国内外水泥及水泥基材料研究进展

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摘 要：当前世界水泥工业的发展是以节能、降耗、环保为中心，走可持续发展的道路。与此相适应，水泥及水泥基材料的研究也非常活跃，研究重点集中在生态水泥、先进水泥基材料、低能耗水泥和水泥的高性能化、工业及城市废弃物的资源化利用以及水泥制备及应用中的环境行为评价和改进等方面，这些研究所取得的成果有力地推动了水泥材料科学与技术的发展。 关键词：水泥；研究；可持续发展 新世纪国际水泥工业的发展趋势是以节能、降耗、环保、改善水泥质量和提高劳动生产率为中心，实现清洁生产和高效率集约化生产，走可持续发展的道路。研究的重点主要是围绕水泥工业节能降耗、减少了有害气体排放以及低品位原燃料、工业废弃物的资源化利用等方面，具体表现在两个方面： 　　 一是国际水泥工业技术与装备上新型干法水泥生产技术向着大型化、节能化以及自动化方向发展，如高效预热分解系统、第三代“控制流蓖板”和第四代“无漏料横杆推动”蓖式冷却机、新型辊式磨及辊压机粉磨系统、自动化控制及网络技术、新的熟料烧成方法如流态化床和喷腾炉烧成技术、高效除尘技术、炯气脱硫除氮技术等的开发和应用，使水泥工业进入现代化发展期。 　　 二是水泥及水泥基材料的研究是以水泥的生态化制备、先进水泥基材料、水泥的节能和高性能化、废弃物的资源化利用以及水泥制备和应用中的环境行为评价和改进等方面为研究开发重点，两者相辅相承，推动了水泥工业的可持续发展。　　 1 水泥的生态化制备和生态水泥的发展　　 随着科学技术的发展和人们环保意识的增强，水泥工业的可持续发展越来越得到重视，自20世纪7O年代开始，美国、法国、德国、日本等工业发达国家就已研究和推进废弃物替代天然资源的工作，并在二次能源的资源化利用方面取得良好进展。 根据欧共体的统计，在其成员国中利用二次燃料替代自然燃料用于水泥生产的替代率平均为12%，荷兰最高，可达72%，其他如瑞士、比利时、奥地利、法国等国的替代率也高达27%～31%；全球最大的水泥制造商Laftilge公司可燃废弃物的燃料替代率在50%以上。这类废弃物主要包括废轮胎、废塑料、废有机溶液、废油以及其它工业可燃废料等。 生态水泥的研究也是目前水泥研究的热点之一。生态水泥是一种新型的波特兰水泥，其中含有20%左右的 C 11A7·CaC12，它适用于建造房屋、道路、桥梁和混凝上制品等。这种水泥的研制不仅解决了城市及工业垃圾处理问题，而且还通过垃圾的循环利用系统保护了环境。如日本的小野田水泥公司和太平洋水泥公司在得到日本政府“生态城市计划” 资助下，于20世纪8O年代末至90年代初，小野田水泥公司由日本通产省投资，开始研发“生态水泥”生产线，主要采用城市焚烧垃圾灰和下水道淤泥作为基本原料进行水泥的生产，以消纳大量城市垃圾。其中在东京的三多摩地区垃圾处理场建设水泥生产线规模为年产水泥16万t，年处理垃圾达12.4万t，相当于年处理400多万居民排放的生活垃圾；而在 CHIBA，建成年产10万t生态水泥生产线，年处理200多万居民生活垃圾。目前，日本正着手制定生态水泥标准的工作，通产省已于2000 年5月公布暂行标准性质的“标准情报”，计划三年内完成JIS的制订工作。 在我国，上海金山水泥厂、北京水泥有限责任公司等水泥企业出进行了利用水泥窑处理有害废弃物的焚烧试验，但此项工作仅是一个开始。　　 2 先进水泥基材料的研究 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，高强度、长寿命、低环境负荷是当代水泥材料发展的主要方向。