新型膠凝材料的發(fā)展與展望（上）

韓仲琦

（天津水泥工業(yè)設(shè)計研究院有限公司，天津 300400）

0 導(dǎo) 語

今年兩會期間政府工作報告中提到要“積極推廣綠色建筑和建材”，“大力發(fā)展節(jié)能環(huán)保產(chǎn)業(yè)”，這預(yù)示著建材行業(yè)將會發(fā)生較大的變革，會有很大的發(fā)展市場。另外我國經(jīng)濟在供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革背景下，經(jīng)濟增漲已從中高速向中速轉(zhuǎn)變，制造業(yè)發(fā)展也從中低端向中高端邁進，因此我國膠凝材料行業(yè)的發(fā)展環(huán)境會發(fā)生很大改變，將進入轉(zhuǎn)型升級、節(jié)能減排及低碳發(fā)展的更高階段。加強基礎(chǔ)材料升級換代與智能制造，是我們新膠凝材料工作者的任務(wù)。本文概括介紹了當前國內(nèi)外新型膠凝材料的研究與開發(fā)情況，并對將來的發(fā)展提出了一些展望，可供讀者在科技創(chuàng)新工作中參考。

1 新型膠凝材料的概念

本文提出的新型膠凝材料，是指傳統(tǒng)無機水硬性膠凝材料通過科研開發(fā)和技術(shù)創(chuàng)新，取得的節(jié)能環(huán)保新性能、新功能、新產(chǎn)品。主要包括新品種水泥、優(yōu)秀功能水泥、水泥基復(fù)合材料、高性能混凝土、復(fù)合型混凝土，以及智能化膠凝材料等。無機膠凝材料以其數(shù)量大、用途廣、耐久性強，具備許多其他結(jié)構(gòu)材料沒有的特點而成為一種重要的基礎(chǔ)原材料，至今沒有任何其他材料可以完全代替它。但由于是一種資源型和能源型產(chǎn)業(yè)，故隨著經(jīng)濟建設(shè)的發(fā)展和科技水平的提高，世界各國都加強了“高性能化”和環(huán)境保護的要求，高品質(zhì)、新性能和多功能的綠色環(huán)保膠凝材料的發(fā)展得到了很多人的關(guān)注，并可預(yù)計在世界范圍內(nèi)將會得到較快的發(fā)展。

2 傳統(tǒng)膠凝材料的創(chuàng)新與發(fā)展

2.1 高強低鈣硅酸鹽水泥

（1）一種低鈣水泥的方案是利用粉煤灰配料、可生產(chǎn)一種能夠大幅度降低能耗和二氧化碳排放的水泥熟料生產(chǎn)方法，其產(chǎn)品綜合性能優(yōu)于普通硅酸鹽水泥，二氧化碳排放量和燒成熱耗都可大幅降低，噸熟料使用的粉煤灰比例超過40%，噸熟料二氧化碳排放量和燒成熱耗可以降低20%以上。此方法是以窯外分解的水泥生產(chǎn)工藝為基礎(chǔ)，使低鈣水泥中的硅酸二鈣以高活性的á形態(tài)存在，形成適用于低鈣水泥生產(chǎn)的新工藝，天津水泥設(shè)計研究院在這方面的研究已取得了較大進展。

（2）另一種低鈣水泥的方案是摻入兩種以上混合材，摻加大量超細礦渣（比表面積600m2/kg～800m2/kg）和高質(zhì)量粉煤灰等混合材，同時研究C2S及C4AF含量高的熟料以及活化它們的方法，從而開發(fā)出性能更優(yōu)秀的低鈣水泥。

（3）最近，中國建材集團開發(fā)完成了“高強低鈣硅酸鹽水泥生產(chǎn)技術(shù)”的項目，其產(chǎn)品是以硅酸二鈣（貝利特C2S）為主要礦物的節(jié)能減排顯著的新型膠凝材料。該成果使得以高貝利特礦物為主的低鈣水泥推廣應(yīng)用到更多領(lǐng)域成為可能，是一種可形成工業(yè)化生產(chǎn)的新技術(shù)，該技術(shù)解決了高貝利特水泥早期強度偏低、工程應(yīng)用受限的難題，在2 000t/d以上新型干法生產(chǎn)線上實現(xiàn)了穩(wěn)定生產(chǎn)，產(chǎn)品已應(yīng)用于“大崗山、枕頭壩”等多項國家重點工程。項目還開展了生產(chǎn)智能控制技術(shù)研究，為水泥行業(yè)深入開發(fā)與推廣智能控制技術(shù)做了積極有益的探索，具有較大的推廣意義。

