國(guó)內(nèi)外水泥及水泥基材料研究進(jìn)展

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摘 要：當(dāng)前世界水泥工業(yè)的發(fā)展是以節(jié)能、降耗、環(huán)保為中心，走可持續(xù)發(fā)展的道路。與此相適應(yīng)，水泥及水泥基材料的研究也非?；钴S，研究重點(diǎn)集中在生態(tài)水泥、先進(jìn)水泥基材料、低能耗水泥和水泥的高性能化、工業(yè)及城市廢棄物的資源化利用以及水泥制備及應(yīng)用中的環(huán)境行為評(píng)價(jià)和改進(jìn)等方面，這些研究所取得的成果有力地推動(dòng)了水泥材料科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展。 關(guān)鍵詞：水泥；研究；可持續(xù)發(fā)展 新世紀(jì)國(guó)際水泥工業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)是以節(jié)能、降耗、環(huán)保、改善水泥質(zhì)量和提高勞動(dòng)生產(chǎn)率為中心，實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn)和高效率集約化生產(chǎn)，走可持續(xù)發(fā)展的道路。研究的重點(diǎn)主要是圍繞水泥工業(yè)節(jié)能降耗、減少了有害氣體排放以及低品位原燃料、工業(yè)廢棄物的資源化利用等方面，具體表現(xiàn)在兩個(gè)方面： 　　 一是國(guó)際水泥工業(yè)技術(shù)與裝備上新型干法水泥生產(chǎn)技術(shù)向著大型化、節(jié)能化以及自動(dòng)化方向發(fā)展，如高效預(yù)熱分解系統(tǒng)、第三代“控制流蓖板”和第四代“無(wú)漏料橫桿推動(dòng)”蓖式冷卻機(jī)、新型輥式磨及輥壓機(jī)粉磨系統(tǒng)、自動(dòng)化控制及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、新的熟料燒成方法如流態(tài)化床和噴騰爐燒成技術(shù)、高效除塵技術(shù)、炯?xì)饷摿虺夹g(shù)等的開發(fā)和應(yīng)用，使水泥工業(yè)進(jìn)入現(xiàn)代化發(fā)展期。 　　 二是水泥及水泥基材料的研究是以水泥的生態(tài)化制備、先進(jìn)水泥基材料、水泥的節(jié)能和高性能化、廢棄物的資源化利用以及水泥制備和應(yīng)用中的環(huán)境行為評(píng)價(jià)和改進(jìn)等方面為研究開發(fā)重點(diǎn)，兩者相輔相承，推動(dòng)了水泥工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展?！　? 1 水泥的生態(tài)化制備和生態(tài)水泥的發(fā)展　　 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，水泥工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展越來(lái)越得到重視，自20世紀(jì)7O年代開始，美國(guó)、法國(guó)、德國(guó)、日本等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家就已研究和推進(jìn)廢棄物替代天然資源的工作，并在二次能源的資源化利用方面取得良好進(jìn)展。 根據(jù)歐共體的統(tǒng)計(jì)，在其成員國(guó)中利用二次燃料替代自然燃料用于水泥生產(chǎn)的替代率平均為12%，荷蘭最高，可達(dá)72%，其他如瑞士、比利時(shí)、奧地利、法國(guó)等國(guó)的替代率也高達(dá)27%～31%；全球最大的水泥制造商Laftilge公司可燃廢棄物的燃料替代率在50%以上。這類廢棄物主要包括廢輪胎、廢塑料、廢有機(jī)溶液、廢油以及其它工業(yè)可燃廢料等。 生態(tài)水泥的研究也是目前水泥研究的熱點(diǎn)之一。生態(tài)水泥是一種新型的波特蘭水泥，其中含有20%左右的 C 11A7·CaC12，它適用于建造房屋、道路、橋梁和混凝上制品等。這種水泥的研制不僅解決了城市及工業(yè)垃圾處理問(wèn)題，而且還通過(guò)垃圾的循環(huán)利用系統(tǒng)保護(hù)了環(huán)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“生態(tài)城市計(jì)劃” 資助下，于20世紀(jì)8O年代末至90年代初，小野田水泥公司由日本通產(chǎn)省投資，開始研發(fā)“生態(tài)水泥”生產(chǎn)線，主要采用城市焚燒垃圾灰和下水道淤泥作為基本原料進(jìn)行水泥的生產(chǎn)，以消納大量城市垃圾。其中在東京的三多摩地區(qū)垃圾處理場(chǎng)建設(shè)水泥生產(chǎn)線規(guī)模為年產(chǎn)水泥16萬(wàn)t，年處理垃圾達(dá)12.4萬(wàn)t，相當(dāng)于年處理400多萬(wàn)居民排放的生活垃圾；而在 CHIBA，建成年產(chǎn)10萬(wàn)t生態(tài)水泥生產(chǎn)線，年處理200多萬(wàn)居民生活垃圾。