水泥工艺学教案
课前的话 一、课程介绍
1.水泥工艺学简介
工艺：工作艺术，即复杂问题简单化；学：原理 2.研究范围
⑴水泥生产工艺
经济性：优质、高产、低耗、环保 ⑵理论研究
熟料形成化学：工艺流程（两磨一烧）简介 水泥水化硬化：工程应用基础 ⑶新品种、新工艺技术研究 3.教学地位
水泥专业：主导性学科，具有指导性
水泥专业人才培养：应知——理论课讲授、资料查阅； 应会——①水泥厂岗位操作（技术员vs工人） ②生产技术管理 ③工程设计（工艺） ④科研能力
⑤成果交流能力：技术鉴定、专利申请、论文?? 4.教学内容
第一系列：硅酸盐类水泥 第二系列：铝酸盐类水泥 第三系列：硫铝酸盐水泥 其它
讲授：硅酸盐水泥
学习方法：掌握共性的部分
熟料的组成
原料配料
生产与质量控制 水化与硬化 性能及应用
对于工艺来说，技术员掌握的是方法：一是理论指导下的方法（如相图），二是生产实践中来的经验方法（如由3d强度统计推算28d强度等）。 5.学习方法
授课 阅读、实习、作业、考试（检查教与学的方法） ⑴ 参考资料：《水泥工艺学》（沈威等编著，武汉理工大学出版社）；《特种水泥》（胡曙光等编著，武汉工业大学出版社）；《水泥》、《水泥工程》、《水泥技术》、《新世纪水泥导报》、《硅酸盐学报》、《World Cement》、《Cement and Concrete Research》等 ⑵作业：角色的转化与定位：技术员 6.课程目标
⑴ 知识目标
? 掌握硅酸盐水泥的国家标准、生产方法、生产工艺流程； ? 掌握硅酸盐水泥熟料的组成及矿物的性能；
? 掌握水泥熟料煅烧、水泥水化硬化、水泥性能及应用等基本知识； ? 理解其他通用水泥的性能及使用范围；理解特种品种水泥生产技术。 ⑵ 能力目标
? 学会水泥熟料组成设计、配料计算，能够应用于水泥实际生产中。 ? 学会水泥生产基本操作技能，能够进行生产质量控制和管理。 ⑶ 德育目标
? 培养学生具有严谨认真的工作作风；科学求实的态度；严明的法律意识；具有良好的职业道德；团队协作精神；
? 培养学生具有科学创新意识和创新精神。 ? 学会用科学的方法论去分析问题，具备优良的心理素质，从容应对实际生产中可能出现或不可预料的问题发生。
§1 绪论
一、胶凝材料的定义和分类
1.定义
胶凝材料——是指在物理、化学作用下，浆体变成坚固石状体，并能胶结其他物 料且具有一定机械强度的物质。又称胶结料。 举例：石灰、水泥、沥青、树脂、石膏等。 特点：①自身可硬化；②胶结其它物料硬化。 2.分类
依据组成、硬化条件分：
二、胶凝材料发展简史
天然粘土时期：新石器时代（4000—10000年前） 如泥巴墙；
石膏-石灰时期：公元前2000-3000年 如埃及金字塔，中国长城等； 石灰-火山灰时期：公元初 如罗马“庞贝”城及圣庙，中国的“三合土”（石灰＋黄土＋细砂）等；
天然水泥时期 ：18世纪后期 粘土含量在20～25％的石灰石（泥灰岩）煅烧、磨细制得。如灯塔；
现代水泥时期：19世纪初开始 （多品种水泥） 水泥的发明：19世纪初（1810～1824年），用人工配合粘土与石灰石经煅烧、磨细以制造水硬性胶凝材料已经开始组织生产。
1824年，英国人阿斯普丁（Joseph. Aspdin）将粘土与石灰石配合烧制成块（熟料），再经磨细而成水硬性胶凝材料，加水拌和后能硬化制成人工石，并具有较高强度，其外观与当时建筑上常用的英国波特兰岛上出产的岩石相似，故称之为“波特兰水泥”（Portland Cement, 我国称为硅酸盐水泥），并于1824年10月21日首先获得该产品
