水泥(cement)

一種粉狀礦物質材料，加入適量水攪拌后，成為塑性漿體，能在空氣中和水中硬化，并能把砂、石等材料牢固地膠結在一起形成水硬性無機膠凝材料。水泥是一種重要的建筑材料，用水泥制成的混凝土和砂漿，廣泛應用于冶金建筑及各種土木建筑工程中。

簡史水泥的生產和使用起源于古羅馬人在土木建筑工程中使用的石灰火山灰膠凝材料。這種膠凝材料與氣硬性膠凝材料一一石灰相比，具有強度高、抗水性強等特點。18世紀中葉，英國人斯米頓(J．Smeaton)制成水硬性石灰。18世紀末，英國人帕克(J．Parker)用泥灰巖燒制成水泥，名為羅馬水泥，又名天然水泥。1824年，英國人阿斯普丁(J．Aspdin)用石灰石和粘土為原料，按一定比例混合，在立窯內煅燒成熟料，經磨細制成水泥。這種水泥硬化后酷似當時在英國被大量用作優質建筑材料的英格蘭南部波特蘭(Portland)所產的石灰石，故名波特蘭水泥。這種水泥與當時其他水硬性膠凝材料相比，具有優良的性能，使用日益廣泛。波特蘭水泥的發明，在建筑史上具有劃時代的意義。

中國于1889年建成第一個水泥廠，即唐山啟新水泥廠。其后半個多世紀，生產發展遲緩，1949年全國年產水泥66萬t。50年代以來，水泥工業迅速發展，至80年代后期水泥年生產能力超過2億t，居世界前列。

分類按熟料的主要礦物組成，水泥分為硅酸鹽水泥、鋁酸鹽水泥和硫鋁酸鹽水泥。按用途分為一般用途水泥(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、復合硅酸鹽水泥和鋼渣水泥等)和特種水泥(快硬硅酸鹽水泥、中熱水泥、抗硫酸鹽水泥、膨脹水泥、油井水泥和防輻射水泥等)。在水泥總產量中硅酸鹽水泥占絕大部分，在機理和生產工藝上有代表性。另外，鎂氧水泥、水玻璃耐酸水泥和硫磺水泥，是非水硬性的膠結材料，故不納入水泥分類。

生產工藝硅酸鹽水泥的生產是以石灰石和粘土為主要原料，經破碎、配料、磨細制成生料，在水泥窯中煅燒成熟料，摻適量石膏(有時摻一定量的混合材料)，共同磨細而成。

按照生料制備方法，水泥生產分干法和濕法兩種。干法生產需將原料烘干、粉磨，然后將生料粉喂入干法窯內煅燒成熟料。半干法是將生料粉加入適量水制成生料球后送入窯內煅燒成熟料。濕法生產是將原料加水粉磨成生料漿后，喂入濕法窯內煅燒成熟料。半濕法則將生料漿脫水，制成生料塊，再入窯煅燒成熟料。干法生產燒成熱耗低，但生料成分不易均勻，揚塵大，電耗高。濕法生產操作簡便，料漿易于輸送，揚塵少，生料成分易控制，產品質量高，但熱耗高。無論采用哪種方法，生料在水泥燒成窯中燒成熟料都要經過干燥、預熱、分解(包括碳酸鹽分解)、燒成、冷卻等過程。

