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水泥化学成分(简单的水泥制作方法)

原创投稿 wpadmin 3个月前 (02-21) 42次浏览 0个评论

水泥化学成分(简易水泥制造方法)工程房屋2018-12-05 21:23

水泥化学成分(简单的水泥制作方法)

在混凝土的技术演进中,中国发挥了巨大的作用:开发了具有减水、缓凝、引气功能的外加剂,控制了混凝土的凝结时间;优化骨料级配,提高混凝土流动性和密实度;对泵管进行了改进,在泵管上密集分布传感器,用于测量和监测混凝土的泵压和泵管的磨损情况…解决了高性能泵送混凝土的各种“顽疾”。

中国的混凝土技术如此强大,但你知道为什么技术含量高、接地气的混凝土能帮助人们建造这么多高楼吗?让我们从头开始。

(一)古代很难建造高楼,主要是因为没有“水泥

熟悉历史的人都知道,在古代,建筑的主流是平房。如果你想在二楼或三楼建房子,那会花很多钱。即使一个强大的国王或教皇想建造一座摩天大楼宫殿或教堂,它往往只是高高在上,但实际上它仍然是一个单一的内部故事。至于普通的房子,尤其是北方树木稀少的地方,从里到外都是单层的。

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(作为古建筑的巅峰代表,教堂内部也是单层结构)

但是在20世纪,高层建筑突然变得毫无价值。城市里的普通房子建在20层或30层是很常见的,摩天大楼往往有500-600米高。

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究竟是什么把人们从土坯房搬到了连皇帝都住不下的高楼大厦?

答案水泥的发明。更多信息请关注微信微信官方账号:建筑工程之家

古建筑不能覆盖多层的最根本原因是缺少一种东西:受弯构件,也就是梁和楼板。

墙壁和柱子很容易处理。可以使用石头、砖块甚至夯土。但是你不能把砖砌成吊空板,更不能把家具和人放在上面。可以想象,如果有人这样做,“砖梁”的下部就会开裂,然后砖块就会掉落。在古代,梁和地板只由木头制成。木材内部的纤维结构使其勉强承受拉应力,但天然的长木材本身就非常珍贵,而且木材非常柔软,很难推广高层木结构。建造一座10层的木塔,需要全国上下的努力才能完成。难怪普通人只能住平房。

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(梁的应力图。梁的底部受到张力。古代,砖和石头都拉不动,只有木头勉强能做到)

这种主流的建筑形式一直延续到19世纪,直到1824年,英国园丁asp丁将石灰石和粘土混合并煅烧,发明了我们当代人使用的水泥。从那以后,这种神奇的材料大大改变了建筑的外观。

只需将这种灰色粉末与水、沙子和石头混合,倒入你想要的形状,几天后它就会变得像岩石一样坚硬。只要里面有几根钢筋,无论是梁、板、柱还是墙,都可以自己完成所有的工作。理论上来说,只要设计合理,计算准确,房子是用混凝土建造的,想建多少层就建多少层。

水泥化学成分(简单的水泥制作方法)

(左边是水泥,加了砂、石、水后叫混凝土。别搞错了。)

这一切“现代科技奇迹”本质上都来自于这种灰色粉末水泥的硬化性能。你有没有想过为什么水泥很硬?

(2)就成分而言,“水泥”到底是什么?

我们通常看到的水泥也被称为波特兰水泥。化学上讲,它的主要成分是硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙和铝酸四钙铁,这是以前的主要成分。

可以看出,水泥中有两种最重要的成分:钙和硅。相应地,水泥是由两种原料制成的:一是石灰石,即碳酸钙;第二个是粘土矿物,也就是硅的供应商。在1450℃的高温下,石灰石分解成氧化钙和二氧化碳,其中二氧化碳排出,氧化钙在高温下继续与粘土矿物反应熔融,形成具有胶凝性的物质,形象地称为“熟料”。

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(这些石头一样的东西是水泥熟料)

然后用大功率鼓风机高速冷却熟料。这样,高温下不稳定的微观结构得以保持。只有保持活性微结构,水泥才能具有水化活性,才能与水发生反应,在未来凝结硬化。如果冷却速度慢,水泥内部的分子结构会逐渐变得规整,硅原子之间的结合会变得非常稳定,在稳定的极致会变成最惰性的东西——沙子。急冷后,将熟料磨成几微米至几十微米厚的粉末,加入少量石膏控制反应时间

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(水泥颗粒的微观形态看起来像光滑的鹅卵石)

这样,水泥的生产就完成了。

(3)一个研究了几百年的问题:“水泥”为什么硬?

