韓仲琦

（天津水泥工業(yè)設(shè)計研究院有限公司，天津 300400）

（接2018年第6期81頁）

4.2 聚合物水泥

由眾多原子或原子團以共價鍵結(jié)合而成的高分子化合物（macromolecular compound），稱為聚合物，相對分子量約為10 000。例如有纖維素、蛋白質(zhì)、蠶絲、橡膠、淀粉等天然高分子化合物，以及以高聚物為基礎(chǔ)的合成材料，如各種塑料，合成橡膠，合成纖維、涂料與粘接劑等聚合物。

聚合物水泥是由水泥、骨料和可以分散在水中的有機聚合物攪拌而成的膠凝材料，聚合物水泥的特點是防水抗?jié)B效果好。粘結(jié)強度高，能與結(jié)構(gòu)形成一體?？垢g能力強。耐高濕、耐老化、抗凍性好。市場出售的自流平水泥也是利用了聚合物水泥的特點。

4.3 復(fù)合水泥的性能研究

水泥是一種處于介穩(wěn)狀態(tài)的礦物粉體材料，通過水化后產(chǎn)生水化物，水化物彼此鍵合并逐漸硬化成為具有強度的硬化體。水泥從制備到應(yīng)用，是一個從穩(wěn)定態(tài)到介穩(wěn)態(tài)，又從介穩(wěn)態(tài)向較穩(wěn)定狀態(tài)過渡的過程。所以為了提高水泥性能可以研究水泥熟料的復(fù)合性，這已引起許多開發(fā)者的注意，目前高性能水泥的研究內(nèi)容如下：

（1）研究不同熟料的復(fù)合，不同熟料與混合材的復(fù)合、不同顆粒尺寸材料的復(fù)合，以及有機與無機的復(fù)合，增加水泥水化密實性和耐久性。

（2）對混合材料進行物理化學(xué)預(yù)處理，通過機械力化學(xué)作用，使之微細化、活性化，具有性能調(diào)節(jié)功能，使混合材的水化產(chǎn)物在水泥中起到結(jié)構(gòu)致密性、膠結(jié)性、抗腐蝕性和耐久性作用。

（3）通過對復(fù)合型水泥的研究，使水泥的綜合性能取得突破性提高，從而極大地提高混凝土構(gòu)筑物的各方面性能和壽命，這些綜合性能表現(xiàn)為強度提高10MPa，水泥用量減少20%～30%、提高抗?jié)B性能可使混凝土壽命提高30%～50%等。

4.4 鎂質(zhì)膠凝材料

鎂質(zhì)膠凝材料若按元素組成來劃分，是與鈣質(zhì)水泥并排的一類水泥膠凝材料，也稱為鎂水泥。鈣質(zhì)水泥主要包括硅酸鹽水泥、鋁酸鹽水泥和硫鋁酸鹽水泥，而鎂水泥分為氯氧鎂水泥、硫氧鎂水泥、磷酸鎂水泥，鎂水泥也可稱為鎂質(zhì)膠凝材料。

以前鎂質(zhì)膠凝材料稱為“菱苦土”，主要原料來源是由菱鎂石（菱鎂石即鎂礦石）煅燒而成，后來改稱“菱鎂材料”。近幾十年來，人們對鎂質(zhì)膠凝材料的認知和理解在不斷提升，逐漸將菱鎂材料改稱鎂質(zhì)膠凝材料或鎂水泥。

鎂質(zhì)膠凝材料（鎂水泥）的基本配比由MgO-MgCl2（MgSO4）-H2O三元組成。在實際生產(chǎn)中，為了克服鎂水泥的抗水性差、吸潮返鹵以及變形等缺點，往往需要再加入改性劑及其他功能性材料。要根據(jù)制品用途和形狀要求，加入填充改性材料（鋸末，有機或無機纖維材料，粉煤灰、礦渣粉末等材料）、攪拌、成型、養(yǎng)護等，最終制成成品。這種膠凝材料的特點是：

（1）防火性能優(yōu)越。

鎂質(zhì)膠凝材料制成的墻體材料屬不燃材料，達到A1級。材料產(chǎn)煙毒害性分級達到安全AQ級，耐火極限平均≥1.5h，大大高于石膏、水泥、硅酸鈣等其它材料。另外，在使用過程中，不存在甲醛和有機VOC的散發(fā)、在燃燒過程中不產(chǎn)生有毒煙氣，使用是安全環(huán)保的。