目前，日本正著手制定生態(tài)水泥標(biāo)準(zhǔn)的工作，通產(chǎn)省已于2000 年5月公布暫行標(biāo)準(zhǔn)性質(zhì)的“標(biāo)準(zhǔn)情報(bào)”，計(jì)劃三年內(nèi)完成JIS的制訂工作。 在我國(guó)，上海金山水泥廠、北京水泥有限責(zé)任公司等水泥企業(yè)出進(jìn)行了利用水泥窯處理有害廢棄物的焚燒試驗(yàn)，但此項(xiàng)工作僅是一個(gè)開始。　　 2 先進(jìn)水泥基材料的研究 隨著建筑業(yè)、海洋業(yè)和交通業(yè)等的飛速發(fā)展，超高、超長(zhǎng)、超強(qiáng)和在各種嚴(yán)酷條件下使用建筑物的出現(xiàn)，對(duì)水泥與混凝土材料提出了更高的要求，高強(qiáng)度、長(zhǎng)壽命、低環(huán)境負(fù)荷是當(dāng)代水泥材料發(fā)展的主要方向。先進(jìn)水泥基材料以現(xiàn)代材料科學(xué)理論為指導(dǎo)，以未來(lái)膠凝材料為主要研究目標(biāo)，其目的是把傳統(tǒng)的水泥與混凝土材料推向高新技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)行研究和開發(fā)。 目前這類材料主要有超高強(qiáng)水泥塊材料無(wú)宏觀缺陷水泥、含均勻分散超細(xì)順粒致密體系水泥。由于這兩類材料可在較低溫度下成型而勿需像陶瓷一樣需高溫?zé)Y(jié)即可形成堪與陶瓷材料相批美的優(yōu)良性能，所以又稱化學(xué)結(jié)合陶瓷材料等，其中DSP材料主要是由細(xì)磨的波特蘭水泥(平均粒徑在10~15m）和顆粒組成為50A~0.5m均勻分布的超細(xì)粉體組成。通過(guò)采用分散劑和超塑化劑消除顆粒之間的表面力聚集作用和大幅減少需水量，顯著地降低水泥硬化體結(jié)構(gòu)的空隙率，實(shí)現(xiàn)水泥基材料的高強(qiáng)化。純DSP水泥的抗壓強(qiáng)度可達(dá)2OO～8OOMpa，通過(guò)與纖維復(fù)合得到的DSP水泥，斷裂功可達(dá)9000 J/m，抗彎強(qiáng)度在7OMPa以上；MDF水泥材料的抗拉伸強(qiáng)度可達(dá) 150MPa，而在纖維增韌條件下，其斷裂功高達(dá)105J/m。由于DSP、MDF材料的抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、彈性模量以及材料的韌性等性能較傳統(tǒng)水泥具有不可比擬的優(yōu)越性，這類新型材料在特殊下程、高強(qiáng)復(fù)合材料、模具材料等方而將有比較廣闊的應(yīng)用潛力，已有少量進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用階段。這一類材料的應(yīng)用與發(fā)展促成了傳統(tǒng)水泥基材料性能質(zhì)的飛躍，成為水泥基材料由傳統(tǒng)材料向高新技術(shù)材料轉(zhuǎn)化的重要開端?！　?3 以節(jié)能為中心低鈣水泥熟料體系的研究和開發(fā)　　 從水泥礦物著手開發(fā)節(jié)能型礦物體系，即低燒成溫度及易磨性好的礦物和礦物體系，是實(shí)現(xiàn)水泥工業(yè)節(jié)能、環(huán)保的有效技術(shù)途徑。因此，降低熟料組成中CaO的含量，即相應(yīng)增加低鈣貝利特礦物的含量，或引入新的水泥熟料礦物，可有效降低熟料燒成溫度，減少生料石灰石的用量，從而降低熟料燒成熱耗. 目前，國(guó)內(nèi)外已先后開發(fā)出了C2S—C11a7·CaF2，C2S－C4A3S，C3S－C4A3S和硅酸鹽體系等節(jié)能礦物體系。其中在承擔(dān)國(guó)家“九五” 和“十五”科技攻關(guān)項(xiàng)目的研究工作中，由中國(guó)建筑材料科學(xué)研究院研制、開發(fā)并應(yīng)用于國(guó)家重點(diǎn)工程的高貝利特水泥是近年來(lái)國(guó)內(nèi)外在水泥基材料研究的又一重大突破。該水泥與通用硅酸鹽水泥同屬硅酸鹽水泥體系，即熟料I 礦物也是由C3S、C2S、C3A和C4AF組成，兩者不同之處主要是高貝利特水泥是以貝利特礦物為主，其含量在50%左右。低熱硅酸鹽水泥的研制成功，在制備工藝技術(shù)上解決了C2S礦物的活化的高活性晶型的常溫穩(wěn)定這兩個(gè)國(guó)際難點(diǎn)，并首次實(shí)現(xiàn)了在水泥回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)直接制備高活性的高性能低熱硅酸鹽水泥熟料。以硅酸二鈣為主導(dǎo)礦物的低熱硅酸鹽水泥在制備工藝上具有低資源能源消耗、低環(huán)境負(fù)荷和低綜合生產(chǎn)成本等特點(diǎn)，其燒成溫度為1350°C左右，比通用硅酸鹽水泥低1OO℃，燒成過(guò)程中CO2、SO2、NOX等廢氣排放量降低10%以上；在水泥性能上，低熱硅酸鹽水泥28d抗壓強(qiáng)度與通用硅酸鹽水泥相當(dāng)，后期強(qiáng)度高出通用硅酸鹽水泥5～1OMPa，而水泥的水化熱低于通用硅酸鹽水泥2O%以上，實(shí)現(xiàn)了水泥的低熱、高強(qiáng)和高性能、此外，由于其熟料中的C3S和C3A含顯低，因而低熱硅酸鹽水泥還具有優(yōu)異的抗硫酸鹽性能、抗折強(qiáng)度高，干縮低，耐磨性能好等特性，能很好地滿足高性能混凝土的高工作性、高強(qiáng)度和高耐久性三大技術(shù)要求，尤其適用于高性能混凝土、高強(qiáng)高性能混凝土、水工大體積混凝土的制備.　　 