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水泥是怎么生产出来的 水泥生产工艺流程

生活经验知识分享

01
水泥概述
水泥是一种无机水硬性胶凝材料，加入适量的水搅拌成塑性浆体，能在空气和水中硬化，保持并继续发展其强度，是建设工程中应用最广泛的材料 。
1.水泥发展概述
1796年，英国人派克(J. Parker) 将黏土质石灰岩磨细制成料球，在高温下煅烧，然后磨细制成水泥,这种水泥被称为“罗马水泥” 。差不多在罗马水泥的同时期，法国人采用泥灰岩制造水泥 。该泥灰岩被称为水泥灰岩，其制成的水泥则称为天然水泥 。1824年，英国利兹城的泥水匠约瑟夫·阿斯普丁(Joseph Aspdin)把石灰石捣成细粉，配合一定量黏土，掺水后以人工或机械搅拌均匀成泥浆 。置泥浆于盘上，加热干燥 。将干料打击成块，然后装入石灰窑煅烧，烧至石灰石内碳酸气全部逸出 。煅烧后的烧块冷却后打碎磨细，制成水泥 。因其凝结后的外观颜色与英国波特兰出产的石灰石相似，故称之为波特兰水泥 (我国称为硅酸盐水泥) ，并获得英国第5022号的”波特兰水泥”专利证书 。从这时起，水泥及其制造工艺进入了新的发展阶段 。现代水泥的生产工艺过程可概括为 “两磨一烧”，即将配合好的原材料在磨机中磨成生料，然后将生料入窑，在 1350～1450℃的高温中煅烧成熟料 。熟料配以适量的石膏，或根据水泥品种组成要求掺入混合材，入磨机中磨至适当细度，便制成水泥成品 。
改革开放以来，我国水泥工业飞速发展，水泥总产量连续21年居世界首位 。2007年，全国水泥生产量已超过13.54亿吨，2009 年达到16.3 亿吨 。在今后几年内，我国水泥年产量预计仍有递增 。面对水泥工业飞速增长的态势，业内专家的态度均是喜忧参半 。据有关部门调查，我国能生产水泥的石灰石储藏量仅500亿吨，照这样的消耗速度，水泥工业生产维持不到40 年 。混凝土是主要的工程材料，水泥消耗量巨大，因此，加大掺合料的应用力度，发展和应用高强高性能和绿色混凝土，是节约水泥、使混凝土行业走可持续发展道路的有效途径 。
1956年，我国首次发布了第一个水泥标准 。随着科学技术的不断进步和生产工艺的不断提高，最早的五大通用水泥至今已进行了六次修订，复合硅酸盐水泥进行了三次修订 。从1999 年开始，我国水泥强度的检验方法等同采用了ISO 国际标准，标志着我国水泥标准已与国际接轨 。目前，我国最新的水泥标准《通用硅酸盐水泥》(GB 175-2007)，是将《硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥》(GB 175-1999) 、《矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥及粉煤灰硅酸盐水泥》( GB 1344-1999)和 《复合硅酸盐水泥》(GB12958-1999) 三合为一，并于2008 年6月1 日起实施 。
2.水泥的组成
水泥熟料主要由硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙、铁铝酸四钙等矿物组成 。
(1)硅酸三钙C3S
C3S是水泥熟料的主要组成部分，其含量为50%～60% 。C3S水化反应较快，凝结时间正常，水化反应放热较大 。C3S对水泥混凝土制品早期强度发展较为有利 。含有少量其他氧化物的C3S称作阿利特(Alite) ，其水化反应速度比C3S更快 。
(2)硅酸二钙C2S
C2S也是组成水泥熟料的主要成分，其含量大约在20%左右 。C2S水化反应较慢，凝结时间较长，水化放热较低 。C2S对水泥混凝土制品后期强度发展较为有利 。