水泥窯有立窯和回轉窯(旋窯)兩類。中國的小水泥廠多用立窯(普通立窯和機械化立窯)，大水泥廠多用回轉窯。立窯的構造簡單，占地面積小，投資少，熱耗低，但熟料的均勻性差，不易控制，成本高。回轉窯有干法窯和濕法窯兩種。干法窯又分中空式窯、余熱鍋爐窯、懸浮預熱器窯和懸浮分解爐窯。目前在水泥工業中新發展的一種生產工藝——窯外分解技術，可大幅度地提高回轉窯的產量。窯外分解技術的特點是采用預分解爐，在爐中加入大量燃料，提前完成生料的預熱和碳酸鹽預分解；爐中的生料處于懸浮狀態或沸騰狀態，與熱氣流直接進行熱交換，傳熱效率大大提高。這種方法能減輕窯的熱負荷，延長窯襯使用壽命和窯的運轉周期，達到大幅度提高產量的目的。濕法窯分濕法長窯和帶料漿蒸發機的濕法短窯。目前，濕法長窯仍得到廣泛應用。立波爾(Lepol)窯屬于一種半干法或半濕法窯，由回轉窯和回轉式爐算子加熱機組成。生料球或生料塊在加熱機中干燥、預熱和碳酸鹽部分分解后入窯煅燒。這種水泥窯的熱耗低，單位容積產量高，但加熱機結構和操作復雜，有時影響物料預煅燒質量，目前只有少數水泥廠采用。在水泥窯煙氣中收集得到的粉塵(窯灰)，如大量回喂入窯，會造成窯內堿的循環，影響熟料質量，如從煙囪放空，又嚴重影響環境。目前，中國國家標準允許在普通硅酸鹽水泥和摻活性混合材料的硅酸鹽水泥中摻入不大于5％～8％的窯灰。

性能硅酸鹽水泥熟料的礦物組成主要是硅酸三鈣(3CaO•SiO₂，簡寫為C₃S)、硅酸二鈣(2CaO•SiO₂，簡寫為C₂S)、鋁酸三鈣(3CaO•Al₂O₃，簡寫為C₃A)和鐵鋁酸四鈣(4CaO•Al₂O₃•Fe₂O₃，簡寫為C₄AF)。上述熟料礦物具有遇水水化、膠化和結晶的性能。硅酸鹽水泥水化后形成水化硅酸鈣、氫氧化鈣、水化鋁酸鈣和水化鐵酸鈣等水化產物。形成的水泥石結構由水化物結晶體、凝膠體、毛細孔、凝膠子L、未水化水泥熟料內核等組成。水泥的水化是長期的過程，隨著時間的延長水化產物的成分和結構不斷變化。由于現代物理化學手段和微觀測試技術的進步，對水泥水化硬化、水泥石組成和結構的認識不斷提高，人們可直接觀察到水泥水化過程及水化產物——各種結晶體和凝膠結構的存在及其變化。對水泥水化硬化機理的研究，有力地促進了水泥科學和工藝學的發展。為保證工程質量，水泥的質量必須符合標準規定的細度、凝結時間、安定性和強度等指標。水泥的細度對水泥的水化和膠凝性質有很大影響。細者早期強度發展快，早期水化熱大。通常以標準篩的篩余百分率表示水泥的細度。對不同品種的水泥，細度要求不同。水泥的凝結時間分為初凝和終凝。初凝指從水泥加水拌合至失去流動性所經歷時間，不得過快。終凝指從水泥加水拌合至初具強度所經歷時間，不宜過慢。凝結時間用維卡儀測定。安定性是水泥在硬化時體積是否均勻變化的性能。如水泥中存在過多的游離氧化鈣、氧化鎂或硫酸鹽，會使水泥石產生不均勻的體積變化，造成開裂，甚至崩潰。常用試餅沸煮法或雷氏夾法檢測。在工程中不允許使用安定性不合格的水泥。水泥強度是用規定的材料和方法制成標準試件，在一定齡期(如3、7、28d)所得的抗折和抗壓強度。中國標準規定采用福建平潭標準砂，用1：2．5水泥膠砂，按標準指定的方法測定強度。一般用途水泥按一定齡期的強度值作為劃分標號的標準。

使用水泥是水硬性膠凝材料，水化過程需要時間，且要求一定的溫度和濕度條件。隨著水化過程的進行，強度提高，結構密實。所以水泥使用時，應注意養護，即保持水泥水化所需要的環境條件。在空氣中，水泥易受潮變質，受潮后，凝結時間延長，強度降低，所以水泥出廠后應在短期內使用完畢，不宜長期貯存。各種水泥的選用見硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥、礦渣硅酸鹽水泥和特種水泥。