先进水泥基材料以现代材料科学理论为指导，以未来胶凝材料为主要研究目标，其目的是把传统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超高强水泥块材料无宏观缺陷水泥、含均匀分散超细顺粒致密体系水泥。由于这两类材料可在较低温度下成型而勿需像陶瓷一样需高温烧结即可形成堪与陶瓷材料相批美的优良性能，所以又称化学结合陶瓷材料等，其中DSP材料主要是由细磨的波特兰水泥(平均粒径在10~15m）和颗粒组成为50A~0.5m均匀分布的超细粉体组成。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。纯DSP水泥的抗压强度可达2OO～8OOMpa，通过与纤维复合得到的DSP水泥，断裂功可达9000 J/m，抗弯强度在7OMPa以上；MDF水泥材料的抗拉伸强度可达 150MPa，而在纤维增韧条件下，其断裂功高达105J/m。由于DSP、MDF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下程、高强复合材料、模具材料等方而将有比较广阔的应用潜力，已有少量进入实际应用阶段。这一类材料的应用与发展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。　　 3 以节能为中心低钙水泥熟料体系的研究和开发　　 从水泥矿物着手开发节能型矿物体系，即低烧成温度及易磨性好的矿物和矿物体系，是实现水泥工业节能、环保的有效技术途径。因此，降低熟料组成中CaO的含量，即相应增加低钙贝利特矿物的含量，或引入新的水泥熟料矿物，可有效降低熟料烧成温度，减少生料石灰石的用量，从而降低熟料烧成热耗. 目前，国内外已先后开发出了C2S—C11a7·CaF2，C2S－C4A3S，C3S－C4A3S和硅酸盐体系等节能矿物体系。其中在承担国家“九五” 和“十五”科技攻关项目的研究工作中，由中国建筑材料科学研究院研制、开发并应用于国家重点工程的高贝利特水泥是近年来国内外在水泥基材料研究的又一重大突破。该水泥与通用硅酸盐水泥同属硅酸盐水泥体系，即熟料I 矿物也是由C3S、C2S、C3A和C4AF组成，两者不同之处主要是高贝利特水泥是以贝利特矿物为主，其含量在50%左右。低热硅酸盐水泥的研制成功，在制备工艺技术上解决了C2S矿物的活化的高活性晶型的常温稳定这两个国际难点，并首次实现了在水泥回转窑系统直接制备高活性的高性能低热硅酸盐水泥熟料。以硅酸二钙为主导矿物的低热硅酸盐水泥在制备工艺上具有低资源能源消耗、低环境负荷和低综合生产成本等特点，其烧成温度为1350°C左右，比通用硅酸盐水泥低1OO℃，烧成过程中CO2、SO2、NOX等废气排放量降低10%以上；在水泥性能上，低热硅酸盐水泥28d抗压强度与通用硅酸盐水泥相当，后期强度高出通用硅酸盐水泥5～1OMPa，而水泥的水化热低于通用硅酸盐水泥2O%以上，实现了水泥的低热、高强和高性能、此外，由于其熟料中的C3S和C3A含显低，因而低热硅酸盐水泥还具有优异的抗硫酸盐性能、抗折强度高，干缩低，耐磨性能好等特性，能很好地满足高性能混凝土的高工作性、高强度和高耐久性三大技术要求，尤其适用于高性能混凝土、高强高性能混凝土、水工大体积混凝土的制备.　　 4 高胶凝性高钙水泥熟料体系的研究 “高性能水泥制备和应用的基础研究”是“973”国家重点基础研究发展规划项目，以实现水泥的高性能化为研究目标，主要围绕以下三个方面开展研究工作： 提高水泥熟料的胶凝性，提高水能； 通过对了工业废弃物进行合理的活化处理，开辟出能够调节水泥性能的新的辅助胶凝组分，尽可能大量地取代水泥熟料； 通过大幅度提高水泥应用过程中的水泥基材料耐久性，延长建筑物安全使用寿命，大幅度降低水泥的长期需求量，建立由高胶凝性水泥熟料与低钙的性能调节型材料共同构成的强度与耐久性兼优的高性能水泥材料新体系，实现水泥和水泥基材料的高性能化和生态化。