提高水泥性能 降低環(huán)境負荷

      　“高性能水泥制備和應用的基礎研究，作為973計劃中惟一的建筑材料領域具有原創(chuàng)性創(chuàng)新的基礎研究項目，經過建材行業(yè)科研人員歷時5年的潛心研究，目前已圓滿結題。項目研究取得驕人成果，贏得了科技部專家組的高度贊譽。他們一致認為，高性能水泥制備和應用的基礎研究成果，對我國建材行業(yè)發(fā)展將產生重要的導向作用。”國家973計劃項目首席科學家陳益民日前接受本報記者采訪時高興地說。

　　　　從具有百年歷史的水泥制備與應用技術中開掘出來，并有幸跨入國家973計劃門檻，高性能水泥制備和應用的基礎研究從2001年國家批準立項研究到結題，歷經5年。來自中國建筑材料科學研究總院、南京工業(yè)大學、同濟大學、北京工業(yè)大學、武漢理工大學、浙江大學、濟南大學和東南大學的教授、高級工程師及博士后、博士和碩士等150余位科研人員，在首席科學家陳益民和許仲梓的帶領下，根據高性能水泥不同于傳統(tǒng)水泥的特征，深入研究高性能水泥的高強度、優(yōu)異的耐久性和良好的環(huán)境協調性。項目研究成果工業(yè)化應用后，可使水泥生產熟料用量減少30%，在同等熟料用量條件下水泥強度提高一個等級，水泥基材料耐久性提高一倍，綜合能耗降低20%，環(huán)境負荷降低30%.這使我國水泥材料的科學研究達到國際先進水平，在某些領域達到國際領先水平。

　　　　多項研究成果居國際領先水平

      　　陳益民介紹說，高性能水泥制備和應用的基礎研究共有6個課題，分別是高膠凝性水泥熟料礦物體系的研究、高膠凝性和特性熟料復合體系的研究、性能調節(jié)型輔助膠凝組分的研究、水泥水化機理及過程控制、高性能水泥漿體的結構形成與優(yōu)化和高性能水泥與水泥基材料的環(huán)境行為及失效機理等研究。

　　　　5年來，科研人員對高阿利特（硅酸三鈣）含量的高膠凝性熟料體系研究方面取得重要進展。他們獲得阿利特含量達到70%左右的相體系配料和燒成方法，包括高阿利特含量的高膠凝性硅酸鹽系熟料礦相匹配和優(yōu)化，研究了摻雜對高阿利特熟料燒成的促進作用，在高阿利特高膠凝性水泥熟料及其制備方法方面取得突破。在高阿利特熟料中阿利特組成、晶體結構和性能的研究取得進展，他們發(fā)現，阿利特中的雜質可以明顯影響其結構，適宜的摻雜使阿利特的結構轉變成較高介穩(wěn)態(tài)；發(fā)現阿利特的結構變化可能是影響水泥熟料膠凝性的重要原因之一，在阿利特組成、燒成條件、結構與性能研究方面取得了創(chuàng)新性成果，達到了國際領先水平。在含硫鋁酸鹽礦物的硅酸鹽熟料體系相匹配關系、燒成控制方法、性能特點研究，以及含硫鋁酸鹽礦物的熟料對粉煤灰有強激發(fā)作用方面，科研人員也有新發(fā)現；通過研究礦物形成動力學和雜質影響，在熟料組成設計、有利于擴大阿利特和硫鋁酸鹽共存溫度范圍方面有新進展；建立了熟料中硫鋁酸鈣測定方法——化學法，為含硫鋁酸鹽的水泥熟料生產提供有效控制方法。他們提出了制備活性輔助膠凝組分的方法和活化機理，取得創(chuàng)新性成果。在國內外缺乏的對煤矸石活化途徑和機理的研究方面，陳益民等科研人員對煤矸石中的黏土礦物結構轉變成無定形結構，外來離子（如鈣）改變了無定形化結構狀態(tài)性質，使其結構狀態(tài)進一步失穩(wěn)的研究發(fā)現，已居國際先進水平。特別是在高性能水泥基材料的環(huán)境行為和破壞機理研究中，科研人員將國內外的研究單因素破壞作用，改為多因素協同作用的環(huán)境行為研究，居世界前沿，意義重大。

