玻纤水泥

玻纤水泥简介

玻纤水泥发明专利玻纤水泥（专利号ZL98117267.9）已获世界发明协会国际发明金奖和首届香港中华专利技术博览会金奖。

玻纤水泥是一种用于制作玻璃纤维增强水泥制品或混凝土的优质水泥。 它不仅能提高玻璃纤维的耐碱性， 又能减轻本水泥对玻璃纤维的侵蚀， 是一种早强、高强、低碱、抗渗、耐腐蚀、抗冻融、抗碳化、微膨胀补缩、负温施工、着色耐久等多种性能于一体的、能抑制碱－集料反应的，21世纪新型水泥。经试验和计算，硅酸盐水泥复合中碱玻璃纤维的耐久性为一年， 复合抗碱玻纤纤维为17年； 而玻纤水泥符合中碱玻璃纤维为52年， 复合抗碱玻璃纤维为155年。因此， 中国发明的玻纤水泥和英国发明的“Cen-Fer”抗碱玻璃纤维用于抗碱玻璃纤维复合玻纤水泥代替钢筋混凝土制作轻质高强混凝土建筑构件， 将在本世纪得到实现。

本发明是在CaO-SiO^2-Al^2O^3-CaSO^4系统中， 引进Zn和Zr离子烧成硫铝酸钙固溶体为主的玻纤水泥熟料， 根据使用需要再加入石膏和其他添加剂磨制而成。

国际发明金奖

首届香港中华专利技术博览会金奖

玻纤水泥发明人简介

玻纤水泥发明人张丕兴教授张丕兴（Zhang Pixing）， 男，1936年11月生， 辽宁省大连市人。1960年毕业于哈尔滨工业大学。1963年～1966年于北京地质学院进研X射线结构分析。中国建筑材料科学研究院高级工程师、美国经济发展集团公司和英国伦敦应用技术研究院研究员、世界华人交流协会教授，荣誉博士，世界科技咨询专家顾问。 毕生从事材料科学研究和开发。 主要有硼镁石、水化碳铝酸钙、CA^2、C^4A^3S、C^12A^7、C^11A^7CaF^2等晶体结构研究； 快硬早强、膨胀、自应力硫酸盐水泥系列， I型和II型低减度硫铝酸盐水泥系列，彩色玻纤水泥，磷石膏低碱度水泥，硫铝酸盐同硅酸盐符合水泥，道路水泥， 耐磨大坝水泥，喷射水泥，贝利特硫铝酸盐水泥等特种水泥研究； 用钙泥和煤矸石烧特快硬水泥， 用煤矸石、粉煤灰烧特种水泥和全代粘土烧普硅水泥， 用磷石膏生产高强砖和小型空心砌块， 用粉煤灰和炉渣或废石屑生产双免粉煤灰小型空心砌块（砖）、粉煤灰陶粒， 双免粉煤灰轻质隔墙板， 用废石、废土生产标砖和水泥， 粉煤灰活化技术，脱硫石膏和磷石膏矿石化技术及其用化学石膏生产早强剂、激发剂、缓凝剂、速凝剂、防渗堵漏剂、膨胀剂、固接剂、堵洞止水剂等废渣综合利用研究； 高韧耐磨铸铁研究。 发表论文85篇， 出国交流和转载论文10篇， 获奖论文20篇。 首次提出C^4A^3S属四方晶系，其空间群P^2d-P4C^2； 提出影响水泥对玻纤浸蚀的四要素：水泥碱度、环境温度及湿度、水泥硬化体的密实度。 据此提出废渣激发机理； 发现PH=4的材质对中碱玻璃纤维几乎不发生侵蚀。 由此创造出直接测定玻纤受水泥侵蚀大小的新方法； 提出影响硫铝酸盐熟料矿相形成的七要素：生料Al^2O^3/SiO^2比值，熟料碱度、烧成温度、熟料的Al^2O^3/SiO^2比值，煅烧气氛、熟料冷却速度及微量组份；发现硫铝酸盐熟料最佳烧成温度与生料Al^2O^3/SiO^2比值有因果关系。据此发明了低温（1150～1250℃）烧成贝利特硫铝酸盐水泥；发现水泥中的单型水化硫铝酸钙最终转变成钙矾石；钙矾石针状晶体随熟料碱度的降低而短粗；发现还原气氛不仅使石膏分解亦能使C^4A^3S分解； 最早提出硫铝酸盐水泥同硅酸盐水泥可以复合， 生产具有特殊性能的复合水泥， 并提出C^3S与C^4A^3S可以共存和烧成。 据此发明了用于硅酸盐水泥的无碱早强剂； 发现并提出硫铝酸盐水泥在其烧成或水化过程中， 能使其晶体细化和球化的孕育剂和球化剂；确认其熟料中的C^4A^3S是个大固溶体。 据此发明了玻纤水泥；提出硫铝酸盐自应力水泥最佳预养和养护温度为60℃； 最先研究C^4A^3S-C^2S-CSH^2-CaCO^3-H^2O系统中磷石膏低碱度水泥，确认水泥中掺石灰石不仅起物理填充增强作用， 也有化学胶凝增强作用。 获国家科委发明创造奖（1980年），国家自然科学奖（1981年）， 上海重大科技成果奖（1982年）， 部级优秀成果奖（1991年）， 国家经贸委优秀实用技术奖（1996年）， 世界发明协会国际发明金奖（2000年）， 首届香港中华专利技术博览会金奖（2000年）和国家建材局、建材院和地方级科技成果奖等多项奖励。 授予“世界华人重大学术成果”荣誉、 “20世纪科技功臣”、 “中华成功者”等多项荣誉。 载入“中国建材名人录”、 “当代中国科学家与发明家大辞典” 、“世界名人录”、“中国专家人才大典” 、“世界优秀专家名典”等10余部专著。

