新型胶凝材料的发展与展望（上）

韩仲琦

（天津水泥工业设计研究院有限公司，天津 300400）

0 导 语

今年两会期间政府工作报告中提到要“积极推广绿色建筑和建材”，“大力发展节能环保产业”，这预示着建材行业将会发生较大的变革，会有很大的发展市场。另外我国经济在供给侧结构性改革背景下，经济增涨已从中高速向中速转变，制造业发展也从中低端向中高端迈进，因此我国胶凝材料行业的发展环境会发生很大改变，将进入转型升级、节能减排及低碳发展的更高阶段。加强基础材料升级换代与智能制造，是我们新胶凝材料工作者的任务。本文概括介绍了当前国内外新型胶凝材料的研究与开发情况，并对将来的发展提出了一些展望，可供读者在科技创新工作中参考。

1 新型胶凝材料的概念

本文提出的新型胶凝材料，是指传统无机水硬性胶凝材料通过科研开发和技术创新，取得的节能环保新性能、新功能、新产品。主要包括新品种水泥、优秀功能水泥、水泥基复合材料、高性能混凝土、复合型混凝土，以及智能化胶凝材料等。无机胶凝材料以其数量大、用途广、耐久性强，具备许多其他结构材料没有的特点而成为一种重要的基础原材料，至今没有任何其他材料可以完全代替它。但由于是一种资源型和能源型产业，故随着经济建设的发展和科技水平的提高，世界各国都加强了“高性能化”和环境保护的要求，高品质、新性能和多功能的绿色环保胶凝材料的发展得到了很多人的关注，并可预计在世界范围内将会得到较快的发展。

2 传统胶凝材料的创新与发展

2.1 高强低钙硅酸盐水泥

（1）一种低钙水泥的方案是利用粉煤灰配料、可生产一种能够大幅度降低能耗和二氧化碳排放的水泥熟料生产方法，其产品综合性能优于普通硅酸盐水泥，二氧化碳排放量和烧成热耗都可大幅降低，吨熟料使用的粉煤灰比例超过40%，吨熟料二氧化碳排放量和烧成热耗可以降低20%以上。此方法是以窑外分解的水泥生产工艺为基础，使低钙水泥中的硅酸二钙以高活性的á形态存在，形成适用于低钙水泥生产的新工艺，天津水泥设计研究院在这方面的研究已取得了较大进展。

（2）另一种低钙水泥的方案是掺入两种以上混合材，掺加大量超细矿渣（比表面积600m2/kg～800m2/kg）和高质量粉煤灰等混合材，同时研究C2S及C4AF含量高的熟料以及活化它们的方法，从而开发出性能更优秀的低钙水泥。

（3）最近，中国建材集团开发完成了“高强低钙硅酸盐水泥生产技术”的项目，其产品是以硅酸二钙（贝利特C2S）为主要矿物的节能减排显著的新型胶凝材料。该成果使得以高贝利特矿物为主的低钙水泥推广应用到更多领域成为可能，是一种可形成工业化生产的新技术，该技术解决了高贝利特水泥早期强度偏低、工程应用受限的难题，在2 000t/d以上新型干法生产线上实现了稳定生产，产品已应用于“大岗山、枕头坝”等多项国家重点工程。项目还开展了生产智能控制技术研究，为水泥行业深入开发与推广智能控制技术做了积极有益的探索，具有较大的推广意义。

2.2 日本钙硫铝系低温煅烧水泥

在日本一种被称为ye’elimite的硫铝酸盐矿物（4CaO3·3Al2O3·SO3），在烧制胶凝材料的熟料时，产生的CO2量较少，并且烧成温度也比阿利特低。1970年以后，日本在超快硬水泥、玻璃纤维增强水泥和膨胀剂方面研究了这种矿物的作用。除日本外还有一些国家也在研究，并取得了很好成果。这种钙硫铝系水泥可以比现在通用硅酸盐水泥CO2的排放量少30%。故世界上出现了这种系列水泥商品化的开发动向。

2.3 澳大利亚低温煅烧水泥

作为节能的水泥熟料烧成方法，可以考虑用添加矿化剂或采用提高原料易烧性的方法，例如采用“氟”和“硫”，可以降低烧成温度100℃。

澳大利亚联邦工业研究组织的建筑部门与意大利那不勒斯大学，共同开发了一种不需经过高温煅烧的工艺流程，这种新品种水泥称为低温煅烧水泥，其组成是由氧化钙（生石灰）、氧化铝、硫酸钙等化合物混合制成，它能有效利用石膏、矿渣和采石场的工业废料作原料，根据添加剂的不同改变加工工艺，即可降低烧成温度又能增加强度和稳定性。

