玻纖水泥

玻纖水泥是一種用於製作玻璃纖維增強水泥製品或混凝土的優質水泥。玻纖水泥（專利號ZL98117267.9）發明專利已獲世界發明協會國際發明金獎和首屆香港中華專利技術博覽會金獎。

基本介紹

• 中文名：玻纖水泥
• 外文名：Glass fiber cement
• 發明人：張丕興
• 專利號：ZL98117267.9

玻纖水泥簡介

玻纖水泥（專利號ZL98117267.9）已獲世界發明協會國際發明金獎和首屆香港中華專利技術博覽會金獎。

玻纖水泥發明專利

玻纖水泥是一種用於製作玻璃纖維增強水泥製品或混凝土的優質水泥。 它不僅能提高玻璃纖維的耐鹼性， 又能減輕本水泥對玻璃纖維的侵蝕， 是一種早強、高強、低鹼、抗滲、耐腐蝕、抗凍融、抗碳化、微膨脹補縮、負溫施工、著色耐久等多種性能於一體的、能抑制鹼－集料反應的，21世紀新型水泥。經試驗和計算， 矽酸鹽水泥複合中鹼玻璃纖維的耐久性為一年， 複合抗鹼玻纖纖維為17年； 而玻纖水泥符合中鹼玻璃纖維為52年， 複合抗鹼玻璃纖維為155年。因此， 中國發明的玻纖水泥和英國發明的“Cen-Fer”抗鹼玻璃纖維用於抗鹼玻璃纖維複合玻纖水泥代替鋼筋混凝土製作輕質高強混凝土建築構件， 將在本世紀得到實現。

本發明是在CaO-SiO^2-Al^2O^3-CaSO^4系統中， 引進Zn和Zr離子燒成硫鋁酸鈣固溶體為主的玻纖水泥熟料， 根據使用需要再加入石膏和其他添加劑磨製而成。

國際發明金獎

首屆香港中華專利技術博覽會金獎

玻纖水泥發明人簡介

張丕興（Zhang Pixing）， 男，1936年11月生， 遼寧省大連市人。1960年畢業於哈爾濱工業大學。1963年～1966年於北京地質學院進研X射線結構分析。 中國建築材料科學研究院高級工程師、美國經濟發展集團公司和英國倫敦套用技術研究院研究員、世界華人交流協會教授，榮譽博士，世界科技諮詢專家顧問。 畢生從事材料科學研究和開發。 主要有硼鎂石、水化碳鋁酸鈣、CA^2、C^4A^3S、C^12A^7、C^11A^7CaF^2等晶體結構研究； 快硬早強、膨脹、自應力硫酸鹽水泥系列， I型和II型低減度硫鋁酸鹽水泥系列，彩色玻纖水泥，磷石膏低鹼度水泥，硫鋁酸鹽同矽酸鹽符合水泥，道路水泥， 耐磨大壩水泥，噴射水泥，貝利特硫鋁酸鹽水泥等特種水泥研究； 用鈣泥和煤矸石燒特快硬水泥， 用煤矸石、粉煤灰燒特種水泥和全代粘土燒普矽水泥， 用磷石膏生產高強磚和小型空心砌塊， 用粉煤灰和爐渣或廢石屑生產雙免粉煤灰小型空心砌塊（磚）、粉煤灰陶粒， 雙免粉煤灰輕質隔牆板， 用廢石、廢土生產標磚和水泥， 粉煤灰活化技術， 脫硫石膏和磷石膏礦石化技術及其用化學石膏生產早強劑、激發劑、緩凝劑、速凝劑、防滲堵漏劑、膨脹劑、固接劑、堵洞止水劑等廢渣綜合利用研究； 高韌耐磨鑄鐵研究。 發表論文85篇， 出國交流和轉載論文10篇， 獲獎論文20篇。 首次提出C^4A^3S屬四方晶系，其空間群P^2d-P4C^2； 提出影響水泥對玻纖浸蝕的四要素：水泥鹼度、環境溫度及濕度、水泥硬化體的密實度。 據此提出廢渣激發機理； 發現PH=4的材質對中鹼玻璃纖維幾乎不發生侵蝕。 由此創造出直接測定玻纖受水泥侵蝕大小的新方法； 提出影響硫鋁酸鹽熟料礦相形成的七要素：生料Al^2O^3/SiO^2比值，熟料鹼度、燒成溫度、熟料的Al^2O^3/SiO^2比值，煅燒氣氛、熟料冷卻速度及微量組份；發現硫鋁酸鹽熟料最佳燒成溫度與生料Al^2O^3/SiO^2比值有因果關係。據此發明了低溫（1150～1250℃）燒成貝利特硫鋁酸鹽水泥；發現水泥中的單型水化硫鋁酸鈣最終轉變成鈣礬石；鈣礬石針狀晶體隨熟料鹼度的降低而短粗；發現還原氣氛不僅使石膏分解亦能使C^4A^3S分解； 最早提出硫鋁酸鹽水泥同矽酸鹽水泥可以複合， 生產具有特殊性能的複合水泥， 並提出C^3S與C^4A^3S可以共存和燒成。 據此發明了用於矽酸鹽水泥的無鹼早強劑； 發現並提出硫鋁酸鹽水泥在其燒成或水化過程中， 能使其晶體細化和球化的孕育劑和球化劑；確認其熟料中的C^4A^3S是個大固溶體。 據此發明了玻纖水泥；提出硫鋁酸鹽自應力水泥最佳預養和養護溫度為60℃； 最先研究C^4A^3S-C^2S-CSH^2-CaCO^3-H^2O系統中磷石膏低鹼度水泥，確認水泥中摻石灰石不僅起物理填充增強作用， 也有化學膠凝增強作用。 獲國家科委發明創造獎（1980年）， 國家自然科學獎（1981年）， 上海重大科技成果獎（1982年）， 部級優秀成果獎（1991年）， 國家經貿委優秀實用技術獎（1996年）， 世界發明協會國際發明金獎（2000年）， 首屆香港中華專利技術博覽會金獎（2000年）和國家建材局、建材院和地方級科技成果獎等多項獎勵。 授予“世界華人重大學術成果”榮譽、 “20世紀科技功臣”、 “中華成功者”等多項榮譽。 載入“中國建材名人錄”、 “當代中國科學家與發明家大辭典” 、“世界名人錄”、“中國專家人才大典” 、“世界優秀專家名典”等10餘部專著。

