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  我國特種水泥的現狀及發展方向
[作者: 2016-11-11 點擊: 1672 ]

        硅酸鹽類通用水泥因歷史悠久、性能可靠和價格低廉而得到廣泛應用,已成為當今的建筑材料之一。1995年世界水泥產量已達14億噸,其中95%以上是硅酸鹽類通用水泥。但這類通用水泥不適用或不完全適用于特種工程,如水利電力工程、油氣井固井工程、耐高溫工程、裝飾工程和耐腐蝕工程等。為此世界各國都在致力于研究開發具有特殊性能和特種功能的新品種水泥,即所謂特種水泥。目前發達工業國家特種水泥產量一般占水泥總產量的5%~10%。1995年我國水泥總產量4.76億噸,特種水泥產量為656.45%萬噸,僅占水泥總產量的1.38%。    
        本文擬對我國特種水泥的研究、生產及使用現狀作一簡要介紹,并對存在的問題和今后發展方向提出一些見解,以供討論。
 1、特種水泥的分類
國內外對水泥特別是特種水泥的分類尚無定論。我國目前將水泥分為通用水泥和特種水泥兩部分。特種水泥按其功能或用途主要可分為快硬早強水泥、低水化熱水泥、膨脹和自應力水泥、油井水泥、耐高溫水泥、裝飾水泥和其它水泥等7大類。 
2、我國特種水泥研究和生產使用情況
我國特種水泥的發展歷史大致經歷了仿造、自主開發和創新3個階段。解放初我國僅有白色硅酸鹽水泥一種專用水泥,特種水泥的研究和生產幾乎沒有。為了盡快滿足恢復時期國民經濟建設的急需,我國科研技術人員在短短幾年內仿照蘇聯產品研制了一種特種水泥,其中大批量投入生產并得到推廣。主要有:快硬硅酸鹽水泥、冷堵和熱堵油井水泥以及符合蘇聯技術條件的大壩水泥。快硬硅酸鹽水泥一直沿用至今,每年尚有8萬噸產量。1954年,我國建立了綜合性建筑材料研究機構,開始系統進行水泥科學研究。水泥品種的研究也逐步從仿制進入自主開發階段。這個階段研究開發的主要新品種水泥有:以回轉窯燒結法生產的高鋁水泥、耐高溫鋁酸鹽水泥、自應力硅酸鹽水泥、澆筑水泥(1988年制定專業標準時改名為無收縮快硬硅酸鹽水泥)、明礬石膨脹硅酸鹽水泥和45℃,75℃,95℃高溫油井水泥系列。這些新品種水泥的大量投入使用,標志著我國特種水泥的發展趨于成熟。進入70年代后,隨著我國在熟料化學、水化化學和水泥石結構等方面理論研究的深入并有所突破,在理論指導下創造發明了多種新品種水泥,現擇要介紹如下。
(1)以C4A3S,β-C2S和石膏為主要組分的硫鋁酸鹽水泥系列,包括快硬、微膨脹、膨脹和自應力4個品種。其中快硬硫鋁酸鹽水泥曾用于建造南極長城參考站,經受了-50℃的考驗。以自應力硫鋁酸鹽水泥制備的輸油、輸氣、輸水管道(管徑86-800mm),迄今鋪設總長度達數千公里。   
(2)以C4AF,C4A3S,β-C2S和石膏為主要組分的鐵鋁酸鹽水泥系列,它也包括快硬、微膨脹、膨脹和自應力4個品種。由于大量鐵膠的存在,該水泥具有良好的耐腐蝕性和耐磨性。曾用于引灤入津輸水工程、山東青島海浪觀測站和福建東山縣防浪墻的建設,證明該水泥抗凍、抗侵蝕、抗沖刷效果明顯。   
(3)以C11A7·CaF2,β-C2S和石膏為主要組分的氟鋁酸鹽水泥系列,包括型砂水泥、搶修水泥和快凝快硬氟鋁酸鹽水泥3個品種。在唐山大地震和對越自衛反擊戰中,利用該水泥快凝快硬的特點,緊急搶修機場,保證了抗震救災和軍事行動的順利完成。   
(4)低熱膨脹水泥,它是所有低水化熱水泥中水化熱最低并兼有微膨脹性能的新品種水泥。1984年利用該水泥在浙江緊水灘電站圍堰工程81m長塊上通倉連續澆筑成功,被專家譽為奇跡,為優質、高速、低價建造混凝土壩開辟了新途徑。   
(5)自應力值達10Mpa的高自應力鋁酸鹽水泥。用它建造的高自應力水泥壓力管(管徑達1m),于1979年在江西婺源港口電站使用,至今運轉正常。與鋼管相比,其造價低、耐久性明顯提高。   
