熟悉水泥：硅酸盐水泥的生产工艺流程与特性

任务目标

1.能够识记硅酸盐水泥的生产工艺流程、熟料的矿物组成与特性。

2.能够描述硅酸盐水泥的水化与凝结硬化机理。

水泥生产及其熟料的矿物组成与特性

基本知识

水泥能在空气中硬化，并且能更好地在水中硬化，保持并发展其强度。长期以来，水泥作为建筑工程最基本的建筑材料，被广泛应用于各种土木建筑、水利、国防等工程。

水泥种类很多，按其主要水硬性物质不同，可分为硅酸盐水泥、铝酸盐水泥、硫铝酸盐水泥和铁铝酸盐水泥等。

按用途及性能不同，水泥可分为通用水泥、专用水泥和特性水泥。

通用水泥一般为土木建筑工程通常采用的水泥，包括目前常用的硅酸盐水泥、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；专用水泥指的是具有专门用途的水泥，如油井水泥、道路水泥、砌筑水泥等；特性水泥指的是某种性能比较突出的水泥，如快硬硅酸盐水泥、低热矿渣硅酸盐水泥、膨胀硫铝酸盐水泥等。

下面以通用水泥中的硅酸盐水泥为例，来介绍水泥的原料、生产及水泥熟料的矿物组成与特性。

1.硅酸盐水泥的生产

凡以硅酸盐水泥熟料，5%以下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，统称为硅酸盐水泥。硅酸盐水泥可分为两种类型，即不掺加混合材料的，称为Ⅰ型硅酸盐水泥，代号为PⅠ；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的，称为Ⅱ型硅酸盐水泥，代号为PⅡ。

生产硅酸盐水泥的关键是要能够获得高质量的硅酸盐水泥熟料。目前国内外多以石灰石、黏土为主要原料必要时加入校正原料，将其按一定比例混合磨细，制得具有适当化学成分的生料；然后在水泥窑中经过1 400℃～1 450℃的高温煅烧至部分熔融，冷却后即得到硅酸盐水泥熟料；最后，将适量的石膏和5%以下的石灰石或粒化高炉矿渣混合磨细制成硅酸盐水泥。整个生产工艺概括起来简称为“两磨一烧”，如图2-1所示。

图2-1　硅酸盐水泥生产过程

2.硅酸盐水泥熟料的矿物组成、含量及特性

水泥具有许多优良的建筑技术性能，这些性能主要取决于水泥熟料的矿物成分及其含量。硅酸盐水泥熟料的主要矿物组成包括硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙和铁铝酸四钙。这些矿物成分单独与水作用时，会表现出不同的特性，见表2-1。

表2-1　水泥熟料矿物的组成、含量及特性

硅酸三钙支配水泥的早期强度，而硅酸二钙对水泥后期强度影响明显。铝酸三钙本身强度不高，对硅酸盐水泥整体强度影响不大，但其凝结硬化快。铁铝酸四钙的强度和硬化速度一般，其主要特性是干缩小，并有一定的耐化学腐蚀性。水泥是几种熟料矿物的混合物，改变矿物成分的比例时，水泥性质即发生相应的变化，由此就可以制成不同特性的水泥了。

任务准备

计算机、演示文稿等。

任务组织

（1）五人一组，其中一名学员担任组长，负责组织其余学员在日常生活、学习中，通过网络下载或拍照收集硅酸盐水泥生产原料。

微课：水泥定义、分类、生产及水泥熟料的矿物组成与特性

（2）每组按照各自收集到的硅酸盐水泥生产原料，介绍、讲解硅酸盐水泥生产工艺流程，在此基础上介绍、讲解生产过程中，生成的水泥熟料中有哪些矿物组成及其特性。

（3）每组完成后，其他组同学对其进行点评和补充。

注意事项

（1）主讲人注意着装、语言组织与表达、体态表达。

（2）注意组员之间的团队协作与沟通。

（3）鼓励团队构思创意、自主创新，在遇到问题时可以打破常规，寻求解决问题的新路径。

（4）注意在能力训练过程中追求精益求精，培养工匠精神。

任务训练流程

实训项目：水泥生产及其熟料的矿物组成与特性

硅酸盐水泥的水化与凝结硬化

基本知识

1.硅酸盐水泥的水化(www.xing528.com)