高胶凝性水泥熟料体系的研究主要集中在CaO-SiO2-Al2O3-Fe2O3体系硅酸盐熟料矿物体系，主要技术路线在于提高熟料中C2S在含量至70%左右、通过掺杂技术实现新型干法水泥生产烟烧工艺条件下的烧成，以水泥熟料形成理论为依据，有效指导高胶凝性水泥熟料的制备过程。 通过前期大量的研究，高胶凝性高C3S含量硅酸盐水泥熟料矿物体系的研究已取得以下方面的技术突破： 建立了CaO-SiO2-Al2O3-Fe2O3体系高C2S熟料体系矿相匹配优化理论和适用于实际水泥生产的熟料率值控制方法。 建立了高胶凝性、高C3S不含过硅酸盐水泥熟料矿物体系的掺杂理论和掺杂技术，发现了针对硅酸盐熟料体系的高温掺杂效应和低温矿化效果的差异，在此基础上提出了实现高C3S含量硅酸盐水泥熟料高胶凝化的多元复合掺杂理论 建立了C3S晶格畸变形成C3S在固溶体晶体高对称性、实现矿物高度介稳化和高活性的高胶凝化理论。目前已实现在工业化生产中，在熟料中C3S含量70%左右的情况下，熟料28d抗压强度达到70MPa以上。 　　 5 工业废弃物的资源化、无害化利用的研究 　　 随着全球经济的发展和工业化进程的加快，每年都有大量的废渣排放，主要有粉煤灰、高炉矿渣、钢渣、煤矸石、特种冶金渣、电石渣、锂渣、碱渣等。为了保护环境、变废为主和保持可持续发展，世界各国水泥学者已开展了大量的研究工作并将取得大量的研究成果应用于水泥混凝土生产中，如在日本，目前仅在水泥生产中各种废弃物的利用率达到近40%。我国早在2O世纪50年代就开始了对工业废渣的利用研究，目前对量大面广的一些工业废渣如粉煤灰、矿渣等的综合利用已经形成了一系列相当成熟的综合利用技术，并已广泛应用于水泥生产、混凝土掺合料和混凝土制品中。 此外，随着水泥混凝土技术发展以及人们对节约资源、能源和环境保护的日益关注，在水泥混凝土的制备过程中，利用二次燃料、各种工业废渣甚至城市固态废弃物的综合利用比比皆是。从环境保护和可持续发展的角度来看，水泥混凝土行业利废实现了资源化利用，具有十分重要的环境和社会意义。但由些带来的问题也不容忽视，由于水泥和混凝土中大量使用各种工业废弃物，不可避免地导致混凝土中某些有害物质的含量大大增加，而其中一些含量相对较高的有害物质是否会从水泥混凝土中溶出从而导致二次环境污染。该问题已引起了国际混凝土界的普遍关注和高度重视。目前国外工业发达国家对此已开展了大量的基础研究工作，如瑞典战略环境研究基金委已经资助瑞典Chalmers工业大学对该问题进行研究；荷兰在1996年实施了一项法规，规定用于地下或作基础用的任何建筑材料都必须通过环境影响评估试验；而欧洲标准委员会已提交一份“关于硬化混凝土在自然环境中的溶出行为特征” 的技术报告，目的是希望加大对混凝土中有害物质溶出问题的研究力度和环境影响的评估。

6 结语

我国是水泥工业大国，水泥业作为我国基础性原材料工业的支柱之一，在国民经济可持续发展中具有举足轻重的地位，虽每年水泥产量已达到8亿t以上。但目我国水泥工业仍然存在一系列问题；如企业平均规模小、结构不合理、总体产品质量较低、生产能源资源消耗高、环境污染严重等等。在可持续发展已成为人类共识的今天，我国水泥及水泥基材料研究重点为：

利用水泥工业可有效消纳和降解废弃物的独特优势，加大对各种固体废弃物的资源化利用；

大力发展替代能源、资源或低品位原燃料在水泥工业的综合利用技术；

研究开发低能源资源消耗、低环境负荷及具性能特色的水泥。以实现水泥工业低污染、低 排放，推进水泥工业成为与资源、环境与人类社会协调、持续发展的循环经济产业体系。

　　

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