2.2 日本鈣硫鋁系低溫煅燒水泥

在日本一種被稱為ye’elimite的硫鋁酸鹽礦物（4CaO3·3Al2O3·SO3），在燒制膠凝材料的熟料時，產(chǎn)生的CO2量較少，并且燒成溫度也比阿利特低。1970年以后，日本在超快硬水泥、玻璃纖維增強水泥和膨脹劑方面研究了這種礦物的作用。除日本外還有一些國家也在研究，并取得了很好成果。這種鈣硫鋁系水泥可以比現(xiàn)在通用硅酸鹽水泥CO2的排放量少30%。故世界上出現(xiàn)了這種系列水泥商品化的開發(fā)動向。

2.3 澳大利亞低溫煅燒水泥

作為節(jié)能的水泥熟料燒成方法，可以考慮用添加礦化劑或采用提高原料易燒性的方法，例如采用“氟”和“硫”，可以降低燒成溫度100℃。

澳大利亞聯(lián)邦工業(yè)研究組織的建筑部門與意大利那不勒斯大學(xué)，共同開發(fā)了一種不需經(jīng)過高溫煅燒的工藝流程，這種新品種水泥稱為低溫煅燒水泥，其組成是由氧化鈣（生石灰）、氧化鋁、硫酸鈣等化合物混合制成，它能有效利用石膏、礦渣和采石場的工業(yè)廢料作原料，根據(jù)添加劑的不同改變加工工藝，即可降低燒成溫度又能增加強度和穩(wěn)定性。

2.4 垃圾焚燒灰水泥

垃圾焚燒灰水泥（Eco-Cement）是一種綠色環(huán)保型的新型膠凝材料，這種水泥的配料以垃圾焚燒場的垃圾焚燒灰和下水污泥為特點，減少了幾乎傳統(tǒng)硅酸鹽水泥原料中一半的石灰石用量，并且由垃圾焚燒灰?guī)氲亩f英可以在回轉(zhuǎn)窯中分解，回轉(zhuǎn)窯的廢氣和熟料中都不會含有。焚燒灰?guī)氲闹亟饘僭诨剞D(zhuǎn)窯的1 300℃以上高溫中以氯化物形式揮發(fā)而隨廢氣排出，再由重金屬回收裝置濃縮分離，成為可利用的再生資源。這種水泥在日本已有工業(yè)標準，可用于普通建筑、道路和裝飾器皿用。我國某些水泥企業(yè)已采用了這種技術(shù)，緩解了垃圾處理場填埋廢棄物難題。

另外，在日本還有使用垃圾焚燒飛灰或不分類垃圾的水泥制造工藝，我國正在努力開發(fā)和完善這方面的協(xié)同處理工藝，建立相應(yīng)的工業(yè)標準。

2.5 處置廢棄物的理論研究

（1）控制有害元素的理論研究。

水泥工業(yè)協(xié)同處置生活垃圾、城市污泥和有毒有害危險廢棄物等技術(shù)，在我國已有了很多研究和實踐，但還需要深入進行一些理論研究。水泥窯具有明顯的高溫、長流程特點，粉體材料在預(yù)熱和預(yù)分解過程中煙氣和粉體不僅發(fā)生熱交換，而且對某些組分產(chǎn)生熱吸附，例如氯、硫、鈉、鉀、氟。熟料晶相形成時固溶或固化一些重金屬離子等，目前還沒有從理論上研究清楚。此外，二噁英影響在預(yù)分解窯爐中產(chǎn)生的因素有哪些？控制的機理也需要很好研究，否則就不能排除二噁英產(chǎn)生的風險。因此，解決預(yù)分解窯爐中粉體化學(xué)組成，煙氣化學(xué)組成及其對于二噁英形成的影響，控制二噁英生成的工藝條件需要有科學(xué)的依據(jù)。與此同時，還要研究鉀、鈉、硫、氯等干擾元素在燒成系統(tǒng)中的反應(yīng)行為和控制方法、熟料對于重金屬離子的固化理論，以及防止水泥混凝土使用中的二次污染等問題。解決這些問題將奠定水泥窯作為廢棄物最優(yōu)處置的環(huán)保產(chǎn)業(yè)的理論基礎(chǔ)，為水泥產(chǎn)業(yè)向環(huán)保產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型提供理論支撐。

