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水泥(cement),是指凡磨細材料,加入適量水成為塑性漿狀,既能在空氣中硬化,又能在水中硬化,並能把砂、石等材料牢固地膠結在一起的水硬性膠凝材料。水泥的分類方法有多種,按用途及性能可分為通用水泥和專用水泥兩大類。水泥種類很多,目前全世界多達100多個水泥品種。水泥是主要的建築材料之一,對社會發展和經濟建設起著重要的作用。在中國,通用水泥制定了強制性國家水泥標準,執行每四年一次的水泥生產許可證審核換髮制度,受國家、省、市、縣(市、區)質量技術監督部門強制性監督檢查。

1 水泥 -基本定義

水泥水泥構件
水泥,是指一種細磨材料,加入適量水后成為塑性漿體,既能在空氣中硬化,又能在水中硬化,並能把砂、石等材料牢固地粘結在一起,形成堅固的石狀體的水硬性膠凝材料。水泥是無機非金屬材料中使用量最大的一種建築材料和工程材料,廣泛用於建築、水利、道路、石油、化工以及軍事工程中。近年來,工業發達國家的水泥產量因需要量基本達到飽和,水泥年產量已趨於平穩或下降,而中國等發展中國家的水泥產量則增長較快,例如:1983年世界水泥產量為900Mt,中國的水泥產量則為100Mt。

2 水泥 -各類水泥的定義:

水泥水泥

水泥與鋼材、木材、塑料統稱為四大基礎工程材料,由於水泥的用量大、用途廣、性能穩定且耐久性好及其製成品結構性能優良,所以水泥是建築工程和各種構築物不可或缺的最大宗材料,而且在今後相當長的時期內,不可能會有別的材料可以完全代替它。

近20年來,隨著國民經濟的快速增長,中國水泥工業飛速發展並取得了巨大成績。然而,中國水泥工業還存在著產業結構問題,水泥的生產製造也遇到了全球性的資源、能源、生態環境的嚴重挑戰,所以我們必須加速產業結構調整和積極推廣新型干法水泥和生產技術,採用綠色水泥生產技術,發展循環經濟,實現經濟社會和自然環境和諧的可持續發展。