4 高膠凝性高鈣水泥熟料體系的研究 “高性能水泥制備和應(yīng)用的基礎(chǔ)研究”是“973”國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃項(xiàng)目，以實(shí)現(xiàn)水泥的高性能化為研究目標(biāo)，主要圍繞以下三個(gè)方面開展研究工作： 提高水泥熟料的膠凝性，提高水能； 通過(guò)對(duì)了工業(yè)廢棄物進(jìn)行合理的活化處理，開辟出能夠調(diào)節(jié)水泥性能的新的輔助膠凝組分，盡可能大量地取代水泥熟料； 通過(guò)大幅度提高水泥應(yīng)用過(guò)程中的水泥基材料耐久性，延長(zhǎng)建筑物安全使用壽命，大幅度降低水泥的長(zhǎng)期需求量，建立由高膠凝性水泥熟料與低鈣的性能調(diào)節(jié)型材料共同構(gòu)成的強(qiáng)度與耐久性兼優(yōu)的高性能水泥材料新體系，實(shí)現(xiàn)水泥和水泥基材料的高性能化和生態(tài)化。高膠凝性水泥熟料體系的研究主要集中在CaO-SiO2-Al2O3-Fe2O3體系硅酸鹽熟料礦物體系，主要技術(shù)路線在于提高熟料中C2S在含量至70%左右、通過(guò)摻雜技術(shù)實(shí)現(xiàn)新型干法水泥生產(chǎn)煙燒工藝條件下的燒成，以水泥熟料形成理論為依據(jù)，有效指導(dǎo)高膠凝性水泥熟料的制備過(guò)程。 通過(guò)前期大量的研究，高膠凝性高C3S含量硅酸鹽水泥熟料礦物體系的研究已取得以下方面的技術(shù)突破： 建立了CaO-SiO2-Al2O3-Fe2O3體系高C2S熟料體系礦相匹配優(yōu)化理論和適用于實(shí)際水泥生產(chǎn)的熟料率值控制方法。 建立了高膠凝性、高C3S不含過(guò)硅酸鹽水泥熟料礦物體系的摻雜理論和摻雜技術(shù)，發(fā)現(xiàn)了針對(duì)硅酸鹽熟料體系的高溫?fù)诫s效應(yīng)和低溫礦化效果的差異，在此基礎(chǔ)上提出了實(shí)現(xiàn)高C3S含量硅酸鹽水泥熟料高膠凝化的多元復(fù)合摻雜理論 建立了C3S晶格畸變形成C3S在固溶體晶體高對(duì)稱性、實(shí)現(xiàn)礦物高度介穩(wěn)化和高活性的高膠凝化理論。目前已實(shí)現(xiàn)在工業(yè)化生產(chǎn)中，在熟料中C3S含量70%左右的情況下，熟料28d抗壓強(qiáng)度達(dá)到70MPa以上。 　　 5 工業(yè)廢棄物的資源化、無(wú)害化利用的研究 　　 隨著全球經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和工業(yè)化進(jìn)程的加快，每年都有大量的廢渣排放，主要有粉煤灰、高爐礦渣、鋼渣、煤矸石、特種冶金渣、電石渣、鋰渣、堿渣等。為了保護(hù)環(huán)境、變廢為主和保持可持續(xù)發(fā)展，世界各國(guó)水泥學(xué)者已開展了大量的研究工作并將取得大量的研究成果應(yīng)用于水泥混凝土生產(chǎn)中，如在日本，目前僅在水泥生產(chǎn)中各種廢棄物的利用率達(dá)到近40%。我國(guó)早在2O世紀(jì)50年代就開始了對(duì)工業(yè)廢渣的利用研究，目前對(duì)量大面廣的一些工業(yè)廢渣如粉煤灰、礦渣等的綜合利用已經(jīng)形成了一系列相當(dāng)成熟的綜合利用技術(shù)，并已廣泛應(yīng)用于水泥生產(chǎn)、混凝土摻合料和混凝土制品中。 此外，隨著水泥混凝土技術(shù)發(fā)展以及人們對(duì)節(jié)約資源、能源和環(huán)境保護(hù)的日益關(guān)注，在水泥混凝土的制備過(guò)程中，利用二次燃料、各種工業(yè)廢渣甚至城市固態(tài)廢棄物的綜合利用比比皆是。從環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展的角度來(lái)看，水泥混凝土行業(yè)利廢實(shí)現(xiàn)了資源化利用，具有十分重要的環(huán)境和社會(huì)意義。但由些帶來(lái)的問(wèn)題也不容忽視，由于水泥和混凝土中大量使用各種工業(yè)廢棄物，不可避免地導(dǎo)致混凝土中某些有害物質(zhì)的含量大大增加，而其中一些含量相對(duì)較高的有害物質(zhì)是否會(huì)從水泥混凝土中溶出從而導(dǎo)致二次環(huán)境污染。該問(wèn)題已引起了國(guó)際混凝土界的普遍關(guān)注和高度重視。目前國(guó)外工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)此已開展了大量的基礎(chǔ)研究工作，如瑞典戰(zhàn)略環(huán)境研究基金委已經(jīng)資助瑞典Chalmers工業(yè)大學(xué)對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行研究；荷蘭在1996年實(shí)施了一項(xiàng)法規(guī)，規(guī)定用于地下或作基礎(chǔ)用的任何建筑材料都必須通過(guò)環(huán)境影響評(píng)估試驗(yàn)；而歐洲標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)已提交一份“關(guān)于硬化混凝土在自然環(huán)境中的溶出行為特征” 的技術(shù)報(bào)告，目的是希望加大對(duì)混凝土中有害物質(zhì)溶出問(wèn)題的研究力度和環(huán)境影響的評(píng)估。