玻纖水泥發明人張丕興教授

張丕興教授在實驗室製作晶體結構模型

玻纖水泥發明專利傳記

水泥本身是呈脆性材料，但水泥複合鋼筋製成的鋼筋混凝土卻是具有抗彎、延伸能力的韌性材料。因此，鋼筋水泥混凝土的用途比水泥本身要大的多。

50年代末，我國正處於代鋼代木的熱潮中，有的科學家就想到，玻璃纖維的抗拉強度比鋼筋還要高，能不能用玻璃纖維代替鋼筋構成玻璃纖維水泥混凝土構件呢？在當時，這種想法還是合乎邏輯的。於是在河北，用玻璃纖維水泥混凝土構件蓋房子，從梁到柱，從門到窗，全用這種玻璃纖維增強水泥構件，當時稱為無鋼無木樓房。可是，時隔半年，樓房漸漸出現危險信號，構件裂縫由小漸大，宛如有倒塌之勢。為了人身安全，不得不停用並拆除。但是，科學工作者對此不理解，為什麼矽酸鹽水泥與矽酸鹽玻璃纖維，同是矽酸鹽體系的，不能複合匹配呢？經科學家的精心研究，初步揭開了這個“謎”。原來，矽酸鹽水泥在它水化時，要放出Ca(OH)^2，就是它對玻璃纖維進行侵蝕。於是，科學家立即想到用礬土水泥代替矽酸鹽水泥，因為，礬土水泥水化時，不放出Ca(OH)^2。可是，實驗證明了礬土水泥也對玻璃纖維發生侵蝕。這又是為什麼呢？後來，經玻纖水泥發明人用氫氧化物對中鹼玻璃纖維進行50℃快速侵蝕試驗，證明了氫氧化物對玻璃纖維都有侵蝕。一價陽離子的氫氧化物比二價氫氧化物侵蝕嚴重，比三價陽離子氫氧化物侵蝕更嚴重。這說明，侵蝕玻璃纖維的不單純是Ca(OH)^2，而是與氫氧化物的氫氧根有關，即水泥中的(OH)負離子濃度有關。根據化學侵蝕反應式， SiO^2(boli)+2OH(負)反應生成H^2SiO^4(2負)，通過化學熱力學計算，最終得出 lg(H^2SiO^4(2負)=2PH-24.21。所以，水泥的PH值越高，侵蝕玻璃纖維越嚴重。