水泥是一種粉體材料,水泥的加工製造屬於重化工與粉體工程的範疇,因此研究散體物料的規律性、採用先進的粉體技術對水泥工業來說,有著非常重要的作用和意義。

1、水泥:加水拌和成塑性漿體,能膠結砂、石等材料既能在空氣中硬化又能在水中硬化的粉末狀水硬性膠凝材料。

2、硅酸鹽水泥:由硅酸鹽水泥熟料、0%~5%石灰石或粒化高爐礦渣、適量石膏磨細製成的水硬性膠凝材料,稱為硅酸鹽水泥,分P.I和P.II,即國外通稱的波特蘭水泥。

3、 普通硅酸鹽水泥:由硅酸鹽水泥熟料、6%~15%混合材料,適量石膏磨細製成的水硬性膠凝材料,稱為普通硅酸鹽水泥(簡稱普通水泥),代號:P.O。

水泥礦渣硅酸鹽水泥
4、礦渣硅酸鹽水泥:由硅酸鹽水泥熟料、粒化高爐礦渣和適量石膏磨細製成的水硬性膠凝材料, 稱為 礦渣硅酸鹽水泥,代號:P.S。

5、 火山灰質硅酸鹽水泥:由硅酸鹽水泥熟料、火山灰質混合材料和適量石膏磨細製成的水硬性膠凝材料。稱為火山灰質硅酸鹽水泥,代號:P.P。

6、粉煤灰硅酸鹽水泥:由硅酸鹽水泥熟料、粉煤灰和適量石膏磨細製成的水硬性膠凝材料,稱為粉煤灰硅酸鹽水泥,代號:P.F。

7、複合硅酸鹽水泥:由硅酸鹽水泥熟料、兩種或兩種以上規定的混合材料和適量石膏磨細製成的水硬性膠凝材料,稱為複合硅酸鹽水泥(簡稱複合水泥),代號P.C。

8、中熱硅酸鹽水泥:以適當成分的硅酸鹽水泥熟料、加入適量石膏磨細製成的具有中等水化熱的水硬性膠凝材料。

9、低熱礦渣硅酸鹽水泥:以適當成分的硅酸鹽水泥熟料、加入適量石膏磨細製成的具有低水化熱的水硬性膠凝材料。

10、快硬硅酸鹽水泥:由硅酸鹽水泥熟料加入適量石膏,磨細製成早強度高的以3天抗壓強度表示標號的水泥。

11、 抗硫酸鹽硅酸鹽水泥:由硅酸鹽水泥熟料,加入適量石膏磨細製成的抗硫酸鹽腐蝕性能良好的水泥。

12、 白色硅酸鹽水泥:由氧化鐵含量少的硅酸鹽水泥熟料加入適量石膏,磨細製成的白色水泥。

水泥水泥
13、道路硅酸鹽水泥:由道路硅酸鹽水泥熟練,0%~10%活性混合材料和適量石膏磨細製成的水硬性膠凝材料,稱為道路硅酸鹽水泥,(簡稱道路水泥)。

14、砌築水泥:由活性混合材料,加入適量硅酸鹽水泥熟料和石膏,磨細製成主要用於砌築砂漿的低標號水泥。

15、 油井水泥:由適當礦物組成的硅酸鹽水泥熟料、適量石膏和混合材料等磨細製成的適用於一定井溫條件下油、氣井固井工程用的水泥。

16、石膏礦渣水泥:以粒化高爐礦渣為主要組分材料,加入適量石膏、硅酸鹽水泥熟料或石灰磨細製成的水泥。

3 水泥 -詞語來源

cement一詞由拉丁文caementum發展而來,是碎石及片石的意思。水泥的歷史可追溯到古羅馬人在建築工程中使用的石灰和火山灰的混合物 。1796年英國人J.帕克用泥灰岩燒制一種棕色水泥,稱羅馬水泥或天然水泥。1824年英國人J.阿斯普丁用石灰石和粘土燒製成水泥,硬化后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,並取得了專利權。20世紀初,隨著人民生活水平的提高,對建築工程的要求日益提高,在不斷改進波特蘭水泥的同時,研製成功一批適用於特殊建築工程的水泥,如高鋁水泥,特種水泥等,水泥品種已發展到100多種。

水泥的生產工藝,以石灰石和粘土為主要原料,經破碎、配料、磨細製成生料,喂入水泥窯中煅燒成熟料,加入適量石膏(有時還摻加混合材料或外加劑)磨細而成。

4 水泥 -發展歷程

大約2000年前,希臘和古羅馬人在建築工程中使用了一種石灰和火山灰的混合物,它們在水中緩慢反應生成堅硬的固體,這是最早應用的水泥。19世紀初,英、法等國將粘士化的石灰(或泥灰岩)經燒結成為水硬性材料,當其中氧化鋁和氧化硅含量之和達到20%~35%時,稱為天然水泥。這種水泥的燒成溫度低,不控制成分。1824年英國人J.阿斯普丁用石灰石和粘土的人工混合物燒成一種水硬性的膠凝材料,它在凝結硬固后的顏色、外觀和當時英國用於建築的優質波特蘭石頭相似,故稱之為波特蘭水泥。他為此取得了專利,1825年,在英國建廠生產。但阿斯普丁所得產物。因燒成溫度低而質量不夠好。真正類似於現在的波特蘭水泥是1850年英國人I.C.約翰孫製造的。從此開始了波特蘭水泥工業。一百多年來,硅酸鹽水泥的生產工藝和性能不斷得到改進,同時又研製了為數眾多的新品種,迄今已發展到100多種水泥。

 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,英國人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J.阿斯普丁取得了波特蘭水泥的專利權。他用石灰石和粘土為原料,按一定比例配合后,在類似於燒石灰的立窯內煅燒成熟料,再經磨細製成水泥。因水泥硬化后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。

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」。

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。

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。

水泥水泥
中國在1889年於唐山建立了第一座水泥廠,1906年在唐山成立啟新洋灰股份有限公司(見啟新水泥廠),開創了中國的水泥工業。1949年的水泥產量為660kt,到1984年已達 120Mt,水泥品種也從單一的硅酸鹽水泥發展至60多個品種。

5 水泥 -分類

水泥的分類方法有多種:①根據生產的原料性質分為天然水泥、有熟料水泥(用石灰石和粘土按所需成分配合,在較高溫度下煅燒得到的產物稱為熟料)和無熟料水泥(利用粉煤灰、高爐礦渣等工業廢料或天然火山灰與石灰、水玻璃等鹼性激發劑以及石膏按比例磨細,不經煅燒而製得的水泥)。②根據水泥的性能,可分為快硬水泥(早強水泥)、低熱水泥、膨脹水泥、耐酸水泥、耐火水泥等。③根據用途,可分為油井水泥、大壩水泥、噴射水泥、海工水泥等。④根據水泥中主要化學成分,分為硅酸鹽水泥、鋁酸鹽水泥(高鋁水泥)、磷酸鹽水泥等,後者應用較少。雖然水泥的品種繁多,但95%以上屬硅酸鹽水泥類,只是根據工程的要求改變其中化學組成,或在使用時加入某些調節性能的物質而已。具體的一些分類方法如下:

1、水泥按用途及性能分為:

(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—1999、GB1344—1999和GB12958—1999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水泥。
(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。

2、水泥按其主要水硬性物質名稱分為:

(1)硅酸鹽水泥,即國外通稱的波特蘭水泥;
(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) 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。

3、水泥按其主要技術特性分為:

(1) 快硬性:分為快硬和特快硬兩類;
(2) 水化熱:分為中熱和低熱兩類;
(3) 抗硫酸鹽性: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。

4、水泥按其命名的原則分類:

水泥的命名按不同類別分別以水泥的主要水硬性礦物、混合材料、用途和主要特性進行,并力求簡明準確,名稱過長時,允許有簡稱。

通用水泥以水泥的主要水硬性礦物名稱冠以混合材料名稱或其他適當名稱命名。

專用水泥以其專門用途命名,並可冠以不同型號。特性水泥以水泥的主要水硬性礦物名稱冠以水泥的主要特性命名,並可冠以不同型號或混合材料名稱。

以火山灰性或潛在水硬性材料以及其他活性材料為主要組分的水泥是以主要組分的名稱冠以活性材料的名稱進行命名,也可再冠以特性名稱,如石膏礦渣水泥、石灰火山灰水泥等。

6 水泥 -性能指標

水泥水泥
評價水泥質量的好壞具有一定的指標,水泥主要技術指標如下:
(1)比重與容重:普通水泥比重為3:1,容重通常採用1300公斤/立方米。
(2)細度:指水泥顆粒的粗細程度。顆粒越細,硬化得越快,早期強度也越高。
(3)凝結時間:水泥加水攪拌到開始凝結所需的時間稱初凝時間。從加水攪拌到凝結完成所需的時間稱終凝時間。硅酸鹽水泥初凝時間不早於45分鐘,終凝時間不遲於12小時。
(4)強度:水泥強度應符合國家標準。
(5)體積安定性:指水泥在硬化過程中體積變化的均勻性能。水泥中含雜質較多,會產生不均勻變形。
(6)水化熱:水泥與水作用會產生放熱反應,在水泥硬化過程中,不斷放出的熱量稱為水化熱。

中國水泥新標準與老標準相比主要有兩個方面的變化:一是採用GB/T 17671—1999《水泥膠砂強度檢驗方法(ISO法)》代替現行GB177—85《水泥膠砂強度檢驗方法》;二是以ISO強度為基礎修訂了中國六大通用水泥標準。

(1) GB/T 17671—1999《水泥膠砂強度檢驗方法(ISO法)》標準制訂
GB/T 17671—1999是中國等同採用國際標準ISO 679—1989制定的,於1999年2月8日發布,1999年5月1日起生效。

GB/T 17671—1999與GB177—85同屬檢驗水泥膠砂強度的「軟練法」,即採用塑膠砂,4X4X160m稜柱試體,將試體先進行抗折強度試驗,折斷後的兩個半截試體再進行抗壓強度試驗。兩者的核心差別在於膠砂組成不同,ISO方法採用的水灰比適中,灰砂比適中,特別是採用了級配標準砂,因而ISO方法檢驗得到的強度數值比GB-177方法更接近於水泥在砼中的使用效果。

(2)六大水泥標準修訂的主要內容

a.水泥膠砂強度檢驗方法改為GB/T 17671—1999方法
六大水泥產品標準均引用GB/T 17671—1999方法作為水泥膠砂的強度檢驗方法,不再採用GB 177—85方法。因此GB/T 17671—1999方法上升為強制性方法,而GB 177—85方法下降為推薦性方法。

b.水泥標號改為強度等級

六大水泥老標準實行以Kgf/cm2表示的水泥標號,如32.5、42.5、42.5R、52.5、52.5R等。

六大水泥新標準實行以Mpa表示的強度等級,如32.5、32.5R、42.5、42.5R、52.5、52.5R等,使強度等級的數值與水泥28天抗壓強度指標的最低值相同。

 新標準還統一規劃了中國水泥的強度等級,硅酸鹽水泥分為三個等級6個類型,42.5、42.5R、52.5、52.5R、62.5、62.5R,其他五大水泥也分3個等級6個類型即32.5、32.5R、42.5、42.5R、52.5、52.5R

c.強度齡期與各齡期強度指標設置

六大水泥新標準規定的水泥強度齡期均為3天、28天兩個齡期,每個齡期均有抗折與抗壓強度指標要求。

7 水泥 -水泥污防標準

      水泥工業碳排放量僅次於電力行業、資源消耗與生態破壞問題突出的水泥業即將迎來新一輪淘汰潮。 

  國家環境保護部日前公布《水泥工業污染防治技術政策》(徵求意見稿)和《水泥工業污染防治最佳可行技術指南》(徵求意見稿)。這兩份文件所傳達的信息是,國家將通過水泥工業污染防治技術標準的收緊,全面削減水泥工業的污染物排放,同時化解水泥業產能過剩的問題;不論是技術政策還是技術指南,都應該具有強制性。 

  據中國環境科學研究院、中國水泥協會介紹,水泥行業是重點污染行業,其顆粒物排放佔全國顆粒物排放量的20~30%,二氧化硫排放佔全國排放量的5%~6%,有些立窯生產中加入螢石以降低燒成熱耗,還造成周邊地區的氟污染。 

  水泥行業是中國繼電力、鋼鐵之後的第三大用煤大戶,中國水泥熟料平均燒成熱耗115千克標煤/噸,比國際先進水平高10%多。全國現有規模以上水泥生產企業約4000家,新型干法水泥生產線1500多條。水泥行業二氧化碳的排放僅次於電力行業,位於全國第二。水泥企業的礦山資源消耗與生態破壞也是突出問題。 