(3)铝酸三钙C3A
C3A水化反应极快，凝结时间较短 。C3A水化放热量甚至大于C3S 。在大体积混凝土施工中，采用C3A与C3S含量较低、C2S含量较高的水泥，采取有效的控制措施，可有效地消除温度裂缝，是控制温度应力破坏的有效途径 。另一方面，硫酸盐与C3A 水化产物之间复杂的化学反应将会对混凝土产生严重的侵蚀作用，降低C3A含量，将其转化为C4AF 是控制硫酸盐侵蚀的有效途径 。
(4)铁铝酸四钙C4AF
C4AF是铁相或铁的固溶体 。其早期水化速度介于铝酸三钙和硅酸三钙之间，但其后期发展速度不如硅酸三钙 。其早期强度类似于铝酸三钙，但其后期强度还能像硅酸二钙一样持续增长 。C4AF水化热较C3A 低，具有良好的抗冲击性能与抗硫酸盐侵蚀性能 。纯净的C4AF呈巧克力色，当MgO存在时，使其显黑色，当MgO含量较低时，使水泥呈褐色，多数情况下，存在的MgO常使水泥呈灰白色 。
(5)石膏
水泥熟料磨成粉末之后与水反应常会发生速凝现象 。为调节水泥凝结时间，常在熟料中掺入适量的石膏，起缓凝作用 。掺入水泥的石膏主要与铝酸三钙C3A 及铁铝酸四钙C4AF 发生反应，生成三硫型水化硫铝酸钙 （钙矾石) ，随后三硫型水化硫铝酸钙逐渐转化为单硫型水化硫铝酸钙 。在水化过程中，约30%的石膏参与了钙矾石的形成，70%的石膏则进入C-S-H 凝胶结构，有助于强度的提高 。
石膏掺量过少，不能有效地凋节水泥凝结时间；若掺量过多，容易导致水泥发生假凝现象，甚至会导致水泥体积安定性不良 。石膏的掺量主要与熟料中的铝酸三钙含量及混合材种类有关 。
3.硅酸盐水泥的技术性质
根据国家标准《通用硅酸盐水泥》（GB175-2007），硅酸盐水泥的技术性质主要有细度、凝结时间、体积安定性、强度等 。
（1）细度（选择性指标）
细度是指水泥颗粒的粗细程度，它是影响水泥性能的重要指标 。水泥颗粒粒径一般在7μm～200μm范围内，颗粒愈细，与水反应的表面积愈大，水化反应快而且较完全，早期强度和后期强度都较高 。但在空气中硬化时收缩性较大，成本较高，在储运过程中也易受潮而降低活性 。若水泥颗粒过粗则不利于水泥活性的发挥，一般认为水泥颗粒小于40μm时，才具有较高活性，大于90μm后其活性就很小了 。因此，为保证水泥具有一定的活性和具有一定的凝结硬化速度，须对水泥提出细度要求 。
国家标准规定，水泥的细度可用筛析法和比表面积法检验 。筛析法是采用孔径为80μm的方孔筛或45μm方孔筛对水泥试样进行筛析试验，用筛余百分率表示 。比表面积法是根据一定量空气通过一定空隙率和厚度的水泥层时，所受阻力不同而引起流速的变化来测定水泥的比表面积（单位质量的水泥颗粒所具有的总表面积），以m2/kg表示 。国家标准规定，硅酸盐水泥的细度采用比表面积法检验，其比表面积应大于300m2/kg 。
（2）标准稠度用水量
水泥的技术性质中有体积安定性和凝结时间，为了使其检验的结果有可比性，国家标准规定必须采用标准稠度的水泥净浆来测定 。获得这一稠度时所需的水量称为标准稠度用水量，以水与水泥质量的比值来表示 。影响标准稠度用水量的因素有熟料的矿物组成、水泥的细度、混合材料品种（如沸石粉需水性大）和数量等 。
（3）凝结时间
水泥凝结时间是指水泥从开始加水拌和到失去流动性所需要的时间，分初凝时间和终凝时间 。
初凝时间为水泥从开始加水拌和起至水泥浆开始失去可塑性所需要的时间；终凝时间是从水泥开始加水拌和起至水泥浆完全失去可塑性并开始产生强度所需的时间 。水泥的凝结时间对施工有重要实际意义，其初凝时间不宜过早，以便在施工中有足够的时间完成混凝土或砂浆的搅拌、运输、浇捣和砌筑等操作；终凝时间不宜过迟，以使水泥能尽快硬化和产生强度，进而缩短施工工期 。国家标准规定：硅酸盐水泥初凝时间不得早于45min；终凝时间不得迟于390 min 。
