水泥是怎么做的

　　常言道，女人是水做的，男人是泥做的，春哥是水泥做的，那水泥又是什么做的呢？使用金相显微镜观察如今最常用到的硅酸盐水泥可以发现，这种水泥主要由三种物质构成。三种物质中含量最多的是硅酸三钙（3CaO·SiO2），占到总量的50%-60%。稍微少一点的是硅酸二钙（2CaO·SiO2），占总量的20%上下。剩余的20%左右由铝酸钙和铁相固熔体构成。虽然大家已经很久没有温习过初中化学，但凭着一点底子还是能够从上面这些化合物的名字中得出结论──做水泥最重要的原料是钙。没错！做水泥需要大量的钙。人要补钙，需要多吃骨头，或者服用三精牌葡萄糖酸钙口服溶液。但水泥卖得还没有肉骨头贵，更遑论蓝瓶的钙了。所以水泥用的钙，就来自于自然界中最便宜、最广泛、也最方便的石灰石矿。

　　我们的祖国地大物博，物产丰富，石灰石矿的蕴藏量更是大得不得了。特别是在四川盆地边缘和贵州山区，经常都能看到一山一山的石灰石。我们知道，石灰石矿的主要成分是碳酸钙，大火一烧就变成了氧化钙，成为水泥中主要的钙质来源。除了石灰石，一些成分与石灰石相近的矿物有时候也可以被用作制造水泥的原料，比如由石灰石变质生成的大理石，或是由海生生物和贝壳堆积而成的白垩土。

　　偶尔有沿海的小水泥厂采用贝壳和珊瑚作为生产水泥的原料。除了钙，水泥中也含有大量的二氧化硅，这些二氧化硅就要靠粘土或者黄土来提供。粘土和黄土中除了含有大量的二氧化硅外还有氧化铝的成分，正好能够提供水泥中铝酸钙成分所需的铝。

　　除了天然的矿物外，现代的水泥生产中还往往会用到一些工业废料。例如，火电厂排出的粉煤灰能够代替粘土提供水泥所需的二氧化硅和氧化铝；煤矿出产的煤阡石也能起到同样的效果。而铝厂炼制氧化铝后排出的赤泥以及生产乙炔和聚氯乙烯排出的电石渣中含有丰富的钙，可以取代部分石灰石原料使用。这些工业废料如果不使用，既占地方又污染环境，因此使用这些工业废料制造水泥是国家大力提倡和支持的。

　　做水泥用的原料是石头和土，这都是死沉死沉的玩意儿，运输起来很不方便。为了节省运输的时间和费用，水泥厂大多就近建在矿山旁边，开采出来的石灰石用传送带或者斗车就能送进水泥厂里。如今的水泥厂大多都使用干法工艺制造水泥，顾名思义嘛，就是生产过程中不能有水，所以原料在送进厂里的第一个步骤就是烘干。石灰石虽然是质地坚硬的石头，但多少含有少量的水分。粘土的水分含量就更大了，有的甚至高达20%。这些原料都得烘干了才能使用。

　　烘干了的石灰石和粘土还不能直接使用，而是要磨成极细的粉末。这样做有两个目的，首先是粉末状的原料更容易精确地控制比例，能够保证水泥的品质稳定；另外更细的颗粒具有更大的表面积，能够在后面的煅烧工艺中与其他原料更充分地反应，从而降低能耗和提高生产效率。磨成粉的石灰石和粘土要按照一定的比例混合起来后，还要进行一些成分的测定，并根据结果添加一些辅料。这些辅料有的是补充原料中不足的成分，例如三氧化二铁或是硅藻土，这样的辅料叫做校正原料。另一些辅料起到加速水泥的生产过程的作用，例如萤石和石膏，这杨的辅料叫做矿化剂。加完了这两种辅料后，还需要把这些原料进行充分的搅拌，术语叫做均化，目的是保证各种成分在原料中均匀的分布。完成了这些步骤后的原料叫做水泥生料，可以直接进入下一道生产工艺了。

　　简单的说，水泥生料在窑里一烧，就变成了水泥熟料。话虽这么说，但实际花费的时间要比我讲这句话要长得多，事儿也复杂得多。回转窑是个大金属筒，一般直径有3-5米，长度在百米上下，也有大个的腰围7米多，身高250米的。

