超細(xì)水泥基材料應(yīng)用進(jìn)展

李長江 王 敏

(1牡丹江北方水泥有限公司，牡丹江157000；2中國建筑材料科學(xué)研究總院，北京100024)

1 概述

近年來，國內(nèi)外研究者在建筑工程以及其他的工程材料的研究和開發(fā)中，利用超細(xì)水泥基粉體材料自身賦予的優(yōu)良特性，使其得到了廣泛的應(yīng)用。如超細(xì)水泥在灌漿工程以及油田井下修井作業(yè)中的應(yīng)用。同時超細(xì)水泥粉體材料在研究和開發(fā)先進(jìn)水泥基材料領(lǐng)域（如DSP的研究和開發(fā)）也取得了重大進(jìn)展，它的應(yīng)用促成了傳統(tǒng)水泥基材料性能質(zhì)的飛躍，成為水泥基材料由傳統(tǒng)材料向高新技術(shù)材料轉(zhuǎn)化的重要開端。

2 超細(xì)水泥基材料在各類工程中的應(yīng)用

早在二十世紀(jì)70年代，出于保護(hù)環(huán)境的目的，隨著有害有毒化學(xué)灌漿材料的禁止使用，最初的超細(xì)水泥大批開發(fā)于日本和美國，這類超細(xì)產(chǎn)品主要是通過采取適宜的粉磨工藝和高效選粉設(shè)備來生產(chǎn)。其比表面積通常在1000m2/kg左右,平均粒徑在2～4μm，最大粒徑小于15μm。表1列出了超細(xì)水泥的一些性能。

在灌漿工程中，利用超細(xì)水泥高的滲透能力和快硬性能，能使巖層得以固結(jié)。通常采用凈漿固結(jié)不穩(wěn)固地層，如易被破壞的砂巖層和其它地層。超細(xì)水泥還可用于地層裂縫的修補、地磚粘合劑以及地基底土的堵水等；超細(xì)抗硫酸鹽型水泥可應(yīng)用于耐硫酸鹽侵蝕的工程如大壩的灌注工程、護(hù)墻的修復(fù)以及有毒或放射性物質(zhì)的密封等。

超細(xì)水泥在石油工業(yè)的固井工程中的特殊作用也越來越重要，目前國內(nèi)外采用超細(xì)水泥進(jìn)行擠水泥作業(yè)，以修復(fù)采油套管及地層的裂縫，特別是開采井套管裂縫的修補。細(xì)小的超細(xì)水泥顆粒能穿過井眼及四周地層的裂縫，能有效地封堵地層的裂縫，起到永久防水的目的，從而防止油井水串、氣串的發(fā)生。在這類修補作業(yè)中，對超細(xì)水泥的粒徑要求更為嚴(yán)格，一般要求水泥的最大粒徑應(yīng)小于10μm，平均粒徑在2μm左右。而且井下溫度、壓力以及苛刻的化學(xué)環(huán)境條件對水泥基材料也提出了更高的要求。目前國內(nèi)根據(jù)油井井況及使用環(huán)境的不同，已開發(fā)出適用于不同溫度、壓力條件下的超細(xì)系列油井水泥，并成功地在大慶、勝利、中原和新疆等油田的修井工程應(yīng)用，取得了良好的社會和經(jīng)濟效益。

3 超細(xì)水泥基材料在先進(jìn)水泥基材料中的應(yīng)用

隨著建筑業(yè)、海洋業(yè)和交通業(yè)等的飛速發(fā)展，超高、超長、超強和在各種嚴(yán)酷條件下使用建筑物的出現(xiàn)，對水泥與混凝土材料提出了更高的要求。為此，美國的先進(jìn)水泥基材料科學(xué)與技術(shù)中心（NSF）于20世紀(jì)80年代末啟動了為期10年的研究項目，研究方向主要為未來膠凝材料，其目的是把傳統(tǒng)的低技術(shù)含量的水泥與混凝土材料推向高新技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)行研究和開發(fā)。目前這類材料主要有MDF材料（Macro Defect Free Cement）、DSP材 料（Densified System Containing Homogenously Arranged Ultra-fine Particles）以及CBC材料（Chemically Bonded Ceramics）等。而DSP材料主要是由細(xì)磨的波特蘭水泥（平均粒徑在10～15μm）和顆粒組成為50?～0.5μm均勻分布的超細(xì)粉體（包括硅灰、礦渣、粉煤灰等）組成[1]。通過采用分散劑和超塑化劑消除顆粒之間的表面力聚集作用和大幅減少需水量，顯著地降低水泥硬化體結(jié)構(gòu)的空隙率，實現(xiàn)水泥基材料的高強化[2]。通過與纖維復(fù)合得到的抗壓強度達(dá)270MPa以上、抗彎強度在70MPa以上的水泥基復(fù)合材料[3]。DSP材料在丹麥等國已實現(xiàn)商品化。其主要性能與其他材料的性能比較列于表2。

表1 超細(xì)水泥的特性

表2 先進(jìn)水泥基材料與其他材料的性能比較

由于DSP材料的抗壓強度、抗彎強度、彈性模量以及材料的韌性等性能較傳統(tǒng)水泥具有不可比擬的優(yōu)越性，這類新型材料在特殊工程、高強復(fù)合材料、模具材料等方面將有比較廣闊的應(yīng)用潛力。

四、結(jié)束語

本文對超細(xì)水泥基材料的研究和應(yīng)用作了一些綜述。由于超細(xì)水泥基材料自身賦予的優(yōu)良特性，使這類材料得到了較廣泛的應(yīng)用，如超細(xì)水泥在灌漿工程以及油田井下修井作業(yè)中的應(yīng)用；以及在研究和開發(fā)先進(jìn)水泥基材料（如DSP的研究和開發(fā)）方面的應(yīng)用，它的應(yīng)用促成了傳統(tǒng)水泥基材料性能質(zhì)的飛躍，成為水泥基材料由傳統(tǒng)材料向高新技術(shù)材料轉(zhuǎn)化的重要開端。隨著研究的深入，超細(xì)水泥基材料的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)絹碓綇V闊。

[1]O.Popoola,and W.M.Kriven,and J.F.Young,proc.XIIth int.Congr.Electron Microscopy, San Francisco, CA(1990).

[2]W.Sinclair and G.W.Groves,Mater.Res.Soc.Symp.Proc.,42,31-37(1985).

[3]R.F.Falkner, M.S.Thesis,Univ.Illinois(1989).