【閱前提示】本篇出自『數(shù)理化自學叢書6677版』，此版叢書是“數(shù)理化自學叢書編委會”于1963-1966年陸續(xù)出版，并于1977年正式再版的基礎自學教材，本系列叢書共包含17本，層次大致相當于如今的初高中水平，其最大特點就是可用于“自學”。當然由于本書是大半個世紀前的教材，很多概念已經(jīng)與如今迥異，因此不建議零基礎學生直接拿來自學。不過這套叢書卻很適合像我這樣已接受過基礎教育但卻很不扎實的學酥重新自修以查漏補缺。另外，黑字是教材原文，彩字是我寫的備注。

【山話嵓語】『數(shù)理化自學叢書』其實還有新版，即80年代的改開版，改開版內(nèi)容較新而且還又增添了25本大學基礎自學內(nèi)容，直接搞出了一套從初中到大學的一條龍數(shù)理化自學教材大系列。不過我依然選擇6677版，首先是因為6677版保留了很多古早知識，讓我終于搞明白了和老工程師交流時遇到的奇特專業(yè)術語和計算模式的來由。另外就是6677版的版權風險極小，即使出版社再版也只會再版80年代改開版。我認為6677版不失為一套不錯的自學教材，不該被埋沒在故紙堆中，是故才打算利用業(yè)余時間，將『數(shù)理化自學叢書6677版』上傳成文字版。?

第六章硅和硅的化合物?

§6-4硅酸鹽工業(yè)

【01】把硅石和天然的硅酸鹽為原料進行加工，在化學工業(yè)中叫做硅酸鹽工業(yè)。硅酸鹽工業(yè)的制品有陶瓷、耐火材料、玻璃和水泥等。這些加工產(chǎn)品在治金、電氣、建筑和水利等方面都有廣泛的用途，對國民經(jīng)濟的發(fā)展有著極重大的作用。

【02】現(xiàn)在，我們把上面這幾種產(chǎn)品的制法、性能分別作簡單的介紹。

陶瓷

【03】我們?nèi)粘Ｋ吹降拇u瓦、砂堝、瓷碗、茶壺以及絕緣瓷（俗稱白料）等都是陶瓷制品。它們都是用粘土作原料，混入少量細砂，用水調(diào)和塑成所需要的各種形狀，然后把它陰干，再在高溫下燒結而成。這樣的成品變得十分堅硬，遇水也不再會變軟。由于所用粘土的純凈程度與燒結時的溫度不同，可分別制得陶器或瓷器。

【04】陶器是用普通粘土，在1000℃以下，放在窯里燒結而成的。它是一種多孔的物質(zhì)，容易滲水。為了彌補這個缺點，可以在陶器表面加一層透明的保護物，這層保護物叫做釉。釉是用長石、石英、硼砂、氧化鋅等為原料制成的。方法是：把原料磨成細粉，用水調(diào)和，涂在陶器的表面，然后放在窯里燒結燒好后，在陶器表面就會形成一層透明有光彩不滲水的釉。

【05】瓷器是用純凈的粘土加入一定量的石英和長石的粉末，把它們攪拌均勻，塑成一定形狀的物品，干燥，上釉，然后放在窯里在1200℃到1400℃的高溫下燒結而成。

【06】瓷器是我國勞動人民的偉大發(fā)明之一，遠在一千年以前，我國的瓷器制造就很發(fā)達，并且質(zhì)地潔白，光亮，很致密，象玉石一樣，品種多而有特色。解放后，在品種、數(shù)量以及質(zhì)量上都有很大的提高。全國瓷器產(chǎn)地很多，其中江西省景德鎮(zhèn)市出產(chǎn)的瓷器，聞名全球。

耐火材料

【07】耐火材料是指能耐1580℃以上高溫，并能保持一定強度的材料。廣泛用作鋼鐵工業(yè)上的爐襯，耐火磚，耐火容器等。耐火材料是用粘土、石英、氧化鋁、氧化鎂、白云石等為原料，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質(zhì)也各各不同。制造方法與制陶瓷相似（不需用釉）。但在窯中燒結的時間和溫度應隨原料的種類不同而不同。通常須燒結1~2星期，溫度低于1500℃。