的专利权。首批大规模使用的实例是1825～1843年修建的泰晤士河隧道工程。 1843年实现工业生产。
不同用途水泥的发展：如快硬水泥（铝酸盐水泥：1907年法国 Lafarge）、抗硫酸盐水泥（硫铝酸盐水泥：20th70年代中国发明）、低热水泥、油井水泥等。
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水泥的发明
现代水泥的发明有一个渐进的过程，并不是一蹴而就的。 水硬性石灰
18世纪中叶，英国航海业已较发达，但船只触礁和撞滩等海难事故频繁发生。为避免海难事故，采用灯塔进行导航。当时英国建造灯塔的材料有两种：木材和“罗马砂浆”。然而，木材易燃，遇海水易腐烂；“罗马砂浆”虽然有一定耐水性能，但尚经不住海水的腐蚀和冲刷。由于材料在海水中不耐久，所以灯塔经常损坏，船只无法安全航行，迅速发展的航运业遇到重大障碍。为解决航运安全问题，寻找抗海水侵蚀材料和建造耐久的灯塔成为18世纪50年代英国经济发展中的当务之急。对此，英国国会不惜重金，礼聘人才。被尊称为英国土木之父的工程师史密顿（J. Smeaton）应聘承担建设灯塔的任务。
1756年，史密顿在建造灯塔的过程中，研究了“石灰－火山灰－砂子”三组分砂浆中不同石灰石对砂浆性能的影响，发现含有黏土的石灰石，经煅烧和细磨处理后，加水制成的砂浆能慢慢硬化，在海水中的强度较“罗马砂浆”高很多，能耐海水的冲刷。史密顿使用新发现的砂浆建造了举世闻名的普利茅斯港的漩岩（Eddystone）大灯塔。
用含黏土、石灰石制成的石灰被成为水硬性石灰。史密顿的这一发现是水泥发明过程中知识积累的一大飞跃，不仅对英国航海业做出了贡献，也对“波特兰水泥”的发明起到了重要作用。然而，史密顿研究成功的水硬性石灰，并未获得广泛应用，当时大量使用的仍是石灰、火山灰和砂子组成的“罗马砂浆”。 罗马水泥
1796年，英国人派克（J. Parker）将称为Sepa Tria的黏土质石灰岩，磨细后制成料球，在高于烧石灰的温度下煅烧，然后进行磨细制成水泥。派克称这种水泥为“罗马水泥”（Roman Cement），并取得了该水泥的专利权。“罗马水泥”凝结较快，可用于与水接触的工程，在英国曾得到广泛应用，一直沿用到被“波特兰水泥”所取代。
差不多在“罗马水泥”生产的同时期，法国人采用Boulogne地区的化学成分接近现代水泥成分的泥灰岩也制造出水泥。这种与现代水泥化学成分接近的天然泥灰岩称为水泥灰岩，用此灰岩制成的水泥则称为天然水泥。美国人用Rosendale和Louisville地区的水泥灰岩也制成了天然水泥。在19世纪80年代及以后的很长一段时间里，天然水泥在美国得到广泛应用，在建筑业中曾占很重要的地位。 英国水泥
英国人福斯特（J. Foster）是一位致力于水泥的研究者。他将两份重量白垩和一份重量黏土混合后加水湿磨成泥浆，送入料槽进行沉淀，置沉淀物于大气中干燥，然后放入石灰窑中煅烧，温度以料子中碳酸气完全挥发为准，烧成产品呈浅黄色，冷却后细磨成水泥。福斯特称该水泥为“英国水泥”（British Cement），于1822年10月22日获得英国第4679号专利。
“英国水泥”由于煅烧温度较低，其质量明显不及“罗马水泥”，所以售价较低，销售量不大。这种水泥虽然未能被大量推广，但其制造方法已是近代水泥制造的雏型，是水泥知识积累中的又一次重大飞跃。福斯特在现代水泥的发明过程中也是有贡献的。 波特兰水泥（硅酸盐水泥）
