中國(guó)的第三系列水泥

　　1824年、英國(guó)人Joseph Aspdin獲得第一個(gè)波特蘭水泥專利。經(jīng)歷一百多年的發(fā)展，形成了龐大的硅酸鹽水泥系列。按中國(guó)的水泥分類方法，分為通用水泥系列和特種水泥系列。通用水泥包括硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥、礦渣硅酸鹽水泥、火山灰硅酸鹽水泥和粉煤灰硅酸鹽水泥。特種水泥包括油井水泥、大壩水泥、快硬水泥、抗硫酸鹽水泥和白水泥等等。硅酸鹽水泥系列的主要特征是熟料礦物組成以C3S為主，該礦物決定了硅酸鹽水泥的基本性能，如強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律等。硅酸鹽水泥是當(dāng)今世界上最主要的建筑用膠結(jié)構(gòu)材料，總產(chǎn)量達(dá)12億噸左右。

　　1908年在法國(guó)發(fā)表了鋁酸鹽水泥的專利，并于1908年首先進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)。經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，已形成包括膨脹水泥、自應(yīng)力水泥和耐火水泥在內(nèi)的鋁酸鹽水泥系列，該系列水泥的特征是其熟料礦物組成以CA為主，由此而賦予水泥具有早強(qiáng)耐火等特殊性能?，F(xiàn)在鋁酸鹽水泥主要用于耐高溫澆注材料。在建筑上由于發(fā)現(xiàn)其后期強(qiáng)度倒縮而不再使用。

　　二十世紀(jì)70年代，在中國(guó)發(fā)明了硫鋁酸鹽水泥。80年代又首創(chuàng)了鐵鋁酸鹽水泥的工業(yè)生產(chǎn)。如果說(shuō)，我們把硅酸鹽水泥系列產(chǎn)品通稱為第一系列水泥，把鋁酸鹽水泥系列產(chǎn)品通稱第二系列水泥。那么，我們可以把硫鋁酸鹽水泥和鐵鋁酸鹽水泥以及它們派生的其它水泥品種通稱為第三系列水泥。該系列水泥的礦物組成特征是含有大量的C4A3 礦物。以此與其它系列水泥相區(qū)別。并構(gòu)成了第三系列水泥的早強(qiáng)、高強(qiáng)、高抗?jié)B、高抗凍、耐蝕、低堿和生產(chǎn)能耗低等基本特點(diǎn)。第三系列水泥在中國(guó)已得到廣泛應(yīng)用。

二、第三系列水泥簡(jiǎn)介

　　第三系列水泥是由中國(guó)建筑材料科學(xué)研究院研制成功的新品種水泥系列。它主要包括硫鋁酸鹽和鐵鋁酸鹽兩大類。該兩類水泥分別于1981年和1987年獲國(guó)家創(chuàng)造發(fā)明二等獎(jiǎng)。

1、熟料的化學(xué)成分改礦物組成

　　第三系列水泥熟料化學(xué)成分屬于CaO-SiO2-Al2O3-Fe2O3-SO3五元系統(tǒng)。熟料主要礦物為C4A3 、C2S和C4AF。兩大類水泥在成分上的主要差別是熟料中Al2O3/Fe2O3比和C4A3 與C4AF兩個(gè)礦物的含量不同。如表1所示。

表1 硫鋁酸鹽和鐵鋁酸鹽水泥熟料化學(xué)成分與礦物組成

　　第三系列水泥生產(chǎn)裝備與硅酸鹽水泥基本相似。其熟料煅燒裝備現(xiàn)在主要發(fā)展 f2.5×45m帶立筒預(yù)熱器,臺(tái)時(shí)產(chǎn)量穩(wěn)定在9～10噸。比煅燒硅酸鹽水泥熟料時(shí)產(chǎn)量提高20%左右。

　　水泥配料采用三種原料：石灰石、礬土（鐵礬土或礬土）和石膏（天然硬石膏或二水石膏）。也可采用相應(yīng)成分的廢渣替代。

　　熟料煅燒與硅酸鹽水泥差別較大。熟料煅燒溫度較硅酸鹽水泥低100℃～150℃。（硫鋁酸鹽水泥熟料燒成溫度為1350℃。而鐵鋁酸鹽水泥熟料為1300℃）。熟料主要靠固相反應(yīng)形成。煅燒熟料時(shí)無(wú)需特意掛窯皮。該系列水泥熟料疏松多孔，硫鋁酸鹽酸鹽熟料呈灰色，與硅酸鹽水泥熟料顏色相似。