张丕兴教授在实验室制作晶体结构模型

玻纤水泥发明专利传记

水泥本身是呈脆性材料，但水泥复合钢筋制成的钢筋混凝土却是具有抗弯、延伸能力的韧性材料。因此，钢筋水泥混凝土的用途比水泥本身要大的多。

50年代末，我国正处于代钢代木的热潮中，有的科学家就想到，玻璃纤维的抗拉强度比钢筋还要高，能不能用玻璃纤维代替钢筋构成玻璃纤维水泥混凝土构件呢？在当时，这种想法还是合乎逻辑的。于是在河北，用玻璃纤维水泥混凝土构件盖房子，从梁到柱，从门到窗，全用这种玻璃纤维增强水泥构件，当时称为无钢无木楼房。可是，时隔半年，楼房渐渐出现危险信号，构件裂缝由小渐大，宛如有倒塌之势。为了人身安全，不得不停用并拆除。但是，科学工作者对此不理解，为什么硅酸盐水泥与硅酸盐玻璃纤维，同是硅酸盐体系的，不能复合匹配呢？经科学家的精心研究，初步揭开了这个“谜”。原来，硅酸盐水泥在它水化时，要放出Ca(OH)^2，就是它对玻璃纤维进行侵蚀。于是，科学家立即想到用矾土水泥代替硅酸盐水泥，因为，矾土水泥水化时，不放出Ca(OH)^2。可是，实验证明了矾土水泥也对玻璃纤维发生侵蚀。这又是为什么呢？后来，经玻纤水泥发明人用氢氧化物对中碱玻璃纤维进行50℃快速侵蚀试验，证明了氢氧化物对玻璃纤维都有侵蚀。一价阳离子的氢氧化物比二价氢氧化物侵蚀严重，比三价阳离子氢氧化物侵蚀更严重。这说明，侵蚀玻璃纤维的不单纯是Ca(OH)^2，而是与氢氧化物的氢氧根有关，即水泥中的(OH)负离子浓度有关。根据化学侵蚀反应式， SiO^2(boli)+2OH(负)反应生成H^2SiO^4(2负)，通过化学热力学计算，最终得出 lg(H^2SiO^4(2负)=2PH-24.21。所以，水泥的PH值越高，侵蚀玻璃纤维越严重。

