新型胶凝材料的发展与展望（下）

韩仲琦

（天津水泥工业设计研究院有限公司，天津 300400）

（接2018年第6期81页）

4.2 聚合物水泥

由众多原子或原子团以共价键结合而成的高分子化合物（macromolecular compound），称为聚合物，相对分子量约为10 000。例如有纤维素、蛋白质、蚕丝、橡胶、淀粉等天然高分子化合物，以及以高聚物为基础的合成材料，如各种塑料，合成橡胶，合成纤维、涂料与粘接剂等聚合物。

聚合物水泥是由水泥、骨料和可以分散在水中的有机聚合物搅拌而成的胶凝材料，聚合物水泥的特点是防水抗渗效果好。粘结强度高，能与结构形成一体。抗腐蚀能力强。耐高湿、耐老化、抗冻性好。市场出售的自流平水泥也是利用了聚合物水泥的特点。

4.3 复合水泥的性能研究

水泥是一种处于介稳状态的矿物粉体材料，通过水化后产生水化物，水化物彼此键合并逐渐硬化成为具有强度的硬化体。水泥从制备到应用，是一个从稳定态到介稳态，又从介稳态向较稳定状态过渡的过程。所以为了提高水泥性能可以研究水泥熟料的复合性，这已引起许多开发者的注意，目前高性能水泥的研究内容如下：

（1）研究不同熟料的复合，不同熟料与混合材的复合、不同颗粒尺寸材料的复合，以及有机与无机的复合，增加水泥水化密实性和耐久性。

（2）对混合材料进行物理化学预处理，通过机械力化学作用，使之微细化、活性化，具有性能调节功能，使混合材的水化产物在水泥中起到结构致密性、胶结性、抗腐蚀性和耐久性作用。

（3）通过对复合型水泥的研究，使水泥的综合性能取得突破性提高，从而极大地提高混凝土构筑物的各方面性能和寿命，这些综合性能表现为强度提高10MPa，水泥用量减少20%～30%、提高抗渗性能可使混凝土寿命提高30%～50%等。

4.4 镁质胶凝材料

镁质胶凝材料若按元素组成来划分，是与钙质水泥并排的一类水泥胶凝材料，也称为镁水泥。钙质水泥主要包括硅酸盐水泥、铝酸盐水泥和硫铝酸盐水泥，而镁水泥分为氯氧镁水泥、硫氧镁水泥、磷酸镁水泥，镁水泥也可称为镁质胶凝材料。

以前镁质胶凝材料称为“菱苦土”，主要原料来源是由菱镁石（菱镁石即镁矿石）煅烧而成，后来改称“菱镁材料”。近几十年来，人们对镁质胶凝材料的认知和理解在不断提升，逐渐将菱镁材料改称镁质胶凝材料或镁水泥。

镁质胶凝材料（镁水泥）的基本配比由MgO-MgCl2（MgSO4）-H2O三元组成。在实际生产中，为了克服镁水泥的抗水性差、吸潮返卤以及变形等缺点，往往需要再加入改性剂及其他功能性材料。要根据制品用途和形状要求，加入填充改性材料（锯末，有机或无机纤维材料，粉煤灰、矿渣粉末等材料）、搅拌、成型、养护等，最终制成成品。这种胶凝材料的特点是：

（1）防火性能优越。

镁质胶凝材料制成的墙体材料属不燃材料，达到A1级。材料产烟毒害性分级达到安全AQ级，耐火极限平均≥1.5h，大大高于石膏、水泥、硅酸钙等其它材料。另外，在使用过程中，不存在甲醛和有机VOC的散发、在燃烧过程中不产生有毒烟气，使用是安全环保的。

（2）高强、轻质、保温。

据检测试验，镁质胶凝墙体材料建筑制品与钙质水泥制品相比，抗冲击性高1倍～5倍，抗冻性高2倍～4倍，抗压、抗拉强度高出1倍～2倍。镁质胶凝材料轻质、高强（40kg/m2～60kg/m2），具有极好的抗温变化的性能。

虽然镁质胶凝材料还有一些缺点，如镁水泥制品的抗水渗透性较差，但通过加强对原料性能及其种类的深入研究，以及对高镁质胶凝材料的产量和应用性能深入研究、探索新的科学配方，将使这种胶凝材料会有更广泛的应用市场，并会扩展胶凝材料新资源的应用范围。

5 功能混凝土

5.1 混凝土结构与功能的控制

水泥颗粒要自由活动具有流动性，必须在其表面形成一定厚度并具有润滑功能的水膜，若能使这层水膜的需水量减少，则砼结构更密实，对砼结构可以控制。具体方法是：控制水泥颗粒粗大化和最佳颗粒级配；颗粒形状的球状化；改进水泥组成（例如以贝利特为主的水泥）；控制水泥产物形态和大小。