　　回转窑工作的时候，筒身会不停地转动，水泥生料就随着这些转动逐渐从回转窑的一头奔向另一头。回转窑一般烧煤居多，也有烧其他燃料的。煤磨成细粉随空气一起进入窑里燃烧，使回转窑里的温度可以升高到1450℃，所以回转窑中一般都衬有一层耐高温材料。

　　水泥生料在回转窑里变成水泥熟料也不是一蹴而就的事情，需要经过五个步骤。第一步，水泥生料被加热到750℃，生料中的有机物质开始逐渐分解，生料变成黄色粉末状。第二步，温度提升到1000℃，生料中的碳酸钙开始分解，生成氧化钙。第三步，温度继续提高到1300℃，氧化钙开始和粘土中分解出的二氧化硅和氧化铝发生反应，变成硅酸二钙或者铝酸钙。第四步，温度达到1450℃，部分硅酸钙继续和剩余的氧化钙反应，就成了铝酸三钙。这个时候的物料已经从最初的粉末状，变成了类似加热后的玻璃那样的熔融状态。第五步，温度开始降低到1000℃，回转窑中熔融状态的物料逐渐冷却，形成圆球状的颗粒，这就是水泥熟料了。

　　刚才我们说到，从回转窑中出来的圆球状颗粒就是水泥熟料。可但凡见过水泥的人都知道，水泥是一种灰色的粉末。如果你去买水泥，人家给你一袋子这种疙瘩，你肯定不会付账。但是《Geek》说的每一句话都是可以作为呈堂证供的，从回转窑里烧出来的水泥熟料确实就是这副样子。它没有变成粉末，是因为还没有遇到给它三颗痔的人，啊不对，是因为还没有被磨成粉末而已。

　　没错，水泥熟料只要磨成粉，就成了我们常见的水泥。但是磨粉也不是那么简单的事情：磨得太粗了水泥强度不够；磨得太细了，水泥的强度还是不够。所以磨粉最好将颗粒的直径控制在3─30微米之间。除了磨粉，还要在成品中掺进一定比例的石膏，因为纯粹用熟料磨成的水泥会很快凝固成一坨，使用上非常不便，掺入石膏可以延缓水泥的凝固时间。一般来说，掺入的石膏大约是3%-6%。除了石膏，水泥中通常还会掺入一些诸如粒化高炉矿渣或是火山灰之类的混合材料，它们的作用是改善水泥凝固后的特性，增加强度。

　　平常看电视新闻，提到水泥厂时的画面通常是一个旋转着的大圆筒。这个大圆筒叫做球磨机，就是用来将水泥熟料磨成粉的设备。在球磨机的大圆筒中装着很多铁球，这些铁球被旋转的筒身带到高处，再随重力下落，把里面装着的东西打得粉碎。虽然球磨机俨然是水泥厂的标志，但这种东西能耗大，效率低，最近几年已经逐渐被更先进的立磨或是环辊磨代替了。

　　从球磨机或者别的什么磨机中出来，水泥的制造就算完了。但鉴于水泥的特殊性，《Geek》打算再讲讲水泥的包装和运输。对于大多数普通人，见到的水泥大多是装在纸袋中的，常见的规格是一袋25kg。家里装修什么的，也就用个两三袋而已。这样的水泥叫做包装水泥。要是修一栋房子，要的水泥就多了，如果碰上像三峡工程这样的大业务，水泥用量甚至超过600万吨。这样的用量如果还买袋装水泥，浪费纸不说，光拆包装都能拆到手软。所以大量供应水泥时，都是用的散装水泥。散装水泥是粉末装的，所以只能在密闭的罐子里进行运输。为了方便装卸，这些专门用于运输散装水泥的车辆或是船舶还附带有气动装卸装置，只要接上管子，水泥就能直接卸到散装水泥库里。

　　P.S.

　　现代水泥生产中，会把第一步和第二步从回转窑中移出，在单独的窑外分解窑中完成。这样的设计能够降低回转窑的负担，成倍提高生产能力，还能降低能耗。