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(三)现代水泥的生产和质量控制

总括而言，石灰和水泥的差异在于三点：1。水泥的凝结速度快。2。水泥可以在水中凝结。3。水泥凝结后的强度远高于石灰。这些差异是水泥的化学成分决定的。而水泥的化学成分和比例与水泥的生产方式有关。通过对原料矿石的筛选，和生产过程的精密控制，水泥工厂可以提供各种符合设计要求（凝结时间，凝结强度）的水泥制品。

早期的瓶式窖炉

在William Aspdin的年代，水泥生产通过固定的瓶式窖炉实现，而这种窖炉与生产瓷器的窖炉几乎没有区别。所谓瓶式窖炉，说的是窖炉的外观如同一个瓶子。工人从瓶颈开口处把原料和焦炭放到窖炉中，在瓶底开口处收集烧好的clinker。从填料，点火，烧结到冷却的一个周期需要4-7天完成。等到William意识到窖炉温度对水泥产品的重要性时，他和父亲有了一次决定性的冲突。这导致了父子分手和现代水泥的诞生。William的生产工艺要求在窖炉内温度达到1450C。过高的燃料成本使得他的水泥价格比罗马水泥高出一倍。当波特兰水泥成为通用产品后，市场竞争机制促使生产商们设法控制生产成本，尤其在于燃料的使用效率。固定窖炉技术改进的最高峰止于1875年的霍夫曼式窖炉。这是一种由多达18个燃烧室环绕组成的窖炉。每若干个相邻的燃烧室相继起到单独的窖炉的作用，冷却成品所转移的热量通过气道输送到下一组燃烧室。从1870年开始，一系列关于旋转窖炉的英国专利被授予，但是真正实用的旋转窖炉是在美国的水泥工业开始的。从1895年开始，旋转窖炉逐渐成为水泥生产的标准设备。

预热塔和旋转窖炉

现代水泥生产通常包含三个工序。首先从自然中提取石灰岩和粘土。从Joseph Aspdin看似可笑的波特兰水泥专利文件我们就可以理解，符合条件的矿藏，便利的运输都是水泥工厂的最基本要素。石灰岩和粘土被运到水泥工厂后，经过粉碎这第一道工序，才能进入下一道工序，烧结。烧结是在旋转窖炉rotary kiln中进行的。旋转窖炉是现代水泥工厂的核心设备。它的外观像是一条大管子，倾斜着放在水平面上。英国传统的湿法工艺要求的旋转窖炉长度可以达到200米，管内直径有6米。原料经过预热后，从高的一端进入，凭借重力作用滑向低的一端。由于窖炉是转动的，原料在下滑的同时混合在一起。低端有明火形式的热源，能够提供高达1500C的温度。低端也是成品的出口。经过高温烧结形成的炉渣状物质clinker经人工鼓风快速冷却，进入存储库。用来冷却clinker的空气吸收热量后被循环用来预热原料。第三个工序是磨粉，即是把clinker磨成一定细度的粉末成为成品水泥。在这个过程中通常要加入适量的生石膏CaSO4.2H20作为水泥凝固时间调节剂。

干法水泥生产过程示意图

如图所示，在A点即预热塔内，石灰岩已经多半分解。在B点的温度大致1000C -1200C，原料结合成中间产物。C点就是燃烧区，温度达到1450C以上。小扁球状的clinker和其矿物组成在此固定。clinker在出口处经快速冷却后即可入库待用。实际过程比这个图示要复杂。整个生产过程是充分可控的。在原料和clinker的化学分析结果被实时反馈到生产过程中，以保证最终产品的理化指标符合设计要求。

Clinker的直径大致在1毫米到25毫米之间。它是一种复杂的不同化合物共存的形态。可以想象成一种溶解了许多物质在内的溶液，不过是固体形态。实际上在1450C铝酸盐，铁铝酸盐，未参与反应的二氧化硅和氧化钙都熔化混杂在一起，形成类似火山熔岩类的物质。所以在水泥内不存在单一的化学物质。从这点看，水泥与自然存在的岩石很类似。

就普通波特兰水泥OPC来看，其矿物组分主要是4类：Alite (主要成分是硅酸三钙Tricalcium silicate) ，占总重的65%左右；Belite（主要成分是硅酸二钙Dicalcium silicate），占总重的15%左右；铝酸三钙（绝大部分是铝酸三钙Tricalcium aluminate），占总重的7%左右；铁铝酸四钙（绝大部分是铁铝酸四钙Tetracalcium aluminoferrite），占总重的8%左右。总重的剩余成分是人工添加的生石膏和其他少量杂质。

上图为Clinker的光学显微照片。棕色为Alite, 蓝色为Belite，浅色为铁铝酸钙+铝酸钙。灰色部分是做样本用的树脂。为了显示效果，颜色经过人工处理。

波特兰水泥之所以会呈现这样复杂的成分，主要原因在于，作为原料的天然石灰岩和粘土，本身就有非常复杂的成分。虽然原料中的有效成分碳酸钙和二氧化硅经高温烧结成为硅酸三钙，其它化学成分也通过不同的化学反应生成各类化合物。

