波特兰水泥

波特兰水泥是使用最广泛的通用水泥，也是现代建筑的基础材料。它是一种水硬性胶凝材料：与水混合后，会发生水化反应，使混合物凝结并逐渐硬化。在实际应用中，它主要与骨料和水混合制成混凝土，但也用于砂浆、石膏、找平层、灌浆料、预制构件、道路、大坝、地基、建筑物、桥梁和其他基础设施。 这种材料是在英国从早期的水硬性石灰和天然水泥发展而来的。约瑟夫·阿斯普丁于1824年获得了波特兰水泥的英国专利，并选择这个名称是因为硬化后的材料据说类似于波特兰石，一种采自多塞特郡波特兰岛的浅色石灰岩。阿斯普丁的产品是重要的先驱，而非现代波特兰水泥的化学等效物。他的儿子威廉·阿斯普丁以及后来的制造商，包括艾萨克·查尔斯·约翰逊，在19世纪40年代推进了该工艺，并完善了富含硅酸钙的熟料的高温生产。 现代波特兰水泥通常由石灰石与粘土、页岩、砂、含铁材料或其他校正材料混合制成。原料混合物在窑中加热，首先煅烧石灰石，然后在大约1450°C的温度下烧结成熟料。主要的熟料相是阿利特、贝利特、铝酸三钙和铁铝酸四钙。冷却后，熟料与一定量的石膏或其他硫酸钙源一起细磨。硫酸盐调节凝结并有助于防止不良的闪凝。熟料通常占成品水泥的绝大多数，允许的添加物因标准和产品类型而异。 最常见的形式是灰色普通波特兰水泥，但也生产白色波特兰水泥和特殊配方。标准根据预期性能区分类型，包括通用型、高早强型、低热型和抗硫酸盐型。确切的分类在ASTM和欧洲标准等体系之间有所不同。 波特兰水泥已成为全球重要的材料，因为其原材料广泛可用，制造工艺可扩展，且产品提供可预测的强度和耐久性。然而，水泥制造是能源和排放密集型的，特别是因为石灰石煅烧释放二氧化碳，且窑需要高温。因此，该行业使用辅助胶凝材料、替代燃料、改进的窑技术、减少熟料用量和其他措施来减少环境影响。2023年，全球波特兰水泥产量据报道约为44亿吨，使其成为世界上按质量计最大的制造材料之一。它仍然活跃且无处不在，尽管混合水泥和低熟料水泥在许多市场中越来越多地补充或替代传统配方。

波特兰水泥源于18世纪和19世纪初英国开发可靠水硬性胶凝材料的努力。1756年，约翰·斯米顿为埃迪斯通灯塔进行的石灰石和火山灰材料实验证明了选择并组合能在潮湿条件下硬化的原材料的重要性。随后出现了其他水硬性产品，包括詹姆斯·帕克于1796年获得专利的罗马水泥，以及与詹姆斯·弗罗斯特、埃德加·多布斯和路易·维卡相关的人造水硬性石灰。 波特兰水泥的名称在19世纪20年代初已在使用。约瑟夫·阿斯普丁于1824年为该材料申请了专利，并解释其名称源于与波特兰石的相似性。他的水泥在较低温度下生产，与现代波特兰水泥不同，但该专利确立了术语和技术发展的重要阶段。约瑟夫的儿子威廉·阿斯普丁后来独立经营，并在19世纪40年代生产了更强的富含硅酸钙的材料。他的工作以及随后归功于艾萨克·查尔斯·约翰逊的改进，使生产向现代水泥的成分和煅烧条件发展。 制造知识通过英国和欧洲大陆传播。1859年，为伦敦下水道工程准备的要求帮助建立了波特兰水泥的实用规范。德国制造商也制定了标准；德国水泥制造商协会于1878年发布了波特兰水泥标准。窑技术是一个重大转折点。霍夫曼式窑改善了燃烧控制，而弗雷德里克·兰塞姆于1885年在英国和1886年在美国的旋转窑专利使得更连续的生产成为可能，并最终在工业规模上生产出更均匀的熟料。 波特兰水泥在19世纪从英国和德国出口到美国。美国的生产在19世纪70年代和80年代扩大，包括密歇根州卡拉马祖附近的鹰牌波特兰水泥和宾夕法尼亚州科普莱水泥公司（由大卫·O·塞勒经营）的生产。到20世纪初，美国国内生产已取代了大部分进口材料。 现代工艺使用精心配比的原料混合物，通常以石灰石为主，并辅以粘土或其他铝硅酸盐和含铁材料。混合物在窑中煅烧和烧结形成结节状熟料。然后将熟料与石膏或硬石膏一起研磨以控制凝结。当加水时，熟料矿物溶解并形成水化硅酸钙、钙矾石、氢氧化钙及相关水化产物。这些产物相互交织并填充孔隙空间，产生混凝土和砂浆所需的凝结和强度发展。 波特兰水泥成为全球建筑中的主要水泥，因为它结合了可用性、相对低成本、可扩展的制造和适应性强的性能。其主导地位也带来了环境挑战。石灰石脱碳和燃料燃烧使水泥生产成为工业温室气体排放的重要来源。因此，当前的发展强调减少熟料含量、使用辅助胶凝材料、替代燃料、提高工艺效率、碳捕获以及允许更广泛的低排放水泥类型的标准。波特兰水泥仍被广泛使用，但越来越多地在更广泛的混合水泥和基于性能的水泥家族中运作。