2.4 垃圾焚烧灰水泥

垃圾焚烧灰水泥（Eco-Cement）是一种绿色环保型的新型胶凝材料，这种水泥的配料以垃圾焚烧场的垃圾焚烧灰和下水污泥为特点，减少了几乎传统硅酸盐水泥原料中一半的石灰石用量，并且由垃圾焚烧灰带入的二噁英可以在回转窑中分解，回转窑的废气和熟料中都不会含有。焚烧灰带入的重金属在回转窑的1 300℃以上高温中以氯化物形式挥发而随废气排出，再由重金属回收装置浓缩分离，成为可利用的再生资源。这种水泥在日本已有工业标准，可用于普通建筑、道路和装饰器皿用。我国某些水泥企业已采用了这种技术，缓解了垃圾处理场填埋废弃物难题。

另外，在日本还有使用垃圾焚烧飞灰或不分类垃圾的水泥制造工艺，我国正在努力开发和完善这方面的协同处理工艺，建立相应的工业标准。

2.5 处置废弃物的理论研究

（1）控制有害元素的理论研究。

水泥工业协同处置生活垃圾、城市污泥和有毒有害危险废弃物等技术，在我国已有了很多研究和实践，但还需要深入进行一些理论研究。水泥窑具有明显的高温、长流程特点，粉体材料在预热和预分解过程中烟气和粉体不仅发生热交换，而且对某些组分产生热吸附，例如氯、硫、钠、钾、氟。熟料晶相形成时固溶或固化一些重金属离子等，目前还没有从理论上研究清楚。此外，二噁英影响在预分解窑炉中产生的因素有哪些？控制的机理也需要很好研究，否则就不能排除二噁英产生的风险。因此，解决预分解窑炉中粉体化学组成，烟气化学组成及其对于二噁英形成的影响，控制二噁英生成的工艺条件需要有科学的依据。与此同时，还要研究钾、钠、硫、氯等干扰元素在烧成系统中的反应行为和控制方法、熟料对于重金属离子的固化理论，以及防止水泥混凝土使用中的二次污染等问题。解决这些问题将奠定水泥窑作为废弃物最优处置的环保产业的理论基础，为水泥产业向环保产业转型提供理论支撑。

（2）碱激发胶凝材料。

碱激发胶凝材料的主要原料是工业排放的废渣、尾矿、黏土类物料、天然矿物等，激发剂主要是各种化学试剂、工业副产品或产品，一般用量在10%以下。碱激发剂的作用是激发原料，使之具有胶凝性，并且形成含碱水化物，因为大部分原料中都含有一定量的钙，因此不用专门的含钙物质也可以使其具有胶凝性。这种水泥的加工方法不用高温处理，在加工过程中内部原子、离子发生重排，组成新的结构。在碱—铝硅酸盐玻璃体系中是以矿渣、粉煤灰、磷渣、赤泥、煤矸石等为主要原料，这些原料是以铝硅酸盐的玻璃体或无定形物质为主体。另外以黏土经适当温度煅烧后形成偏高岭石作原料时，经碱的激发而形成的胶凝材料其组成几乎不含钙。而碱碳酸钙类，在一定条件下，碱性硅酸盐溶液可能与天然石灰岩形成胶凝性材料。

本部分内容，笔者在有关发表过的论文中也曾介绍过，在别的文献资料中也有报道，由于这种方法具有突出的新颖性和启发性，故本文中再次提出。这种方法已引起国内一些高等院校和某些企业的关注，如果这种科研成果取得工业成功，将具有划时代的意义。

（3）“间隙质”与水泥质量的关系。

使用废弃物作为替代原燃料的水泥中Al2O3的成分较多，在熟料中产生“质量空白”的现象，称为“间隙质”。这是因为采用了废弃物而出现的情况。所以在水泥工业协同处置废弃物时是要考虑的问题。水泥中“间隙质”若含量多的话将对凝结时间、水化热、流动性、最终强度、收缩率造成影响，所以要找到对应措施，以控制水泥的性能。例如当C3A增加了可以调整石膏的加入量来保证好的流动性。研究“间隙质”的组成方案，通过原料配料和实验找到合适的参数值，从而控制水泥的质量。