硅酸三钙是波特兰水泥中最重要的功能组分。作为标准化的产品，生产商通常向市场提供含有固定比例的硅酸三钙的水泥。在生产过程中有几个关键需要精密控制，才能达到这个目的。

首先是原料选择。因为天然石灰岩的化学成分不固定，每批到达工厂的石灰岩会含有不同比例的碳酸钙。工厂通常先储存粉碎后的石灰岩，然后按照需要混合不同批次以达到目标水平的碳酸钙比例。粘土中含有不同比例的二氧化硅，氧化铝等成分，因此同样需要混合批次。

原料的磨粉过程也极为重要。因为化学反应是在分子水平上进行的。固态下的化学反应，只有通过非常精细的粉末并且充分混合，才有可能完成。旋转窖炉的自旋功能就是起到混合原料的作用。在早期的水泥生产中，厂商通常用水把原料调成泥浆，因为水作为介质可以更好地把原料均质化。但是这种湿法工艺消耗更多燃料，因此被逐渐淘汰了。

窖炉的温度控制也是关键点之一。硅酸三钙只有在1450C的高温时才会形成。当温度下降到1200C时部分硅酸三钙会降解成硅酸二钙和氧化钙。所以在窖炉末端出口处成品clinker需要快速冷却。尽管如此，硅酸二钙和氧化钙的形成是不可避免的。

波特兰水泥的最后一道生产工序是把clinker磨粉。这与原料磨粉是同样目的，为了促进分子水平上的化学反应，不过在这里是硅酸盐的水合反应hydration。如果不同批次的成品中硅酸三钙比例差别过大，工厂可以在包装之前再次混合不同批次的产品。

工业产品是一国综合实力的象征。我们看到，虽然波特兰水泥的基本化学原理很简单，其生产实现过程要复杂得多。这是一个高能耗，高污染，同时对设备，技术和管理要求极高的产品。生产技术水平主要体现在成本控制和品质控制两个方面。水泥产品是一种低价值的基础建筑产品，大多数情况下在本地生产和销售。大型水泥跨国公司通过收购当地的水泥厂商进入本地市场。英国作为水泥工业的发源地，满足于本国技术和优质原料，面对20世纪德法日等国的技术进步而反应迟缓。其后果是英国的水泥工业主体已经沦为国际大公司（来自德国和法国）的生产部门，这与英国的国际地位是相关的。

随着环保理念的发展，水泥工业对环境的影响也逐渐引起关注。如何减少对自然环境的影响体现出水泥生产体系的成熟程度。在英国，许多开采过的石场被开辟成公园。对其他工业废物的利用也是现代水泥工业的一个特点。这方面的典型例子是钢铁工业的废物，炼钢过程中产生的鼓风炉炉渣blast-furnace slag。炉渣的形成机理与成分与火山灰很类似。所以水泥工业直接将炉渣磨粉，按比例与普通波特兰水泥混合。

最后谈谈白色波特兰水泥。它可以算是水泥生产品质控制的一个极端例子，也是水泥的装饰性用途的基础产品。

普通波特兰水泥OPC的颜色是灰色的。它与英国出产的一种石材波特兰石的颜色很类似，正好适合英国人保守内敛的审美观。普通波特兰水泥与彩色颜料混合的效果也不美观。20世纪初，法国的La Farge水泥公司开发出白颜色的波特兰水泥。这种水泥与彩色颜料混合后产生很好的装饰效果。

白色波特兰水泥与普通波特兰水泥的对比

白色波特兰水泥的生产对原料要求较之普通波特兰水泥要苛刻。水泥的灰色调来自于石灰岩和粘土中的杂质形成的化合物，具体而言是铬，镁，铁，铜等金属化合物。工厂在分析石灰岩成分后，会只采用这类金属氧化物比例相当低的批次作为原料。举铁氧化物为例，普通波特兰水泥的石灰石原料可以容许0.3%的氧化铁杂质，而白色波特兰水泥则要求石灰岩中的氧化铁含量不超过0.1%。对粘土的要求尤其不同。生产白色波特兰水泥的粘土是作为瓷器原料的高岭土。不过高岭土中二氧化硅的比例偏低，因此原料中需要加入沙子。这是相当纯净的二氧化硅。原料磨粉机械通常采用铬合金钢作为磨具原料。因为沙子的硬度很高，会导致铬合金钢的磨损，而磨损部分会混入磨粉原料中，这正是工厂所要竭力避免的情形。通常的解决办法是把沙子用陶瓷磨具单独磨粉，然后与其他原料混合。

白色波特兰水泥的生产也要求更高的窖炉温度。这是因为原料铁杂质少导致窖炉中较少的熔岩产生，这不利于clinker的形成。补偿方式就是提高窖炉温度。

对白色波特兰水泥颜色品质的评定是以重晶石粉末的颜色为100%标准。欧盟标准白色波特兰水泥的白度通常在85%以上。这与我国的国家标准是一致的。

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