水泥

水泥是一种粉状水硬性胶凝材料，使用时加水拌合后形成塑性的浆体，能胶结砂、石等材料并在空气或水中硬化。水泥和钢材、木材是建造钢筋混凝土结构的主要材料。

一、水泥的起源

水泥的发明是人类在长期生产实践中不断探索积累的结果，是在古代建筑胶凝材料的基础上发展起来的，经历了一个漫长的历史过程。

现代水泥的起源，比较公认的是英国利兹（Leeds）的泥水匠阿斯普丁（J.Aspdin）于1824年10月21日，所获得英国第5022号“波特兰水泥”专利证书，从而成为水泥的发明人。不过，根据专利证书所载内容和有关资料，阿普斯丁未能掌握“波特兰水泥”确切的烧成温度和正确的原料配比，因此他的工厂生产出来的产品质量很不稳定。

在英国，与阿普斯丁同一时代的另一位水泥研究天才叫做强生（I.C.Johnson）。1845年，强生在实验中一次偶然的机会发现，煅烧到含有一定数量玻璃体的水泥烧块，磨细后具有非常好的水硬性。另外他还发现，在烧成物中含有石灰石会使水泥硬化后开裂。根据这些发现，强生确定了水泥制造的两个基本条件：第一是烧窑的温度必须高到足以使烧块含一定量玻璃体并呈墨绿色；第二是原料比例必须正确而固定，烧成物内部不能含过量石灰。这些条件保证了“波特兰水泥”的质量，解决了阿普斯丁无法解决的质量不稳定问题。从此，现代水泥生产的基本参数已被发现。

二、水泥的生产流程

生产现代水泥的原料主要有三种：石灰石原料，粘土原料和根据生产不同水泥所需添加的校正材料。

水泥的生产过程，一般可分生料制备、熟料煅烧和水泥制成三个主要工序，首先要将石灰石原料（主要成分CaCo3，含量48-55%），粘土原料（主要成分SiO2，含量60-70%，Al2O3含量15-25%），另外加入少量含Fe2O3的铁质校正材料，经合理的配比进行粉磨生产出水泥生料。生料中加入适量的煤，进行高温煅烧，生成的产物称之为水泥熟料。水泥熟料中再根据生产水泥的强度等级合理配比加入适量的石膏和适量的混合材，进行粉磨便最终生产出水泥的成品。

三、水泥的水化机理

工程中使用水泥时，首先要用水拌合，水泥颗粒与水接触，其表面的熟料矿物即与水产生反应并放出一定热量，硅酸盐水泥熟料的这些矿物，遇水后将逐步由无水状态变成含水状态，这个过程称为水化过程，熟料矿物这种作用称为水化作用。

硅酸盐水泥加水拌和后，除熟料矿物与水发生水化作用，生成各种水化产物外，水化产物又会同水泥中的其它组分发生作用，形成新的水化物，因此水泥的水化作用比各熟料矿物单独水化时要复杂。

硅酸盐水泥在实际使用中的水化作用是在少量水中进行的，一般加水量约为30－60%左右，当硅酸三钙水解时，将析出大量氢氧化钙，使溶液达到饱和或过饱和。另外，水泥中所掺加的石膏也同时发生溶解。因此水泥的水化作用实质上是在石灰和石膏的溶液中进行的。其水化后生成的主要产物有：氢氧化钙、C－S－H凝胶，水化硫铝酸钙和水化铁酸钙及它们固溶体。水化铝酸钙、水化铁酸钙等这些水化产物中，C－S－H凝胶为纤维状薄片，从

各熟料颗粒上向外伸展出去，逐渐形成一连续的网状结构，与水化硫铝（铁）酸钙、氢氧化钙等晶体互相穿插，填充水泥颗粒空间，增加它们之间粘结，使水泥强度不断提高。

水泥加水拌和，成为可塑性水泥胶体，水泥浆逐渐变稠失去塑性，但尚不具有强度的过程称为水泥的"凝结"；随后产生明显的强度并逐渐变成坚硬的人造石――水泥石，这一过程称为水泥的"硬化"。凝结和硬化是人为划分的，实际上是一个连续的复杂的物理变化过程。硅酸盐水泥的凝结硬化过程从1882年雷查特理首先提出水泥凝结硬化理论以来，已经有了很大发展。

目前比较公认的理论是：当水泥遇水后，在水泥颗粒表面即发生水化反应，水化产物立即溶于水中。这时，水泥颗粒又暴露出一层新的表面，水化反应继续进行。由于各种产物溶解度很小，水化产物的生成速度大于水化产物向溶液中扩散速度，所以很快使水泥颗粒周围溶液中的水化产物浓度达到饱和或过饱和状态，并从溶液中析出，成为高度分散的凝胶体。随着水化作用继续进行，凝胶体不断增加，游离水分不断减少，水泥将逐渐失去塑性，即出现凝结现象。但此时尚不具有强度。随着水化产物的不断增加，水泥颗粒之间的毛细孔不断被填实，加之水化产物中的氢氧化钙晶体，水化铝酸钙晶体不断贯穿于水化硅酸钙等凝胶之中，逐渐形成了具有一定强度的水泥石，从而进入了硬化阶段，水化产物的进一步增加，水分的不断丧失，使水泥石的强度不断发展。实际上，水泥的水化过程很慢，较粗水泥颗粒的内部很难完全水化。因此，硬化后的水泥石是由晶体、胶体、未完全水化颗粒、游离水及气孔等组成的不均质体。

四、水泥的分类

（一）水泥按其用途及性能分为三类：通用水泥、专用水泥、特性水泥。

1、通用水泥：通用水泥是工业与民用建筑工程中应用最广泛的水泥，是由硅酸盐水泥熟料和适量的石膏，及规定的混合材料制成的水硬性胶凝材料，包括六个品种：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、粉煤灰硅酸盐水泥和复合硅酸盐水泥。

2、专用水泥：专用水泥是以所用工程的名称来命名的水泥，如：油井水泥、道路硅酸盐水泥、砌筑水泥等。

3、特性水泥：特性水泥是指具有某种突出特性的水泥，例如：快硬硅酸盐水泥、低热矿渣硅酸盐水泥、膨胀硫铝硅酸盐水泥等。

（二）按其主要水硬性物质名称分为：

硅酸盐水泥（即国外通称的波特兰水泥）、铝酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、铁铝酸盐水泥、氟铝酸盐水泥、以火山灰或潜在水硬性材料以及其他活性材料为主要组分的水泥（三）水泥按需要在水泥命名中标明的主要技术特性分为：

1、快硬性：分为快硬和特快硬两类；

2、水化热：分为中热和低热两类；

3、抗硫酸盐腐蚀性：分中抗硫酸盐腐蚀和高抗硫酸盐腐蚀两类；

4、膨胀性：分为膨胀和自应力两类；

5、耐高温性：铝酸盐水泥的耐高温性以水泥中氧化铝含量分级。

五、主要水泥产品的定义

1、硅酸盐水泥（portland cement）由硅酸盐水泥熟料、0－5%的石灰石或粒化高炉矿渣、适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料，即国外通称的波特兰水泥。分P.I和P.II 两种类型：I型硅酸盐水泥不掺加任何混合材，代号P.I；II型硅酸盐水泥允许掺加不超过水泥质量5%的石灰石或粒化高炉矿渣混合材料，代号P.II。