  中國環境科學學會、合肥水泥研究設計院編製的《水泥工業污染防治最佳可行技術指南》(徵求意見稿)介紹說,編製組2010年對158家水泥企業進行調研,對於每條5000噸/天熟料新型干法水泥生產線而言,企業每年需繳納排污費約90~100萬元。 

  如果通過技術改造和監管到位,顆粒物排放減少50%,氮氧化物減少25%,每年可減少排污費約30萬元,相當於年噸水泥少交費0.15萬元,按全國水泥量18.6億噸計算,今後5年可減少排污費達13.95億元。同時減少了粉塵、二氧化硫、二氧化氮的污染,環境及社會效益巨大。 

  如果水泥行業能在今後五年內達到30%的原料/燃料替代率,則每年可減少二氧化碳排放2.8億噸,同時因降低化石燃料的使用而成本節省達3720億元,產生巨大的環保及經濟效益。 

  中國水泥協會秘書長孔祥忠表示,水泥行業在技術創新過程中,總是連續伴隨著產能過剩問題。近年來,國家控制水泥產能過剩的紅色令牌一直不斷,但每個階段重大技術創新、提升和發展都為化解行業產能過剩做出了決定性的貢獻。 

  據中國水泥協會介紹,前三年,全國投資新建新型干法水泥生產線463條,新增熟料產能達5.47億噸,這也就意味著,至少約有2億噸的落後技術產能被擠兌出來,淪為過剩產能。但「正是水泥行業出現的產能過剩,增強了水泥企業追求技術進步和改進管理的動力,充分的市場競爭優化了資源配置。」孔祥忠說。 

  《水泥工業污染防治最佳可行技術指南》(徵求意見稿)編寫組特別指出,技術指南應與各種排放標準(包括地方標準)建立關聯關係,並要具有一定的強制性。 

8 水泥 -生產工藝

一、生產方法

硅酸鹽類水泥的生產工藝在水泥生產中具有代表性,是以石灰石和粘土為主要原料,經破碎、配料、磨細製成生料,然後喂入水泥窯中煅燒成熟料,再將熟料加適量石膏(有時還摻加混合材料或外加劑)磨細而成。
  
水泥生產隨生料製備方法不同,可分為干法(包括半干法)與濕法(包括半濕法)兩種。
      
1、干法生產。將原料同時烘乾並粉磨,或先烘乾經粉磨成生料粉后喂入干法窯內煅燒成熟料的方法。但也有將生料粉加入適量水製成生料球,送入立波爾窯內煅燒成熟料的方法,稱之為半干法,仍屬干法生產之一種。
      
2、濕法生產。將原料加水粉磨成生料漿后,喂入濕法窯煅燒成熟料的方法。也有將濕法製備的生料漿脫水后,製成生料塊入窯煅燒成熟料的方法,稱為半濕法,仍屬濕法生產之一種。
      
干法生產的主要優點是熱耗低(如帶有預熱器的干法窯熟料熱耗為3140~3768焦/千克),缺點是生料成分不易均勻,車間揚塵大,電耗較高。濕法生產具有操作簡單,生料成分容易控制,產品質量好,料漿輸送方便,車間揚塵少等優點,缺點是熱耗高(熟料熱耗通常為5234~6490焦/千克)。

二、生產工序

水泥的生產,一般可分生料磨製、煅燒和粉磨等三個工序。

(1) 生料磨製

分干法和濕法兩種。干法一般採用閉路操作系統,即原料經磨機磨細后,進入選粉機分選,粗粉迴流入磨再行粉磨的操作,並且多數採用物料在磨機內同時烘乾並粉磨的工藝,所用設備有管磨、中卸磨及輥式磨等。濕法通常採用管磨、棒球磨等一次通過磨機不再迴流的開路系統,但也有採用帶分級機或弧形篩的閉路系統的。

(2) 煅燒

煅燒熟料的設備主要有立窯和迴轉窯兩類,立窯適用於生產規模較小的工廠,大、中型廠宜採用迴轉窯。

①立窯:窯筒體立置不轉動的稱為立窯。分普通立窯和機械化立窯。普通立窯是人工加料和人工卸料或機械加料,人工卸料;機械立窯是機械加料和機械卸料。機械立窯是連續操作的,它的產、質量及勞動生產率都比普通立窯高。近年來,國外大多數立窯已被迴轉窯所取代,但在當前中國水泥工業中,立窯仍佔有重要地位。 根據建材技術政策要求,小型水泥廠應用機械化立窯,逐步取代普通立窯。

水泥水泥迴轉窯
②迴轉窯:

窯筒體卧置(略帶斜度),並能作迴轉運動的稱為迴轉窯。分煅燒生料粉的干法窯和煅燒料漿(含水量通常為35%左右)的濕法窯。

a、干法窯:干法窯又可分為中空式窯、餘熱鍋爐窯、懸浮預熱器窯和懸浮分解爐窯。70年代前後,發展了一種可大幅度提高迴轉窯產量的煅燒工藝──窯外分解技術。其特點是採用了預分解窯,它以懸浮預熱器窯為基礎,在預熱器與窯之間增設了分解爐。在分解爐中加入佔總燃料用量50~60%的燃料,使燃料燃燒過程與生料的預熱和碳酸鹽分解過程,從窯內傳熱效率較低的地帶移到分解爐中進行,生料在懸浮狀態或沸騰狀態下與熱氣流進行熱交換,從而提高傳熱效率,使生料在入窯前的碳酸鈣分解率達80%以上,達到減輕窯的熱負荷,延長窯襯使用壽命和窯的運轉周期,在保持窯的發熱能力的情況下,大幅度提高產量的目的。

b、濕法窯:用於濕法生產中的水泥窯稱濕法窯,濕法生產是將生料製成含水為32%~40%的料漿。由於製備成具有流動性的泥漿,所以各原料之間混合好,生料成分均勻,使燒成的熟料質量高,這是濕法生產的主要優點。
       濕法窯可分為濕法長窯和帶料漿蒸發機的濕法短窯,長窯使用廣泛,短窯目前已很少採用。為了降低濕法長窯熱耗,窯內裝設有各種型式的熱交換器,如鏈條、料漿過濾預熱器、金屬或陶瓷熱交換器。

(3) 粉磨

水泥熟料的細磨通常採用圈流粉磨工藝(即閉路操作系統)。為了防止生產中的粉塵飛揚,水泥廠均裝有收塵設備。電收塵器、袋式收塵器和旋風收塵器等是水泥廠常用的收塵設備。

近年來,由於在原料預均化、生料粉的均化輸送和收塵等方面採用了新技術和新設備,尤其是窯外分解技術的出現,一種干法生產新工藝隨之產生。採用這種新工藝使干法生產的熟料質量不亞於濕法生產,電耗也有所降低,已成為各國水泥工業發展的趨勢。

三、生產工藝流程舉例

原料和燃料進廠后,由化驗室採樣分析檢驗,同時按質量進行搭配均化,存放於原料堆棚。 粘土、煤、硫鐵礦粉由烘乾機烘乾水分至工藝指標值,通過提升機提升到相應原料貯庫中。 石灰石、螢石、石膏經過兩級破碎后,由提升機送入各自貯庫。化驗室根 據石灰石、粘土、無煙煤、螢石、硫鐵礦粉的質量情況,計算工藝配方,通過生料微機配料系統進行全黑生料的配料,由生料磨機進行粉磨,每小時採樣化驗一次生料的氧化鈣、三氧 化二鐵和細度的百分含量,及時進行調整,使各項數據符合工藝配方要求。磨出的黑生料經過斗式提升機提入生料庫,化驗室依據出磨生料質量情況,通過多庫搭配和機械倒庫方法進行生料的均化,經提升機提入兩個生料均化庫,生料經兩個均化庫進行搭配,將料提至成球盤料倉,由設在立窯面上的預加水成球控制裝置進行料、水的配比,通過成球盤進行生料的成球。所成之球由立窯布料器將生料球佈於窯內不同位置進行煅燒,燒出的熟料經卸料管、鱗板機送至熟料破碎機進行破碎,由化驗室每小時採樣一次進行熟料的化學、物理分析。根據熟料質量情況由提升機放入相應的熟料庫,同時根據生產經營要求及建材市場情況,化驗室將熟料、石膏、礦渣通過熟料微機配料系統進行水泥配比,由水泥磨機分別進行425號、525號普通硅酸鹽水泥的粉磨,每小時採樣一次進行分析檢驗。磨出的水泥經斗式提升機提入3個水泥庫,化驗室依據出磨水泥質量情況,通過多庫搭配和機械倒庫方法進行水泥的均化。經提升機送入2個水泥均化庫,再經兩個水泥均化庫搭配,由微機控制包裝機進行水泥的包裝,包裝出來的袋裝水泥存放於成品倉庫,再經化驗採樣檢驗合格后簽發水泥出廠通知單。

9 水泥 -常見品種

在實際施工中,往往會遇到一些有特殊要求的工程,如緊急搶修工程、耐熱耐酸工程、新舊混凝土搭接工程等。對這些工程,前面介紹的幾種水泥均難於滿足要求,需要採用其他品種的水泥,如快硬硅酸鹽水泥、高鋁水泥、白色硅酸鹽水泥等。

一、快硬硅酸鹽水泥

水泥快硬水泥
凡以硅酸鹽水泥熟料和適量石膏磨細製成的,以3d抗壓強度表示標號的水硬性膠凝材料稱為快硬硅酸鹽水泥(簡稱快硬水泥)。

其初凝時間不得早於45min,終凝時間不遲於10h。由於快硬水泥凝結硬化快,故可用來配製早強、高標號混凝土,適用於緊急搶修工程、低溫施工工程和高標號混凝土預製件等。但儲存和運輸中要特別注意防潮,施工時不能與其他水泥混合使用。另外,這種水泥水化放熱量大而迅速,不適合用於大體積混凝土工程。