玻璃

【08】玻璃的種類很多。有鈉玻璃（普通玻璃）、鉀玻璃、鉛玻璃、硅硼玻璃等等。制造鈉玻璃的原料是SiO?(砂)、Na?CO?(蘇打)和CaCO?(石灰石)。把它們按一定比率混和后，在特制的高溫爐內(nèi)加熱，所起反應可用化學方程式表示如下：

【09】得到的Na?SiO?，CaSiO?和過量的SiO?的混和物是粘稠的液體，冷卻后即得鈉玻璃。如果把玻璃熔化時所成的粘稠液體放在模子里，用吹或壓的方法就可制得不同形狀的制品。鈉玻璃的熔點較低，大都用作窗玻璃和做玻璃容器。

【10】如果用K?CO?代替Na?CO?，就可制得熔點較高的鉀玻璃，可用作制造化學儀器。如果用PbO(氧化鉛)代替CaCO?，就可制得折光率很大的鉛玻璃，亦可用來制造光學儀器。如果在原料里加入Na?B?O?(硼砂)，就可制得熔點高，能耐酸，耐堿性強的硅硼玻璃，它是高級化學儀器玻璃。

【11】有些玻璃具有各種顏色，這是因為含有某些金屬氧化物的緣故。例如，在原料里加入微量的Cr?O?(氧化鉻)，可制得綠色的玻璃；加入Cu?O(氧化亞銅)，可制得紅色的玻璃。普通玻璃常帶有一些綠色，因為使用的原料里含有少量鐵的化合物。

【12】另外還有一種叫鋼化玻璃，它性質(zhì)堅韌，能耐驟冷驟熱，廣泛應用于化工設備、汽車、飛機的窗用玻璃上。使用這種玻璃可確保安全。

【13】玻璃還可制成玻璃纖維。方法是把熔化狀態(tài)下的玻璃經(jīng)特制的細孔壓出并拉成絲。它是熱和電的絕緣體，在航空、造船和電機工業(yè)中用途很廣。

水泥

【14】水泥俗名水門汀，是建筑業(yè)上不可缺少的材料。制造水泥的原料主要是石灰石和粘土。把原料磨細，按適當比混和，放在圓筒形的回轉窯里燒結。回轉窯的長可達150公尺（圖6·1），窯身稍稍傾斜，橫臥在托輪上，用電動機帶動旋轉。原料從較高的一端放入，從另一端吹入煤粉（燃料）和空氣并點火燃燒。原料跟燃料就在逆流的情況下進行燒結。由于回轉窯的轉動，原料就慢慢向前移動，從而發(fā)生反應燒結成塊，從較低的一端放出。經(jīng)過冷卻，加入少量石膏（用以調(diào)節(jié)水泥硬化的時間）并磨成細粉，就是水泥。

【15】水泥的最大優(yōu)點是它在水中也能硬結，又不易受水的侵蝕，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，叫做水泥砂漿，能粘結磚、石等，在建筑工程上用它作為磚石的粘合劑。水泥、砂子、碎石和水的混和物叫做混凝土，常用來建筑廠房、橋梁、水壩以及其他巨大建筑物。為了使建筑物更加鞏固，常在混凝士里插一些鋼條，這叫做鋼筋混凝土。鋼筋混凝土的建筑物是現(xiàn)代最堅固的建筑物之一。

【16】解放以來，我國水泥工業(yè)在產(chǎn)量與質(zhì)量以及品種等方面都有了很大的發(fā)展和提高：可以預料，隨著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需要，水泥工業(yè)還將取得進一步的發(fā)展。

山箋||? 通用硅酸鹽水泥

【山】水泥按照組成成分可分為硅酸鹽類、鋁酸鹽類、硫鋁酸鹽類、鐵鋁酸鹽類水泥。按性能及用途可分為通用、專用、特性三大類。土木工程領域主要使用通用硅酸鹽水泥。

（1）通用硅酸鹽水泥鳥瞰

【山】通用硅酸鹽水泥英文名common portland cement。其中Portland不是硅酸鹽的意思，而是地名波特蘭，19世紀時波特蘭水泥被發(fā)明出來，因其顏色性狀酷似英國波特蘭島上的石頭，故命名為波特蘭水泥，此處P小寫是參考國標《通用硅酸鹽水泥Common portland cement》GB175-2007第3章“術語和定義”中的英文寫法。Cement來源于拉丁文，意指碎石，故民國時，水泥常被譯作“士敏土”或“水門汀”；士敏土這個譯名可參見民國翻譯版的蘇聯(lián)小說《水泥》；水門汀這個譯名可參見夏丏尊葉圣陶所著的《文心》第25章《讀書筆記》（概覽傳送門CV11960999）。