（4）体积安定性
水泥体积安定性是反映水泥浆体在硬化过程中或硬化后体积是否均匀变化的性能 。安定性不良的水泥，在浆体硬化过程中或硬化后可能产生不均匀的体积膨胀，甚至引起开裂，并进而影响和破坏工程质量，甚至引起严重工程事故 。因而体积安定性不良的水泥应按废品处理，不能用于工程中 。
造成水泥安定性不良的主要原因如下：
a.熟料中游离氧化钙含量过多 。游离氧化钙是熟料煅烧时，没有被吸收形成熟料矿物所形成的，这种过烧的氧化钙水化慢，而且水化生成Ca(OH)2时体积膨胀，给硬化的水泥石造成破坏 。国家标准规定：用沸煮法检验水泥中游离氧化钙是否会引起安定性不良 。
b.熟料中游离氧化镁含量过多 。熟料中游离氧化镁水化的速度更缓慢，且体积膨胀，同样会造成膨胀破坏 。水泥中游离氧化镁是否会引起安定性不良，是用物理方法—压蒸法来检验，只有这样才能加速MgO的水化 。国家标准规定：用化学分析法检验其含量是否超标 。
c.水泥中三氧化硫含量过多 。SO3过多同样也会造成膨胀破坏 。石膏带来的危害用物理检验方法需长期在常温水中才能确定安定性是否不良 。同游离氧化镁一样，物理检验不便于快速检验 。因此国家标准规定：用化学分析法检验水泥中SO3含量是否超标 。
国家标准规定，用沸煮法检验水泥的体积安定性 。具体测试时可用试饼法，也可用雷氏夹法 。其通过观察水泥净浆经沸煮3h后所产生的变形或膨胀值来检验安定性 。由于沸煮法只能对氧化钙熟化起加速作用，所以无论是试饼法还是雷氏法，只能检测出游离氧化钙所引起的体积安定性不良 。而游离氧化镁只有在压蒸下才加速熟化，石膏的危害则需在长期的常温水中才能发现，两者均不便于快速检验 。因此，国家标准规定，水泥熟料中游离氧化镁含量不得超过5.0%，若经压蒸检测安定性合格，可放宽到6.0%；水泥中三氧化硫含量不得超过3.5% 。
（5）强度及强度等级
水泥的强度是水泥的重要力学性质，它与水泥的矿物组成、水灰比大小、水化龄期和环境温湿度等密切相关，同一水泥在不同条件下所测得的强度值不同 。因此，为使试验结果具有可比性，水泥强度须按国家标准《通用硅酸盐水泥》（GB175-2007）和《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》（GB/T17671-1999）的规定来测量 。根据测量结果，将硅酸盐水泥分为42.5、42.5R、52.5、52.5R、62.5和62.5R六个强度等级，其中代号R表示早强型水泥 。各强度等级硅酸盐水泥的各龄期强度不得低于表中的数值 。
硅酸盐水泥的强度要求 （GB175-2007）

品 种
强度等级
抗压强度（MPa）
抗折强度（MPa）
3d
28d
3d
28d
硅酸盐
水泥
42.5
17.0
42.5
3.5
6.5
42.5R
22.0
42.5
4.0
6.5
52.5
23.0
52.5
4.0
7.0
52.5R
27.0
52.5
5.0
7.0
62.5
28.0
62.5
5.0
8.0
62.5R
32.0
62.5
5.5
8.0
（6）烧失量和不溶物 。
烧失量是指水泥在一定灼烧温度和时间内，烧失的量占原质量的百分数 。烧失量愈大，说明水泥质量愈差 。国家标准规定，I型硅酸盐水泥的烧失量不得大于3.0%；II型硅酸盐水泥的烧失量不得大于3.5% 。
不溶物是指经盐酸处理后的残渣，再以氢氧化钠溶液处理，经盐酸中和过滤后所得的残渣经高温灼烧所剩的物质 。不溶物含量高对水泥质量有不良影响 。Ⅰ型硅酸盐水泥中不溶物不得超过0.75%；Ⅱ型硅酸盐水泥中不溶物不得超过1.50% 。
（7）水化热