（2）堿激發(fā)膠凝材料。

堿激發(fā)膠凝材料的主要原料是工業(yè)排放的廢渣、尾礦、黏土類物料、天然礦物等，激發(fā)劑主要是各種化學(xué)試劑、工業(yè)副產(chǎn)品或產(chǎn)品，一般用量在10%以下。堿激發(fā)劑的作用是激發(fā)原料，使之具有膠凝性，并且形成含堿水化物，因為大部分原料中都含有一定量的鈣，因此不用專門的含鈣物質(zhì)也可以使其具有膠凝性。這種水泥的加工方法不用高溫處理，在加工過程中內(nèi)部原子、離子發(fā)生重排，組成新的結(jié)構(gòu)。在堿—鋁硅酸鹽玻璃體系中是以礦渣、粉煤灰、磷渣、赤泥、煤矸石等為主要原料，這些原料是以鋁硅酸鹽的玻璃體或無定形物質(zhì)為主體。另外以黏土經(jīng)適當溫度煅燒后形成偏高嶺石作原料時，經(jīng)堿的激發(fā)而形成的膠凝材料其組成幾乎不含鈣。而堿碳酸鈣類，在一定條件下，堿性硅酸鹽溶液可能與天然石灰?guī)r形成膠凝性材料。

本部分內(nèi)容，筆者在有關(guān)發(fā)表過的論文中也曾介紹過，在別的文獻資料中也有報道，由于這種方法具有突出的新穎性和啟發(fā)性，故本文中再次提出。這種方法已引起國內(nèi)一些高等院校和某些企業(yè)的關(guān)注，如果這種科研成果取得工業(yè)成功，將具有劃時代的意義。

（3）“間隙質(zhì)”與水泥質(zhì)量的關(guān)系。

使用廢棄物作為替代原燃料的水泥中Al2O3的成分較多，在熟料中產(chǎn)生“質(zhì)量空白”的現(xiàn)象，稱為“間隙質(zhì)”。這是因為采用了廢棄物而出現(xiàn)的情況。所以在水泥工業(yè)協(xié)同處置廢棄物時是要考慮的問題。水泥中“間隙質(zhì)”若含量多的話將對凝結(jié)時間、水化熱、流動性、最終強度、收縮率造成影響，所以要找到對應(yīng)措施，以控制水泥的性能。例如當C3A增加了可以調(diào)整石膏的加入量來保證好的流動性。研究“間隙質(zhì)”的組成方案，通過原料配料和實驗找到合適的參數(shù)值，從而控制水泥的質(zhì)量。

3 優(yōu)秀功能水泥與智能水泥

自水泥出現(xiàn)之后，水泥的種類與品種就不斷增加，以適應(yīng)工程應(yīng)用的需要，品種水泥和功能水泥的種類都很多，已有很多文獻報道，例如有：彩色水泥、白水泥、彈力水泥、防水水泥、陶瓷水泥、碳纖水泥、木質(zhì)水泥、長效水泥、貯熱水泥、加糖水泥、自愈水泥、油井水泥、耐海水水泥、軍工水泥等。這些水泥的性能不單很重要，還給人們增添了很多樂趣，此處不再重述。

以下，本文將重點介紹近期新出現(xiàn)的“優(yōu)秀功能水泥”或“智能水泥”的發(fā)展情況。

3.1 防電磁爆水泥

美國內(nèi)布拉斯加大學(xué)，研發(fā)出一款新型導(dǎo)電水泥，能抵御“電磁磁脈沖”，可避免建筑物遭受電磁爆破壞。近年來，安全專家逐漸意識到電磁脈沖攻擊的危險性，這種強大武器能夠徹底破壞電力系統(tǒng)，使數(shù)百萬人置身于危險境地。目前，研究人員最新研制的這種傳導(dǎo)性水泥，可作為屏蔽層避免遭受電磁脈沖武器攻擊。據(jù)介紹，這種水泥中加入了磁鐵礦，這種磁性礦石能夠吸收脈沖微波，從而具有導(dǎo)電性。此外，水泥中還加入了碳和金屬成分，不僅能增強電磁脈沖的吸收力，還能將其釋放出去。據(jù)稱，這比傳統(tǒng)的金屬板防御技術(shù)有效得多，也便宜得多。研究人員表示，這種水泥目前已經(jīng)具備商業(yè)化生產(chǎn)的條件，希望能夠被用于內(nèi)部存放電磁敏感設(shè)備的建筑。

