我國特種水泥的現(xiàn)狀與發(fā)展前景

　　特種水泥的種類多樣，為滿足各類工程建設(shè)的不同需要提供了更可能，對于提高有特殊要求的工程施工質(zhì)量、降低能耗、減少污染、替代稀缺資源等大有裨益。本文將主要介紹當前我國幾種主要的特種水泥的和水泥品種研發(fā)的一些成果，探究水泥品種研究的前進方向和在當前時代背景下我國特種水泥發(fā)展的前景。
　　一、當前部分已經(jīng)大量使用的特種水泥
　　1·1  道路硅酸鹽水泥
　　1·2  快硬硅酸鹽水泥
　　1·3  白色硅酸鹽水泥和彩色水泥
　　1·4  快硬硫鋁酸鹽水泥
　　1·5  膨脹水泥和自應(yīng)力水泥
　　1·6  中熱硅酸鹽水泥和低熱礦渣硅酸鹽水泥
　　1·7  其他使用較普遍的特種水泥
　　二、部分特種水泥品種研發(fā)成果簡介
　　綜合當前各類新開發(fā)出來的特種水泥品種及其一般介紹，我們可以看到特種水泥的發(fā)展趨勢。下面將各特種水泥進行簡要分類。
　　從目前特種水泥新品種的性能、添加料、用途等情況，可以很大致將特種水泥研發(fā)方向確定為以下五個：一是常用水泥性能的改進；二是特殊性能水泥的開發(fā)；三是生態(tài)水泥研究；四是水泥替代其他材料研究；五是工藝水泥研究。
　　值得說明的是，這種劃分并沒有絕對的意義，更多地是表明其中某一種突出特點。例如替代其他材料的水泥產(chǎn)品本身也是一種具有特殊性能的水泥。很多常用水泥生產(chǎn)技術(shù)改進也帶有生態(tài)環(huán)保趨勢，甚至還做得特別好。另外，對水泥分類的方法也可以從水泥制備的技術(shù)、添加料、技術(shù)指標等角度進行分類。
　　2·1 工程水泥性能改進
　　這類研究主要方向是改善現(xiàn)有水泥的質(zhì)量和技術(shù)性能指標、解決工程中出現(xiàn)的問題。
　　防水水泥   這種稱作“阿卡法爾特”的水泥，是日本為防止地鐵隧道壁面滲漏地下水而開發(fā)的，系在普通水泥中摻入瀝青乳劑，并加入用于紙尿布吸水劑的聚合物制成。它最適合砌筑隧道壁作增強材料兼防水材料用，固化后具有人類指甲般的彈性，不易產(chǎn)生裂縫，而且在水中也能不變形地硬化，不會對地下水產(chǎn)生污染。
　　玻璃水泥    俄羅斯研制出一種奇異的高強度玻璃水泥。這種水泥中摻有一種篁鐵玻璃纖維。它主要用在修筑大型建筑物時，不用加鋼筋，即可達到與通常的鋼筋混凝土同樣的堅固程度。俄羅斯目前用這種玻璃水泥制作活動圍墻、屏風(fēng)、天花板，起到了美麗神奇的妙效。
　　加糖水泥    前蘇聯(lián)建筑科學(xué)院研制成功的這種新奇水泥，系在水泥原料中摻入榨糖的下腳料和蔗糖一同燒結(jié)而成。它的強度特別高，是普通水泥的5倍，非常適用于承受大重量的混凝土基礎(chǔ)。
　　球粒水泥    日本研究人員發(fā)現(xiàn)，普通水泥微粒長約20～30微米，呈三角形或方形等形狀。送入研磨機研磨只能使微粒數(shù)量增加，不能改變形狀，而將其送到高速氣流中任水泥微粒相互撞擊、摩擦，則可磨掉棱角而制得球粒水泥。用球粒水泥制備混凝土，因其微粒像軸承一樣易旋轉(zhuǎn)，流動性增強，不僅節(jié)約用水，且強度要比使用普通水泥高30％--50％。
　　長效水泥    日本一家公司經(jīng)研究證實，有機填料能大大減少水泥結(jié)構(gòu)的裂紋，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氣泡的產(chǎn)生，而在水泥中摻加氨基醇則能生成防銹的吸收層，使用這種填料水泥的建筑物，至少能使用500年，比一般水泥結(jié)構(gòu)高出4～5倍。
