中国建材有一批“水泥特种兵”

水泥，听上去真的不陌生。建大楼、修道路，钢筋混泥土的城市，通用水泥就是城市的支架。

但你可能不知道，在远离城市的地方也有特种水泥的世界。

特种水泥，区别于通用水泥，并具备某些特殊性能或特种功能，它可以满足各行业工程建设的特殊需求。 

有人说，水泥不就是以石灰石、黏土等为原料，煤炭作为燃料煅烧并添加其他混合材料而成的一种胶凝材料。特种水泥又能有哪些用途？

特种水泥的熟料矿物质组成配方不同于通用水泥，根据不同性能、功能改进工艺与煅烧的方式，在建设领域越走越远。 

特种水泥研发领域的权威正是中国建材集团所属中国建筑材料科学研究总院有限公司（简称“中国建材总院”）！

中国建材总院至今已成功开发出60余种新品种水泥，形成了六大体系（硅酸盐、铝酸盐、硫铝酸盐、氟铝酸盐、铁铝酸盐和其他）、十大类（水工水泥、核电水泥、海工水泥、道路水泥、油井水泥、装饰水泥、快硬高强水泥、膨胀自应力水泥、耐高温水泥及其他）的水泥品种。

中建材总院研发的特种水泥有水泥界“皇冠上的明珠”之称。它们是如何在国内重大工程发挥不可或缺的应用地位的？

道路水泥：就是这么“强硬”

在四通八达的交通网下，最不想看到“前方道路施工”的指示牌。一条原本就车流量密集的道路开始变得愈发拥挤，尘土飞扬。如果这条路建完不用再重铺该有多好！

道路水泥混凝土要求能长期经受高速车辆的摩擦、循环不休的负荷和冲击振荡，还要能抵抗温度变化产生的胀缩、冻融。

还有机场跑道，每次飞机在“咣”的一声落地时，机轮需要和跑道发生剧烈摩擦才能让飞机停下来。如果机场跑道维修，又得有多少乘客需要在天上排队降落？ 

道路水泥因此而生。在不同等级的公路路面、城市道路路面、桥梁路面等工程外，还有高速公路、机场跑道路面，以及山区、隧道公路和南方广大雨区公路都有道路水泥的身影。

从前，以硅酸钙为主的硅酸盐水泥熟料的硅酸盐水泥（Portland cement），也就是大家口中的波特兰水泥是道路建设的常客。

道路水泥与硅酸盐水泥相比，更好的耐磨性非常重要，除此之外还具有收缩率小、应变能力强、强度高、抗冲击性能好、抗冻性能好及弹性好等特性。 

怎么做到的呢？ 

水泥的制作有三个条件：原、燃材料，生料和燃烧方式。 

道路水泥是在原硅酸盐水泥系列的基础上通过矿物成分的调整及合理的锻烧、粉磨，使道路水泥具有优于相应硅酸盐水泥的特性。 

在选择原、燃材料时，首先尽量选择含铁量高的铁矿石和含氧化铝低、二氧化硅高的黏土。然后，为了使生料化学成分稳定，以生产高质量的道路水泥要选择各种品质最优原、燃材料。 

生料的化学成分直接影响到熟料的煅烧质量。严格控制入窑生料成分，对原、生料要进行均化，控制出磨物料细度（生料0.08 mm筛余≤10%、熟料0.08 mm，筛余≤ 6.0%为宜）、碳酸钙、氧化铁和煤量。 

在煅烧高铁、高KH硬度、低铝氧率的道路水泥时，一般用干法回转窑生产，也可以用立窑生产。重要的是氟对熟料中溶剂矿物（主要是铝酸三钙和铁铝酸四钙）影响较大，直接影响着矿物组成。为确保道路水泥各率值合格，熟料中氟化钙掺量应控制在0.5%～0.8%、三氧化硫掺量保持在1.2%～1.5%。

我国第一条重载高速公路，也是世界上最长的重载高速公路——全长265公里的准兴高速公路在2013年投入建造时，铺的就是道路水泥。准兴高速公路为双向五车道，重载方向混凝土路面厚32厘米，可承载100吨的货车，日均重载车流量近6000 辆。

为什么要用三年时间投资150亿元建设准兴高速公路？其实，查一下地图就能看到，准兴高速公路在内蒙古省准格尔旗地区，它西起准格尔旗，东至与河北省相邻的兴和县。而内蒙古作为主要煤炭生产区之后，需要往全国输送煤炭能源。以前因为交通不便利，为内蒙古向外运输造成了阻碍。 