利用物质热变色现象，可把功能性物质混合在水泥中使用，也可以涂布在砼表面，改变构筑物色彩。

5.2 混凝土制品的低碳化

利用工业副产品中的γ-C2S与C O2反应，采用碳酸养护低水灰比混凝土，取得致密度高、耐久性高的产品，这也是日本正在进行的一项研究。另外，混入粉煤灰再用火力发电排放的废气养护，使混凝土CO2排放量成为负值也是可能的，其产品已用于拼装砌块路面装饰材料。

还有一种低碳材料，即完全不用水泥，其压缩强度可与水泥一样，但要蒸汽养护，已引起世界的关注，这是由Alumino-Silicate（铝硅酸盐）和碱化硅溶液制造的。

对于今后用于水泥的混合材，日本提出要重视并应尽快开展研究的是，废弃物的使用与质量的平衡。同时要考虑“反应”的熟料材料开发。在产品功能化方面，各国均在混合材替代熟料的作用方面继续开展工作，日本也提出要加强“熟料”的技术开发，并且要在“熟料骨材”方面进行拓展工作。此外，日本对于土壤地基改良的水泥固化材料研究比较重视。

5.3 纤维水泥基复合混凝土

水泥基复合材料是以硅酸盐水泥为基体，以耐碱玻璃纤维、通用合成纤维、各种陶瓷纤维、碳和芳纶等高性能纤维、金属丝以及天然植物纤维和矿物纤维为增强体，加入填料、化学助剂和水经复合工艺构成的复合材料。目前比较热门的水泥基复合材料是纤维水泥基复合混凝土，它通常是以水泥净浆，砂浆为基体，由非连续短纤维或连续长纤维为增强材料所组成。在混凝土中加入纤维，可以强化水泥砂浆，提高水泥基复合材料拉伸、弯曲及冲击强度，控制裂纹的扩展，改善失效模式和成型时材料的流动性，是改善其性能的最有效途径。

以混凝土“龟缩”现象为出发点进行的研究是对超高强纤维增强混凝土的研究，研究其混凝土的组成及机理等，一些题目可能是世界顶级的研究内容。使用增强纤维的超高强混凝土，可以不用钢筋增强，但设计的强度比一般的混凝土结构强度还要高好几倍，是一种致密度高的、耐久性强的材料，因此使设计100年耐久结构建筑物成为可能。使用这种技术，开发出的高寿命建筑物可减少生命周期成本，减少环境负荷。最近东京国际机场附属建筑物的预应力楼板也采用了这种混凝土，此外对老式建筑物的改造也可用耐震增强的方法使其再生。

另外，钢筋混凝土劣化的主要原因是混凝土中氯元素对钢筋的扩散，如果能正确掌握其扩散状态就能预测混凝土的寿命。然而混凝土是一种复杂的材料，正确了解扩散现象是一件很困难的工作，现在该研究所已与国内外一些有名大学进行了合作，所以分析氯扩散的机理及新测定技术，是很重要的工作。

5.4 混凝土的3D智能制造

这是由我国中国建材研究总院正在进行的科研开发项目，主要任务是探索寒冷条件下混凝土3D智能制造关键材料及技术，解决服役混凝土约束状态下的寒冻破坏机理及抗冻性评价方法。众所周知我国东北、西北、西南地区，气候与气象复杂多变，极端天气下的混凝土施工很困难，在极端寒冷条件下混凝土常常损坏，为此解决寒冷条件下混凝土的智能搅拌制造技术相当重要。

5.5 抛光混凝土

这是一种装饰混凝土，也是一种功能材料（艺术混凝土），产品已被中央电视台选中“国家品牌计划”，一般用于地面或墙壁的美化或装修，虽是国外技术，但已在国内开始使用和发展，今后根据我国实际情况，这种艺术混凝土技术和水泥技术结合起来，会有更好的发展。抛光混凝土有下列几种，可根据不同需要斟酌选用：

（1）法老石，这是针对豪华装修的方案；

（2）金钻磨石，可以注入健康要素、文化要素、风水要素和科技要素，灵活施工使用；

（3）筑硅磨石，这是一款大众化的产品，用于一般装修；

（4）地面装修材料，一般用于工业地坪装修，这是为对外观要求不那么严格的用户设计的。

抛光混凝土的发展动态是：

（1）由于抛光混凝土也是一种密封固化剂，能显著提升和持久保持高光泽度。在地面使用时，混凝土地面的强度、硬度及耐磨性能大幅提高，可以阻挡外来物质（油、碱）的侵蚀及风化，所以抛光混凝土将逐步进入家庭地面的装修；

