【阅前提示】本篇出自『数理化自学丛书6677版』，此版丛书是“数理化自学丛书编委会”于1963-1966年陆续出版，并于1977年正式再版的基础自学教材，本系列丛书共包含17本，层次大致相当于如今的初高中水平，其最大特点就是可用于“自学”。当然由于本书是大半个世纪前的教材，很多概念已经与如今迥异，因此不建议零基础学生直接拿来自学。不过这套丛书却很适合像我这样已接受过基础教育但却很不扎实的学酥重新自修以查漏补缺。另外，黑字是教材原文，彩字是我写的备注。

【山话嵓语】『数理化自学丛书』其实还有新版，即80年代的改开版，改开版内容较新而且还又增添了25本大学基础自学内容，直接搞出了一套从初中到大学的一条龙数理化自学教材大系列。不过我依然选择6677版，首先是因为6677版保留了很多古早知识，让我终于搞明白了和老工程师交流时遇到的奇特专业术语和计算模式的来由。另外就是6677版的版权风险极小，即使出版社再版也只会再版80年代改开版。我认为6677版不失为一套不错的自学教材，不该被埋没在故纸堆中，是故才打算利用业余时间，将『数理化自学丛书6677版』上传成文字版。 

第六章硅和硅的化合物 

§6-4硅酸盐工业

【01】把硅石和天然的硅酸盐为原料进行加工，在化学工业中叫做硅酸盐工业。硅酸盐工业的制品有陶瓷、耐火材料、玻璃和水泥等。这些加工产品在治金、电气、建筑和水利等方面都有广泛的用途，对国民经济的发展有着极重大的作用。

【02】现在，我们把上面这几种产品的制法、性能分别作简单的介绍。

陶瓷

【03】我们日常所看到的砖瓦、砂埚、瓷碗、茶壶以及绝缘瓷（俗称白料）等都是陶瓷制品。它们都是用粘土作原料，混入少量细砂，用水调和塑成所需要的各种形状，然后把它阴干，再在高温下烧结而成。这样的成品变得十分坚硬，遇水也不再会变软。由于所用粘土的纯净程度与烧结时的温度不同，可分别制得陶器或瓷器。

【04】陶器是用普通粘土，在1000℃以下，放在窑里烧结而成的。它是一种多孔的物质，容易渗水。为了弥补这个缺点，可以在陶器表面加一层透明的保护物，这层保护物叫做釉。釉是用长石、石英、硼砂、氧化锌等为原料制成的。方法是：把原料磨成细粉，用水调和，涂在陶器的表面，然后放在窑里烧结烧好后，在陶器表面就会形成一层透明有光彩不渗水的釉。

【05】瓷器是用纯净的粘土加入一定量的石英和长石的粉末，把它们搅拌均匀，塑成一定形状的物品，干燥，上釉，然后放在窑里在1200℃到1400℃的高温下烧结而成。

【06】瓷器是我国劳动人民的伟大发明之一，远在一千年以前，我国的瓷器制造就很发达，并且质地洁白，光亮，很致密，象玉石一样，品种多而有特色。解放后，在品种、数量以及质量上都有很大的提高。全国瓷器产地很多，其中江西省景德镇市出产的瓷器，闻名全球。

耐火材料

【07】耐火材料是指能耐1580℃以上高温，并能保持一定强度的材料。广泛用作钢铁工业上的炉衬，耐火砖，耐火容器等。耐火材料是用粘土、石英、氧化铝、氧化镁、白云石等为原料，按要求加以配制的。由于所用配料不同，制得的耐火材料的性质也各各不同。制造方法与制陶瓷相似（不需用釉）。但在窑中烧结的时间和温度应随原料的种类不同而不同。通常须烧结1~2星期，温度低于1500℃。

玻璃

【08】玻璃的种类很多。有钠玻璃（普通玻璃）、钾玻璃、铅玻璃、硅硼玻璃等等。制造钠玻璃的原料是SiO₂(砂)、Na₂CO₃(苏打)和CaCO₃(石灰石)。把它们按一定比率混和后，在特制的高温炉内加热，所起反应可用化学方程式表示如下：