同時，本實驗又發現：（1）當相對濕度R.H<50%時， 氫氧化物對中鹼玻璃纖維幾乎不發生侵蝕；

（2）水對中鹼玻璃纖維也發生侵蝕；

（3）當PH=4時， 氫氧化物對中鹼玻璃纖維幾乎不發生侵蝕；

（4）Zn(OH)^2可明顯降低對中鹼玻璃纖維的侵蝕。

這樣， 最後得出，水泥對玻璃纖維侵蝕的影響因素：水泥鹼度（PH值），環境濕度及溫度，水泥中的微量元素及其水泥石密實度。

綜上所述，減少甚至杜絕水泥對玻璃纖維的侵蝕，應從兩方面著手：一是增強玻璃纖維抗水泥侵蝕的能力；二是降低水泥對玻璃纖維的侵蝕作用。

60年代末， 英國發明了抗鹼玻璃纖維，命名為“Cem-Fer”，其抗鹼能力是中鹼玻璃纖維的20倍，並申請專利。其原因是在玻璃纖維中，引進了ZrO^2組份。可起到增強玻璃纖維的耐鹼侵蝕能力。因此，英國及其歐美國家多用波特蘭水泥（矽酸鹽水泥）複合抗鹼玻璃纖維製成“GRC”製品，其耐久性可達30年。70年代末，中國發明了硫鋁酸鹽水泥，其PH值等於11.5，比矽酸鹽水泥的鹼度（PH=12.5）低。該水泥複合中鹼玻璃纖維的耐久性有20年，是矽酸鹽水泥複合中鹼玻璃纖維耐久性的20倍。

20世紀80年代初，我國在硫鋁酸鹽水泥的基礎上，以摻進大量的硬石膏的方法，沖淡其硫鋁酸鹽水泥的鹼度，研製出I型低鹼度硫鋁酸鹽水泥，其PH=10.5。該水泥複合中鹼玻璃纖維的耐久性為30年，相當於抗鹼玻璃纖維複合矽酸鹽水泥的耐久性。不過，實際套用中發現，由於該水泥摻進大量硬石膏，水泥膨脹較大，早期強度低，其“GRC”製品易變形，抗凍融性能也欠佳。所以，在以後的年代裡，都是以降低硬石膏的摻入量，又要保持水泥的PH≤10.5為目標進行研究。相繼又研製出，以摻石灰石代替部分硬石膏降低水泥鹼度為目的的磷石膏低鹼度硫鋁 酸鹽水泥；以降低硫鋁酸鹽熟料鹼度，減少或杜絕β-C^2S水化放出Ca(OH)^2為目的的，研製出II型低鹼度硫鋁酸鹽水泥。這些低鹼度硫鋁酸鹽水泥在物理力學性能上都有較大的提高。具有膨脹小，早期強度高，抗凍融性能好，低鹼性等優點。解決了I型低鹼度硫鋁酸鹽水泥的不足。但“GRC”製品的耐久性並沒有明顯改善，其中也包括玻璃纖維表面塗抗鹼劑技術和在水泥中摻粉煤灰、矽灰、礦渣之類的技術等。

二十世紀90年代末，我國發明了玻纖水泥。 它是在燒成低鹼度硫鋁酸鹽熟料時，引進ZrO^2和ZnO使之固溶於C^4A^3S並在其水化時釋放出來，依附在玻璃纖維表面，保護玻璃纖維不受侵害。加之，玻纖水泥的鹼度更低，水泥石更密實。 從而，確保玻纖水泥複合玻璃纖維的耐久性， 達到十分理想的境地。

如表1、 表2、 表3

表1 玻纖水泥物理力學性能

名 稱

比表面積; m^2/kg

凝結時間

自由膨脹率（%）

PH

抗折強度（MPa）

抗壓強度（MPa）

初凝

終凝

1d

3d

7d

28d

1d

3d

7d

28d

玻纖水 泥

545

0:45

1:07

0.04

9.86

6.0

6.9

7.5

8.4

49.1

61.7

67.6

75.9

表2 水泥複合玻璃纖維50℃快速侵蝕試驗數據

表3 自然環境條件下水泥符合玻璃纖維的耐久性

條件	耐久性
矽酸鹽水泥複合玻璃纖維的耐久性	1年
玻纖水泥符合中鹼玻璃纖維耐久性	52年
矽酸鹽水泥符合抗鹼玻璃纖維耐久性	17年
玻纖水泥複合抗鹼玻璃纖維耐久性	155年