于是，建设方主动找到中国建材总院解决难题。最终建设方选择了原材料、生产工艺、制备水平都能满足特种道路水泥生产的大同冀东水泥、蒙西水泥等企业制作高抗折耐磨道路水泥，这种技术优化道路水泥熟料的矿物组成，并形成了原燃材料选择、煅烧制度工艺参数和粉磨工艺参数等工艺参数调整等制备关键技术，满足了道路水泥高抗折强度、低干缩和高耐磨等性能要求。 

项目通车半年后，据项目组调研，准兴高速公路经受住了严寒和暴雨考验，路面断板率小于0.1%，脱皮、印痕、裂纹和缺边掉角等病害均小于受检面积的0.1%。

低热水泥：“退烧”特效药

2018年7月23日晚，老挝东南部阿速坡省的一座水电站大坝发生坍塌事故，溃坝事故造成35人死亡，另有99人失踪。

此后，独立专家组调查报告认为，溃坝不能认为是不可抗力导致的，由于该副坝基础存在高渗透性、易被侵蚀，当水库蓄水水位上升时，坝的稳定性就无法保证，最终导致副坝崩裂，造成灾难性、不可控的洪水下泄。 

独立专家组认为，溃坝事故毫无疑问与副坝基础有关，如果采取充分措施，事故原本可以预防。

“无坝不裂”的确曾是世界水利人心中的梦魇。 

其实，早在1994年三峡工程开工那年，为了解决“无坝不裂”的难题，中国建材总院提出氧化镁微膨胀中热水泥的研发应用，在传统中热水泥中引入一定量的氧化镁，使其在水化后期产生微膨胀，补偿大坝工程后期温降收缩，防止后期温度裂缝的产生。经过配料、煅烧等工艺过程反复试验调整，最终实现氧化镁微膨胀中热水泥的规模化生产，并应用于三峡工程。

三峡工程，坝高185米、底宽121米、坝顶总长3035米，主体工程浇注混凝土2800多万方，其中氧化镁微膨胀中热水泥用量500多万吨，三峡大坝是一座没有裂缝的混凝土重力高坝，创造了世界奇迹！ 

三峡工程之后的大型水电工程，如向家坝、溪洛渡、锦屏、官地、大岗山、金安桥、小湾、构皮滩、观音岩等均采用氧化镁微膨胀中热水泥作为水工大坝混凝土的胶凝材料。

你可能不知道，国内溪洛渡、向家坝、大岗山、沙坪、深溪沟等10余个大型水电站的导流洞、泄洪洞、消力池等工程部位使用的是低热硅酸盐水泥（以下简称“低热水泥”）。

与传统中热及普通硅酸盐水泥相比，低热水泥应用于大坝混凝土中，不仅具有早期放热速率慢、水化热总量低、后期强度增长快等明显的技术优势，且具有干缩小、抗侵蚀、抗冲耐磨的性能优势，被誉为“大坝退烧药”。

对低热水泥的应用并非心血来潮，早在1936年，美国建成的胡佛大坝中低热水泥应用的占比就达到40%左右。由于早期低热水泥因强度低、生产成本高、影响工期等因素未能广泛推广应用。

在三峡工程之后，中国建材总院带着“要么不做，要做就做最好”的精神继续攻坚克难，研发新品种水泥。

在“九五”至“十二五”期间，依托多个国家科技攻关项目，在国内外创新实现了以硅酸二钙为主导矿物的高性能低热水泥的工业化生产和规模化应用，在制备技术上解决了硅酸二钙矿物活化和高活性晶型的常温稳定这两大国际难题。

既然中热水泥能让三峡大坝成为一座没有裂缝的混凝土重力高坝。低热水泥是不是更要得到水利界的重用？

不错，2015年12月24日在四川和云南交界的金沙江下游河道上建设的超级水电站——乌东德水电站，最大坝高270米、厚高比仅为0.19，是目前世界上最薄的300米级特高拱坝，还是世界首座全坝应用低热水泥混凝土浇筑的特高拱坝。

金沙江是中国最大的水电基地，整个流域规划了20多座水电站。乌东德水电站是我国第四座、世界第七座跨入千万千瓦级行列的超级水电站。2020年6月29日，乌东德水电站首批机组正式投产发电。 

乌东德水电站地处金沙江干热河谷地区，日照强烈，最热的时候大坝施工平台的气温高达40多度。因为温差变化过大，会导致混凝土发生开裂，威胁大坝安全，温度控制至关重要。在大气温度高达29度时，低热水泥能让混凝土稳定度保持在7.1度。