（2）高強、輕質(zhì)、保溫。

據(jù)檢測試驗，鎂質(zhì)膠凝墻體材料建筑制品與鈣質(zhì)水泥制品相比，抗沖擊性高1倍～5倍，抗凍性高2倍～4倍，抗壓、抗拉強度高出1倍～2倍。鎂質(zhì)膠凝材料輕質(zhì)、高強（40kg/m2～60kg/m2），具有極好的抗溫變化的性能。

雖然鎂質(zhì)膠凝材料還有一些缺點，如鎂水泥制品的抗水滲透性較差，但通過加強對原料性能及其種類的深入研究，以及對高鎂質(zhì)膠凝材料的產(chǎn)量和應(yīng)用性能深入研究、探索新的科學(xué)配方，將使這種膠凝材料會有更廣泛的應(yīng)用市場，并會擴展膠凝材料新資源的應(yīng)用范圍。

5 功能混凝土

5.1 混凝土結(jié)構(gòu)與功能的控制

水泥顆粒要自由活動具有流動性，必須在其表面形成一定厚度并具有潤滑功能的水膜，若能使這層水膜的需水量減少，則砼結(jié)構(gòu)更密實，對砼結(jié)構(gòu)可以控制。具體方法是：控制水泥顆粒粗大化和最佳顆粒級配；顆粒形狀的球狀化；改進水泥組成（例如以貝利特為主的水泥）；控制水泥產(chǎn)物形態(tài)和大小。

利用物質(zhì)熱變色現(xiàn)象，可把功能性物質(zhì)混合在水泥中使用，也可以涂布在砼表面，改變構(gòu)筑物色彩。

5.2 混凝土制品的低碳化

利用工業(yè)副產(chǎn)品中的γ-C2S與C O2反應(yīng)，采用碳酸養(yǎng)護低水灰比混凝土，取得致密度高、耐久性高的產(chǎn)品，這也是日本正在進行的一項研究。另外，混入粉煤灰再用火力發(fā)電排放的廢氣養(yǎng)護，使混凝土CO2排放量成為負值也是可能的，其產(chǎn)品已用于拼裝砌塊路面裝飾材料。

還有一種低碳材料，即完全不用水泥，其壓縮強度可與水泥一樣，但要蒸汽養(yǎng)護，已引起世界的關(guān)注，這是由Alumino-Silicate（鋁硅酸鹽）和堿化硅溶液制造的。

對于今后用于水泥的混合材，日本提出要重視并應(yīng)盡快開展研究的是，廢棄物的使用與質(zhì)量的平衡。同時要考慮“反應(yīng)”的熟料材料開發(fā)。在產(chǎn)品功能化方面，各國均在混合材替代熟料的作用方面繼續(xù)開展工作，日本也提出要加強“熟料”的技術(shù)開發(fā)，并且要在“熟料骨材”方面進行拓展工作。此外，日本對于土壤地基改良的水泥固化材料研究比較重視。

5.3 纖維水泥基復(fù)合混凝土

水泥基復(fù)合材料是以硅酸鹽水泥為基體，以耐堿玻璃纖維、通用合成纖維、各種陶瓷纖維、碳和芳綸等高性能纖維、金屬絲以及天然植物纖維和礦物纖維為增強體，加入填料、化學(xué)助劑和水經(jīng)復(fù)合工藝構(gòu)成的復(fù)合材料。目前比較熱門的水泥基復(fù)合材料是纖維水泥基復(fù)合混凝土，它通常是以水泥凈漿，砂漿為基體，由非連續(xù)短纖維或連續(xù)長纖維為增強材料所組成。在混凝土中加入纖維，可以強化水泥砂漿，提高水泥基復(fù)合材料拉伸、彎曲及沖擊強度，控制裂紋的擴展，改善失效模式和成型時材料的流動性，是改善其性能的最有效途徑。

以混凝土“龜縮”現(xiàn)象為出發(fā)點進行的研究是對超高強纖維增強混凝土的研究，研究其混凝土的組成及機理等，一些題目可能是世界頂級的研究內(nèi)容。使用增強纖維的超高強混凝土，可以不用鋼筋增強，但設(shè)計的強度比一般的混凝土結(jié)構(gòu)強度還要高好幾倍，是一種致密度高的、耐久性強的材料，因此使設(shè)計100年耐久結(jié)構(gòu)建筑物成為可能。使用這種技術(shù)，開發(fā)出的高壽命建筑物可減少生命周期成本，減少環(huán)境負荷。最近東京國際機場附屬建筑物的預(yù)應(yīng)力樓板也采用了這種混凝土，此外對老式建筑物的改造也可用耐震增強的方法使其再生。