水泥在水化过程中放出的热量称为水泥的水化热 。水泥的水化放热量和放热速度主要决定于水泥的矿物组成和细度 。若水泥中铝酸三钙和硅酸三钙的含量愈高，颗粒愈细，则水化热愈大，放热速度也愈快 。这对一般工程的冬季施工是有利的，但对于大体积混凝土工程是有害的 。因为在大体积混凝土工程中，水泥水化放出的热量积聚在内部不易散失，使内部温度上升到60℃～70℃，内外温差所引起的温度应力，使混凝土产生裂缝 。
（8）碱含量（选择性指标）
当骨料中含有活性二氧化硅、水泥的碱含量又较高时，则水泥会与骨料发生碱—骨料反应，在骨料表面生成复杂的碱—硅酸凝胶，凝胶吸水体积膨胀，从而导致混凝土开裂破坏 。为抑制碱—骨料反应，水泥中的碱含量按Na2O +0.658k2O计，不得大于0.6% 。
（9）密度及堆积密度
在计算组成混凝土的各项材料用量和储运水泥时，往往需要知道水泥的密度和堆积密度 。硅酸盐水泥的密度一般在3.0～3.2g/cm3之间 。堆积密度除与矿物组成及粉磨细度有关外，主要取决于水泥堆积的紧密程度，松堆状态为1000～1100kg/m3，紧密状态时可达1600kg/m3 。在配制混凝土和砂浆时，水泥堆积密度可取1200～1300kg/m3 。
02
水泥技术要求
水泥应符合GB175《通用硅酸盐水泥》、GB200《中热硅酸盐水泥、低热硅酸盐水泥、低热矿渣硅酸盐水泥》和GB13693《道路硅酸盐水泥》等的规定 。
1.水泥选用原则
水泥品种与强度等级的选用应根据设计、施工要求以及工程所处环境确定 。对于一般建筑结构及预制构件的普通混凝土，宜采用通用硅酸盐水泥；高强混凝土和有抗冻要求的混凝土宜采用硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥；有预防混凝土碱-骨料反应要求的混凝土工程宜采用碱含量低于0.6%的水泥；大体积混凝土宜采用中、低热硅酸盐水泥或低热矿渣硅酸盐水泥 。水泥应符合现行国家标准《通用硅酸盐水泥》GB175和《中热硅酸盐水泥 低热硅酸盐水泥 低热矿渣硅酸盐水泥》GB200的有关规定 。
2.水泥的主要控制指标
水泥质量主要控制项目应包括凝结时间、安定性、胶砂强度、氧化镁和氯离子含量，碱含量低于0.6%的水泥主要控制项目还应包括碱含量，中、低热硅酸盐水泥或低热矿渣硅酸盐水泥主要控制项目还应包括水化热 。
3.检验方法
(1)标准稠度用水量、安定性、凝结时间按GB/T1346进行试验 。
(2)胶砂强度按GB/T17671进行试验 。
(3)比表面积按GB/T8074进行试验 。
(4)细度按GB/T1345进行试验 。
(5)胶砂流动度按GB/T17671进行试验 。
(6)MgO、CL-、碱含量按GB/T176进行试验 。
(7)水化热按GB/F12959进行试验 。
4.相关标准
GB175-2007 《通用硅酸盐水泥》
GB200-2003 《中热硅酸盐水泥 低热硅酸盐水泥 低热矿渣硅酸盐水泥》
GB/T1346-2011 《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》
GB/T17671-1999 《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》
GB/T176-2008 《水泥化学分析方法》
GB/T12959-2008 《水泥水化热测定方法》
GB/T8074-2008《水泥比表面积测定方法 勃氏法》
GB/T1345-2005《水泥细度检验方法 筛析法》
【水泥是怎么生产出来的 水泥生产工艺流程】 GB/T2419-2005《水泥胶砂流动度测定方法》
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