同时，本实验又发现：（1）当相对湿度R.H<50%时， 氢氧化物对中碱玻璃纤维几乎不发生侵蚀；

（2）水对中碱玻璃纤维也发生侵蚀；

（3）当PH=4时， 氢氧化物对中碱玻璃纤维几乎不发生侵蚀；

（4）Zn(OH)^2可明显降低对中碱玻璃纤维的侵蚀。

这样， 最后得出，水泥对玻璃纤维侵蚀的影响因素：水泥碱度（PH值），环境湿度及温度，水泥中的微量元素及其水泥石密实度。

综上所述，减少甚至杜绝水泥对玻璃纤维的侵蚀，应从两方面着手：一是增强玻璃纤维抗水泥侵蚀的能力；二是降低水泥对玻璃纤维的侵蚀作用。

60年代末， 英国发明了抗碱玻璃纤维，命名为“Cem-Fer”，其抗碱能力是中碱玻璃纤维的20倍，并申请专利。其原因是在玻璃纤维中，引进了ZrO^2组份。可起到增强玻璃纤维的耐碱侵蚀能力。因此，英国及其欧美国家多用波特兰水泥（硅酸盐水泥）复合抗碱玻璃纤维制成“GRC”制品，其耐久性可达30年。70年代末，中国发明了硫铝酸盐水泥，其PH值等于11.5，比硅酸盐水泥的碱度（PH=12.5）低。该水泥复合中碱玻璃纤维的耐久性有20年，是硅酸盐水泥复合中碱玻璃纤维耐久性的20倍。

20世纪80年代初，我国在硫铝酸盐水泥的基础上，以掺进大量的硬石膏的方法，冲淡其硫铝酸盐水泥的碱度，研制出I型低碱度硫铝酸盐水泥，其PH=10.5。该水泥复合中碱玻璃纤维的耐久性为30年，相当于抗碱玻璃纤维复合硅酸盐水泥的耐久性。不过，实际应用中发现，由于该水泥掺进大量硬石膏，水泥膨胀较大，早期强度低，其“GRC”制品易变形，抗冻融性能也欠佳。所以，在以后的年代里，都是以降低硬石膏的掺入量，又要保持水泥的PH≤10.5为目标进行研究。相继又研制出，以掺石灰石代替部分硬石膏降低水泥碱度为目的的磷石膏低碱度硫铝 酸盐水泥；以降低硫铝酸盐熟料碱度，减少或杜绝β-C^2S水化放出Ca(OH)^2为目的的，研制出II型低碱度硫铝酸盐水泥。这些低碱度硫铝酸盐水泥在物理力学性能上都有较大的提高。具有膨胀小，早期强度高，抗冻融性能好，低碱性等优点。解决了I型低碱度硫铝酸盐水泥的不足。但“GRC”制品的耐久性并没有明显改善，其中也包括玻璃纤维表面涂抗碱剂技术和在水泥中掺粉煤灰、硅灰、矿渣之类的技术等。

二十世纪90年代末，我国发明了玻纤水泥。 它是在烧成低碱度硫铝酸盐熟料时，引进ZrO^2和ZnO使之固溶于C^4A^3S并在其水化时释放出来，依附在玻璃纤维表面，保护玻璃纤维不受侵害。加之，玻纤水泥的碱度更低，水泥石更密实。 从而，确保玻纤水泥复合玻璃纤维的耐久性， 达到十分理想的境地。