3.2 防輻射水泥

防輻射水泥是對X射線、γ射線、快中子和熱中子能起較好屏蔽作用的水泥。這類水泥的主要品種有鋇水泥、鍶水泥、含硼水泥等。鋇水泥以重晶石黏土為主要原料，經(jīng)煅燒獲得以硅酸二鋇為主要礦物組成的熟料，再摻加適量石膏磨制而成。其比重達4.7～5.2，可與重集料（如重晶石、鋼段等）配制成防輻射混凝土。鋇水泥的熱穩(wěn)定性較差，只適宜于制作不受熱的輻射防護墻。鍶水泥是以碳酸鍶全部或部分代替硅酸鹽水泥原料中的石灰石，經(jīng)煅燒獲得以硅酸三鍶為主要礦物組成的熟料，加入適量石膏磨制而成。其性能與鋇水泥相近，但防射線性能稍遜于鋇水泥。在高鋁水泥熟料中加入適量硼鎂石和石膏，共同磨細，可獲得含硼水泥。這種水泥與含硼集料、重質(zhì)集料可配制成比重較高的混凝土，適用于防護快中子和熱中子的屏蔽工程。產(chǎn)品的優(yōu)點是：抗穿透性輻射能力強；有良好的防靜電聚集和擴散火花功能；有較高的抗壓及抗折強度；易于施工。

3.3 裝飾（藝術(shù)）水泥

裝飾水泥是一種新型的墻地面裝飾新材料，又可稱為藝術(shù)水泥。它起源于德國，2002年開始進入亞洲。以其新穎的裝飾風格，不同尋常的裝飾效果，倍受人們的歡迎和推崇。加上高科技生產(chǎn)工藝和公司的獨有配方，使產(chǎn)品無毒、無害、無放射、綠色環(huán)保，完全達到綠色低碳的要求，同時還具備防水、防塵、阻燃等功能。優(yōu)質(zhì)藝術(shù)水泥可清洗，高耐磨，色彩歷久常新。

裝飾水泥對于室內(nèi)裝飾設(shè)計中的主要景觀：客廳、廚房、衛(wèi)生間、電視背景墻、廊柱、吧臺能產(chǎn)生高雅的效果。進口的價格偏高，而國產(chǎn)的裝飾水泥價格可滿足各階層裝修的需求，如：賓館、酒店、會所，俱樂部、歌舞廳、夜總會、度假村，以及高檔豪華別墅、公寓和住宅的內(nèi)墻裝飾都可選用?，F(xiàn)在，越來越多的消費者選擇用裝飾水泥裝點墻面和地坪，裝修風格已逐步轉(zhuǎn)換為以文化內(nèi)涵、身體健康、崇尚自然、樸實為重點。居家裝飾是在注重室內(nèi)裝飾風格要素、符合時代特色的同時，體現(xiàn)出與眾不同的個性特點，彰顯出獨具風采的藝術(shù)風格和魅力。

現(xiàn)在，越來越多的家庭選用裝飾水泥做背景墻，將局部裝飾效果突出，為其起到畫龍點睛的作用，使家居環(huán)境顯得別具一格?；w裝飾水泥為純白色粉狀制品，可根據(jù)用戶的需要在現(xiàn)場調(diào)色。

3.4 智能透光水泥

透光水泥可廣泛作為透光性能的新型建材使用，它是由光纖和細磨水泥組成的化合物，可用來制作建筑預(yù)制板。由于光纖尺寸較小，作為一個新成分與水泥混合在一起，形成了內(nèi)部架構(gòu)和表面均衡效果的作用。纖維的比例在整個水泥塊中非常低（約4%），只是水泥結(jié)構(gòu)中的一個集合體成分，水泥塊的表面還是均勻的水泥。透光水泥塊可以修建幾米厚的墻壁，因為光纖維原則上在20m內(nèi)不會失去任何光信息。纖維根本不會影響水泥的承載力，所以在這些水泥塊上完全可以修建任何載重的建筑結(jié)構(gòu)。透光水泥塊可以生產(chǎn)不同的尺寸，并在其中加上隔熱層。

Litracon PXL作為新一代的透光水泥產(chǎn)品，用特質(zhì)的透明塑料材料代替了原先的光纖成分，從而使該產(chǎn)品可以大量生產(chǎn)，同時也大大降低了造價。有序排列的透光點陣使其透光度和清晰度有如顯示屏像素般的清晰可見。通過Litracon PXL技術(shù)不僅可以制造水泥板，更可以創(chuàng)造出很多其他的立體造型。此外，Litracon PXL技術(shù)甚至可以用來制作城市雕塑，街景觀等市政美容工程。

