近日,中科中創(chuàng )控股集團新材料研發(fā)高級工程師寧國福與中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所張興凱博士聯(lián)合發(fā)布超細水泥的制備、性能與行業(yè)應用。

　　1. 背景與趨勢:為何“超細 + 高性能”成為必然

　　隨著(zhù)地下空間、隧道、地鐵、基礎設施加固、海洋工程、環(huán)境治理等工程量激增,傳統普通水泥及化學(xué)漿材,因粒徑與化學(xué)穩定性、耐久性限制,已難滿(mǎn)足現代工程對“高滲透+高強度+長(cháng)壽命+環(huán)保”的復合需求。

　　“超細水泥”(micro-/ultra-fine cement)因此被越來(lái)越廣泛關(guān)注,其典型定義是其顆粒D95小于約20 µm(多數認為<20 µm,即95%顆粒比這一細度更細),比表面積遠高于普通水泥。

　　目前,包括我們在內的一些領(lǐng)先廠(chǎng)商/研究機構已經(jīng)推出D95≤12 µm、D50約4 µm的“超細水泥”產(chǎn)品(例如某產(chǎn)品說(shuō)明為d95≤12 µm,d50≤4 µm),比普通波特蘭水泥細遠。

　　“超細水泥+甚至微米/納米復合膠凝體系+環(huán)保/耐久/高性能”——是當前工程材料技術(shù)與市場(chǎng)需求共同驅動(dòng)下的大趨勢。

　　2. 超細水泥:關(guān)鍵特性、性能表現與提升機制

　　細度與比表面積:目前工業(yè)化“超細水泥”常見(jiàn)D95≤10–20 µm、D50數 µm,比表面積顯著(zhù)高。

　　注漿/滲透/微裂隙適應性:這種細度使得漿體能進(jìn)入非常細微裂隙、砂層或巖層微裂縫中,這是傳統水泥無(wú)法滲透的。根據資料,超細水泥廣泛應用于地下、隧道、壩基、基礎加固、土壤穩定、水密封等工作,用于巖體注漿、裂隙封堵、地基固化、地下工程防水等場(chǎng)景。

　　早強&高強:部分研究把超細水泥與礦渣粉(或粉煤灰、活性摻合料等)復合,形成復合膠凝體系。近期一項關(guān)于“超細水泥基復合漿體”的實(shí)驗顯示,在目標巖體注漿加固試驗中,當按配比摻入超細礦渣粉+硅酸鹽水泥+適量活化劑(如硅酸鈉)時(shí),28天抗壓強度提升,并且漿體流動(dòng)性、注漿擴散距離、石化率均表現優(yōu)異。

　　提高耐久性&密實(shí)性:由于顆粒細、分布均勻、反應充分,水化產(chǎn)物(如C–S–H凝膠)結構更致密,孔隙率更低,滲透性差、抗化學(xué)侵蝕能力強,這使得其在海水、潮濕、硫酸鹽、氯離子等復雜環(huán)境下,也具備較長(cháng)壽命潛力。許多產(chǎn)品/文獻提到可應用于海洋/淡水/隧道/壩基防滲或加固工程。

　　施工便利性&兼容性:與普通注漿/混凝土工藝兼容,可使用常規注漿設備,不需大規模特殊改造。某些超細水泥產(chǎn)品甚至通過(guò)空氣分級(而非高能球磨)加工,以避免機械/熱損傷且保持水泥活性。

　　此外,最新研究還探索復合膠凝體系/添加外加劑/摻合活性礦粉/廢渣資源化,以兼顧性能與成本、可持續發(fā)展。

　　3. 制備技術(shù)/復合體系:從單一水泥到高性能復合漿

　　為了達到工業(yè)化生產(chǎn)與工程適用性,單純“粉磨更細”并非萬(wàn)能,還必須優(yōu)化配方、摻合輔助材料/外加劑/礦物摻和料。近年來(lái)文獻/產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢如下:

　　高頻磨+精密分級:傳統普通水泥通過(guò)球磨、氣流磨、振動(dòng)磨等方式細化。但隨著(zhù)顆粒細化,顆粒團聚/活性鈍化的問(wèn)題變得突出。為此,工業(yè)化生產(chǎn)中往往需要配備分級機,及時(shí)剔除過(guò)粗顆粒,保證最終產(chǎn)品D95、D50的穩定與一致性。

　　復合膠凝體系設計:最新研究趨向將超細水泥與礦渣微粉/粉煤灰/礦物摻合料/活性摻和料結合,形成多組分復合漿體。之所以這樣,是因為單一水泥雖然細,但若用水量過(guò)大、或水灰比/漿液配比不當,可能出現流動(dòng)性差、穩定性差、強度不均、收縮/裂縫等問(wèn)題。