（2）混凝土抛光墙面会迅速普及，混凝土抛光技术将从地坪延伸到墙面抛光，一改室内墙面装饰只能依靠天然石材、壁纸、乳胶漆等现状。

（3）混凝土艺术作品将迅速发展。混凝土越来越多地从普通建筑走向艺术制作。

5.6 “水泥毯”功能混凝土

“水泥毯”混凝土是一种复合型功能混凝土，平时它看起来就像是普通的“毯子”，但是浇上水之后，它就会迅速变成坚硬的混凝土层，这种独特的材料可以方便地进行安装混凝土制品，具有纺织品的韧性，既能垂直悬挂，也能铺设在沟槽之中，可以随意裁剪尺寸，每平方米只有15kg，运输起来非常便捷。在浇水之后，它的强度和寿命都与传统混凝土相当，同时又具备出色的防水性能，能够广泛应用于铁路、水利、公路和农业灌溉等领域。最重要的是，使用这种新型材料，能够节省90%的传统材料，能缩短60%的工期，能够解决在不方便的狭窄地方进行混凝土搅拌和作业。

“水泥毯”混凝土是将传统水泥和纺织纤维技术结合在一起，在纤维骨架里引入了防渗和多功能的混凝土粉料，具有防水、防潮、防火等特点，还能彻底解决混凝土开裂的问题。这项科技的发明者据说是一名中国人，“水泥毯”混凝土已被美国、加拿大等采购使用。

6 混凝土的纳米技术研究

水泥硬化体的特性即混凝土的性能是由内部空隙决定的。混凝土的强度与空隙构造有着非常密切的关系，因此有必要研究由氯离子、CO2、水分等混凝土外部与内部纳米级物质移动产生的空隙构造及与水泥硬化体组织的关系。

混凝土中的空隙成因如下：一是由混凝土搅拌时带入的空气，即所谓的Entrained空气，还有Entrapped圈闭空气；另外是在水泥水化反应时，自由水的毛细管空隙和C-S-H层间水的凝胶空隙。空隙的大小差别很大，最小直径在1nm左右。

毛细管空隙量占混凝土硬化体中全部空隙量的三分之二左右，胶凝空隙的直径在2nm左右，相当于C-S-H层间距离，凝胶空隙约占毛细管空隙量的20%。50nm以上的毛细管空隙量越多，则离子透过性、透气透水性越好，但混凝土的强度就要降低，利用纳米矿粉填充水泥硬化体的空隙，即可提高混凝土的流动性，还可改善水泥硬化基体与骨料的界面结构，从而使混凝土的强度、抗渗性与耐久性都可提高。纳米矿粉可以使用纳米SiO2（超微细白炭黑）、纳米CaCO3和纳米Si粉等，当纳米矿粉的掺加量为水泥用量的1%～3%时，制成的纳米复合水泥混凝土结构材料的水泥硬化浆体强度有很大提高，并且韧性、耐久性也有提高，因为纳米颗粒表面积和表面能都迅速增加，因而化学活性和催化活性与普通颗粒有显著不同。纳米矿粉与水化物键合并以纳米添加剂颗粒为晶核，在其表面上形成水化硅酸钙凝胶相，形成网状结构，降低了水泥硬化体的徐变度，故而提高了混凝土性能。这种添加纳米矿粉的水泥浆体称为聚合物水泥硬化体，纳米矿粉可有效地填充在10nm～100nm的微孔内，减少了水泥硬化体的空隙率。例如纳米SiO2-x加快了水泥早期水化的放热速率，提前了水化诱导期、加速期和减速期，缩短了水泥的凝结时间。

此外，无宏观缺陷水泥硬化体是由水溶性聚合物与水泥制成，水泥硬化体的空隙率可降至1%。由于空间的限制，晶体无法长大，因而避免了混凝土断裂沿着较弱界面或解理面通过，可显著提高混凝土的抗折强度掺硅粉的水泥硬化体，由于硅粉可以堵塞硬化体中空隙，并与水泥水化时产生的Ca（OH）2发生化学反应，生成C-S-H凝胶，可提高混凝土的抗压强度，这是因为在水泥硬化体原有网络结构基础上又建立了一个新的网络，组成三维网络结构，因此可大大提高水泥硬化体的物理力学性能。

7 结语与展望

（1）本文综合介绍了国内外新型胶凝材料的发展情况，包括了特种功能水泥和绿色混凝土及其它胶凝材料的情况。新型胶凝材料具有显著的高品质、节能环保，具有特殊功能或智能控制的特点。

（2）人们希望新的胶凝材料在具有传统材料优点的同时，成为环保产业的一分子，这是材料领域科技工作者的使命，可以预言新型胶凝产业将会对环境保护做出更大的贡献。

（3）“水泥工业协同处置废弃物”的新工艺、新产品及其与环境的关系研究，是很重要的一个独立体系，因内容较多本文没有述及，读者可查阅有关资料，作为补充参考。

（4）传统的胶凝材料定义逐步被打破，开发有机与无机、不同种类或同种类材料的复合技术、研发新功能、高品质及智能化的新型胶凝材料产品，正在引起人们的关注。