水泥用适量的水调和后，最初形成具有可塑性的浆体，由于水泥的水化作用，随着时间的增长，水泥浆逐渐变稠失去流动性和可塑性（但尚无强度），随后产生强度逐渐发展成为坚硬的水泥石。

（1）硅酸盐水泥的水化作用。水泥加适量水拌和后，便形成能粘结砂石料的可塑性浆体，随后通过凝结硬化逐渐变成有强度的石状体。同时，还伴随着水化放热和体积变化的现象。其反应式如下：

综上所述，硅酸盐水泥与水作用后，生成的主要水化产物有水化硅酸钙、水化铁酸钙凝胶体、氢氧化钙、水化铝酸钙和水化硫铝酸钙晶体。在完全水化的水泥石中，水化硅酸钙约占50%，氢氧化钙约占25%。

2.硅酸盐水泥的凝结硬化

水泥的凝结硬化是一个连续而复杂的物理化学变化过程，这些变化决定了水泥石的某些性质，对水泥的应用有着重要的意义。

硅酸盐水泥的凝结硬化过程可分为初始反应期、潜伏期、凝结期、硬化期4个阶段。

（1）初始反应期。水泥与水接触后立即发生水化反应。在初始的5～10 min内，放热速率剧增，可达此阶段的最大速度，然后又降至很低。这个阶段称为初始反应期。在此阶段硅酸气钙开始水化，生成水化硅酸钙凝胶。同时释放出氢氧化钙，氢氧化钙立即溶于水中，钙离子浓度急剧增大。当达到过饱和时，则呈结晶析出。同时，暴露于水泥熟料颗粒表面的铝酸三钙也溶于水，并与已溶解的石膏反应，生成钙矾石结晶析出，附着在颗粒表面。在这个阶段中，水化的水泥只是极少的一部分。

（2）潜伏期。在初始反应期后，有相当长一段时间（1～2 h）。水泥浆的放热速率很低。这说明水泥水化十分缓慢。这主要是由于水泥颗粒表面覆盖了一层以水化硅酸钙凝胶为主的渗透膜层，阻碍了水泥颗粒与水的接触。在此期间，由于水泥水化产物数量不多，水泥颗粒仍呈分散状态，所以，水泥浆基本保持塑性。

许多研究者将上述两个阶段合并称为诱导期。

（3）凝结期。在潜伏期后由于渗透压的作用，水泥颗粒表面的膜层破裂，水泥继续水化。放热速率又开始增大，6 h内可增至最大值，然后又缓慢下降。在此阶段，水化产物不断增加并填充水泥颗粒之间的空间，随着接触点的增多，形成了由分子力结合的凝聚结构，使水泥浆体逐渐失去塑性。这一过程称为水泥的凝结。此阶段结束约有15%的水泥水化。

（4）硬化期。放热速率缓慢下降，至水泥水化24 h后，放热速率已降到一个很低值，约40 J/（g·h）以下。此时，水泥水化仍在继续进行，水化铁铝酸钙形成；由于石膏的耗尽，高硫型水化硫铝酸钙转变为低硫型水化硫铝酸钙，水化硅酸钙凝胶形成纤维状。在这一过程中，水化产物越来越多。它们更进一步地填充孔隙且彼此间的结合也更加紧密，使得水泥浆体产生强度，这一过程称为水泥的硬化。硬化期是一个相当长的过程。在适当的养护条件下，水泥硬化可以持续很长时间，几个月、几年甚至几十年后强度还会继续增长。