【09】得到的Na₂SiO₃，CaSiO₃和过量的SiO₂的混和物是粘稠的液体，冷却后即得钠玻璃。如果把玻璃熔化时所成的粘稠液体放在模子里，用吹或压的方法就可制得不同形状的制品。钠玻璃的熔点较低，大都用作窗玻璃和做玻璃容器。

【10】如果用K₂CO₃代替Na₂CO₃，就可制得熔点较高的钾玻璃，可用作制造化学仪器。如果用PbO(氧化铅)代替CaCO₃，就可制得折光率很大的铅玻璃，亦可用来制造光学仪器。如果在原料里加入Na₂B₄O₇(硼砂)，就可制得熔点高，能耐酸，耐碱性强的硅硼玻璃，它是高级化学仪器玻璃。

【11】有些玻璃具有各种颜色，这是因为含有某些金属氧化物的缘故。例如，在原料里加入微量的Cr₂O₃(氧化铬)，可制得绿色的玻璃；加入Cu₂O(氧化亚铜)，可制得红色的玻璃。普通玻璃常带有一些绿色，因为使用的原料里含有少量铁的化合物。

【12】另外还有一种叫钢化玻璃，它性质坚韧，能耐骤冷骤热，广泛应用于化工设备、汽车、飞机的窗用玻璃上。使用这种玻璃可确保安全。

【13】玻璃还可制成玻璃纤维。方法是把熔化状态下的玻璃经特制的细孔压出并拉成丝。它是热和电的绝缘体，在航空、造船和电机工业中用途很广。

水泥

【14】水泥俗名水门汀，是建筑业上不可缺少的材料。制造水泥的原料主要是石灰石和粘土。把原料磨细，按适当比混和，放在圆筒形的回转窑里烧结。回转窑的长可达150公尺（图6·1），窑身稍稍倾斜，横卧在托轮上，用电动机带动旋转。原料从较高的一端放入，从另一端吹入煤粉（燃料）和空气并点火燃烧。原料跟燃料就在逆流的情况下进行烧结。由于回转窑的转动，原料就慢慢向前移动，从而发生反应烧结成块，从较低的一端放出。经过冷却，加入少量石膏（用以调节水泥硬化的时间）并磨成细粉，就是水泥。

【15】水泥的最大优点是它在水中也能硬结，又不易受水的侵蚀，所以它是水下工程必不可少的材料。水泥、砂子和水的混和物，叫做水泥砂浆，能粘结砖、石等，在建筑工程上用它作为砖石的粘合剂。水泥、砂子、碎石和水的混和物叫做混凝土，常用来建筑厂房、桥梁、水坝以及其他巨大建筑物。为了使建筑物更加巩固，常在混凝士里插一些钢条，这叫做钢筋混凝土。钢筋混凝土的建筑物是现代最坚固的建筑物之一。

【16】解放以来，我国水泥工业在产量与质量以及品种等方面都有了很大的发展和提高：可以预料，随着工农业生产的需要，水泥工业还将取得进一步的发展。

山笺||  通用硅酸盐水泥

【山】水泥按照组成成分可分为硅酸盐类、铝酸盐类、硫铝酸盐类、铁铝酸盐类水泥。按性能及用途可分为通用、专用、特性三大类。土木工程领域主要使用通用硅酸盐水泥。

（1）通用硅酸盐水泥鸟瞰

【山】通用硅酸盐水泥英文名common portland cement。其中Portland不是硅酸盐的意思，而是地名波特兰，19世纪时波特兰水泥被发明出来，因其颜色性状酷似英国波特兰岛上的石头，故命名为波特兰水泥，此处P小写是参考国标《通用硅酸盐水泥Common portland cement》GB175-2007第3章“术语和定义”中的英文写法。Cement来源于拉丁文，意指碎石，故民国时，水泥常被译作“士敏土”或“水门汀”；士敏土这个译名可参见民国翻译版的苏联小说《水泥》；水门汀这个译名可参见夏丏尊叶圣陶所著的《文心》第25章《读书笔记》（概览传送门CV11960999）。

