我国特种水泥的现状与发展前景

混凝土 2013-06-28

特种水泥的种类多样，为满足各类工程建设的不同需要提供了更可能，对于提高有特殊要求的工程施工质量、降低能耗、减少污染、替代稀缺资源等大有裨益。本文将主要介绍当前我国几种主要的特种水泥的和水泥品种研发的一些成果，探究水泥品种研究的前进方向和在当前时代背景下我国特种水泥发展的前景。

　　特种水泥的种类多样，为满足各类工程建设的不同需要提供了更可能，对于提高有特殊要求的工程施工质量、降低能耗、减少污染、替代稀缺资源等大有裨益。本文将主要介绍当前我国几种主要的特种水泥的和水泥品种研发的一些成果，探究水泥品种研究的前进方向和在当前时代背景下我国特种水泥发展的前景。
　　一、当前部分已经大量使用的特种水泥
　　1·1 道路硅酸盐水泥
　　1·2 快硬硅酸盐水泥
　　1·3 白色硅酸盐水泥和彩色水泥
　　1·4 快硬硫铝酸盐水泥
　　1·5 膨胀水泥和自应力水泥
　　1·6 中热硅酸盐水泥和低热矿渣硅酸盐水泥
　　1·7 其他使用较普遍的特种水泥
　　二、部分特种水泥品种研发成果简介
　　综合当前各类新开发出来的特种水泥品种及其一般介绍，我们可以看到特种水泥的发展趋势。下面将各特种水泥进行简要分类。
　　从目前特种水泥新品种的性能、添加料、用途等情况，可以很大致将特种水泥研发方向确定为以下五个：一是常用水泥性能的改进；二是特殊性能水泥的开发；三是生态水泥研究；四是水泥替代其他材料研究；五是工艺水泥研究。
　　值得说明的是，这种划分并没有绝对的意义，更多地是表明其中某一种突出特点。例如替代其他材料的水泥产品本身也是一种具有特殊性能的水泥。很多常用水泥生产技术改进也带有生态环保趋势，甚至还做得特别好。另外，对水泥分类的方法也可以从水泥制备的技术、添加料、技术指标等角度进行分类。
　　2·1 工程水泥性能改进
　　这类研究主要方向是改善现有水泥的质量和技术性能指标、解决工程中出现的问题。
　　防水水泥   这种称作“阿卡法尔特”的水泥，是日本为防止地铁隧道壁面渗漏地下水而开发的，系在普通水泥中掺入沥青乳剂，并加入用于纸尿布吸水剂的聚合物制成。它最适合砌筑隧道壁作增强材料兼防水材料用，固化后具有人类指甲般的弹性，不易产生裂缝，而且在水中也能不变形地硬化，不会对地下水产生污染。
　　玻璃水泥    俄罗斯研制出一种奇异的高强度玻璃水泥。这种水泥中掺有一种篁铁玻璃纤维。它主要用在修筑大型建筑物时，不用加钢筋，即可达到与通常的钢筋混凝土同样的坚固程度。俄罗斯目前用这种玻璃水泥制作活动围墙、屏风、天花板，起到了美丽神奇的妙效。
　　加糖水泥    前苏联建筑科学院研制成功的这种新奇水泥，系在水泥原料中掺入榨糖的下脚料和蔗糖一同烧结而成。它的强度特别高，是普通水泥的5倍，非常适用于承受大重量的混凝土基础。
　　球粒水泥    日本研究人员发现，普通水泥微粒长约20～30微米，呈三角形或方形等形状。送入研磨机研磨只能使微粒数量增加，不能改变形状，而将其送到高速气流中任水泥微粒相互撞击、摩擦，则可磨掉棱角而制得球粒水泥。用球粒水泥制备混凝土，因其微粒像轴承一样易旋转，流动性增强，不仅节约用水，且强度要比使用普通水泥高30％--50％。
　　长效水泥    日本一家公司经研究证实，有机填料能大大减少水泥结构的裂纹，其中乙二醇酯的衍生物和氨基醇的效果最好。含乙二醇的化合物可防止气泡的产生，而在水泥中掺加氨基醇则能生成防锈的吸收层，使用这种填料水泥的建筑物，至少能使用500年，比一般水泥结构高出4～5倍。