　　耐海水水泥    它由日本研制，是在混有SiO₂。細粉的硅酸鹽水泥中加入酸性磷酸鋁而制成的，二者的重量比為100：(0．1～5)，當這種水泥混有40％～50％SiO₂。細粉和酸性磷酸鋁0．5％時，用100份這種水泥與40份砂、50份水混合均勻，經(jīng)成型硬化為試塊，在海水中浸泡8星期后，其尺寸變化只相當于用硅酸鹽水泥同砂、水混合均勻制成試塊的l／4。
　　米糖水泥    美國一水泥廠利用米糖作原料，經(jīng)過自燃爐加溫一生成非晶態(tài)硅灰一氣灰分離一硅灰分離一硅灰粉碎一加入高爐礦渣、沸石一混合設(shè)備一產(chǎn)品等工藝過程，將米糖中所含20％的灰分提煉出來而制成硅灰水泥。這種高級耐酸水泥強度高、凝固速度快，在10％鹽酸溶液中浸泡一年也不會變質(zhì)。
　　2·2 特殊性能水泥的開發(fā)
　　在水泥的現(xiàn)有功能中再加上其他功能，為實現(xiàn)某些特殊的建設(shè)目的提供可能。
　　自愈水泥   自愈水泥內(nèi)摻一些粘性流體并由一些多孔的纖維包裹，一旦水泥裂縫，纖維外包裝也破裂，將混合物放出，填補裂縫。該水泥還包含一種防護性藥劑，因為用來回固的鋼筋會由于鹽分和污水的腐蝕而生銹。用這種纖維將鋼筋包起來，可防止砼中的鋼筋腐蝕。這種水泥可應(yīng)用于重點工程，因其只產(chǎn)生微小裂縫，可避免更大的災(zāi)害性斷裂，在應(yīng)用中可提高建筑物的安全系數(shù)。
　　防噪聲水泥   奧地利科學(xué)家受隔音室多孔板的啟示，研制出一種多孔水泥。的啟示，研制出一種多孔水泥。這是在水泥中拌以石灰石或礫石等料，再加些化學(xué)阻滯劑。這樣，鋪出來的路面可以吃掉公路上的噪音。另外突出的顆粒路面反光小，顏色與環(huán)境較和諧，視覺舒適，不污染環(huán)境。
　　導(dǎo)熱水泥    加拿大研制出一種具有熱傳導(dǎo)性能的水泥。 這是在水泥漿中加入非金屬傳導(dǎo)粒子和纖維，通上電以后，水泥變熱。這種水泥可用于鋪設(shè)寒冷地區(qū)住宅周圍的路面、機場道路，建造民房和熱力儲藏系統(tǒng)。
　　導(dǎo)電水泥     俄羅斯一家鋼筋水泥研究所發(fā)明了一種廉價而通用的屏蔽材料--炭水泥。為了使水泥能導(dǎo)電，在水泥中添加了有導(dǎo)電性能的無煙煤或焦炭粉末。用這種水泥建造樓房，使樓房本身就成為一個屏障，并且比金屬屏障更加安全可靠。制作導(dǎo)電水泥時，要注意其有很高的反射系數(shù)，造成室內(nèi)電磁波能量級很高。為保護工作人員和靈敏儀器，他們又發(fā)明了更理想的導(dǎo)電水泥，既能很好地吸收電磁輻射，又具有很低的反射系數(shù)。它的研制成功可使電磁防護費用減少到原來的1％。導(dǎo)電水泥不僅可用來建造新型廠房，也可用作防護涂層。由于導(dǎo)電水泥在有電流通過時會發(fā)熱，這樣的發(fā)熱既安全又不會引起燃燒，因此，可用其建造熱交換器、干燥室、不結(jié)冰的機場跑道、人行道和樓梯，以及建造帶有暖墻的住房。
　　貯熱水泥    這是一種多孔泡沫水泥，具有重量特輕、比重小于水、強度很高等特點。在高層建筑中使用它無需打樁，利于加快建設(shè)進度，并可在白天貯存太陽光的熱量，晚上再慢慢地放出熱量，因而是一種建造太陽能房屋的材料。