另外，鋼筋混凝土劣化的主要原因是混凝土中氯元素對鋼筋的擴散，如果能正確掌握其擴散狀態(tài)就能預(yù)測混凝土的壽命。然而混凝土是一種復(fù)雜的材料，正確了解擴散現(xiàn)象是一件很困難的工作，現(xiàn)在該研究所已與國內(nèi)外一些有名大學(xué)進行了合作，所以分析氯擴散的機理及新測定技術(shù)，是很重要的工作。

5.4 混凝土的3D智能制造

這是由我國中國建材研究總院正在進行的科研開發(fā)項目，主要任務(wù)是探索寒冷條件下混凝土3D智能制造關(guān)鍵材料及技術(shù)，解決服役混凝土約束狀態(tài)下的寒凍破壞機理及抗凍性評價方法。眾所周知我國東北、西北、西南地區(qū)，氣候與氣象復(fù)雜多變，極端天氣下的混凝土施工很困難，在極端寒冷條件下混凝土常常損壞，為此解決寒冷條件下混凝土的智能攪拌制造技術(shù)相當重要。

5.5 拋光混凝土

這是一種裝飾混凝土，也是一種功能材料（藝術(shù)混凝土），產(chǎn)品已被中央電視臺選中“國家品牌計劃”，一般用于地面或墻壁的美化或裝修，雖是國外技術(shù)，但已在國內(nèi)開始使用和發(fā)展，今后根據(jù)我國實際情況，這種藝術(shù)混凝土技術(shù)和水泥技術(shù)結(jié)合起來，會有更好的發(fā)展。拋光混凝土有下列幾種，可根據(jù)不同需要斟酌選用：

（1）法老石，這是針對豪華裝修的方案；

（2）金鉆磨石，可以注入健康要素、文化要素、風(fēng)水要素和科技要素，靈活施工使用；

（3）筑硅磨石，這是一款大眾化的產(chǎn)品，用于一般裝修；

（4）地面裝修材料，一般用于工業(yè)地坪裝修，這是為對外觀要求不那么嚴格的用戶設(shè)計的。

拋光混凝土的發(fā)展動態(tài)是：

（1）由于拋光混凝土也是一種密封固化劑，能顯著提升和持久保持高光澤度。在地面使用時，混凝土地面的強度、硬度及耐磨性能大幅提高，可以阻擋外來物質(zhì)（油、堿）的侵蝕及風(fēng)化，所以拋光混凝土將逐步進入家庭地面的裝修；

（2）混凝土拋光墻面會迅速普及，混凝土拋光技術(shù)將從地坪延伸到墻面拋光，一改室內(nèi)墻面裝飾只能依靠天然石材、壁紙、乳膠漆等現(xiàn)狀。

（3）混凝土藝術(shù)作品將迅速發(fā)展?；炷猎絹碓蕉嗟貜钠胀ńㄖ呦蛩囆g(shù)制作。

5.6 “水泥毯”功能混凝土

“水泥毯”混凝土是一種復(fù)合型功能混凝土，平時它看起來就像是普通的“毯子”，但是澆上水之后，它就會迅速變成堅硬的混凝土層，這種獨特的材料可以方便地進行安裝混凝土制品，具有紡織品的韌性，既能垂直懸掛，也能鋪設(shè)在溝槽之中，可以隨意裁剪尺寸，每平方米只有15kg，運輸起來非常便捷。在澆水之后，它的強度和壽命都與傳統(tǒng)混凝土相當，同時又具備出色的防水性能，能夠廣泛應(yīng)用于鐵路、水利、公路和農(nóng)業(yè)灌溉等領(lǐng)域。最重要的是，使用這種新型材料，能夠節(jié)省90%的傳統(tǒng)材料，能縮短60%的工期，能夠解決在不方便的狹窄地方進行混凝土攪拌和作業(yè)。

“水泥毯”混凝土是將傳統(tǒng)水泥和紡織纖維技術(shù)結(jié)合在一起，在纖維骨架里引入了防滲和多功能的混凝土粉料，具有防水、防潮、防火等特點，還能徹底解決混凝土開裂的問題。這項科技的發(fā)明者據(jù)說是一名中國人，“水泥毯”混凝土已被美國、加拿大等采購使用。