6 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)是水泥工業(yè)大國(guó)，水泥業(yè)作為我國(guó)基礎(chǔ)性原材料工業(yè)的支柱之一，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展中具有舉足輕重的地位，雖每年水泥產(chǎn)量已達(dá)到8億t以上。但目我國(guó)水泥工業(yè)仍然存在一系列問(wèn)題；如企業(yè)平均規(guī)模小、結(jié)構(gòu)不合理、總體產(chǎn)品質(zhì)量較低、生產(chǎn)能源資源消耗高、環(huán)境污染嚴(yán)重等等。在可持續(xù)發(fā)展已成為人類共識(shí)的今天，我國(guó)水泥及水泥基材料研究重點(diǎn)為：

利用水泥工業(yè)可有效消納和降解廢棄物的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，加大對(duì)各種固體廢棄物的資源化利用；

大力發(fā)展替代能源、資源或低品位原燃料在水泥工業(yè)的綜合利用技術(shù)；

研究開發(fā)低能源資源消耗、低環(huán)境負(fù)荷及具性能特色的水泥。以實(shí)現(xiàn)水泥工業(yè)低污染、低 排放，推進(jìn)水泥工業(yè)成為與資源、環(huán)境與人類社會(huì)協(xié)調(diào)、持續(xù)發(fā)展的循環(huán)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)體系。

　　

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