3、品種

　　第三系列水泥通過(guò)調(diào)節(jié)熟料、石膏和混合材的摻量，可以獲得若干個(gè)性能各異的水泥品種。目前生產(chǎn)的水泥品種有：

（1）硫鋁酸鹽水泥類

　　快硬硫鋁酸鹽水泥、高強(qiáng)硫鋁酸鹽水泥、膨脹硫鋁酸鹽水泥、自應(yīng)力硫鋁酸鹽水泥、低堿硫鋁酸鹽水泥等5個(gè)品種。

（2）鐵鋁硫鹽水泥類

　　快硬鐵鋁酸鹽水泥、高強(qiáng)鐵鋁酸鹽水泥、自應(yīng)力鐵鋁酸鹽水泥等4個(gè)水泥品種。

4、同屬第三系列的硫鋁酸鹽水泥和鐵鋁酸鹽水泥，其熟料主要礦物均為C4A3 ，所以在性能上有許多類似之處：早強(qiáng)、高強(qiáng)、高抗?jié)B、高抗凍、耐腐蝕等，并可在很大范圍內(nèi)調(diào)整其膨脹性能。更可貴的是由于水泥中堿含量和水化液相的PH值均較硅酸鹽水泥低得多，所以不會(huì)發(fā)生因堿骨料反應(yīng)而導(dǎo)致混凝土開裂的現(xiàn)象。

　　由于兩類水泥熟料所含鐵相量有很大差別，所以性能上有許多不同之外。硫鋁酸鹽水泥水化液相堿度較低，對(duì)玻璃纖維腐蝕作用很小。

　　鐵鋁酸鹽水泥水化液相堿度較高，水化產(chǎn)物中的凝膠體除鋁膠外，還有大量的鐵膠。這些水化特征使水泥石具有許多優(yōu)良性能。鐵鋁酸鹽水泥混凝土表面不會(huì)發(fā)生起砂，抗海水沖刷和抗腐蝕性能優(yōu)良。其自應(yīng)力水泥自由膨脹比所有自應(yīng)力水泥都小。其膨脹穩(wěn)定期也較短?，F(xiàn)將目前已大量工業(yè)化生產(chǎn)的幾種水泥的性能及用途介紹如下。

（1）快硬硫鋁酸鹽和快硬鐵鋁酸鹽水泥

A. 主要性能

　　①早強(qiáng)高強(qiáng)性能：該兩種快硬水泥不僅有較高的早期強(qiáng)度，而且有不斷增長(zhǎng)的后期強(qiáng)度。同時(shí)具有滿足使用要求的凝結(jié)時(shí)間。12h～1d抗壓強(qiáng)度可達(dá)35～50 MPa；抗折強(qiáng)度可達(dá)6.5～7.5 MPa。3d抗壓強(qiáng)度可達(dá)50～70 MPa；抗折強(qiáng)度可達(dá)7.5～8.5 MPa。根據(jù)3d水泥膠砂抗壓強(qiáng)度確定水泥標(biāo)號(hào)。目前市場(chǎng)出售的水泥標(biāo)量為425＃、525＃、625＃ 三種。該兩種水泥已有10～20年的生產(chǎn)歷史。從5～10年水泥和混凝土長(zhǎng)期強(qiáng)度結(jié)果可以看出，隨養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng)，強(qiáng)度不斷增長(zhǎng)，最高強(qiáng)度可達(dá)100 MPa。

　?、诟呖箖鲂阅埽涸搩煞N快硬水泥均表現(xiàn)出極好的抗凍性。它具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：a.在0℃～10℃低溫下使用，早期強(qiáng)度是硅酸鹽水泥的5～8倍。b.在0℃～-20℃負(fù)溫下使用，加入少量防凍劑，混凝土入模溫度維持在5℃以上，則可正常施工?；炷?～7d強(qiáng)度可達(dá)設(shè)計(jì)標(biāo)號(hào)的70～80%。c.在正負(fù)溫交替情況下施工，對(duì)后期強(qiáng)度增長(zhǎng)影響不大。實(shí)驗(yàn)室200次凍融循環(huán)，混凝土強(qiáng)度損失不明顯?？箖鰳?biāo)號(hào)可達(dá)200＃以上。