【山】通用硅酸鹽水泥：以硅酸鹽水泥熟料和適量的石膏，及規(guī)定的混合材料制成的水硬性膠凝材料。（摘自《通用硅酸鹽水泥Common portland cement》（GB175-2007）第3章“術語和定義”）。

【山】通用硅酸鹽水泥按混合材料的品種和摻量分為硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥、礦渣硅酸鹽水泥、火山灰質(zhì)硅酸鹽水泥、粉煤灰硅酸鹽水泥和復合硅酸鹽水泥。（摘自《通用硅酸鹽水泥》GB175-2007第4章“分類”）。

（2）通用硅酸鹽水泥的生產(chǎn)工藝

【山】要搞明白硅酸鹽水泥的生產(chǎn)工藝，先要搞明白生成水泥的原材料，而要搞明白原材料則需先搞明白水泥的主要成分及作用原理。

【山】①水泥的關鍵作用是凝膠固結，因此可將水泥視為一種黏膠，而硅酸鹽水泥的黏膠成分是硅酸鈣、鋁酸鈣以及鐵鋁酸鈣等。所以為煉制這三種成分，對應的主要原材料是石灰質(zhì)原料（石灰石和泥灰、白堊石等，提供鈣元素）與黏土質(zhì)原料（黏土、黏土質(zhì)巖石等，提供硅與鋁元素），還有鐵質(zhì)原料（鐵礦粉等，提供鐵元素）

【山】②但是如果只有以上成分，水泥會很快凝固，根本沒有時間施工，因此還需要輔助成分，例如硫酸鈣（也就是石膏）。本來按道理說硫酸鈣凝固的更快，但為什么偏偏硫酸鈣可以克服水泥速凝的問題呢？其原理如下：

【山】——首先速凝的主要原因是水泥的凝膠成分中鋁酸三鈣遇水后迅速水化，從而造成速凝。

【山】——然后，硅酸鈣水化時會生成氫氧化鈣。而一旦加入硫酸鈣后，鋁酸三鈣遇水會與氫氧化鈣、硫酸鈣組合成鈣礬石，又被稱為水化硫鋁酸鈣。鈣礬石難溶于水，自然就減緩了水化速度，從而克服了速凝的問題。但鈣礬石并不是越多越好，恰恰相反，還要限制鈣礬石的產(chǎn)生，因為生成鈣礬石時會體積膨脹影響安定性，因此不僅是硫酸鈣含量，水泥中混入的三氧化硫因也能生成鈣礬石而會遭到限制。

【山】——但是，前文已說，硫酸鈣也就是石膏的凝固速度比水泥還快，因此當水泥中石膏含量偏高且工藝有瑕疵時可能會出現(xiàn)假凝現(xiàn)象，不過不用擔心，石膏不是水泥主料，含量不大，直接繼續(xù)攪拌，攪碎這些析出的石膏就沒事了，故稱為假凝。

【山】③綜上所述，通用硅酸鹽水泥的生產(chǎn)工藝是“兩磨一燒”。

【山】——一磨，將石灰質(zhì)、黏土質(zhì)、鐵質(zhì)原料磨成粉，制成生料。為了便于磨粉，可以按照《水泥助磨劑Cement grinding aids》GB/T26748—2011的要求添加助磨劑。

【山】——一燒，將一磨生粉放入水泥窯中用1450°C的高溫煅燒至熔融態(tài)，從而化學反應生成含有硅酸鈣、鋁酸鈣、鐵鋁酸鈣等遇水凝膠成分的熟料。

【山】——二磨，將硫酸鈣等改良水泥性質(zhì)的原料磨粉加入熟料，從而制成水泥。此處添加的材料不止是硫酸鈣，其他諸如高爐礦渣、粉煤灰、石灰石、火山灰等混合料可根據(jù)具體技術要求進行添加。至此水泥生產(chǎn)基本完成。

（3）通用硅酸鹽水泥的水化

【山】①硅酸三鈣與硅酸二鈣水化生成水化硅酸鈣和氫氧化鈣。其中硅酸三鈣水化速度快，放熱大，不過強度較高；而硅酸二鈣雖然水化慢，放熱小，因此早期強度低。

【山】②鋁酸三鈣水化速度最快，放熱量最大，因此需要添加硫酸鈣減緩水化速度，而鋁酸三鈣水化產(chǎn)物強度又最低，可以說，如果不是因為黏土中鋁元素跟硅元素密不可分，真未必會弄這個成分。

