨盘上，重新粉磨；细粉则随气流出磨，在系统收尘装置中收集下来，即为产品。

没有被热气流带起的粗颗粒物料，溢出磨盘后被外循环的斗式提升机喂入选粉机，粗颗粒落回磨盘，再次挤压粉磨。

3、生料均化新型干法水泥生产过程中，稳定入窖生料成分是稳定熟料烧成热工制度的前提，生料均化系统起着稳定入窖生料成分的最后一道把关作用。

均化原理：采用空气搅拌，重力作用，产生“漏斗效应”，使生料粉在向下卸落时，尽量切割多层料面，充分混合。

利用不同的流化空气，使库内平行料面发生大小不同的流化
膨胀作用，有的区域卸料，有的区域流化，从而使库内料面产生倾斜，进行径向混合均化。

4、预热分解把生料的预热和部分分解由预热器来完成，代替回转窑部分功能，达到缩短回窑长度，同时使窑内以堆积状态进行气料换热过程，移到预热器内在悬浮状态下进行，使生料能够同窑内排出的炽热气体充分混合，增大了气料接触面积，传热速度快，热交换效率高，达到提高窑系统生产效率、降低熟料烧成热耗的目的。

工作原理：预热器的主要功能是充分利用回转窑和分解炉排出的废气余热加热生料，使生料预热及部分碳酸盐分解。

为了最大限度提高气固间的换热效率，实现整个煅烧系统的优质、高产、低消耗，必需具备气固分散均匀、换热迅速和高效分离三个功能。

（1）物料分散换热80%在入口管道内进行的。

喂入预热器管道中的生料，在与高速上升气流的冲击下，物料折转向上随气流运动，同时被分散。

（2）气固分离当气流携带料粉进入旋风筒后，被迫在旋风筒筒体与内筒（排气管）之间的环状空间内做旋转流动，并且一边旋转一边向下运动，由筒体到锥体，一直可以延伸到锥体的端部，然后转而向上旋转上升，由排气管排出。

（3）预分解预分解技术的出现是水泥煅烧工艺的一次技术飞跃。

它是在预热器和回转窑之间增设分解炉和利用窑尾上升烟道，设燃料喷入装置，使燃料燃烧的放热过程与生料的碳酸盐分解的吸热过程，在分解炉内以悬浮态或流化态下迅速进行，使入窑生料的分解率提高到90%以上。

将原来在回转窑内进行的碳酸盐分解任务，移到分解炉内进行；燃料大部分从分解炉内加入，少部分由窑头加入，减轻了窑内煅烧带的热负荷，延长了衬料寿命，有利于生产大型化；由于燃料与生料混合均匀，燃料燃烧热及时传递给物料，使燃烧、换热及碳酸盐分解过程得到优化。

因而具有优质、高效、低耗等一系列优良性能及特点。

4、水泥熟料的烧成生料在旋风预热器中完成预热和预分解后，下一道工序是进入回转窑中进行熟料的烧成。

在回转窑中碳酸盐进一步的迅速分解并发生一系列的固相反应，生成水泥熟料中的C4AF、C3A、CzS等矿物。

随着物料温度升高近1300°时，C3A、C4AF、R20等矿物会变成液相，溶解于液相中的CzS和CaO进行反应生成大量硅酸三钙（熟料）。

熟料烧成后，温度开始降低。

最后由水泥熟料冷却机将回转窑卸出的高温熟料冷却到下游输送、贮存库和水泥磨所能承受的温度，同时回收高温熟料的显热，提高系统的热效率和熟料质量。

5、水泥粉磨水泥粉磨是水泥制造的最后工序，也是耗电最多。