　?、勰臀g性能：該兩種水泥對(duì)海水、氯鹽（NaCl、MgCl2）、硫酸鹽（Na2SO4、MgSO4、(NH4)2SO4）、尤其是它們的復(fù)合鹽類（MgSO4+ NaCl）等，均具有極好的耐蝕性?？煊茶F鋁酸鹽水泥的耐蝕性優(yōu)于快硬硫鋁酸鹽水泥。從2年耐腐蝕實(shí)驗(yàn)室結(jié)果可以看出，耐蝕系數(shù)均大于1，明顯優(yōu)于高抗硫硅酸鹽水泥和高鋁水泥。

　　④高抗?jié)B性能：該兩種水泥的水泥石結(jié)構(gòu)較致密，因此混凝土抗?jié)B性是同標(biāo)號(hào)硅酸鹽水泥混凝土的2～3倍。

　　⑤鋼筋銹蝕：該兩種水泥由于水化液相堿度不同，鋼筋銹蝕情況不完全一樣。快硬硫鋁酸鹽水泥由于堿度低（pH＜12），鋼筋表面形不成鈍化膜，因此對(duì)保護(hù)鋼筋不利。在早期拌合的混凝土中，由于含有較多的空氣和水分，因此使混凝土鋼筋早期有輕微銹蝕。隨著齡期增長(zhǎng)，空氣和水分逐漸減少和消失。因混凝土結(jié)構(gòu)致密所以后期銹蝕情況無(wú)明顯發(fā)展。實(shí)驗(yàn)室混凝土鋼筋埋件和水泥制品長(zhǎng)期齡觀察結(jié)果（10年）均證明了這一點(diǎn)。如果在混凝土中加入少量堿性外加劑（NaNO2等）和高強(qiáng)硫鋁酸鹽水泥，則早期也完全無(wú)銹蝕。對(duì)于快硬鐵鋁酸鹽水泥，由于水泥水化液相堿度較高（pH＞12），鋼筋表面形成類似硅酸鹽水泥混凝土的鈍化膜。極化曲線快速測(cè)定和實(shí)驗(yàn)室常規(guī)檢驗(yàn)均表明、快硬鐵鋁酸鹽水泥對(duì)鋼筋無(wú)銹蝕。綜上所述，該兩種快硬水泥耐久性均較好。

B.主要用途

　　①冬季施工工程：在我國(guó)華北、東北和西北等寒冷地帶的冬季施工，普遍采用上述兩種快硬水泥。例如，北京香山飯店、海洋局大樓、天津新車站、齊齊哈爾市鐵路橋、新疆烏魯木齊市人大會(huì)堂、青藏鐵路橋等重要工程的關(guān)鍵部位。尤其是我國(guó)南級(jí)考查站的長(zhǎng)城站和中山站其中建筑材料均采用快硬硫鋁酸鹽水泥。

　?、趽屝藓蛽尳üこ蹋褐饕糜诠?、機(jī)場(chǎng)和橋梁的修補(bǔ)和搶建。例如北京西直門、三元立交橋和朝陽(yáng)門立交橋的接頭和疊合橋面，均達(dá)到搶速度爭(zhēng)時(shí)間的目的。最近對(duì)這些橋梁考察的結(jié)果表明，其抗凍性、抗鹽腐蝕性和抗堿骨料反應(yīng)，明顯優(yōu)于相鄰的硅酸鹽水泥。福建東山島，利用6小時(shí)潮差趕潮水施工，采用快硬鐵鋁酸鹽水泥抑建防波堤取得圓滿成功。其抗海水沖刷能力和強(qiáng)度均是硅酸下車水泥望塵莫及的。

　?、叟渲茋娚浠炷粒翰捎蒙鲜龆N快硬水泥，配以專用速凝劑，配制噴射混凝土，于1981年至1983年在河北吳莊、引灤入津工程、三家店和峰峰礦務(wù)局三礦隧道等地工程使用效果良好。強(qiáng)度發(fā)展快，回彈率大幅度降低，及時(shí)起到支護(hù)圍巖的作用。因此，加快了掘進(jìn)速度、防止坍塌、確保施工安全和工程質(zhì)量。