【山】③鐵鋁酸四鈣水化生成鋁酸三鈣和鐵酸一鈣。其水化速度快，放熱中等，強度比鋁酸三鈣強一些，看似也不咋樣，但其有優(yōu)良的耐腐蝕性。

（4）常見硅酸鹽水泥分類

【山】①普通硅酸鹽水泥：以熟料和石膏為主，Ⅰ類硅酸鹽水泥不再添加其他混合料，Ⅱ類硅酸鹽水泥允許添加5%以下的高爐礦渣混合料，O類硅酸鹽水泥允許添加5~20%的混合料（如高爐礦渣、火山灰、粉煤灰等）。普通硅酸鹽水泥因為熟料多，因此水化熱較大，故不適合大體積混凝土的澆筑（大體積混凝土散熱慢，極易因熱量不均勻產(chǎn)生附加應力，從而導致質(zhì)量破壞）。

【山】②礦渣硅酸鹽水泥：除熟料和石膏外添加大量的高爐礦渣，A類礦渣硅酸鹽水泥允許添加20~50%的高爐礦渣；B類礦渣硅酸鹽水泥允許添加50~70%的高爐礦渣。礦渣硅酸鹽水泥由于熟料量少，因此水化熱小，故常應用于大體積混凝土中，當然由于熟料少，故早期強度低，不適合需要前期強度的梁板柱的澆筑。不過礦渣混凝土的最終強度并不低，因為在熟料水化后會生成氫氧化鈣，而礦渣可以與氫氧化鈣反應，生成水硬性凝膠材料，也就是說在早期反應中由于熟料少強度不高，但早期熟料反應生成氫氧化鈣后，礦渣才可以反應，因此到后期強度并不低反而會高于普通硅酸鹽水泥。但由于高爐礦渣是帶楞粒狀的，因此澆筑混凝土時需要更多的水才能保證和易性，而澆筑完成后水分蒸發(fā)會有大量的開口孔隙，從而極大削弱抗?jié)B性。

【山】③火山灰硅酸鹽水泥：除熟料和石膏外允許添加20~40%的火山灰質(zhì)混合料，與礦渣水泥原理相似，火山灰硅酸鹽水泥，早期強度低，水化熱低。但是其有一個重要優(yōu)點就是抗?jié)B性好，這是因為火山灰顆粒細，因此較密實，所以抗?jié)B性好；當然也由于顆粒細所以在干燥環(huán)境下容易“起塵”，故火山灰硅酸鹽水泥不易用于干燥環(huán)境下的混凝土工程。

【山】④粉煤灰硅酸鹽水泥：除熟料和石膏外允許添加20~40%的粉煤灰，與礦渣水泥原理相似，粉煤灰硅酸鹽水泥，早期強度低，水化熱低。但相比于礦渣水泥其有一個重要優(yōu)點，就是由于粉煤灰顆粒為圓粒，并不同于礦渣的帶楞粒，因此混凝土和易性好，加水少，故較為密實，因此抗?jié)B性較好。

【山】⑤復合型硅酸鹽水泥：除熟料和石膏外允許添加20~50%的混合料（包括上述的高爐礦渣、火山灰、粉煤灰等）。復合型硅酸鹽水泥的目的很簡單，取長補短，以克服單一混合料的缺陷，但同時也就造成其研究較為復雜，畢竟不同的配方就可能造成完全不同的特性，正由于這些特點，才造成即使是如今其依然是土木工程領域的一個重要研究課題。

習題6-4

1、硅酸鹽工業(yè)包括哪些主要部門？它們在國民經(jīng)濟中有哪些作用？

2、在陶瓷器的制造上，是利用粘土的什么性質(zhì)？為什么在陶瓷器表面要加上一層釉？

3、什么叫耐火材料？有什么用途？它用什么原料制造的？

4、制造鈉玻璃時，發(fā)生了哪些主要的化學反應？寫出有關化學方程式。

5、水泥如何制造？有什么可貴的性質(zhì)？列舉它的一些重要用途。

6、水泥砂漿，混凝土和鋼筋混凝土有什么區(qū)別？各有什么用途？