6 混凝土的納米技術(shù)研究

水泥硬化體的特性即混凝土的性能是由內(nèi)部空隙決定的?；炷恋膹姸扰c空隙構(gòu)造有著非常密切的關(guān)系，因此有必要研究由氯離子、CO2、水分等混凝土外部與內(nèi)部納米級物質(zhì)移動產(chǎn)生的空隙構(gòu)造及與水泥硬化體組織的關(guān)系。

混凝土中的空隙成因如下：一是由混凝土攪拌時帶入的空氣，即所謂的Entrained空氣，還有Entrapped圈閉空氣；另外是在水泥水化反應(yīng)時，自由水的毛細管空隙和C-S-H層間水的凝膠空隙。空隙的大小差別很大，最小直徑在1nm左右。

毛細管空隙量占混凝土硬化體中全部空隙量的三分之二左右，膠凝空隙的直徑在2nm左右，相當于C-S-H層間距離，凝膠空隙約占毛細管空隙量的20%。50nm以上的毛細管空隙量越多，則離子透過性、透氣透水性越好，但混凝土的強度就要降低，利用納米礦粉填充水泥硬化體的空隙，即可提高混凝土的流動性，還可改善水泥硬化基體與骨料的界面結(jié)構(gòu)，從而使混凝土的強度、抗?jié)B性與耐久性都可提高。納米礦粉可以使用納米SiO2（超微細白炭黑）、納米CaCO3和納米Si粉等，當納米礦粉的摻加量為水泥用量的1%～3%時，制成的納米復(fù)合水泥混凝土結(jié)構(gòu)材料的水泥硬化漿體強度有很大提高，并且韌性、耐久性也有提高，因為納米顆粒表面積和表面能都迅速增加，因而化學(xué)活性和催化活性與普通顆粒有顯著不同。納米礦粉與水化物鍵合并以納米添加劑顆粒為晶核，在其表面上形成水化硅酸鈣凝膠相，形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，降低了水泥硬化體的徐變度，故而提高了混凝土性能。這種添加納米礦粉的水泥漿體稱為聚合物水泥硬化體，納米礦粉可有效地填充在10nm～100nm的微孔內(nèi)，減少了水泥硬化體的空隙率。例如納米SiO2-x加快了水泥早期水化的放熱速率，提前了水化誘導(dǎo)期、加速期和減速期，縮短了水泥的凝結(jié)時間。

此外，無宏觀缺陷水泥硬化體是由水溶性聚合物與水泥制成，水泥硬化體的空隙率可降至1%。由于空間的限制，晶體無法長大，因而避免了混凝土斷裂沿著較弱界面或解理面通過，可顯著提高混凝土的抗折強度摻硅粉的水泥硬化體，由于硅粉可以堵塞硬化體中空隙，并與水泥水化時產(chǎn)生的Ca（OH）2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成C-S-H凝膠，可提高混凝土的抗壓強度，這是因為在水泥硬化體原有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上又建立了一個新的網(wǎng)絡(luò)，組成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，因此可大大提高水泥硬化體的物理力學(xué)性能。

7 結(jié)語與展望

（1）本文綜合介紹了國內(nèi)外新型膠凝材料的發(fā)展情況，包括了特種功能水泥和綠色混凝土及其它膠凝材料的情況。新型膠凝材料具有顯著的高品質(zhì)、節(jié)能環(huán)保，具有特殊功能或智能控制的特點。

（2）人們希望新的膠凝材料在具有傳統(tǒng)材料優(yōu)點的同時，成為環(huán)保產(chǎn)業(yè)的一分子，這是材料領(lǐng)域科技工作者的使命，可以預(yù)言新型膠凝產(chǎn)業(yè)將會對環(huán)境保護做出更大的貢獻。

（3）“水泥工業(yè)協(xié)同處置廢棄物”的新工藝、新產(chǎn)品及其與環(huán)境的關(guān)系研究，是很重要的一個獨立體系，因內(nèi)容較多本文沒有述及，讀者可查閱有關(guān)資料，作為補充參考。

（4）傳統(tǒng)的膠凝材料定義逐步被打破，開發(fā)有機與無機、不同種類或同種類材料的復(fù)合技術(shù)、研發(fā)新功能、高品質(zhì)及智能化的新型膠凝材料產(chǎn)品，正在引起人們的關(guān)注。