【山】通用硅酸盐水泥：以硅酸盐水泥熟料和适量的石膏，及规定的混合材料制成的水硬性胶凝材料。（摘自《通用硅酸盐水泥Common portland cement》（GB175-2007）第3章“术语和定义”）。

【山】通用硅酸盐水泥按混合材料的品种和掺量分为硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥和复合硅酸盐水泥。（摘自《通用硅酸盐水泥》GB175-2007第4章“分类”）。

（2）通用硅酸盐水泥的生产工艺

【山】要搞明白硅酸盐水泥的生产工艺，先要搞明白生成水泥的原材料，而要搞明白原材料则需先搞明白水泥的主要成分及作用原理。

【山】①水泥的关键作用是凝胶固结，因此可将水泥视为一种黏胶，而硅酸盐水泥的黏胶成分是硅酸钙、铝酸钙以及铁铝酸钙等。所以为炼制这三种成分，对应的主要原材料是石灰质原料（石灰石和泥灰、白垩石等，提供钙元素）与黏土质原料（黏土、黏土质岩石等，提供硅与铝元素），还有铁质原料（铁矿粉等，提供铁元素）

【山】②但是如果只有以上成分，水泥会很快凝固，根本没有时间施工，因此还需要辅助成分，例如硫酸钙（也就是石膏）。本来按道理说硫酸钙凝固的更快，但为什么偏偏硫酸钙可以克服水泥速凝的问题呢？其原理如下：

【山】——首先速凝的主要原因是水泥的凝胶成分中铝酸三钙遇水后迅速水化，从而造成速凝。

【山】——然后，硅酸钙水化时会生成氢氧化钙。而一旦加入硫酸钙后，铝酸三钙遇水会与氢氧化钙、硫酸钙组合成钙矾石，又被称为水化硫铝酸钙。钙矾石难溶于水，自然就减缓了水化速度，从而克服了速凝的问题。但钙矾石并不是越多越好，恰恰相反，还要限制钙矾石的产生，因为生成钙矾石时会体积膨胀影响安定性，因此不仅是硫酸钙含量，水泥中混入的三氧化硫因也能生成钙矾石而会遭到限制。

【山】——但是，前文已说，硫酸钙也就是石膏的凝固速度比水泥还快，因此当水泥中石膏含量偏高且工艺有瑕疵时可能会出现假凝现象，不过不用担心，石膏不是水泥主料，含量不大，直接继续搅拌，搅碎这些析出的石膏就没事了，故称为假凝。

【山】③综上所述，通用硅酸盐水泥的生产工艺是“两磨一烧”。

【山】——一磨，将石灰质、黏土质、铁质原料磨成粉，制成生料。为了便于磨粉，可以按照《水泥助磨剂Cement grinding aids》GB/T26748—2011的要求添加助磨剂。

【山】——一烧，将一磨生粉放入水泥窑中用1450°C的高温煅烧至熔融态，从而化学反应生成含有硅酸钙、铝酸钙、铁铝酸钙等遇水凝胶成分的熟料。

【山】——二磨，将硫酸钙等改良水泥性质的原料磨粉加入熟料，从而制成水泥。此处添加的材料不止是硫酸钙，其他诸如高炉矿渣、粉煤灰、石灰石、火山灰等混合料可根据具体技术要求进行添加。至此水泥生产基本完成。

（3）通用硅酸盐水泥的水化

【山】①硅酸三钙与硅酸二钙水化生成水化硅酸钙和氢氧化钙。其中硅酸三钙水化速度快，放热大，不过强度较高；而硅酸二钙虽然水化慢，放热小，因此早期强度低。

【山】②铝酸三钙水化速度最快，放热量最大，因此需要添加硫酸钙减缓水化速度，而铝酸三钙水化产物强度又最低，可以说，如果不是因为黏土中铝元素跟硅元素密不可分，真未必会弄这个成分。