(6)明礬石膨脹硅酸鹽水泥。由于該水泥強度組分和膨脹組分匹配合理、相互依存,膨脹指數低,后期強度高,被成功的用于毛主席紀念堂后澆縫工程及亞運會13項工程(包括奧林匹克運動中心看臺、速滑館防滲層和冷卻板等),均起到了補償收縮、抗裂防滲的良好作用。   
 國內還有許多著名工程成功地采用特種水泥。如長江葛洲壩工程采用了多種低水化熱水泥;成昆鐵路采用了抗硫酸鹽的硅酸鹽水泥;上海寶剛工程采用了無收縮快硬硅酸鹽水泥;我國唯一的7000m超深氣井采用了超深井水泥。以上工程都取得了優質的使用效果,獲得了國家或有關部門的好評。    
 經過40余年的不懈努力,至今我國以研究、開發了6大體系、7大類共60多種特種水泥。在品種、數量和研究水平方面跨入了世界先進行列,基本滿足了我國冶金、石油、化工、水電、建筑、機械、交通、煤炭和海洋開發等各行業的需要。目前,年產量約為650萬噸。 
3、存在的主要問題   
 當前我國特種水泥的發展存在兩個主要問題:一是產量較低,與我國國民經濟建設規模不相適應。1995年我國水泥總產量已達4.76億噸,但其中特種水泥僅約656萬噸,占水泥總量的1.38%。而日本1989年特種水泥產量為500萬噸,占水泥總產量的6.2%;蘇聯1989年特種水泥產量達1460萬噸,占水泥總產量的10.4%;美國1980年特種水泥產量已達580萬噸,占水泥總產量的9.0%。據預測到2008年我國對水泥的需求量將達到10億噸。按特種水泥需求量3%計算,其產量應達到3000萬噸,目前產量離此目標還有很大距離。二是從特種水泥本身的產品結構看,與美國、日本和蘇聯等國相比,我國裝飾水泥和膨脹自應力水泥所占比例大體相當,油井水泥和水工水泥所占比例偏低,快硬早強水泥則嚴重短缺。國外此類水泥產量通常3%-8%,是各種特種水泥中產量最高的一類,而我國僅占0.06%,是產量最低的一類。 
4、針對上述問題,結合我國國情,今后在發展特種水泥時應注重以下幾個問題   
(1)迅速增加特種水泥的生產和用量     
根據我國的實際條件和需求,我們認為,可將今后10年內特種水泥產量翻兩番作為目標開展工作。從水泥廠的生產能力來看,不存在大的問題。重點應放在廣大特種水泥的應用領域和使用量上。應特別重視開發各產業部門自身需求的特種水泥材料,如煤炭工業需要的高水基填充料和快硬泡沫填充料;核工業需要的核廢料固結料;化學工業需要的耐各種化學腐蝕膠凝材料;冶金工業需要的各種耐高溫材料和高強流動性二次灌漿材料;鐵道部門需要的速凝膨脹性噴射材料等。這些特種工程材料均可通過現有特種水泥改性或復合使用各種外加劑加以實現。特種工程材料的大量使用將為特種水泥打開廣闊的市場。     
為了迅速增加特種水泥用量,首先要大力加強對特種水泥的宣傳和推廣作用。我國國土遼闊,不少水泥生產和使用單位由于缺乏信息,至今不知特種水泥為何物。許多急需特種水泥的工程因為無法購買或不知道何處生產而只能以通用水泥帶之,其結果是工程質量下降、壽命縮短;而特種水泥生產廠卻又因為缺乏用戶而產量上不去。    
其次,對特種水泥的價格應有客觀的認識。特種水泥對原材料要求較高,有時還需采用較昂貴的材料,加之生產工藝也比較復雜,因此生產成本一般高于普通水泥。但只要確定具有良好的性能,價格適當高一些,使用部門應是能夠接受的。但目前存在兩種不正常現象。一是少數生產單位借特種水泥之名,大幅度提高價格,使用戶望而生畏,不敢使用;二是有些用戶盲目要求生產單位降低特種水泥的價格,否則就寧可以通用水泥代替,使生產廠難以適從。這兩種現象都不利于特種水泥生產和使用的正常發展。     
最后,還必須有設計和使用部門的密切配合,要在這些部門的技術人員充分了解特種水泥的基礎上,逐步使特種水泥列入設計和施工規范,確保特種水泥的“合法”地位。此外還應配以適當的鼓勵政策,例如對凡采用特種水泥新材料者給予風險獎勵等。    
在大量宣傳、開發和推廣特種水泥的過程中,應特別注意擴大快硬早強水泥的用量。我國已研制成功并有實用價值的快硬早強類水泥有近10種多,居世界之首,但年產量僅30.37萬砘。實際上我國具有快硬早強要求的工程很多,這類水泥只要有一個合理的價格和良好的性能,是大有用武之地的。今后10年內應將快硬早強水泥用量增加到250萬噸,我國特種水泥的產量和產品結構和有可能逐步趨于合理。   