　　2·3  具有生態(tài)保護功效的水泥
　　人類在生產(chǎn)建設(shè)過程中使用了大量的資源，也產(chǎn)生了大量的垃圾，對生態(tài)環(huán)境造成了很多不可逆轉(zhuǎn)的危害，如何利用廢料生產(chǎn)具有使用價值的水泥，是一個重要的研究方向。
　　吸水水泥  日本鹿島建設(shè)公司研制出具有吸水功能的水泥 。使用這種水泥混合而成的混凝土。其表面可自然生長出植物。一般混凝土為防止內(nèi)部鋼筋腐蝕，僅能吸收其重量3%的水分，而這種吸水水泥因為摻有植物纖維，其重量不僅減輕了30%,并且最多可能吸收占其重量35%的水分。另外，這種水泥并不因吸有大量水分而使其強度下降。這種水泥由于表面長有植物，可制成各種混凝土，用來制造河川、海洋的防波堤，這樣可有效地保持水邊生態(tài)；若用于城市大樓屋頂或墻壁，則可緩和溫室效應(yīng)，有助于城市綠化；還可在水泥上面種菜、種樹；在沙漠地區(qū)，用來種樹是最好的“土壤”；還可任意做成蜂窩狀，放在海中，為魚類和溪流生物安家；還可安放在樹上，為鳥兒筑巢。這種巢穴，最大的優(yōu)點是，不怕腐蝕，耐高溫、抗凍。
　　垃圾水泥   日本太平洋水泥公司研究出一種生態(tài)水泥。其原料是城市垃圾和石灰石，用0.6噸垃圾和0.8噸石灰石可以制造出1噸水泥。在垃圾灰用作水泥原料之前，先通過金屬回收系統(tǒng)從中分離和回收銅、鉛、鋅等金屬成分，再經(jīng)過回轉(zhuǎn)窯里1350攝氏度的高溫?zé)Y(jié)，其中的二惡英等有害物質(zhì)會被分解。該公司的產(chǎn)品有兩種：一種是清除了氯成分的普通型生態(tài)水泥；另一種是含氯的快速石化型生態(tài)水泥，均可用作建造房屋、道路、橋梁和改良土壤的材料等。
　　硫礦渣水泥  法國開發(fā)出的這種水泥是利用低品位硫磺礦渣或含硫土為主要原料，經(jīng)過研磨后只需加熱到120℃，可節(jié)約很多能源。據(jù)實驗表明，這種硫礦渣水泥的強度和其它技術(shù)指標與普通硅酸鹽水泥差不多。這項成果為在沒有石灰石礦的地區(qū)開辟水泥的原料來源提供了一個新方向。
　　粉煤灰水凝水泥   它由美國發(fā)明，是用粉煤灰與濃磷酸進行反應(yīng)后制成的一種高強度水泥。制作時，將粉煤灰與濃度至少為70％的濃磷酸(重量比)反應(yīng)所得混合物進行破碎，并磨細成粉狀，可以同砂子等骨料混合配制砂漿或混凝土，其強度要比波特蘭水泥高。
　　亞納米高強粉煤灰水泥     目前我國已經(jīng)將亞納米高新技術(shù)應(yīng)用于水泥熟料煅燒、粉磨等工序中，通過提高熟料標號、粉體細度比表面積從而生產(chǎn)出耐磨、快硬、早強水泥及鋁、鐵、硫酸鹽等特種水泥?？梢源蠓岣咚嗟膹姸取⒈缺砻娣e、熟料單耗等技術(shù)指標。這種水泥的大量生產(chǎn)獲得很高的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益。其在生產(chǎn)水泥時，粉煤灰摻量達到50%左右，它不但利用了粉煤灰固體廢物又清潔了環(huán)境，更增強了水泥性能。是發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟的一個成功范例。
　　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價較昂貴，用替代水泥來替代其功能可以很大程度上節(jié)約資源。