二、快凝快硬硅酸鹽水泥

以硅酸鈣、氟鋁酸鈣為主的熟料,加入適量石膏、粒化高爐礦渣、無水硫酸鈉,經過磨細製成的一種凝結快、小時強度增長快的水硬性膠凝材料,稱為快凝快硬硅酸鹽水泥(簡稱為雙快水泥)。

雙快水泥初凝不得早於10min,終凝不得遲於60min。主要用于軍事工程、機場跑道、橋樑、隧道和涵洞等緊急搶修工程。同樣不得與其他品種水泥混合使用,並注意放熱量大而迅速的特點。

三、白色硅酸鹽水泥

由白色硅酸鹽水泥熟料加入適量石膏,磨細製成的水硬性膠凝材料,稱為白色硅酸鹽水泥(稱簡白水泥)。磨製水泥時,允許加入不超過水泥質量5%的石灰石或窯灰作為外加物。

白度是白水泥的一個重要指標。在中國,白水泥的白度分為四個等級。根據白度及標號,又分為優等品、一等品和合格品。

白水泥強度高,色澤潔白,可配製彩色砂漿和塗料、白色或彩色混凝土、水磨石、斬假石 等,用於建築物的內外裝修。白水泥也是生產彩色水泥的主要原料。

四、高鋁水泥

高鋁水泥屬鋁酸鹽系水泥。是由鋁酸鈣為主,氧化鋁含量約50%的熟料,磨細製成的水硬性膠凝材料(舊稱礬土水泥)。

高鋁水泥是一種快硬、高強、耐熱及耐腐蝕的膠凝材料。主要特性有:早期強度高、耐高溫和耐腐蝕。高鋁水泥主要用於工期緊急的工程。如國防、道路和特殊搶修工程等,也可用於冬季施工的工程。

水泥水泥
五、膨脹水泥

由硅酸鹽水泥熟料與適量石膏和膨脹劑共同磨細製成的水硬性膠凝材料,稱為膨脹水泥。按水泥的主要成分不同,分為硅酸鹽、鋁酸鹽和硫鋁酸鹽型膨脹水泥;按水泥的膨脹值及其用途不同,又分為收縮補償水泥和自應力水泥兩大類。

膨脹水泥是在硬化過程中不但不收縮,而且有不同程度的膨脹。膨脹水泥除了具有微膨脹性能外,也具有強度發展快,早期強度高的特點。可用於製作大口徑輸水管和各種輸油、輸氣管,也常用於有抗滲要求的工程、要求補償收縮的混凝土結構、要求早強的工程結構節點澆築等。但是,這種水泥的使用溫度不宜過高,一般使用溫度為60℃以下為好。

10 水泥 -常見水泥綜合分析

一、硅酸鹽水泥

水泥水泥
一類以高鹼性硅酸鹽為主要化合物的水硬性水泥的總稱(在西方國家通稱波特蘭水泥)。它是將鈣質(石灰石等)和鋁硅酸質(粘土等)原料按一定比例混合,磨細后在水泥窯內經高溫(約1720K)煅燒,得到水泥熟料,再與適量的石膏共同研磨至一定細度而製得的。

1、性能

硅酸鹽水泥的相對密度為3.1~3.2。水泥與水接觸會放出熱量,經過一定時間便凝結(不同品種的水泥有不同的凝結時間)。為保證水泥有合適的凝結時間,常加入適量的石膏,化肥工業副產品磷石膏、氟石膏也可作代用品。石膏的加入量主要決定於水泥熟料中鋁酸鹽的含量,加入量以三氧化硫計不能超過3.5%。水泥應有良好的體積安定性。凝結后的水泥在空氣中和水中很快硬固並具有機械強度(抗壓和抗折強度)。一般以水泥:砂=1:2.5的砂漿試樣在水中養護3天、7天和28天的抗壓和抗折強度,均符合國家標準作為水泥的強度指標,以kg/cm2計,並以28天的抗壓強度的數值稱為水泥的標號。硅酸鹽水泥常用標號有325、425、525和625。一些高強和超高強水泥的標號,甚至可達1000以上。水泥熟料中各礦物與水接觸時發生水化反應(即水合),同時生成氫氧化鈣、水化硅酸鈣凝膠、水化鋁酸鈣和水化鐵酸鈣等。當有石膏時,后兩種水化物分別生成水化硫鋁酸鈣和水化硫鐵酸鈣。水泥漿體在乾燥條件下會收縮,在潮濕環境下會膨脹。氫氧化鈣和水化鋁酸鈣將受海水中硫酸鹽的侵蝕作用,因此對海港等所用水泥要限制水泥中鋁酸鈣的含量。若水泥中鹼含量過高,而製成混凝土的集料又含有活性氧化硅時,還會發生鹼-集料反應,體積膨脹,水泥石和混凝土將會毀壞。熟料中過多的遊離氧化鈣和方鎂石在水化反應時,也產生體積膨脹,造成水泥體積安定性不良,這種水泥就不合格。