此外，Italcementi研制出的“透光水泥”，陽光能夠透過墻直接射進屋子里，以致建筑物的墻面看上去就像巨型的玻璃窗。據(jù)悉，這種名為“I.light”的透光水泥材料上包含了無數(shù)2mm～3mm大小的微孔，陽光能夠通過這些微型孔直接進入建筑物內(nèi)。從某些角度或者遠距離來看，透光水泥和正常水泥的外觀一模一樣。然而，如果天氣晴朗的話，使用這種水泥的建筑物的墻面將宛如覆蓋了一張薄薄的網(wǎng)，細小的網(wǎng)眼擔負著篩選陽光進入屋內(nèi)的作用，因此透光水泥在上海世博會的意大利展館上使用過，這種透光水泥可認為是一種智能型水泥。

3.5 磷光水泥與變色水泥

（1）磷光水泥。這種添加磷光材料的水泥混合物由墨西哥研發(fā)，可能讓人行道、道路無需任何人工能源而自我照明。工作原理是磷光元素在白天吸收陽光，然后晚上照亮人行道甚至是汽車道路。磷光水泥可以在陰天吸收足夠的陽光，保持長達12h的照明，因此利用磷光材料可以進一步減少對化石燃料的依賴。另外，通過改變添加劑的比例，可使水泥有兩種發(fā)光強度和色彩。磷光材料不會改變最終產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)，但可以覆蓋在普通水泥表面，作為一種發(fā)光涂料。

（2）變色水泥。變色水泥是在白色水泥中加入二氧化鈷，制成一種能隨空氣含水量多少而變色的水泥，可預(yù)報天氣、濕度的變化，所以是一種智能水泥。

3.6 特殊功能水泥—抗震水泥

為了提高現(xiàn)有建筑的抗震能力，加拿大不列顛哥倫比亞大學(xué)的一群科學(xué)家，研發(fā)出一種神奇的抗震水泥，也可以叫抗震混凝土。它是由聚合物纖維、水泥、飛灰以及其他工業(yè)添加劑制成，具有高度的堅固性、韌性以及延展性，只需將它噴涂在墻壁上，就能夠大大增強墻體的抗震性能。

研發(fā)人員也進行了地震模擬試驗，結(jié)果傳統(tǒng)水泥制成的墻壁在遇到強震時很容易就被震塌了，而涂上10mm厚的抗震水泥，卻可以抵擋住9.0級～9.1級的大地震都不倒。此外它還是典型的環(huán)保型膠凝材料，在材料的配料中，抗震水泥使用飛粉煤灰替代了70%的普通水泥，大大降低了對水泥的需求量，因此也就減少了由于生產(chǎn)水泥而產(chǎn)生的二氧化碳排放量，為環(huán)保做了貢獻。目前，這款材料已經(jīng)在溫哥華的一所小學(xué)試用。

4 新綠色膠凝材料

4.1 生物水泥

歐盟科技界經(jīng)過幾年的努力，研制開發(fā)出一種“環(huán)境友好型微生物細菌水泥生產(chǎn)技術(shù)及工藝流程”。目前正在進行生產(chǎn)廠設(shè)計和產(chǎn)品的中試工作。該研發(fā)團隊依托“微生物碳酸鹽沉淀技術(shù)”（MCP），開發(fā)了建筑或其它廢棄物的回收再利用技術(shù)。如水泥窯粉塵或建筑廢棄物作為生物水泥的鈣源，少量尿素作為加速生物反應(yīng)的催化劑，食品加工業(yè)或家庭日常生活有機垃圾作為微生物細菌的營養(yǎng)源。研發(fā)團隊通過添加少量來自植物的碳纖維，解決了生物水泥的強度和壽命問題，使得生物水泥完全達到傳統(tǒng)水泥的各項功能指標。研發(fā)團隊還對微生物細菌生產(chǎn)水泥的效率進行了比較研究，綜合考慮細菌孢子的培育難易度、環(huán)境條件適應(yīng)能力和環(huán)境友好等因素，最終選擇巴斯德芽孢八疊球（Sporosarcina Pasteurii）作為生物水泥的主要“制造工人”。新技術(shù)及產(chǎn)品已通過歐委會專家組的生命周期評估，并獲得歐盟綠色產(chǎn)品證書。

生物水泥相對傳統(tǒng)水泥對比，可有效降低水泥生產(chǎn)成本21%以上，降低能耗和溫室氣體排放11%以上。這種技術(shù)若獲得完全成功，可成為水泥制造的一種“顛覆性”技術(shù)。

（未完待續(xù)）