　　破布水泥  德國研制了一種破布水泥。該水泥是由被切碎的紡織品廢料和水泥一起產(chǎn)生的水泥般的原料，含有包上一層化學(xué)物質(zhì)外殼的紡織纖維。因此這種建筑材料富有彈性、透水且耐寒，非常適合網(wǎng)球場的鋪設(shè)及特殊公路。用這種破布水泥鋪設(shè)的網(wǎng)球場深受網(wǎng)球運動員的歡迎，他們再也不會感到關(guān)節(jié)疼痛，網(wǎng)球也蹦得更高了。
　　碳纖水泥   日本的TIASET公司與東邦人造纖維公司共同研制成一種新型碳纖維補強水泥。這種水泥由2種成分組成。一種是特制的超細水泥，其顆粒達微米級，為普通水泥的l／1 0；一種是聚丙腈碳纖維，用作補強劑，其直徑為7微米，并以約10微米的間隔均勻地排列在超細水泥中。這樣的組合方式使得該水泥強度極高。例如按重量計，摻入15％的碳纖維，強度可達250兆帕；摻入20％的碳纖維，強度高達548．8兆帕。而普通水泥僅有30---50兆帕。這種水泥還具有重量輕、耐高溫、阻燃性好等特點。通用于各種建筑工程，也適用于航天工程。
　　陶瓷水泥   由日本東京工業(yè)大學(xué)研制成功。原料取自于大自然中的鋁酸鋇、氧化硅和水，三者的比例為2：4：I，成本十分低廉。在室溫下可在較短時間內(nèi)硬化，硬度可與硬塑料媲美，膨脹系數(shù)小而穩(wěn)定，在50℃高溫下還能保持原有理化性能。它的優(yōu)越性是可替代某些陶瓷和某些塑料。
　　木質(zhì)水泥   瑞典研制出一種木質(zhì)水泥，這是在水泥中加入了聚合物顆粒制成。用這種水泥制出來的制品，可以像木材一樣鋸切、釘釘子、開螺孔等，并有良好的聽和防火性。前有記好的隔聲和防防火作用。
　　熒光水泥  日本研制出一種熒光水泥。這種水泥中添加了硫化鋅發(fā)光物質(zhì)的顏料、骨料，可發(fā)出紅、藍、綠、黃、象牙色等5種顏色的光。它吸收陽光和燈光，只要接觸到幾分鐘的光，就能發(fā)光15-60分鐘。這種水泥不燃而耐火。耐久性強，無公害。多用于在公路上標劃車道、人行道線和各種路面標志等，可貯存白天的目光及來往車輛的燈光，夜晚時閃閃發(fā)光，構(gòu)成“夜光公路”，給城市夜色增添光彩，方便夜行車輛。它不但可用于交通道路、地下隧道，還可用于室內(nèi)照明。
　　2·5  用于工藝品的水泥
　　很多大型工藝品在制造過程中需要大量的資源，其造價可能很高，通過技術(shù)改進，工藝水泥可以在大型工藝品制造方面表現(xiàn)出它易于生產(chǎn)、使用靈活等得天獨厚的優(yōu)勢。
　　可塑水泥   英國研制了一種可塑水泥。這種水泥采用特殊配制和制造工藝，使用時，加水調(diào)和后可以48小時內(nèi)具有柔軟性和可塑性。并且具有較高的拉力，類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藝美術(shù)品等，48天后開始硬化，強度挖于陶瓷。
　　彩色變色水泥   德國研制了和種可變換顏色的水泥。這種水泥是在普通水泥中在入了二氧化鈷。用它建造的房子，干燥時呈藍色，潮濕時呈紫色，下雨吸水后變成一系列色。因此，只要看房子顏色，就可以知道天氣變化。
　　軟性水泥  我國臺灣研制成一種新型 的軟性水泥，這種水泥是一種高分子復(fù)合材料，與定量的純水泥干粉拌合成膠泥狀。該水泥具有優(yōu)越的柔軟性和弱性。這種水泥可用在防水地段和體場所上。