如表1、 表2、 表3

表1 玻纤水泥物理力学性能

表2 水泥复合玻璃纤维50℃快速侵蚀试验数据

表3自然环境条件下水泥符合玻璃纤维的耐久性

玻纤水泥已获国际发明协会国际发明金奖和首届香港中华专利技术博览会金奖， 并受我国专利保护（专利号ZL98117267.9）

英国发明了“Cem-Fer”抗碱玻璃纤维，用抗碱玻璃纤维增强普通硅酸盐水泥，使其“GRC”制品的耐久性大为提高；中国发明了玻纤水泥，用玻纤水泥增强普通中碱玻璃纤维，其耐久性大大高于抗碱玻璃纤维复合普通硅酸盐水泥的耐久性，满足了“GRC”制品50年的使用年限。如果，将这两项专利技术复合成一种“GRC”材料，其耐久性将会达到百年大计。从而，在20世纪50年代，我国老一辈科学家曾设想，用玻璃纤维代替钢筋制作轻质高强水泥混凝土建筑构件， 将在21世纪得以实现。为建筑业、建材业揭开新的篇章，也为我国争得荣誉。

投资效益

本项目可在原有的水泥生产厂投产使用，无需作更大的技术改造。一般来说，50万-100万的投资费，以发明人作技术指导，用旋窑水泥生产线进行生产，一个月内就可出正式产品，八个月内就可以将投资成本回收。所以，本项目投资少、见效快，成本回收期短，利润高、效益好。另一方面，该水泥的性能十分优异，集多种性能于一体。所以，用途广泛，很有市场前景。

早强性：一天强度可达500号左右，可早脱模，模具回转快，生产周期短；

高强性：28天强度可达700号，适用于高标号混凝土；

可调凝性：能满足春、夏、秋、冬各个季节的施工要求；

高温蒸养性：90℃蒸养一小时，就可达300号强度，快速脱模，便于机械化生产；

低温施工性：该水泥在-5℃照样施工，不损失混凝土强度标号。这样，我国南方可全年施工，在-15℃的北方，亦可施工。只要搅拌水不结冰即可，早期强度正常挥发，28天强度虽然增长慢一些，但气温转暖后强度照样发挥到设计标号；

抗渗性：该水泥石的显微结构密实，抗渗性好。因此，可防止碱集料反应，用于地下工程、防渗工程等；

低碱性：该水泥浆液的PH≤10.5，属低碱度水泥。对玻璃纤维侵蚀小，提高“GRC”制品的耐久性，可防碱集料反应。广泛用于“GRC”工程，高性能混凝土工程；

抗腐蚀性：在5%浓度侵蚀溶液中，如Na^2SO^4、MgSO^4、NaCl和海水盐卤中，6个月快速腐蚀试验，其试体不破裂，强度稍有增加。所以，用于化工厂建筑和海水水下工程；

抗冻融性：该水泥石体密实、不透水，其抗融性能十分好。经50-100次的冻融试验，强度基本不下降，是北极、南极的优选建筑材料；

抗碳化性：该水泥在自然环境中，碳化后形成致密层，强度不下降。而且，该碳化致密层尚可保护试体内部不再碳化。是城市、化工厂或厂区的土木建筑的优选材料；

微膨胀性：该水泥具有微膨胀的特点，其钢筋混凝土或“GRC”构件在加强筋的限制条件下，具有防裂补缩效果。可用于大面积屋面、地下室、巷道的防渗建筑工程；

自愈性：当水泥制品在运输时震裂、寒冻时冷裂、加热时热裂、膨胀时胀裂、干缩时干裂等，只要将该水泥制品侵入水中养护，裂缝能够自行愈合。而且，因裂缝所损失的强度又能恢复。因此，该水泥尚可用于机械地基， 路面及修补工程；

着色性：本水泥碱度低、色质好（呈乳黄色）。所以，有较强的着色性。同时，在该水泥中加进有机和无机颜料配制成彩色水泥，不会因其碱的作用使其颜色褪色、结霜或泛白。颜色鲜艳，色度纯正，可广泛用于装饰工程。

总之，该水泥用途广泛，有较好地投资效益。特别是该水泥为当前十分理想的“GRC”胶凝材料，同英国发明的“Cem-Fer”相对应、相匹配，具有同等的国际声誉与效应。无疑对推动“GRC”工程、高性能混凝土工程、低温施工工程、防渗及补偿收缩工程、装饰工程、海水及地下工程、轻质高强度混凝土工程防止碱集料反应工程等有较大贡献。对建筑业、建材业及科学事业都有推动作用，其社会效益非常明显。

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