【山】③铁铝酸四钙水化生成铝酸三钙和铁酸一钙。其水化速度快，放热中等，强度比铝酸三钙强一些，看似也不咋样，但其有优良的耐腐蚀性。

（4）常见硅酸盐水泥分类

【山】①普通硅酸盐水泥：以熟料和石膏为主，Ⅰ类硅酸盐水泥不再添加其他混合料，Ⅱ类硅酸盐水泥允许添加5%以下的高炉矿渣混合料，O类硅酸盐水泥允许添加5~20%的混合料（如高炉矿渣、火山灰、粉煤灰等）。普通硅酸盐水泥因为熟料多，因此水化热较大，故不适合大体积混凝土的浇筑（大体积混凝土散热慢，极易因热量不均匀产生附加应力，从而导致质量破坏）。

【山】②矿渣硅酸盐水泥：除熟料和石膏外添加大量的高炉矿渣，A类矿渣硅酸盐水泥允许添加20~50%的高炉矿渣；B类矿渣硅酸盐水泥允许添加50~70%的高炉矿渣。矿渣硅酸盐水泥由于熟料量少，因此水化热小，故常应用于大体积混凝土中，当然由于熟料少，故早期强度低，不适合需要前期强度的梁板柱的浇筑。不过矿渣混凝土的最终强度并不低，因为在熟料水化后会生成氢氧化钙，而矿渣可以与氢氧化钙反应，生成水硬性凝胶材料，也就是说在早期反应中由于熟料少强度不高，但早期熟料反应生成氢氧化钙后，矿渣才可以反应，因此到后期强度并不低反而会高于普通硅酸盐水泥。但由于高炉矿渣是带楞粒状的，因此浇筑混凝土时需要更多的水才能保证和易性，而浇筑完成后水分蒸发会有大量的开口孔隙，从而极大削弱抗渗性。

【山】③火山灰硅酸盐水泥：除熟料和石膏外允许添加20~40%的火山灰质混合料，与矿渣水泥原理相似，火山灰硅酸盐水泥，早期强度低，水化热低。但是其有一个重要优点就是抗渗性好，这是因为火山灰颗粒细，因此较密实，所以抗渗性好；当然也由于颗粒细所以在干燥环境下容易“起尘”，故火山灰硅酸盐水泥不易用于干燥环境下的混凝土工程。

【山】④粉煤灰硅酸盐水泥：除熟料和石膏外允许添加20~40%的粉煤灰，与矿渣水泥原理相似，粉煤灰硅酸盐水泥，早期强度低，水化热低。但相比于矿渣水泥其有一个重要优点，就是由于粉煤灰颗粒为圆粒，并不同于矿渣的带楞粒，因此混凝土和易性好，加水少，故较为密实，因此抗渗性较好。

【山】⑤复合型硅酸盐水泥：除熟料和石膏外允许添加20~50%的混合料（包括上述的高炉矿渣、火山灰、粉煤灰等）。复合型硅酸盐水泥的目的很简单，取长补短，以克服单一混合料的缺陷，但同时也就造成其研究较为复杂，毕竟不同的配方就可能造成完全不同的特性，正由于这些特点，才造成即使是如今其依然是土木工程领域的一个重要研究课题。

习题6-4

1、硅酸盐工业包括哪些主要部门？它们在国民经济中有哪些作用？

2、在陶瓷器的制造上，是利用粘土的什么性质？为什么在陶瓷器表面要加上一层釉？

3、什么叫耐火材料？有什么用途？它用什么原料制造的？

4、制造钠玻璃时，发生了哪些主要的化学反应？写出有关化学方程式。

5、水泥如何制造？有什么可贵的性质？列举它的一些重要用途。

6、水泥砂浆，混凝土和钢筋混凝土有什么区别？各有什么用途？