• 2023

  全球产量达到约44亿吨

  [1]Portland cementen.wikipedia.org

  据报道，波特兰水泥产量达到约44亿吨，说明了该材料非凡的全球规模。

• 1885

  旋转窑专利

  [1]Portland cementen.wikipedia.org

  弗雷德里克·兰塞姆在英国获得了旋转窑专利，有助于实现连续的工业熟料生产。

• 1878

  德国波特兰水泥标准

  [1]Portland cementen.wikipedia.org

  德国水泥制造商协会发布了波特兰水泥标准，支持生产和贸易中更大的一致性。

• 1859

  伦敦下水道规范

  [1]Portland cementen.wikipedia.org

  为伦敦下水道项目使用的波特兰水泥制定的要求成为重要的实用规范。

• 1840

  威廉·阿斯普丁推进材料发展

  [1]Portland cementen.wikipedia.org

  威廉·阿斯普丁开发了更强的富含硅酸钙的水泥，并帮助将产品推向现代波特兰水泥。

• 1824

  约瑟夫·阿斯普丁的波特兰水泥专利

  [1]Portland cementen.wikipedia.org

  约瑟夫·阿斯普丁为一种水泥申请了专利，因其外观与波特兰石相似而命名为波特兰水泥。

• 1796

  罗马水泥专利

  [1]Portland cementen.wikipedia.org

  詹姆斯·帕克为罗马水泥申请了专利，这是一种有影响力的早期水硬性水泥，后来与波特兰水泥竞争并大部分被其取代。

• 1756

  斯米顿的水硬性石灰实验

  [1]Portland cementen.wikipedia.org

  约翰·斯米顿在为埃迪斯通灯塔开发耐用胶凝材料时研究了石灰石和火山灰材料的组合，为波特兰水泥的演变奠定了技术基础。

一种标准化的、大众市场的水硬性胶凝材料，定位为混凝土和其他水泥基建筑产品的通用且经济的基材。

• 通用水泥

  普通波特兰水泥

  标准的灰色形式，用于广泛的混凝土、砂浆、石膏、灌浆料、预制构件和基础设施应用。它通过将波特兰熟料与调节凝结的硫酸钙添加物一起研磨制成，适用于没有特殊热、硫酸盐、颜色或强度发展要求的情况。

• 特种水泥

  白色波特兰水泥

  一种颜色较浅的波特兰水泥，通过严格控制原材料中的含铁和其他着色杂质制成。用于外观重要的场合，包括建筑混凝土、装饰产品、水磨石、抹灰和瓷砖相关应用。

• 中间水泥产品

  波特兰水泥熟料

  窑中生产的含有主要水硬性矿物相的结节。熟料冷却后与石膏或其他硫酸盐源一起研磨制成成品水泥。其相组成强烈影响强度发展、放热、凝结行为和对侵蚀性环境的抵抗力。

• 建筑材料

  波特兰水泥混凝土

  由波特兰水泥、水和砂、砾石等矿物骨料制成的复合材料。可浇注成结构性和非结构性形式，包括梁、板、路面、地基、大坝、道路和街道设施。水泥水化将骨料粘结成硬化体。

1. 1Portland cementen.wikipedia.org