　　耐海水水泥    它由日本研制，是在混有SiO₂。细粉的硅酸盐水泥中加入酸性磷酸铝而制成的，二者的重量比为100：(0．1～5)，当这种水泥混有40％～50％SiO₂。细粉和酸性磷酸铝0．5％时，用100份这种水泥与40份砂、50份水混合均匀，经成型硬化为试块，在海水中浸泡8星期后，其尺寸变化只相当于用硅酸盐水泥同砂、水混合均匀制成试块的l／4。
　　米糖水泥    美国一水泥厂利用米糖作原料，经过自燃炉加温一生成非晶态硅灰一气灰分离一硅灰分离一硅灰粉碎一加入高炉矿渣、沸石一混合设备一产品等工艺过程，将米糖中所含20％的灰分提炼出来而制成硅灰水泥。这种高级耐酸水泥强度高、凝固速度快，在10％盐酸溶液中浸泡一年也不会变质。
　　2·2 特殊性能水泥的开发
　　在水泥的现有功能中再加上其他功能，为实现某些特殊的建设目的提供可能。
　　自愈水泥   自愈水泥内掺一些粘性流体并由一些多孔的纤维包裹，一旦水泥裂缝，纤维外包装也破裂，将混合物放出，填补裂缝。该水泥还包含一种防护性药剂，因为用来回固的钢筋会由于盐分和污水的腐蚀而生锈。用这种纤维将钢筋包起来，可防止砼中的钢筋腐蚀。这种水泥可应用于重点工程，因其只产生微小裂缝，可避免更大的灾害性断裂，在应用中可提高建筑物的安全系数。
　　防噪声水泥   奥地利科学家受隔音室多孔板的启示，研制出一种多孔水泥。的启示，研制出一种多孔水泥。这是在水泥中拌以石灰石或砾石等料，再加些化学阻滞剂。这样，铺出来的路面可以吃掉公路上的噪音。另外突出的颗粒路面反光小，颜色与环境较和谐，视觉舒适，不污染环境。
　　导热水泥    加拿大研制出一种具有热传导性能的水泥。这是在水泥浆中加入非金属传导粒子和纤维，通上电以后，水泥变热。这种水泥可用于铺设寒冷地区住宅周围的路面、机场道路，建造民房和热力储藏系统。
　　导电水泥     俄罗斯一家钢筋水泥研究所发明了一种廉价而通用的屏蔽材料--炭水泥。为了使水泥能导电，在水泥中添加了有导电性能的无烟煤或焦炭粉末。用这种水泥建造楼房，使楼房本身就成为一个屏障，并且比金属屏障更加安全可靠。制作导电水泥时，要注意其有很高的反射系数，造成室内电磁波能量级很高。为保护工作人员和灵敏仪器，他们又发明了更理想的导电水泥，既能很好地吸收电磁辐射，又具有很低的反射系数。它的研制成功可使电磁防护费用减少到原来的1％。导电水泥不仅可用来建造新型厂房，也可用作防护涂层。由于导电水泥在有电流通过时会发热，这样的发热既安全又不会引起燃烧，因此，可用其建造热交换器、干燥室、不结冰的机场跑道、人行道和楼梯，以及建造带有暖墙的住房。
　　贮热水泥    这是一种多孔泡沫水泥，具有重量特轻、比重小于水、强度很高等特点。在高层建筑中使用它无需打桩，利于加快建设进度，并可在白天贮存太阳光的热量，晚上再慢慢地放出热量，因而是一种建造太阳能房屋的材料。
　　2·3 具有生态保护功效的水泥
　　人类在生产建设过程中使用了大量的资源，也产生了大量的垃圾，对生态环境造成了很多不可逆转的危害，如何利用废料生产具有使用价值的水泥，是一个重要的研究方向。
　　吸水水泥日本鹿岛建设公司研制出具有吸水功能的水泥。使用这种水泥混合而成的混凝土。其表面可自然生长出植物。一般混凝土为防止内部钢筋腐蚀，仅能吸收其重量3%的水分，而这种吸水水泥因为掺有植物纤维，其重量不仅减轻了30%,并且最多可能吸收占其重量35%的水分。另外，这种水泥并不因吸有大量水分而使其强度下降。这种水泥由于表面长有植物，可制成各种混凝土，用来制造河川、海洋的防波堤，这样可有效地保持水边生态；若用于城市大楼屋顶或墙壁，则可缓和温室效应，有助于城市绿化；还可在水泥上面种菜、种树；在沙漠地区，用来种树是最好的“土壤”；还可任意做成蜂窝状，放在海中，为鱼类和溪流生物安家；还可安放在树上，为鸟儿筑巢。这种巢穴，最大的优点是，不怕腐蚀，耐高温、抗冻。