数百名科学家已经研究这个问题数百年了,细节仍有争议。但基本过程已经形成共识。一般来说,水泥的水化就像一群刺猬,它们从光滑的肉球上长出刺,然后通过这些“刺”相互粘在一起。然而,这些刺猬只有几微米大小,它们的刺只有几纳米大小。因此,从宏观角度来看,它是一块无缝的坚硬岩石。更多信息请关注微信微信官方账号:建筑工程之家

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(水泥的胶结机理与苍耳相似)

施工前,我们将水泥与水和一些砂石混合(通常是1份水和2-3份水泥)。而硬化主要靠水泥和水。水泥粉刚接触水时,表面会轻微溶解,颗粒中的钙离子会溶解到水中,形成强碱性溶液。在碱性溶液的刺激下,水泥颗粒表面那些活性硅氧键会断裂,硅也会进入溶液与水结合。

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(水泥中最不活跃的硅氧键就属于这种应时。无论你用多强的碱刺激它,它永远不会溶解)

短短几个小时内,水中的钙和硅的浓度变得相当高。这时,它们会结合形成无数水合硅酸钙(C-S-H)的小颗粒,覆盖在水泥表面,形成C-S-H薄壳。接下来的几个小时,水泥颗粒逐渐溶解收缩,开始离这个薄壳越来越远;组成这个薄壳的无数小颗粒就像无数的种子,纤细的C-S-H纤维不仅向外生长,而且向内生长。向内生长的纤维将水泥颗粒与薄壳紧密连接,而向外生长的纤维将不同的水泥颗粒连接在一起。

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(在水泥水化的微观过程中,可以看到水泥颗粒和外壳)

随着时间的推移,水泥和水逐渐被消耗,这些纤维之间的联系越来越紧密,最终形成一个坚固的整体,即使在电子显微镜下也无法区分。这时,产品被称为“水泥石”。在我们看到的尺度上,水泥是“冻硬”的。随着水的消耗,水泥浆的黑色外观逐渐褪色,变成灰色。经过必要的维护,这种混凝土可以使用。

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(水泥强度形成过程中,带有“毛刺”的水泥颗粒相互重叠)

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(新混凝土和硬化混凝土)

(四)实际上,“水泥”是一种“活的材料”

仅仅一个星期,像泥浆一样的混凝土就能像石头一样为我们承受建筑和道路的重量。事实上,外表平静的混凝土内部反应并没有停止。

随着水泥颗粒越来越小,水和水泥颗粒开始被水化产物分离——这些越来越致密的C-S-氢纤维。水泥颗粒有大有小,水泥颗粒越大,剩下的就越多:对于那些10微米以下的小颗粒,一个月之内就能完全反应,转化为强水泥浆;对于20微米的颗粒,其中54%仍未反应。但是那些60微米以上的水泥颗粒非常可怜,90%以上没有参与反应。因此,为了避免这种“浪费”,很多水泥生产厂家将水泥尽可能的细磨,将大颗粒粉碎,既增加了水泥的利用效率,又提高了强度。在此基础上,还可以减少水泥用量,节约成本。多做一件事不是很美吗?

但是,这些未反应的大水泥真的没用吗?并非如此。

在使用中,由于外部载荷、自老化等原因,材料会产生各种裂纹和缺陷,进而影响性能。

对于一般的材料来说,一旦性能下降,无论如何维持,最多只能维持现在的状态,人生病了是不可能被医生“治愈”的。

但是具体就不一样了。裂缝出现后,空空气中的水分会进入混凝土。这时,原本没有反应的大尺寸水泥就派上用场了。它们被裂缝暴露,与水反应,然后使裂缝愈合。混凝土的“病”能自行治愈,既能控制裂缝发展,又能恢复到更好的状态,这不是很神奇吗?20世纪50年代建造的一些建筑当时强度不高。然而60多年过去了,现在强度却达到了顶峰。这背后是这些大型水泥在起作用

然而,如果水泥颗粒研磨得太细,虽然当时的强度已经上升,但在那之后,掺有这种水泥的混凝土很难具有上述的自愈合能力。从这个角度来看,混凝土似乎是活的。它有自己的出生、成长、强壮、衰老和死亡的过程,生病时可以“治疗”。如果一块混凝土早期强度增长过快,后期将难以为继,甚至会“过早老化”,过早强度下降,甚至辞职。不就像人的一生吗?

来源:中国水泥网

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