超细水泥基材料应用进展

李长江 王 敏

(1牡丹江北方水泥有限公司，牡丹江157000；2中国建筑材料科学研究总院，北京100024)

1 概述

近年来，国内外研究者在建筑工程以及其他的工程材料的研究和开发中，利用超细水泥基粉体材料自身赋予的优良特性，使其得到了广泛的应用。如超细水泥在灌浆工程以及油田井下修井作业中的应用。同时超细水泥粉体材料在研究和开发先进水泥基材料领域（如DSP的研究和开发）也取得了重大进展，它的应用促成了传统水泥基材料性能质的飞跃，成为水泥基材料由传统材料向高新技术材料转化的重要开端。

2 超细水泥基材料在各类工程中的应用

早在二十世纪70年代，出于保护环境的目的，随着有害有毒化学灌浆材料的禁止使用，最初的超细水泥大批开发于日本和美国，这类超细产品主要是通过采取适宜的粉磨工艺和高效选粉设备来生产。其比表面积通常在1000m2/kg左右,平均粒径在2～4μm，最大粒径小于15μm。表1列出了超细水泥的一些性能。

在灌浆工程中，利用超细水泥高的渗透能力和快硬性能，能使岩层得以固结。通常采用净浆固结不稳固地层，如易被破坏的砂岩层和其它地层。超细水泥还可用于地层裂缝的修补、地砖粘合剂以及地基底土的堵水等；超细抗硫酸盐型水泥可应用于耐硫酸盐侵蚀的工程如大坝的灌注工程、护墙的修复以及有毒或放射性物质的密封等。

超细水泥在石油工业的固井工程中的特殊作用也越来越重要，目前国内外采用超细水泥进行挤水泥作业，以修复采油套管及地层的裂缝，特别是开采井套管裂缝的修补。细小的超细水泥颗粒能穿过井眼及四周地层的裂缝，能有效地封堵地层的裂缝，起到永久防水的目的，从而防止油井水串、气串的发生。在这类修补作业中，对超细水泥的粒径要求更为严格，一般要求水泥的最大粒径应小于10μm，平均粒径在2μm左右。而且井下温度、压力以及苛刻的化学环境条件对水泥基材料也提出了更高的要求。目前国内根据油井井况及使用环境的不同，已开发出适用于不同温度、压力条件下的超细系列油井水泥，并成功地在大庆、胜利、中原和新疆等油田的修井工程应用，取得了良好的社会和经济效益。

3 超细水泥基材料在先进水泥基材料中的应用

随着建筑业、海洋业和交通业等的飞速发展，超高、超长、超强和在各种严酷条件下使用建筑物的出现，对水泥与混凝土材料提出了更高的要求。为此，美国的先进水泥基材料科学与技术中心（NSF）于20世纪80年代末启动了为期10年的研究项目，研究方向主要为未来胶凝材料，其目的是把传统的低技术含量的水泥与混凝土材料推向高新技术领域进行研究和开发。目前这类材料主要有MDF材料（Macro Defect Free Cement）、DSP材 料（Densified System Containing Homogenously Arranged Ultra-fine Particles）以及CBC材料（Chemically Bonded Ceramics）等。而DSP材料主要是由细磨的波特兰水泥（平均粒径在10～15μm）和颗粒组成为50Å～0.5μm均匀分布的超细粉体（包括硅灰、矿渣、粉煤灰等）组成[1]。通过采用分散剂和超塑化剂消除颗粒之间的表面力聚集作用和大幅减少需水量，显著地降低水泥硬化体结构的空隙率，实现水泥基材料的高强化[2]。通过与纤维复合得到的抗压强度达270MPa以上、抗弯强度在70MPa以上的水泥基复合材料[3]。DSP材料在丹麦等国已实现商品化。其主要性能与其他材料的性能比较列于表2。

表1 超细水泥的特性

表2 先进水泥基材料与其他材料的性能比较

由于DSP材料的抗压强度、抗弯强度、弹性模量以及材料的韧性等性能较传统水泥具有不可比拟的优越性，这类新型材料在特殊工程、高强复合材料、模具材料等方面将有比较广阔的应用潜力。

四、结束语

本文对超细水泥基材料的研究和应用作了一些综述。由于超细水泥基材料自身赋予的优良特性，使这类材料得到了较广泛的应用，如超细水泥在灌浆工程以及油田井下修井作业中的应用；以及在研究和开发先进水泥基材料（如DSP的研究和开发）方面的应用，它的应用促成了传统水泥基材料性能质的飞跃，成为水泥基材料由传统材料向高新技术材料转化的重要开端。随着研究的深入，超细水泥基材料的应用领域将会越来越广阔。

[1]O.Popoola,and W.M.Kriven,and J.F.Young,proc.XIIth int.Congr.Electron Microscopy, San Francisco, CA(1990).

[2]W.Sinclair and G.W.Groves,Mater.Res.Soc.Symp.Proc.,42,31-37(1985).

[3]R.F.Falkner, M.S.Thesis,Univ.Illinois(1989).