除乌东德水电站，同样采用全坝应用低热水泥混凝土浇筑的白鹤滩水电站预计2022年12月完工，将成为仅次于三峡水电站的中国第二大水电站。

海工水泥：水下防腐剂

海洋是世界各大洲交通最经济的通道，世界上贸易运输的80%是靠海运完成的。据统计，我国海岸线达1.8万公里、拥有6500多个沿海岛屿。 

全球35个国际化的城市, 其中31个是因为由港口而发展起来的国际化城市。前10名的城市都是港口城市，而且，全球财富的50 %集中在沿海港口城市，无论在任何国家，港口对城市经济的发展、区域经济的发展都起着非常重要的作用。 

其实，在储水池、桥墩、涵洞、水池、水管、海港码头、海堤等许多侵水工程建设中通常采用普通水泥。普通水泥结构在海水中浸泡，强度会降低，掺抗硫酸盐腐蚀剂后，会有较大程度的缓解，但仍然会降低，特别是在浪溅区硫酸盐腐蚀尤为严重，工程建设完几个月后就开始出现腐蚀，许多工程都需要在混凝土表面涂刷防腐层，并且使用过程中需不断维护，增加了工程建设成本。 

在海洋环境中进行工程建设，要优先考虑混凝土材料的抗钢筋锈蚀问题。 

中国建材总院提出了“三大体系和五大应用”——硅酸盐、铝酸盐、硫铝酸盐三大水泥体系和海洋工程普通结构大体积混凝土浇筑、抗冲磨的混凝土预制构件的生产与制备、水下施工、特定海洋环境下所需的快速施工、海洋工程的修补与防护的“五大应用”。 

适宜的水泥熟料矿物组成、混合材的选择、石膏的溶解速率与水泥水化速率相匹配、成本等都是研发、生产高品质海洋工程建设所需水泥（简称“海工水泥”）需要思考的问题。

一般而言，普通硅酸盐水泥的氯离子扩散系数只能达到1.8～3.6×10～12m2/s，而氯离子扩散系数越低，水泥的抗蚀性越强。研究人员针对这种情况展开了相关研究，最终使氯离子扩散系数降低到至0.5×10～12m2/s。 

研究人员还考虑到，海工硅酸盐水泥不仅应具备较强的抗侵蚀能力，为了确保施工能够顺利进行，施工单位可能还会对水泥与外加剂的适应性、水化热等提出不同的要求。在此基础上，研究人员做了大量的工作，以保证海工硅酸盐水泥配置的混凝土的和易性、可泵性，并且无明显的泌水和离散现象。

海工硅酸盐水泥研究的成功，标志着在特殊的海洋条件下可以进行大体积的混凝土施工。围海造堤、海港码头、海上桥梁，水库大坝、水利隧道、涵洞引水工程和江河桥梁基础工程，也适用于有抗腐蚀要求的工业和民用建筑工程。

比如杭州湾大桥、宁波北仑港都已经用到了海工硅酸盐水泥。 

铝酸盐水泥最早则是法国拉法基公司利用熔融法生产，至今已过去90多年。这个原本用于抗硫酸盐侵蚀、抗海水侵蚀的水泥却因为它的水化物在烧结后表现得耐高温特性过于优秀，阴差阳错被广泛用作钢铁、化工、水泥等工业高温窑炉的耐火材料。

在“十三五”国家重点研发计划“海洋工程用高抗蚀水泥基材料关键技术”科研立项调研时发现，才再一次发现欧美早期使用铝酸盐水泥建设的海洋工程在水下80年之后，部分的结构与性能还保持很好的状态。

如果优化铝酸盐水泥的制作流程，不仅保留了它原有的特性，还能充分发挥铝酸盐水泥抗海水侵蚀性好、有利于水下施工的特性。 

而前期预研的大量试验证实，利用铝酸盐水泥制备的新拌混凝土，在模拟水下施工环境时，表现出高抗离散性，同时相较于一般空气环境的结构工程中存在的后期强度倒缩问题则大幅减轻。 

硫铝酸盐水泥的特征是含有大量的无水硫铝酸钙（C4A3S）矿物，因此该类具有早强、高强、高抗冻、抗蚀、快硬、微膨胀等性能特征，非常适合于海洋工程特定环境下的快速施工、低温施工和工程修补与防护的建设需求。