2、品種

硅酸鹽水泥根據其中礦物組成的變化和外加混合材料的不同而有不同的品種。熟料中只加石膏而製得的水泥稱純硅酸鹽水泥,如在其中加入高爐礦渣、粉煤灰或火山灰等混合材料,則分別稱為礦渣硅酸鹽水泥、粉煤灰硅酸鹽水泥和火山灰硅酸鹽水泥。如果上述混合材料的加入量不超過15%,則稱為普通硅酸鹽水泥(簡稱普通水泥)。上述五種水泥的生產量最大,常稱為五大品種水泥。根據工程要求,在生產過程中可以改變水泥熟料的化學成分,從而生成的各種礦物的含量有差別,如對於高溫油井水泥要求硅酸二鈣含量增多;大壩用水泥則要求鋁酸鈣和硅酸三鈣的含量低;白色硅酸鹽水泥要求氧化鐵的含量小於 0.5%;快硬水泥應使硅酸三鈣的含量高等。從節約能源和開拓資源出發,生產硅酸鹽水泥時,組分中有時還加入石膏和螢石,提高氧化鐵含量,降低氧化鈣含量,生成以硅酸二鈣、鐵鋁酸鈣和無水硫鋁酸鈣為主要礦物的水泥熟料。有的水泥中並含有少量的氟鋁酸鈣。

3、原料

硅酸鹽水泥熟料中的主要化學組成是氧化鈣、氧化硅、氧化鋁和氧化鐵。氧化鈣主要來源於石灰質原料,如石灰石、白堊、泥灰岩等;氧化鋁和氧化硅則來源於含硅酸鋁的物質,如粘土、高爐礦渣、粉煤灰等;氧化鐵則利用硫酸生產中的硫鐵礦渣。用於生產硅酸鹽水泥的石灰質原料中的氧化鈣含量一般在52%左右;粘土質原料中的氧化硅含量達57%左右,氧化鋁的含量則小於20%。為了降低煅燒溫度,並在煅燒過程中生成一部分熔融物,常加少量氧化鐵原料。對原料還要控制其中鹼和氧化鎂的含量,即在水泥熟料中氧化鎂的含量應小於5%,總鹼量(Na2O+K2O)對於一般水泥應小於1.2%,對低鹼水泥則應小於0.6%。

4、生產工藝

硅酸鹽水泥生產工藝流程可分為生料製備、熟料煅燒、水泥製成(粉磨)和包裝等過程。

 

水泥水泥

①生料製備:包括從原料破碎開始至成分調配到合乎要求的生料過程。生料製備有干法和濕法兩種方法。在干法製備過程(圖1)中,石灰石等大塊硬質原料,按傳統工藝是先經過一次破碎至大小在100mm左右的塊料,或再經第二次破碎至小於25mm的塊料(近年來已發展一次即破碎至小於25mm的塊料工藝)。粘土等含水原料則應經烘乾再與石灰石、鐵礦石等按比例送入磨機內,研磨成細的生料粉,輸入攪拌庫,在庫中用壓縮空氣攪拌,並調整成分至合格的生料粉。濕法製備生料過程與干法的主要區別,在於粘土是先用水淘洗成泥漿,與石灰石和鐵礦石共同研磨至含水分約為35%的生料漿。干法製備生料的主要優點是在煅燒水泥熟料時的熱耗比濕法低,每千克熟料的熱耗只需要3.6~4.6MJ,而濕法需要 5.2~6.3MJ。但濕法製備的生料成分較易均勻。一些先進干法生產水泥廠,近年來採用原料預均化和生料成分自動控制等措施,以保證生料粉成分的均勻。

水泥水泥
 

生料的研磨在不同類型的磨機中進行,主要有球磨、管磨、立式磨和烘乾與研磨同時進行的中間卸料磨等。為節約研磨過程的電能、提高磨機效率,生產中常採用閉路(圈流)式粉磨,即將出磨機物料先經過一個顆粒分級設備──選粉機,選出細顆粒部分作為產品,粗顆粒部分返回磨機內繼續研磨。閉路系統粉磨比開路粉磨(不經過選粉機分級)的產量約可提高15%~25%,並減少了過粉碎現象。缺點是設備投資大、操作和管理較複雜。近年來,又採用一種新型的帶選粉機的立式輥輪磨(圖2),將破碎、研磨、乾燥和分級在同一個裝置內完成。目前,最大的立式磨每小時產量可達400t。

②熟料煅燒 已製備好的生料在不同型式的窯內煅燒成水泥熟料。一般生料粉或生料漿在迴轉窯內煅燒,中國大多數小型水泥廠均採用立窯煅燒,用立窯煅燒時生料粉中混入需要的煤粉,並加適量水混合製成直徑為10~30mm的生料球。立窯煅燒的水泥熟料質量略差,但煅燒溫度低,耗煤量較小。為了節約能耗、提高迴轉窯的生產能力,自70年代開始發展了窯尾帶預熱器和分解爐的窯外分解技術。