(2)特種水泥的性能和生產工藝的完善     
我國現有水泥品種雖已基本滿足各行業的需要,但在性能上仍有待改變和完善,如快硬早強類水泥,大多存在凝結時間過短的問題,不能滿足日益發展的商品混凝土的要求,因此需要研究延長或調節凝結時間的有效技術途徑。低水化熱水泥則應在進一步降低水化熱和賦予其適宜的膨脹性能上下功夫。除迅速研制和生產國外已有的低熱硅酸鹽水泥外,還應通過熟料化學和水化化學的理論研究,尋找水化熱更低的水泥體系。低水化熱水泥理想的膨脹性能應具有集早期膨脹和后期膨脹為一體的所謂“雙膨脹”性能,從而能更有效的補償冷縮和干縮。如何解決后期適量膨脹是一個重要的研究課題。我國油井水泥自1991年3月1日起采用美國石油會標準后,對產品的質量要求大大提高,目前我國即使是生產條件較好的大中型水泥廠,成品率也不高。為此應研究改進生產工藝和裝備,提高成品合格率,使產品質量達到美國和日本等國的實物質量標準。應加強對膨脹自應力水泥膨脹機理論研究,充分掌握膨脹組分及其含量、水泥的使用或養護條件及混凝土配制工藝(包括配比)對膨脹或自應力混凝土的膨脹量和穩定期影響,在此基礎上穩定產品質量,保證膨脹和自應力水泥的安全和有效使用。對白水泥,應降低能耗、提高白度和提高現有各種耐高溫水泥的質量,在此基礎上開發AL203含量為80%以上的成品純鋁酸鈣水泥,用來配制低水量和低水泥量的高性能耐火澆注料。     
我國特種水泥生產的總體工藝水平和裝備水平比較落后,在某種程度上甚至比硅酸鹽類通用水泥的生產水平還要低一些(與大中型水泥企業相比)。這主要是由于特種水泥產量較低,大多由中小型企業的小型中空回轉窯生產。今后10年內應致力于將特種水泥的生產工藝和裝備水平提高一個臺階。配備必要的均化設施、精確的計量和檢測儀器以及適當的自動控制手段,從而使我國特種水泥的質量穩定在較高的水準上。   
(3)以節能為中心開展水泥品種的研究    
首先應從探索水泥礦物著手,研究開發節能型礦物,即低鈣低燒成溫度及易磨性好的礦物體系。系統地研究其共存條件及工業生產的可能性。近年來,我國研究開發了β-C2S-CHA7·CaF2,β- C2S-C4A3S和β- C2S-C4A3S-C4AF等節能礦物體系,其性能各具特色,均已生產使用。今后在使上述各體系性能進一步完善的同時,應以發展在原料來源、性能和價格上與硅酸鹽類通用水泥相匹敵的、燒成溫度為1000~1200℃的新體系作為長期目標。     
其次是利用工業廢渣制備特種水泥,以達到節能和利廢的目的。目前已研究成功利用煤矸石生產快硬早強水泥、利用粉煤灰生產砌筑水泥和低熱粉煤灰硅酸鹽水泥和利用礦渣生產低熱微膨脹水泥。用堿渣制備Alinite水泥的研究也已完成工業試生產,熟料燒成溫度可降至1100℃左右,但該水泥中C1-的存在形式及水泥中C1-的釋放和擴散能力,以及對水泥生產設備和混凝土中鋼筋的銹蝕等問題有待進一步研究。    
利用工業廢渣或尾礦應注意兩個問題:
一、廢渣和尾礦成分波動較大,在水泥生產過程中需采用均化措施;
二、廢渣和尾礦往往具有一定的放射性,在生產時對其咱類和摻量的選擇應考慮使最終水泥產品的放射性不超標。   
(4)新型水泥基材料的開發的重點和發展趨勢。
日本小野田水泥公司的長期研究目標中就包括開發抗壓強度為300Mpa,抗折強度為100 Mpa以及耐久性可保證1000年的水泥基材料。這些新型水泥基材料的開發成功有可能引起工程界的一場真正革命。研究的途徑,除探索新的水泥礦物系統外,還要用增強材料、高活性摻和料外加劑等加以解決。因此,用普通水泥摻外加劑或外摻料來制備新型水泥基材料或用外加劑和增強材料大大改善水泥的性能,包括上述超高強、超低水化熱和高耐久性等也將是今后要研究的重點課題之一。 

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