3 优秀功能水泥与智能水泥

自水泥出现之后，水泥的种类与品种就不断增加，以适应工程应用的需要，品种水泥和功能水泥的种类都很多，已有很多文献报道，例如有：彩色水泥、白水泥、弹力水泥、防水水泥、陶瓷水泥、碳纤水泥、木质水泥、长效水泥、贮热水泥、加糖水泥、自愈水泥、油井水泥、耐海水水泥、军工水泥等。这些水泥的性能不单很重要，还给人们增添了很多乐趣，此处不再重述。

以下，本文将重点介绍近期新出现的“优秀功能水泥”或“智能水泥”的发展情况。

3.1 防电磁爆水泥

美国内布拉斯加大学，研发出一款新型导电水泥，能抵御“电磁磁脉冲”，可避免建筑物遭受电磁爆破坏。近年来，安全专家逐渐意识到电磁脉冲攻击的危险性，这种强大武器能够彻底破坏电力系统，使数百万人置身于危险境地。目前，研究人员最新研制的这种传导性水泥，可作为屏蔽层避免遭受电磁脉冲武器攻击。据介绍，这种水泥中加入了磁铁矿，这种磁性矿石能够吸收脉冲微波，从而具有导电性。此外，水泥中还加入了碳和金属成分，不仅能增强电磁脉冲的吸收力，还能将其释放出去。据称，这比传统的金属板防御技术有效得多，也便宜得多。研究人员表示，这种水泥目前已经具备商业化生产的条件，希望能够被用于内部存放电磁敏感设备的建筑。

3.2 防辐射水泥

防辐射水泥是对X射线、γ射线、快中子和热中子能起较好屏蔽作用的水泥。这类水泥的主要品种有钡水泥、锶水泥、含硼水泥等。钡水泥以重晶石黏土为主要原料，经煅烧获得以硅酸二钡为主要矿物组成的熟料，再掺加适量石膏磨制而成。其比重达4.7～5.2，可与重集料（如重晶石、钢段等）配制成防辐射混凝土。钡水泥的热稳定性较差，只适宜于制作不受热的辐射防护墙。锶水泥是以碳酸锶全部或部分代替硅酸盐水泥原料中的石灰石，经煅烧获得以硅酸三锶为主要矿物组成的熟料，加入适量石膏磨制而成。其性能与钡水泥相近，但防射线性能稍逊于钡水泥。在高铝水泥熟料中加入适量硼镁石和石膏，共同磨细，可获得含硼水泥。这种水泥与含硼集料、重质集料可配制成比重较高的混凝土，适用于防护快中子和热中子的屏蔽工程。产品的优点是：抗穿透性辐射能力强；有良好的防静电聚集和扩散火花功能；有较高的抗压及抗折强度；易于施工。

3.3 装饰（艺术）水泥

装饰水泥是一种新型的墙地面装饰新材料，又可称为艺术水泥。它起源于德国，2002年开始进入亚洲。以其新颖的装饰风格，不同寻常的装饰效果，倍受人们的欢迎和推崇。加上高科技生产工艺和公司的独有配方，使产品无毒、无害、无放射、绿色环保，完全达到绿色低碳的要求，同时还具备防水、防尘、阻燃等功能。优质艺术水泥可清洗，高耐磨，色彩历久常新。

装饰水泥对于室内装饰设计中的主要景观：客厅、厨房、卫生间、电视背景墙、廊柱、吧台能产生高雅的效果。进口的价格偏高，而国产的装饰水泥价格可满足各阶层装修的需求，如：宾馆、酒店、会所，俱乐部、歌舞厅、夜总会、度假村，以及高档豪华别墅、公寓和住宅的内墙装饰都可选用。现在，越来越多的消费者选择用装饰水泥装点墙面和地坪，装修风格已逐步转换为以文化内涵、身体健康、崇尚自然、朴实为重点。居家装饰是在注重室内装饰风格要素、符合时代特色的同时，体现出与众不同的个性特点，彰显出独具风采的艺术风格和魅力。

现在，越来越多的家庭选用装饰水泥做背景墙，将局部装饰效果突出，为其起到画龙点睛的作用，使家居环境显得别具一格。基体装饰水泥为纯白色粉状制品，可根据用户的需要在现场调色。

3.4 智能透光水泥

透光水泥可广泛作为透光性能的新型建材使用，它是由光纤和细磨水泥组成的化合物，可用来制作建筑预制板。由于光纤尺寸较小，作为一个新成分与水泥混合在一起，形成了内部架构和表面均衡效果的作用。纤维的比例在整个水泥块中非常低（约4%），只是水泥结构中的一个集合体成分，水泥块的表面还是均匀的水泥。透光水泥块可以修建几米厚的墙壁，因为光纤维原则上在20m内不会失去任何光信息。纤维根本不会影响水泥的承载力，所以在这些水泥块上完全可以修建任何载重的建筑结构。透光水泥块可以生产不同的尺寸，并在其中加上隔热层。