因为硫铝酸盐水泥凝结的时间可以任意可调、4小时抗压强度18MPa以上、修补砂浆28天抗折粘结强度高于3MPa等一系列高要求。 

宁波—舟山港梅山港区6～10号集装箱码头、深圳湾滨海休闲带西端延长段G2段、浙江三门核电站工程海工工程防护的建设中都用了硫铝酸盐水泥。

油井水泥：最深的隔断

上世纪九十年代，很多家庭会在院子里打一口水井，能从水井里抽出河水。所以，油井的逻辑和水泥相似。 

但是，石油不像水，随便挖一挖就找到了。2019年7月，新疆塔克拉玛干大沙漠的塔里木油田挖了8882米才抵达石油资源，轮探1井顺利完钻。塔里木油田是目前亚洲陆上最深井，有珠穆朗玛峰那么深。 

在顺利完钻之前，需要克服的困难是难以想象的。

现实是每往下挖100米，地温将升高2℃～3℃，也就是说，当油井水泥到达位于“地底的珠穆朗玛之巅”时，将处于230℃～240℃左右温度环境下，此外还需要承受高于地面数百倍的压强。

而固井中下灌的油井水泥必须在0℃～240℃这个巨额的温度区间中保持稳定的压强、温度、流动性、黏性以及硬化后的韧性、硬度等一系列复杂的条件。 

所以，只说明了一个要求，要想顺利把石油抽上来，注油井的水泥太关键了。0℃～240℃不仅对石油产生不利影响，水泥浆也受不了。水泥浆是极易产生化学反应的水化物体，如果固井水泥环出现裂纹则极有可能会导致油气外漏，更严重者甚至会造成井喷等恶性事件的发生。除了施工时的难度，固井所用的水泥还需维持10～15年使用寿命。

1958年前后，中国建材总院在受国家石油工业部委托，多年来一直开展着油井水泥的研发工作。

第一款油井水泥在1960年研发成功，随后这种水泥陆续由江南水泥厂、抚顺水泥厂两家历史悠久的水泥厂进行了工业化生产，并成功运用于大庆油田的油井固井。

将套管与周围的岩层胶结封固，封隔地层内油、气、水层，防止互相串扰，以在井内形成一条从油层流向地面且隔绝良好的油流通道。这就要求其在水泥浆注井的过程中有一定的流动性和适当的密度；水泥浆注入井内后，应较快凝结，并在短期内达到相当的强度；硬化后的水泥浆应有良好的稳定性和抗渗性、抗蚀性。

除了大庆油田，在根据不同的油田地址不断优化后，油井水泥技术还助力了辽河油田、胜利油田、华北油田、中原油田、大港油田、长庆油田、四川油田、克拉玛依油田、塔里木油田等国家重点油田的石油开采项目。

核电水泥：安全壳以外的安全

前阵子日本想要将核污水排入大海的事件牵动世界人民的心。福岛核泄漏之后10年累计用掉123吨储存罐容量。

我们知道，反应堆安全壳包裹着核电站最核心，同时也是最容易发生危险的核反应堆，是核电安全的最后一道屏障。所以，我国的“华龙一号”安全壳升级到了双层。

自新中国首座核电站——秦山核电站建设时期，我国就自主研究设计安全壳，最终选择了由预应力混凝土浇筑而成的直立式圆筒型预应力混凝土耐压结构安全壳。也就有了高强度、无裂缝特性的核电水泥作为安全壳的重要建筑材料。此外，核电水泥还是核岛、阀基等核心部位的获得应用。

而核电水泥的研发更是两个“难”。第一难当然是核电水泥的技术基础，在制备过程中没有强大的技术保障极难生产。在一系列工业化制备技术的研究，通过微量组分掺杂技术和熟料煅烧关键工艺参数的调控，解决了高强中热核电水泥熟料在煅烧过程中液相量少、液相粘度低和烧成温度范围窄等技术难题，实现了高强中热核电水泥在新型干法生产线上的稳定生产。

第二难就是生产工艺流程。在上述介绍的特种水泥大家庭中，核电水泥的“个头”比其他水泥要小。虽然我国围绕能源计划积极推进核电建设，但核电水泥的总体工程数量偏少且建设周期长，加之核电水泥生产技术难度较大，水泥熟料不易长期囤放，使得核电水泥的生产过程并不容易。好在嘉华特种水泥、抚顺水泥、鱼峰水泥等生产企业都加入其中，让核电水泥生产顺利进行。 

目前已在我国红沿河核电站、宁德核电站、防城港核电站、岭澳核电站、台山核电站、阳江核电站以及田湾核电站等工程应用。

本文只介绍了五种特种水泥的应用，而特种水泥远不止这些。

我国国防、石油、水电、冶金、化工、建筑、机械、交通等行业工程建设都需要特种水泥加持。中国建材集团所属的嘉华水泥依托总院的科研成果，发展成为国内最大的特种水泥生产企业。