1824年10月21日，英国利兹（Leeds）城的泥水匠阿斯谱丁（J. Aspdin）获得英国第5022号的“波特兰水泥”专利证书，从而一举成为流芳百世的水泥发明人。
他的专利证书上叙述的“波特兰水泥”制造方法是：“把石灰石捣成细粉，配合一定量的黏土，掺水后以人工或机械搅和均匀成泥浆。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完全逸出。煅烧后的烧块在将其冷却和打碎磨细，制成水泥。使用水泥时加入少量水分，拌和成适当稠度的砂浆，可应用于各种不同的工作场合。”
该水泥水化硬化后的颜色类似英国波特兰地区建筑用石料的颜色，所以被称为“波特兰水泥”。
阿斯谱丁在英国的Wakefield建设了第一个波特兰水泥厂。后来，他的儿子在英国的Grateshead又建设一个厂，1856年在德国再建设一个厂，并在那里度过了他的晚年。
阿斯谱丁父子长期对“波特兰水泥”生产方法保密，采取了各种保密措施：在工厂周围建筑高墙，未经他们父子许可，任何人不得进入工厂；工人不准到自己工作岗位以外的地段走动；为制造假象，经常用盘子盛着硫酸铜或其他粉料，在装窑时将其撒在干料上。
阿斯谱丁专利证书上所叙述的“波特兰水泥”制造方法，与福斯特的“英国水泥”并无根本差别，煅烧温度都是以物料中碳酸气完全挥发为准。根据水泥生产一般常识，在该温度条件下制成的“波特兰水泥”，其质量不可能优于“英国水泥”。然而在市场上“波特兰水泥”的竞争力大于“英国水泥”。1838年重建泰晤士河隧道工程时，“波特兰水泥”价格比“英国水泥”要高很多，但业主还是选用了“波特兰水泥”。很明显，阿斯谱丁出于保密原因在专利证书上并未把“波特兰水泥”生产技术都写出来，他实际掌握的水泥生产知识比专利证书上表明的要多。阿斯谱丁在工程生产中一定采用过较高煅烧温度，否则水泥硬化后不会具有波特兰地区石料那样的颜色，其产品也不可能有那样高的竞争力。
不过，根据专利证书所载内容和有关资料，阿斯谱丁未能掌握“波特兰水泥”确切的烧成温度和正确的原料配比。因此他的工厂生产出的产品质量很不稳定，甚至造成有些建筑物因水泥质量问题而倒塌。
在英国，与阿斯谱丁同一时代的另一位水泥研究天才是强生（I. C. Johnson）。他是英国天鹅谷怀特公司经理，专门生产“罗马水泥”和“英国水泥”。1845年，强生在实验中一次偶然的机会发现，煅烧到含有一定数量玻璃体的水泥烧块，经磨细后具有非常好的水硬性。另外还发现，在烧成物中含有石灰会使水泥硬化后开裂。根据这些意外的发现，强生确定了水泥制造的两个基本条件：第一是烧窑的温度必须高到足以使烧块含一定量玻璃体并呈黑绿色；第二是原料比例必须正确而固定，烧成物内部不能含过量石灰，水泥硬化后不能开裂。这些条件确保了“波特兰水泥”质量，解决了阿斯谱丁无法解决的质量不稳定问题。从此，现代水泥生产的基本参数已被发现。
1909年，强生98岁高龄时，向英国政府提出申诉，说他于1845年制成的水泥才是真正的“波特兰水泥”，阿斯谱丁并未做出质量稳定的水泥，不能称他为“波特兰水泥”的发明者。然而，英国政府没有同意强生的申诉，仍旧维持阿斯谱丁具有“波特兰水泥”专利权的决定。英国和德国的同行们对强生的工作有很高评价，认为他对“波特兰水泥”的发明做出了不可磨灭的重要贡献。
水泥工艺学教案