　　垃圾水泥   日本太平洋水泥公司研究出一种生态水泥。其原料是城市垃圾和石灰石，用0.6吨垃圾和0.8吨石灰石可以制造出1吨水泥。在垃圾灰用作水泥原料之前，先通过金属回收系统从中分离和回收铜、铅、锌等金属成分，再经过回转窑里1350摄氏度的高温烧结，其中的二恶英等有害物质会被分解。该公司的产品有两种：一种是清除了氯成分的普通型生态水泥；另一种是含氯的快速石化型生态水泥，均可用作建造房屋、道路、桥梁和改良土壤的材料等。
　　硫矿渣水泥法国开发出的这种水泥是利用低品位硫磺矿渣或含硫土为主要原料，经过研磨后只需加热到120℃，可节约很多能源。据实验表明，这种硫矿渣水泥的强度和其它技术指标与普通硅酸盐水泥差不多。这项成果为在没有石灰石矿的地区开辟水泥的原料来源提供了一个新方向。
　　粉煤灰水凝水泥   它由美国发明，是用粉煤灰与浓磷酸进行反应后制成的一种高强度水泥。制作时，将粉煤灰与浓度至少为70％的浓磷酸(重量比)反应所得混合物进行破碎，并磨细成粉状，可以同砂子等骨料混合配制砂浆或混凝土，其强度要比波特兰水泥高。
　　亚纳米高强粉煤灰水泥     目前我国已经将亚纳米高新技术应用于水泥熟料煅烧、粉磨等工序中，通过提高熟料标号、粉体细度比表面积从而生产出耐磨、快硬、早强水泥及铝、铁、硫酸盐等特种水泥。可以大幅提高水泥的强度、比表面积、熟料单耗等技术指标。这种水泥的大量生产获得很高的经济效益和环境效益。其在生产水泥时，粉煤灰掺量达到50%左右，它不但利用了粉煤灰固体废物又清洁了环境，更增强了水泥性能。是发展循环经济的一个成功范例。
　　2·4 水泥替代其他材料
　　由于某些材料需要大量使用并且其本身造价较昂贵，用替代水泥来替代其功能可以很大程度上节约资源。
　　破布水泥德国研制了一种破布水泥。该水泥是由被切碎的纺织品废料和水泥一起产生的水泥般的原料，含有包上一层化学物质外壳的纺织纤维。因此这种建筑材料富有弹性、透水且耐寒，非常适合网球场的铺设及特殊公路。用这种破布水泥铺设的网球场深受网球运动员的欢迎，他们再也不会感到关节疼痛，网球也蹦得更高了。
　　碳纤水泥   日本的TIASET公司与东邦人造纤维公司共同研制成一种新型碳纤维补强水泥。这种水泥由2种成分组成。一种是特制的超细水泥，其颗粒达微米级，为普通水泥的l／1 0；一种是聚丙腈碳纤维，用作补强剂，其直径为7微米，并以约10微米的间隔均匀地排列在超细水泥中。这样的组合方式使得该水泥强度极高。例如按重量计，掺入15％的碳纤维，强度可达250兆帕；掺入20％的碳纤维，强度高达548．8兆帕。而普通水泥仅有30---50兆帕。这种水泥还具有重量轻、耐高温、阻燃性好等特点。通用于各种建筑工程，也适用于航天工程。
　　陶瓷水泥   由日本东京工业大学研制成功。原料取自于大自然中的铝酸钡、氧化硅和水，三者的比例为2：4：I，成本十分低廉。在室温下可在较短时间内硬化，硬度可与硬塑料媲美，膨胀系数小而稳定，在50℃高温下还能保持原有理化性能。它的优越性是可替代某些陶瓷和某些塑料。
　　木质水泥   瑞典研制出一种木质水泥，这是在水泥中加入了聚合物颗粒制成。用这种水泥制出来的制品，可以像木材一样锯切、钉钉子、开螺孔等，并有良好的聽和防火性。前有记好的隔声和防防火作用。
　　荧光水泥日本研制出一种荧光水泥。这种水泥中添加了硫化锌发光物质的颜料、骨料，可发出红、蓝、绿、黄、象牙色等5种颜色的光。它吸收阳光和灯光，只要接触到几分钟的光，就能发光15-60分钟。这种水泥不燃而耐火。耐久性强，无公害。多用于在公路上标划车道、人行道线和各种路面标志等，可贮存白天的目光及来往车辆的灯光，夜晚时闪闪发光，构成“夜光公路”，给城市夜色增添光彩，方便夜行车辆。它不但可用于交通道路、地下隧道，还可用于室内照明。