　　外加劑/調節劑的使用:為了改善流變性、控制凝結時(shí)間、增強漿液穩定性與粘結性能,工程實(shí)踐中常加入減水劑、緩凝劑、膨脹劑等。最近有研究專(zhuān)門(mén)針對“超細+外加劑+摻合料”體系在礦山/巖層注漿工程中的性能優(yōu)化。

　　施工參數優(yōu)化(如水灰比、注漿壓力、流動(dòng)度控制等):不同水灰比(0.45–0.80)對漿液流動(dòng)性、凝結時(shí)間、結石體強度、膨脹性等均有顯著(zhù)影響。研究指出,當水灰比約0.50時(shí),結石體表現出最佳綜合力學(xué)性能與穩定性。

　　因此,“高端超細水泥+復合膠凝體系+外加劑+精細施工配比+嚴格質(zhì)量控制”,才是當前工程領(lǐng)域追求高性能、高可靠性的成熟路徑。

　　4. 典型應用場(chǎng)景與市場(chǎng)需求

　　結合公開(kāi)資料與最新研究,以下是超細水泥 /復合水泥漿體在多個(gè)高端和挑戰性工程中的應用前景與價(jià)值:

　　巖體加固/地層加固/隧道與地下工程:對破碎帶、軟弱圍巖、地層裂隙注漿,加固支護結構、防止沉降、控制裂隙滲漏。超細水泥能滲入微裂隙、形成致密結石體,是普通注漿水泥/化學(xué)漿材難以替代的。

　　防滲密封/地下水/水庫/大壩/海洋工程:用于防滲帷幕、水下/淡水/咸水環(huán)境注漿,封堵裂縫、砂層、滲漏通道。某些超細漿體對硫酸鹽、氯離子等侵蝕表現出較高耐蝕性與化學(xué)穩定性。

　　礦山巷道/地下礦井/資源開(kāi)采/礦山加固:對礦山圍巖裂隙、水浸層、砂層進(jìn)行注漿加固,防止坍塌、滲水、地層塌陷。相關(guān)研究正基于超細硅酸鹽水泥+礦渣微粉+合適外加劑體系進(jìn)行優(yōu)化,以兼顧強度、穩定性與成本控制。

　　混凝土/高性能混凝土/特種工程/修復加固:超細水泥或其復合體系可用于高性能混凝土(類(lèi)似Ultra?High Performance Concrete, UHPC)的配合,用于結構加固、裂縫修復、老舊結構維護、修復加固工程。雖然傳統UHPC常采用高摻量微粉、纖維加固等方式,但將超細水泥納入基礎膠凝體系,也是提升密實(shí)性與耐久性的可行路徑。

　　此外,有研究表明,在某些巖層注漿工程中,采用超細水泥復合漿體+礦渣粉+外加劑+控壓注漿系統,可使擴散距離/注漿覆蓋率/成巖率顯著(zhù)提高,處理裂隙密集、風(fēng)化嚴重或水侵嚴重巖體時(shí),表現出遠超傳統方案的效果。

　　綜合來(lái)看,超細水泥/復合體系正成為“傳統水泥+化學(xué)漿材”之間的最佳“高性能/高可靠性/環(huán)?？沙掷m”代替方案。

　　5. 產(chǎn)業(yè)現狀、挑戰與未來(lái)技術(shù)發(fā)展趨勢

　　當前產(chǎn)業(yè)現狀:

　　市場(chǎng)對高端注漿、水土保持、海洋/隧道/地鐵/礦山基礎加固材料的需求持續增長(cháng),使得超細水泥及其衍生產(chǎn)品 (microfine, ultrafine, nanofine, composite grout) 的市場(chǎng)正在穩步擴展。部分國內外企業(yè)和研究單位已發(fā)布新材料/可行性研究報告。

　　制備技術(shù)從單純粉磨→加分級→加摻合料/外加劑→成為成熟工業(yè)/工程化體系。尤其在注漿、加固、防滲密封等領(lǐng)域,其“兼容傳統注漿設備+提升性能+降低環(huán)境/化學(xué)污染”的優(yōu)勢,使其容易被市場(chǎng)/工程承接方采納。

　　存在挑戰:

　　標準化不足:當前業(yè)內對“超細水泥”的定義尚無(wú)統一國家/國際標準 (例如粒徑、D50/D95、比表面積、活性、適用場(chǎng)景等);這對推廣、質(zhì)量控制與工程驗收帶來(lái)障礙。