　　彈力水泥   英國牛津大學(xué)研制成功的這種水泥，系在生產(chǎn)流程中減少水泥的含水量，并加入一種聚合物，使其強度比普通水泥高10倍，而且具有柔韌性：使用這種水泥時，可像面團一樣隨意拉長、卷疊、擠壓，或者注入預(yù)先做好的模具內(nèi)，制成各種水泥制品，而且可大大節(jié)約原材料。用這種水泥的凈漿可制備彈簧、棒、管、盤和唱片等……
　　三、我國特種水泥發(fā)展的前景
　　當今世界水泥工業(yè)的發(fā)展是以節(jié)能、環(huán)保和高性能和提高勞動生產(chǎn)率為導(dǎo)向，走可持續(xù)發(fā)展的道路，我國特種水泥的發(fā)展也應(yīng)順應(yīng)這一發(fā)展主題，首先應(yīng)從探索水泥礦物的組成入手，研究開發(fā)新的節(jié)能型礦物即低鈣、低燒成溫度及易磨性好的礦物和礦物體系，并系統(tǒng)地研究其共存條件及工業(yè)生產(chǎn)的可能性。
　　其次是利用工業(yè)廢渣制備各具特色的水泥品種，以達到節(jié)能和利廢的目的。目前已研究成功利用煤矸石生產(chǎn)快硬、早強水泥、利用粉煤灰生產(chǎn)砌筑水泥和低熱粉煤灰硅酸鹽水泥、利用礦渣生產(chǎn)低熱微膨脹水泥等多項實用技術(shù)。另外，我國每年廢棄的金屬尾礦數(shù)以億噸計，如能以其為原料發(fā)展低鈣低燒成溫度的節(jié)能水泥和高效礦化劑，并在性能上與硅酸鹽通用水泥相競爭，每年至少可多利用工業(yè)廢渣和尾礦達數(shù)百萬噸。
　　我國是水泥工業(yè)大國，自1986年來我國水泥年產(chǎn)量一直居于世界首位，大規(guī)模的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)尤其是多年來一系列國家重大工程的實施，促進了水泥工業(yè)的迅速發(fā)展。據(jù)相關(guān)預(yù)測2010年我國水泥產(chǎn)量將達到18.5億t，繼續(xù)保持占世界水泥總量的60％以上。在我國水泥總產(chǎn)量中，雖然特種水泥所占比例不到5％，但它是國家重點工程不可或缺的基本材料，起著普通水泥不可替代的作用。例如，石油是我國工業(yè)的命脈，如離開了固井用的油井水泥．就不能保證石油開采的安全性和可靠性：再如我國舉世矚目的三峽大壩工程，大壩高185m．底部寬121m，共澆筑了2643萬m³混凝土，615萬t特種水泥--中熱硅酸鹽水泥，高質(zhì)量的中熱硅酸鹽水泥為保證三峽大壩工程的百年大計起了重要作用。
　　在可預(yù)見的將來，我國經(jīng)濟還將保持高速增長，各類工程建設(shè)也將越來越多，同時由于水泥生產(chǎn)原料的相對充裕性，水泥工業(yè)還將會有長足的發(fā)展。而且隨著科技的進步和發(fā)展，各類工程對特種水泥質(zhì)量和多樣性要求也會越來越高。如何在這樣的背景下，順應(yīng)市場前進方向，為國家建設(shè)以及經(jīng)濟發(fā)展提供可靠的技術(shù)保證，將是水泥品種研究的一個主要方向。
　　另一方面，我國在長期的以生態(tài)環(huán)境為代價的經(jīng)濟建設(shè)過程中也產(chǎn)生了很多的工業(yè)垃圾，如何變廢為寶，將節(jié)能、低碳的要求與水泥品種研發(fā)相結(jié)合，為我國經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展做出必要的貢獻，也將是水泥科研人員義不容辭的責(zé)任。