Litracon PXL作为新一代的透光水泥产品，用特质的透明塑料材料代替了原先的光纤成分，从而使该产品可以大量生产，同时也大大降低了造价。有序排列的透光点阵使其透光度和清晰度有如显示屏像素般的清晰可见。通过Litracon PXL技术不仅可以制造水泥板，更可以创造出很多其他的立体造型。此外，Litracon PXL技术甚至可以用来制作城市雕塑，街景观等市政美容工程。

此外，Italcementi研制出的“透光水泥”，阳光能够透过墙直接射进屋子里，以致建筑物的墙面看上去就像巨型的玻璃窗。据悉，这种名为“I.light”的透光水泥材料上包含了无数2mm～3mm大小的微孔，阳光能够通过这些微型孔直接进入建筑物内。从某些角度或者远距离来看，透光水泥和正常水泥的外观一模一样。然而，如果天气晴朗的话，使用这种水泥的建筑物的墙面将宛如覆盖了一张薄薄的网，细小的网眼担负着筛选阳光进入屋内的作用，因此透光水泥在上海世博会的意大利展馆上使用过，这种透光水泥可认为是一种智能型水泥。

3.5 磷光水泥与变色水泥

（1）磷光水泥。这种添加磷光材料的水泥混合物由墨西哥研发，可能让人行道、道路无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阳光，然后晚上照亮人行道甚至是汽车道路。磷光水泥可以在阴天吸收足够的阳光，保持长达12h的照明，因此利用磷光材料可以进一步减少对化石燃料的依赖。另外，通过改变添加剂的比例，可使水泥有两种发光强度和色彩。磷光材料不会改变最终产品的结构，但可以覆盖在普通水泥表面，作为一种发光涂料。

（2）变色水泥。变色水泥是在白色水泥中加入二氧化钴，制成一种能随空气含水量多少而变色的水泥，可预报天气、湿度的变化，所以是一种智能水泥。

3.6 特殊功能水泥—抗震水泥

为了提高现有建筑的抗震能力，加拿大不列颠哥伦比亚大学的一群科学家，研发出一种神奇的抗震水泥，也可以叫抗震混凝土。它是由聚合物纤维、水泥、飞灰以及其他工业添加剂制成，具有高度的坚固性、韧性以及延展性，只需将它喷涂在墙壁上，就能够大大增强墙体的抗震性能。

研发人员也进行了地震模拟试验，结果传统水泥制成的墙壁在遇到强震时很容易就被震塌了，而涂上10mm厚的抗震水泥，却可以抵挡住9.0级～9.1级的大地震都不倒。此外它还是典型的环保型胶凝材料，在材料的配料中，抗震水泥使用飞粉煤灰替代了70%的普通水泥，大大降低了对水泥的需求量，因此也就减少了由于生产水泥而产生的二氧化碳排放量，为环保做了贡献。目前，这款材料已经在温哥华的一所小学试用。

4 新绿色胶凝材料

4.1 生物水泥

欧盟科技界经过几年的努力，研制开发出一种“环境友好型微生物细菌水泥生产技术及工艺流程”。目前正在进行生产厂设计和产品的中试工作。该研发团队依托“微生物碳酸盐沉淀技术”（MCP），开发了建筑或其它废弃物的回收再利用技术。如水泥窑粉尘或建筑废弃物作为生物水泥的钙源，少量尿素作为加速生物反应的催化剂，食品加工业或家庭日常生活有机垃圾作为微生物细菌的营养源。研发团队通过添加少量来自植物的碳纤维，解决了生物水泥的强度和寿命问题，使得生物水泥完全达到传统水泥的各项功能指标。研发团队还对微生物细菌生产水泥的效率进行了比较研究，综合考虑细菌孢子的培育难易度、环境条件适应能力和环境友好等因素，最终选择巴斯德芽孢八叠球（Sporosarcina Pasteurii）作为生物水泥的主要“制造工人”。新技术及产品已通过欧委会专家组的生命周期评估，并获得欧盟绿色产品证书。

生物水泥相对传统水泥对比，可有效降低水泥生产成本21%以上，降低能耗和温室气体排放11%以上。这种技术若获得完全成功，可成为水泥制造的一种“颠覆性”技术。

（未完待续）