　　粉磨/生產(chǎn)成本與能耗高:粉磨至極細并維持活性,分級一致,需要較高設備要求和能耗,相比普通水泥/普通注漿料,制造成本及能耗較高。

　　施工配比與施工工藝要求高:由于顆粒更細,對水灰比、外加劑、注漿壓力、流動(dòng)性控制、混合均勻性要求高;如果操作不當,可能導致漿體流動(dòng)差、離析、泌水,或后期收縮/裂縫/密實(shí)性不足。

　　長(cháng)期耐久性、標準與質(zhì)量控制體系尚未完全建立:雖然一些研究/產(chǎn)品聲稱(chēng)耐久性?xún)?yōu)越,但廣泛工程實(shí)踐數據/長(cháng)期服役數據仍不足;對比傳統水泥體系,其可靠性/一致性仍需累積。

　　未來(lái)技術(shù)/研究趨勢:

　　復合膠凝體系+摻合活性礦粉/工業(yè)廢渣/納米材料:通過(guò)將超細水泥與礦渣粉、粉煤灰、納米SiO?、其他活性礦物/摻合料復合,可實(shí)現“高強+高致密+耐久+綠色/資源化”。這也是研究熱點(diǎn)之一。

　　智能粉磨+精密分級+質(zhì)量控制/監測系統:未來(lái)可能發(fā)展自動(dòng)化/數字化粉體生產(chǎn)線(xiàn),通過(guò)粒徑/活性在線(xiàn)監測+分級+質(zhì)量控制,確保產(chǎn)品穩定性與適用性。

　　優(yōu)化漿體配方與施工工藝:針對不同工程需求量身設計,根據裂隙大小、巖體/土體特性、環(huán)境(如海水/淡水/酸堿/溫度/壓力)等參數,設計最優(yōu)水灰比/摻合/外加劑/注漿壓力/固結養護方案,以保證實(shí)效性與經(jīng)濟性。

　　性能提升+綠色環(huán)保+成本控制并重:例如通過(guò)資源化利用工業(yè)固廢 (粉煤灰、礦渣)、減少能耗、降低碳排放、減少環(huán)境污染,使超細水泥及其復合體系成為未來(lái)“綠色+高性能”的工程膠凝材料趨勢。

　　6. 總結與建議。為什么現在是推廣“2500目超細水泥”的好時(shí)機

　　技術(shù)成熟:已有多條工業(yè)化生產(chǎn)路徑(粉磨+分級+摻合/調節+施工配方)清晰可行;研究與實(shí)踐案例不斷增加。

　　市場(chǎng)&工程需求強烈:基礎設施建設、地鐵/隧道/礦山/地下空間/海洋/防滲/修復加固需求巨大,對高性能、高致密、高滲透、高耐久材料的要求越來(lái)越高。

　　性?xún)r(jià)比&可持續性潛力大:相比化學(xué)漿材/高成本化學(xué)材料,超細水泥+復合體系在性能+環(huán)保+長(cháng)期耐久性之間具有優(yōu)良平衡。

　　拓展空間廣:不僅限于傳統巖土注漿/加固,還可以向UHPC/高性能混凝土/特種結構修復/綠色建筑/海洋/極端環(huán)境/資源化利用等多方向延展。

　　中科中創(chuàng )控股集團新材料研發(fā)高級工程師寧國福,1986年生于甘肅蘭州,本科畢業(yè)于中國政法大學(xué),主要研究超細水泥、鐵路隧道注漿料新材料新技術(shù)研發(fā)?，F任國家建筑材料工業(yè)技術(shù)情報研究所外加劑復配工程師、中志協(xié)應急委物資保障部 副主任、中國共產(chǎn)黨中央委員會(huì )社會(huì )工作部?jì)蓮椧恍强破战逃ぷ魑瘑T會(huì )政治事務(wù)部副主任,曾獲中國建材工業(yè)經(jīng)濟研究會(huì )產(chǎn)品質(zhì)量專(zhuān)委會(huì )質(zhì)量特種砂漿生產(chǎn)與質(zhì)量技術(shù)結業(yè)并城市更新優(yōu)秀模范等榮譽(yù)。

　　張興凱,中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所項目研究員、碩士生導師、中國科學(xué)院青年創(chuàng )新促進(jìn)會(huì )會(huì )員。主要從事潤滑與耐磨材料、材料表面防護及工程應用方面等領(lǐng)域的研究工作。先后主持國家自然科學(xué)基金面上項目與青年基金、甘肅省自然科學(xué)基金,以及華為公司技術(shù)開(kāi)發(fā)項目、中國工程物理研究院技術(shù)開(kāi)發(fā)項目等10多項,發(fā)表論文50多篇,授權發(fā)明專(zhuān)利10多項(美國專(zhuān)利1項)。曾獲第十一屆“中表鍍-安美特”優(yōu)秀青年教師、第二屆中國創(chuàng )新挑戰賽(杭州)金點(diǎn)子獎等。