水泥石强度发展的一般规律：3～7 d内强度增长最快，28 d内强度增长较快，超过28 d后强度将继续发展但增长较慢。

影响硅酸盐水泥凝结硬化的因素很多，主要表现在以下几个方面：

（1）矿物组成的影响。水泥熟料中各种矿物组成的凝结硬化速度不同，当各矿物相对含量不同时，水泥的凝结硬化速度不同。

（2）水泥细度的影响。试验证明，水泥颗粒的粗细程度直接影响水泥的水化、凝结硬化、强度及水化热等。原因是水泥的颗粒越细，总表面积越大，与水接触的面积也越大，因此水化反应迅速，凝结硬化也相应增快，早期强度高。但是，如果水泥的颗粒过细，容易与空气中的水分及二氧化碳反应，导致水泥不宜久存。过细的水泥硬化时产生的收缩也比较大。水泥磨得细，耗能大，成本高。

（3）水胶比大小的影响。水泥浆中的水胶比是指水与水泥的质量之比。水胶比较大时，由于水泥颗粒间被水隔开的距离较远，颗粒间相互连接形成骨架结构所需的凝结时间长，所以水泥凝结比较慢；另外，水泥浆中的多余水分蒸发后形成的孔隙较多，造成水泥石的强度降低。

（4）养护条件的影响。养护环境需要有足够的温度和湿度，这是水泥凝结硬化的必要条件。

温度对水泥凝结硬化影响明显。温度越高，水泥凝结硬化速度越快；温度低，水泥凝结硬化速度减慢，当温度低于0℃时，水泥凝结硬化停止，并有可能在冻融的作用下造成已硬化的水泥石破坏。因此，冬期混凝土工程要采取一定的保温措施。水是水泥水化、硬化不可缺少的条件。周围环境湿度大，水分不易过快蒸发，水泥水化就比较充分，水泥硬化后的强度就比较高；若水泥凝结硬化时处于干燥环境中，水分很快蒸发，水泥缺水会使水化不能正常进行，甚至停止水化，强度增长缓慢或停止增长。因此混凝土工程在浇筑后2～3周内注意洒水养护，以保证水化时必需的水分。

（5）石膏掺量的影响。石膏是水泥中的缓凝剂，主要用于调节水泥的凝结时间，是水泥中不可缺少的组分，关键是其掺入量必须适量。石膏掺量过少，缓凝效果不明显，起不到缓凝剂的作用；掺量过多，石膏本身生成一种促凝物质，反而使水泥快凝。

（6）养护龄期的影响。水泥的凝结硬化是一个较长时间进行的过程。随着水泥熟料矿物水化程度的提高，凝胶体的不断增加，内部毛细孔隙不断减少，使水泥石的强度随着养护龄期的增加而增加。工程实践表明，水泥在28 d内水化硬化速度快，其强度增加也快，28 d后增加缓慢。

（7）储存与运输条件的影响。水泥在储存与运输时不得受潮或混入杂物，储存与运输不当，会使水泥受潮，颗粒表面发生水化而结块，严重降低水泥的强度。即使储存良好，在空气中的水分和二氧化碳的作用下，水泥也会发生缓慢的水化和碳化，因此，水泥的有效储存期一般为3个月，不宜久存。

任务准备

计算机、演示文稿等。

任务组织

（1）五人一组，其中一名学员担任组长，负责组织其余学员在日常生活、学习中，通过网络下载或拍摄收集硅酸盐水泥水化与凝结硬化的图片或视频短片。

（2）每组按照各自收集到的硅酸盐水泥水化与凝结硬化的图片或视频短片，介绍、讲解硅酸盐水泥的水化与凝结硬化机理。

（3）每组完成后，其他组同学对其进行点评和补充。

注意事项

（1）主讲人注意着装、语言组织与表达、体态表达。

（2）注意组员之间的团队协作与沟通。

（3）鼓励团队构思创意、自主创新，在遇到问题时可以打破常规，寻求解决问题的新路径。

（4）注意在能力训练过程中追求精益求精，培养工匠精神。

任务训练流程

实训项目：硅酸盐水泥的水化与凝结硬化

问题情景

工厂生产硅酸盐水泥时需掺入适量的石膏，其作用是什么？

石膏称为水泥的缓凝剂，主要用于调节水泥的凝结时间。石膏的掺量太少，缓凝效果不显著；过多地掺入石膏，其本身会生成一种促凝物质，反而使水泥快凝。