玻纖水泥已獲國際發明協會國際發明金獎和首屆香港中華專利技術博覽會金獎， 並受我國專利保護（專利號ZL98117267.9）

英國發明了“Cem-Fer”抗鹼玻璃纖維，用抗鹼玻璃纖維增強普通矽酸鹽水泥，使其“GRC”製品的耐久性大為提高；中國發明了玻纖水泥，用玻纖水泥增強普通中鹼玻璃纖維，其耐久性大大高於抗鹼玻璃纖維複合普通矽酸鹽水泥的耐久性，滿足了“GRC”製品50年的使用年限。如果，將這兩項專利技術複合成一種“GRC”材料，其耐久性將會達到百年大計。從而，在20世紀50年代，我國老一輩科學家曾構想，用玻璃纖維代替鋼筋製作輕質高強水泥混凝土建築構件， 將在21世紀得以實現。為建築業、建材業揭開新的篇章，也為我國爭得榮譽。

投資效益

本項目可在原有的水泥生產廠投產使用，無需作更大的技術改造。一般來說，50萬-100萬的投資費，以發明人作技術指導，用旋窯水泥生產線進行生產，一個月內就可出正式產品，八個月內就可以將投資成本回收。所以，本項目投資少、見效快，成本回收期短，利潤高、效益好。另一方面，該水泥的性能十分優異，集多種性能於一體。所以，用途廣泛，很有市場前景。

早強性：一天強度可達500號左右，可早脫模，模具迴轉快，生產周期短；

高強性：28天強度可達700號，適用於高標號混凝土；

可調凝性：能滿足春、夏、秋、冬各個季節的施工要求；

高溫蒸養性：90℃蒸養一小時，就可達300號強度，快速脫模，便於機械化生產；

低溫施工性：該水泥在-5℃照樣施工，不損失混凝土強度標號。這樣，我國南方可全年施工，在-15℃的北方，亦可施工。只要攪拌水不結冰即可，早期強度正常揮發，28天強度雖然增長慢一些，但氣溫轉暖後強度照樣發揮到設計標號；

抗滲性：該水泥石的顯微結構密實，抗滲性好。因此，可防止鹼集料反應，用於地下工程、防滲工程等；

低鹼性：該水泥漿液的PH≤10.5，屬低鹼度水泥。對玻璃纖維侵蝕小，提高“GRC”製品的耐久性，可防鹼集料反應。廣泛用於“GRC”工程，高性能混凝土工程；

抗腐蝕性：在5%濃度侵蝕溶液中，如Na^2SO^4、MgSO^4、NaCl和海水鹽滷中，6個月快速腐蝕試驗，其試體不破裂，強度稍有增加。所以，用於化工廠建築和海水水下工程；

抗凍融性：該水泥石體密實、不透水，其抗融性能十分好。經50-100次的凍融試驗，強度基本不下降，是北極、南極的優選建築材料；

抗碳化性：該水泥在自然環境中，碳化後形成緻密層，強度不下降。而且，該碳化緻密層尚可保護試體內部不再碳化。是城市、化工廠或廠區的土木建築的優選材料；

微膨脹性：該水泥具有微膨脹的特點，其鋼筋混凝土或“GRC”構件在加強筋的限制條件下，具有防裂補縮效果。可用於大面積屋面、地下室、巷道的防滲建築工程；

自愈性：當水泥製品在運輸時震裂、寒凍時冷裂、加熱時熱裂、膨脹時脹裂、乾縮時乾裂等，只要將該水泥製品侵入水中養護，裂縫能夠自行癒合。而且，因裂縫所損失的強度又能恢復。因此，該水泥尚可用於機械地基， 路面及修補工程；

著色性：本水泥鹼度低、色質好（呈乳黃色）。所以，有較強的著色性。同時，在該水泥中加進有機和無機顏料配製成彩色水泥，不會因其鹼的作用使其顏色褪色、結霜或泛白。顏色鮮艷，色度純正，可廣泛用於裝飾工程。

總之，該水泥用途廣泛，有較好地投資效益。特別是該水泥為當前十分理想的“GRC”膠凝材料，同英國發明的“Cem-Fer”相對應、相匹配，具有同等的國際聲譽與效應。無疑對推動“GRC”工程、高性能混凝土工程、低溫施工工程、防滲及補償收縮工程、裝飾工程、海水及地下工程、輕質高強度混凝土工程防止鹼集料反應工程等有較大貢獻。對建築業、建材業及科學事業都有推動作用，其社會效益非常明顯。

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