　?、苌a(chǎn)水泥制品和混凝土預(yù)制構(gòu)件：利用上述兩種快硬水泥生產(chǎn)電桿、軌枕等可以大大縮短蒸養(yǎng)時(shí)間或取消蒸養(yǎng)，從而達(dá)到加快模具周轉(zhuǎn)和節(jié)能的目的確。而且這種制品和構(gòu)件抗腐蝕能力強(qiáng)，特別適用于鹽堿地。最近北京市政第四構(gòu)件廠采用快硬鐵鋁酸鹽水泥生產(chǎn)立交橋的大型預(yù)制梁柱，取消蒸養(yǎng)，生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)化，大幅節(jié)省能源，生產(chǎn)速度提高了三倍。

（2）高強(qiáng)鐵鋁酸鹽水泥和高強(qiáng)硫鋁酸鹽水泥

　　該兩種高強(qiáng)水泥除具有上述兩種相應(yīng)的快硬水泥各種優(yōu)良性能外，主要的特點(diǎn)是高強(qiáng)。其12h～1d抗壓強(qiáng)度可達(dá)60～80MPa；抗折強(qiáng)度可達(dá)8～9 MPa。3d抗壓強(qiáng)度可達(dá)100～120 MPa；抗折強(qiáng)度可達(dá)10～12MPa。

　　高強(qiáng)鐵鋁酸鹽水泥主要用于配制C60以上的高標(biāo)號(hào)混凝土和生產(chǎn)C80以上的高強(qiáng)管柱。高強(qiáng)硫鋁酸鹽水泥主要用于大水灰比的礦井巷旁充填材料。在水灰比為2.5條件下（水/固體積比9/1），配以合適的外加劑，2h抗壓強(qiáng)度可達(dá)1.0MPa以上。在煤礦井下充填，要代替預(yù)留煤柱。達(dá)到節(jié)省煤資源和安全生產(chǎn)的目的。

（3）膨脹硫鋁酸鹽水泥和膨脹鐵鋁酸鹽水泥

　　根據(jù)水泥的自由膨脹大小，上述兩種水泥又分成兩級(jí)：微膨脹和膨脹水泥。微膨脹水泥凈漿28d自由膨脹0.1～0.5%、自應(yīng)力值0.5～1.5MPa。膨脹水泥28d自由膨脹0.5～1%，自應(yīng)力值1.5～3.0 MPa。其最大特點(diǎn)是：①?gòu)?qiáng)度高：微膨脹水泥強(qiáng)度與快硬水泥相似。膨脹水泥較快硬水泥的早強(qiáng)（12h～1d）略低，后期強(qiáng)度相似。②抗?jié)B性和耐腐蝕性優(yōu)于快硬水泥，抗?jié)B標(biāo)號(hào)可達(dá)B40。③在干空氣下（或自然條件下），自應(yīng)力值保留率較高，一般可達(dá)50%。市場(chǎng)上出售的微膨脹和膨脹水泥有兩個(gè)標(biāo)號(hào)425＃和525＃。

　　上述兩種水泥砂漿和混凝土，主要用于補(bǔ)償收縮混凝土和抗?jié)B工程。例如北京石油化工總廠f51.9×5.8m大型儲(chǔ)水池。唐山地區(qū)油庫(kù)和定縣石油公司的非金屬油罐的防滲砂漿層，采用微膨脹硫鋁酸鹽水泥，均取得較好的使用效果。天津市科委地下室防水層，采用微膨脹鐵鋁酸鹽水泥效果十分理想。制膨脹水泥還常用于澆注大型機(jī)床底座。

（4）自應(yīng)力硫鋁酸鹽水泥和自應(yīng)力鐵鋁酸鹽水泥

　　該兩種自應(yīng)力水泥與自應(yīng)力硅酸鹽水泥比較，具有自由膨脹較小，自應(yīng)力值較高的特點(diǎn)。與自應(yīng)力鋁酸鹽水泥相比，具有穩(wěn)定期較短的特點(diǎn)。同時(shí)具有快硬水泥高抗?jié)B、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)。目前市場(chǎng)出售的自應(yīng)力水泥有兩個(gè)等級(jí)：35＃、45＃。