水泥生料在窯內受熱過程中發生一系列物理和化學變化,如遊離水的蒸發、粘土脫去結晶水、碳酸鈣分解成氧化鈣。後者與粘土中的氧化硅和氧化鋁及鐵礦石間發生固相反應生成化合物,它們的存在形式主要有四種,即硅酸三鈣(3CaO·SiO2,簡寫C3S)、硅酸二鈣(2CaO·SiO2,簡寫C2S),鋁酸三鈣(3CaO·AI2O3,簡寫C3A)和鐵鋁酸四鈣(4CaO·Al2O3·Fe2O3,簡寫C4AF)。還有少量未化合的氧化鈣和方鎂石 (MgO)。有時還有硫酸鹽、鈦酸鹽等,但數量更少。由於熟料中還含有其他氧化物,上述各化合物並不是以純的狀態存在,往往固溶有其他各種氧化物。故又將它們按照礦物相(即晶相)來命名,如硅酸三鈣稱阿利特,它在熟料中佔50%以上;硅酸二鈣稱貝利

水泥水泥
特,約含有25%;鋁酸三鈣為鋁酸鹽;鐵鋁四鈣稱才利特。從反光顯微鏡下觀察到的水泥熟料結構(圖3)可見到六方晶體是阿利特,圓粒晶體是貝利特。晶體間的物質系由於物料在1450℃左右溫度下有約30%熔融經冷卻后形成,稱中間相,其中亮的部分是才利特,又稱白色中間相(即無定形的非晶相),暗色的是鋁酸鹽,又稱黑色中間相。水泥熟料化學成分(%)有一定範圍要求,氧化鈣62~67,氧化硅20~24,氧化鋁4~7,氧化鐵3~5。

③水泥製成和包裝 從窯內出來的水泥熟料經冷卻后加入適量石膏(控制水泥中SO3≤3.5%),在磨粉機內研細,製成硅酸鹽水泥。水泥研磨的細度對水泥質量影響較大,提高細度,可提高水泥的強度,但相應的電耗也增大。細度一般控制在0.08mm方孔篩上的篩余量不大於10%,或者比表面積在3000cm2/g左右。水泥研磨過程中的粉塵較大,因此在設備進出口、輸送過程及包裝處均應安裝收塵設備,如沉降室、旋風收塵器、袋收塵器等。一些先進的工廠中均裝有電除塵器。在中國還利用含K2O高的粘土或鉀長石代替粘土原料,在煅燒過程中使氧化物揮發至塵埃中,收集含K2O較高的粉塵,可以作鉀肥使用。水泥粉常用紙袋包裝,但近年來已大量改用散裝船、散裝車輸送,提高了裝運效率,降低了成本。

5、用途:廣泛用於民用和工業用的建築工程,例如油田和氣田的固井、水利工程中的大體積壩體、軍事搶修工程,還可用於作耐酸、耐火材料,坑道中噴射封頂以代替坑木。水泥還可以代替木材和鋼材用於多種場合,如電線杆、鐵路枕軌、輸油和輸汽管道、貯原油和貯氣罐等。

二、高鋁水泥 

水泥高鋁水泥
又稱礬土水泥,它是以低鹼性鋁酸鹽為主要礦物的水硬性材料。生產高鋁水泥的原料是石灰石和礬土,有燒結法和熔融法。中國以燒結法生產為主。其主要化學成分(%):氧化鈣32~34,氧化鋁50~60,氧化硅4~8,氧化鐵1~3,氧化亞鐵0~1,氧化鈦1~3。燒成后的礦物有:鋁酸一鈣(CaO·Al2O3,簡寫CA)、二鋁酸一鈣(CaO·2Al2O3,簡寫CA2)、七鋁酸十二鈣(12CaO·7Al2O3,簡寫 C12A7)、硅酸二鈣、鋁硅酸二鈣(2CaO·Al2O3·SiO2簡寫C2AS)和少量鈦酸鈣(CaO·TiO2,簡寫CT)。中國生產的高鋁水泥的主要的礦物組成(%)範圍是:CA40~50,CA220~35,C2AS20~30。CA是水硬性很高的礦物,凝結速度不快,但硬化迅速,早期強度高。CA2水硬性較低,C2AS在結晶狀態下不具水硬性。

高鋁水泥的早期強度發展很快,24小時即達極限強度值的80%,並以3天抗壓強度值作為它的標號(包括1天、3天的抗壓和抗折強度),標號有425、525、625和725。 高鋁水泥具有良好的抗硫酸鹽性和一定的耐高溫性,它在900℃和1300℃尚可分別保留原有強度的 70%和53%。它主要用於搶修工程,早期強度要求高、抗硫酸鹽腐蝕和抗凍等的工程。它適於冬季施工,但不適於作為永久性結構材料。它還可以與耐火集料配合製成耐火混凝土,用作工業窯爐的內襯。高鋁水泥亦可配製成不同的品種,有鋁酸鹽自應力水泥、鋁酸鹽膨脹水泥和耐火度不低於1580℃的耐熱混凝土等。中國於1955年開始生產高鋁水泥,並首次採用迴轉窯燒結。

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