　　2·5 用于工艺品的水泥
　　很多大型工艺品在制造过程中需要大量的资源，其造价可能很高，通过技术改进，工艺水泥可以在大型工艺品制造方面表现出它易于生产、使用灵活等得天独厚的优势。
　　可塑水泥   英国研制了一种可塑水泥。这种水泥采用特殊配制和制造工艺，使用时，加水调和后可以48小时内具有柔软性和可塑性。并且具有较高的拉力，类似于陶瓷的泥料性能，不用模型而可以人工塑造各型器具及工艺美术品等，48天后开始硬化，强度挖于陶瓷。
　　彩色变色水泥   德国研制了和种可变换颜色的水泥。这种水泥是在普通水泥中在入了二氧化钴。用它建造的房子，干燥时呈蓝色，潮湿时呈紫色，下雨吸水后变成一系列色。因此，只要看房子颜色，就可以知道天气变化。
　　软性水泥我国台湾研制成一种新型的软性水泥，这种水泥是一种高分子复合材料，与定量的纯水泥干粉拌合成胶泥状。该水泥具有优越的柔软性和弱性。这种水泥可用在防水地段和体场所上。
　　弹力水泥   英国牛津大学研制成功的这种水泥，系在生产流程中减少水泥的含水量，并加入一种聚合物，使其强度比普通水泥高10倍，而且具有柔韧性：使用这种水泥时，可像面团一样随意拉长、卷叠、挤压，或者注入预先做好的模具内，制成各种水泥制品，而且可大大节约原材料。用这种水泥的净浆可制备弹簧、棒、管、盘和唱片等……
　　三、我国特种水泥发展的前景
　　当今世界水泥工业的发展是以节能、环保和高性能和提高劳动生产率为导向，走可持续发展的道路，我国特种水泥的发展也应顺应这一发展主题，首先应从探索水泥矿物的组成入手，研究开发新的节能型矿物即低钙、低烧成温度及易磨性好的矿物和矿物体系，并系统地研究其共存条件及工业生产的可能性。
　　其次是利用工业废渣制备各具特色的水泥品种，以达到节能和利废的目的。目前已研究成功利用煤矸石生产快硬、早强水泥、利用粉煤灰生产砌筑水泥和低热粉煤灰硅酸盐水泥、利用矿渣生产低热微膨胀水泥等多项实用技术。另外，我国每年废弃的金属尾矿数以亿吨计，如能以其为原料发展低钙低烧成温度的节能水泥和高效矿化剂，并在性能上与硅酸盐通用水泥相竞争，每年至少可多利用工业废渣和尾矿达数百万吨。
　　我国是水泥工业大国，自1986年来我国水泥年产量一直居于世界首位，大规模的基础设施建设尤其是多年来一系列国家重大工程的实施，促进了水泥工业的迅速发展。据相关预测2010年我国水泥产量将达到18.5亿t，继续保持占世界水泥总量的60％以上。在我国水泥总产量中，虽然特种水泥所占比例不到5％，但它是国家重点工程不可或缺的基本材料，起着普通水泥不可替代的作用。例如，石油是我国工业的命脉，如离开了固井用的油井水泥．就不能保证石油开采的安全性和可靠性：再如我国举世瞩目的三峡大坝工程，大坝高185m．底部宽121m，共浇筑了2643万m³混凝土，615万t特种水泥--中热硅酸盐水泥，高质量的中热硅酸盐水泥为保证三峡大坝工程的百年大计起了重要作用。
　　在可预见的将来，我国经济还将保持高速增长，各类工程建设也将越来越多，同时由于水泥生产原料的相对充裕性，水泥工业还将会有长足的发展。而且随着科技的进步和发展，各类工程对特种水泥质量和多样性要求也会越来越高。如何在这样的背景下，顺应市场前进方向，为国家建设以及经济发展提供可靠的技术保证，将是水泥品种研究的一个主要方向。
　　另一方面，我国在长期的以生态环境为代价的经济建设过程中也产生了很多的工业垃圾，如何变废为宝，将节能、低碳的要求与水泥品种研发相结合，为我国经济社会可持续发展做出必要的贡献，也将是水泥科研人员义不容辞的责任。

编辑：姜立东

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