　　自應(yīng)力水泥主要用于生產(chǎn)f100～600mm自應(yīng)力水泥壓力管。目前我國(guó)有80%的自應(yīng)力壓力管廠采用自應(yīng)力鐵鋁酸鹽水泥，少數(shù)制管廠采用自應(yīng)力鐵鋁酸鹽水泥、自應(yīng)力硅酸鹽水泥和自應(yīng)力鋁酸鹽水泥。上述兩種自應(yīng)力水泥每年用量約11萬(wàn)噸。大部分壓力管用作輸水管。1978年，在勝利油田試輔過(guò)f300mm和f400mm的輸油管。1985年實(shí)地考察，使用效果良好。

（5）低堿硫鋁酸鹽水泥（或稱GRC專用水泥）

　　硫鋁酸鹽水泥熟料水化液堿度較低（固/液為1/10，pH約11.5），采用該熟料配制低堿水泥，水化液pH約10.5。該種水泥對(duì)玻璃纖維腐蝕性很小，因此玻璃纖維與該種水泥復(fù)合，纖維強(qiáng)度保留率可穩(wěn)定在70～90%。上述兩種材料復(fù)合生產(chǎn)的玻璃纖維增強(qiáng)水泥制品，其理論計(jì)算壽命可超過(guò)50年。市場(chǎng)上銷售的水泥有兩個(gè)標(biāo)號(hào)：425＃和525＃。

　　采用低堿硫鋁酸鹽水泥和抗堿玻璃纖維復(fù)合生產(chǎn)纖維增強(qiáng)水泥制品，這是目前較理想的新型建筑材料和制品。主要用于生產(chǎn)內(nèi)、外復(fù)合墻板和各種異型構(gòu)件、波瓦、網(wǎng)架板、衛(wèi)生盒予間、各種通風(fēng)管道、浴盆以及各種建筑小品。

　　綜上所述，根據(jù)硫鋁酸鹽和鐵鋁酸鹽兩大類水泥性能特點(diǎn)和使用效果，我們認(rèn)為在建筑工程、水泥制品和預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件中選用快硬、高強(qiáng)和自應(yīng)力鐵鋁酸鹽水泥較好。對(duì)于GRC水泥制品和高水充填材料，采用低堿、快硬和高強(qiáng)硫鋁酸鹽水泥較好。

三、發(fā)展前景

　　在特種水泥推廣過(guò)程中，通常遇到連續(xù)性、大批量生產(chǎn)與間隙性、小批量使用之間的矛盾，從而造成在實(shí)驗(yàn)室研究出的水泥品種很多，但能工業(yè)化長(zhǎng)期生產(chǎn)的卻寥寥無(wú)幾。因此在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，為使水泥混凝土具有某種特殊性能，主要是采用在大批量生產(chǎn)的硅酸鹽水泥中摻加外加劑的辦法，然而，這種方法有一定局限性。在很多情況下不能達(dá)到用戶所要求的性能，還必須走燒制特定礦物組成熟料的技術(shù)道路。

　　在我國(guó)，資源分布廣，動(dòng)力便宜，水泥工業(yè)在較小規(guī)模下生產(chǎn)仍有經(jīng)濟(jì)價(jià)值，所以具有改變熟料礦物組成來(lái)發(fā)展特種水泥的良好社會(huì)條件?，F(xiàn)在，中國(guó)有300多臺(tái)直徑小于3m的小回轉(zhuǎn)窯，由制造硅酸鹽水泥改產(chǎn)特種水泥，已成為這些小窯較好的技術(shù)改造途徑之一。

　　第三系列水泥在中國(guó)已成功地應(yīng)用于各種建筑工程（尤其是冬季施工工程）、海港工程、地下工程，各種水泥制品和預(yù)制構(gòu)件，如水泥壓力管、高強(qiáng)樁、大型梁柱以及各種GRC制品。廣闊的使用范圍為水泥常年均衡生產(chǎn)提供了條件，很好地解決了生產(chǎn)與使用的矛盾。

　　目前，我們正在進(jìn)一步開發(fā)其用途，隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展，第三系列水泥的市場(chǎng)將愈來(lái)愈大?，F(xiàn)在已經(jīng)開始批量出口，在國(guó)際市場(chǎng)上有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。特定的社會(huì)條件使中國(guó)的第三系列水泥具有良好的發(fā)展前景。