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水泥生产过程(水泥生产详细工艺流程)

水泥是建筑当中的胶凝材料,现代水泥的发明可以追溯到1756年,我们常见的水泥主要成分是硅酸盐,硅酸盐通过水化反应后会凝结和硬化,与沙石结合成牢固的混凝土结构,其余还有铝酸盐水泥、硫酸盐水泥等等。

水泥号称“当代建筑的粮食”,水泥加上地球表面随处可见的沙石,再与水混合后,就能形成牢固的混凝土结构,可以说水泥是建筑行业中最伟大的发明,对人类社会的发展有着重要意义,现代水泥的发明并不是一蹴而就的,其中经历了很多次的改进。

水泥生产过程(水泥生产详细工艺流程)
水泥生产过程(水泥生产详细工艺流程)

古代建筑

在古时候,不同文明都发明了不同的建筑胶凝材料,比如古埃及人使用煅烧石膏作为胶凝材料,古希腊人则使用石灰;后来罗马人改进了古希腊人的方法,罗马人先把石灰加水溶解,再与沙子混合成砂浆,有条件的地方还会加入磨细的火山灰制成罗马泥浆,这样修筑的建筑物更加牢固,使得很多罗马建筑物保留至今。

水泥生产过程(水泥生产详细工艺流程)
水泥生产过程(水泥生产详细工艺流程)

中国古代也发明了独特的凝胶材料,比如中国长城的修建经历20多个朝代,其中有一部分使用了石灰进行黏合,有的用黄泥浆,有的则用了糯米砂浆等等。

在南北朝时期(公元5世纪前后),中国人发明了一种名为“三合土”的胶凝材料,由石灰、黏土和细砂组成,到了明朝有了石灰、陶粉和碎石组成的三合土,清朝又有了石灰、炉渣和沙子组成的三合土,三合土与罗马泥浆很相似,凝固后都具有很高的强度和防水性能,非常适合建造古代大型建筑物。

水泥生产过程(水泥生产详细工艺流程)
水泥生产过程(水泥生产详细工艺流程)

中国古代的建筑工法在很长一段时间内领先于西方,其胶凝材料也是丰富多样,甚至还会在胶凝材料中加入有机物(比如糯米汤、桐油、血料等等)改变其特性,但是在16世纪后,西方科学技术的发展,开始逐渐全面超越中国。

现代水泥

罗马砂浆在西方应用了很长一段时间,虽然具有很好的强度和防水性,但是罗马砂浆经不起海水的浸泡和冲刷;在18世纪,英国航海业领先全世界,在航海领域中,灯塔可以在很远的地方引导船只,但是当时的灯塔经常损坏,于是英国拨款给当时的工程师史密顿,让他承担建设灯塔的任务。

水泥生产过程(水泥生产详细工艺流程)
水泥生产过程(水泥生产详细工艺流程)

在1756年,史密顿研究石灰、火山灰和沙子对砂浆性能的影响,发现含有黏土的石灰石经过煅烧细磨之后,再加水形成的砂浆,在凝固后具有抵抗海水侵蚀的作用,开启了现代水泥的研究之路,他还建造了著名的普利茅斯港大灯塔。

在1796年,英国人派克将黏土质石灰岩(泥灰岩)制成料球,在高温下煅烧后再磨细,得到一种新的水泥,称作罗马水泥(又名天然水泥),并申请了专利。

1824年10月24日,英国泥水匠阿斯谱丁发明了一种全新的水泥并获得专利——波特兰水泥,也就是我们常见的硅酸盐水泥,波特兰水泥具有非常好的建筑性能,被誉为当代建筑的粮食,此后的水泥都是对波特兰水泥的改进。

水泥生产过程(水泥生产详细工艺流程)
水泥生产过程(水泥生产详细工艺流程)

波特兰水泥最初的制造方法:是把石灰石磨细,加入定量的黏土,掺水后搅拌均匀形成泥浆,然后再将泥浆置于盘上加热,干燥后敲碎再进行煅烧,待石灰石中的碳酸气体全部逸出,然后冷却、打碎和磨细,就成了硅酸盐水泥。

水泥的水化反应

水化反应是指溶质在水中溶解后,溶质分子和水分子结合成水合分子,比如无水硫酸铜变为五水硫酸铜:

CuSO4+5H2O==CuSO4·5H2O;

本质上硫酸铜分子和水分子并没有在分子层面发生改变,但是五个水分子和一个硫酸铜分子,就能聚在一起形成相对稳定的结构。

一般的硅酸盐水泥成分是硅酸钙盐,主要含有硅酸三钙(3CaO·SiO2),硅酸二钙(2CaO·SiO2),铝酸三钙(3CaO·Al2O3)、铁铝酸四钙(4CaO·Al2O3·Fe2O3)等,这些物质都能与水发生水化反应:

水泥生产过程(水泥生产详细工艺流程)
水泥生产过程(水泥生产详细工艺流程)

水泥经过水化反应之后,就会凝固和硬化,与沙子一起形成坚硬的混凝土;另外,水化反应还受温度、湿度、水量、添加物等等因素的影响,有的影响最终强度,有的影响凝固时间,在一些特殊的场合下,需要使用特定功能的水泥。

不同功能的水泥

经过数百年的发展,水泥已经形成了一门相当专业的学科,人们针对不同的应用场合,发明了不同功能的水泥,比如有抗酸性的、抗海水侵蚀的、抗冻的、耐高温的、速凝的、水下浇筑的等等;另外,在水泥中加入不同的添加剂,也能很大程度上改变水泥的特性。

水泥生产过程(水泥生产详细工艺流程)
水泥生产过程(水泥生产详细工艺流程)

比如下面几种情况:

(1)在抗洪抢险中使用速凝水泥,以及加入水泥速凝剂,凝固时间只有几分钟。

(2)水泥凝固过程中会释放热量,如果凝固太快,可能会导致混凝土内部存在形变,于是对于一些较大的浇筑物,需要加入水泥缓凝剂来延长凝固时间。

(3)对于一些可能处于低温的建筑物,在水泥中加入防冻剂,来降低低温对混凝土的影响。

(4)铝酸盐水泥一般具有较高的耐热性,常在高温建筑物中使用。

……

水泥生产过程(水泥生产详细工艺流程)
水泥生产过程(水泥生产详细工艺流程)

相关数据显示,在2018年全球水泥产量39.5亿吨,中国的水泥产量22.1亿吨,占了全球产量的56%;而2018年中国水泥的进口量大约为1360万吨,出口量大约为460万吨,相比产量而言并不多,所以国内水泥生产量基本被国内消化了,这也是我国基建发展的体现。

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