　　　　成功開展高性能水泥制備和工業(yè)廢棄物活化的工業(yè)性試驗

      　　科研人員在高性能水泥制備和應用的基礎研究中，還成功地開展了高膠凝性水泥熟料工業(yè)性試生產。他們在5家水泥生產企業(yè)的新型干法窯和濕法回轉窯內進行了高阿利特水泥熟料的燒成工業(yè)化試驗；在17家水泥生產企業(yè)中開展了含硫鋁酸鹽礦物的硅酸鹽水泥熟料的燒成中試，均取得了很好的效果，水泥熟料強度均顯著提高。他們在生產中，初步證實了實驗室取得理論成果的正確和可靠，并取得了顯著的社會效益和經濟效益。如在新型干法窯燒制成功了阿利特含量達到70%左右的高膠凝性水泥熟料，其28天抗壓強度高達70MPa.這對于提高水泥中工業(yè)廢棄物的摻和量十分有效。在帶五級旋風預熱器干法水泥窯上進行工業(yè)化試驗，試生產的阿利特-硫鋁酸鋇鈣水泥，早期強度提高30%以上。

　　　　科研人員在對主要產地的煤矸石進行成分分析和相分析的基礎上，提出了煤矸石從工業(yè)廢渣轉化為高性能水泥用性能調節(jié)型輔助膠凝組分的方法和活化的機理，并開展了半工業(yè)性試驗。他們分析了全國10多個主要產煤區(qū)排出煤矸石的組成結構特性（化學組成、相組成、相結構等），研究熱歷史等因素與其膠凝活性的相關性；綜合運用熱活化、化學活化、機械活化與復合活化的方式，研究在激發(fā)組分、溫度、微細化等因素作用下，煤矸石的顆粒表面結構、物理化學變化特征與活化效果，等等，都達到了預期效果。

　　　　研發(fā)水泥化學研究、混凝土環(huán)境行為試驗的新方法、新裝置

      　　科研人員研究發(fā)明了多種工業(yè)廢渣轉化成輔助膠凝組分的方法和機理，特別是復合型輔助膠凝組分性能優(yōu)化的方法和作用，提出高性能水泥體系復合膠凝效應與性能優(yōu)化設計。他們提出鋼渣、磷渣、赤泥作為輔助膠凝組分的方法。其中，微細鋼渣作為水泥活性混合材的研究成果，已經在多家企業(yè)進行產業(yè)化；建立了一系列水泥水化過程表征的先進研究方法，研究和提出了高性能水泥水化反應產物形成及演變過程；研究高性能水泥漿體的結構形成與演變規(guī)律，提出高性能水泥漿體結構模型和強度模型；開發(fā)出多種混凝土環(huán)境行為試驗研究新方法，研究了水泥基材料的兩種和多種因素共同作用下的損傷機制；針對低鈣復合體系高性能混凝土的組成和特點，提出了高性能水泥基材料的失效機理和高耐久性水泥基材料的設計方法與途徑等。

　　回顧5年來的研究與實踐，陳益民表示，973計劃項目高性能水泥制備和應用的基礎研究成果意義重大。他說，他們的研究首先是解決了高性能水泥基材料特有組成和結構的耐久性科學問題，特別是在水泥基材料低堿度高耐久問題上，提高了高性能水泥基材料水化相的結構密實度，抑制有害離子在水泥漿體中的擴散，從而降低或延緩了混凝土遭受有害離子腐蝕的程度。二是提出了環(huán)境行為各因素及其協同作用下評價混凝土損傷失效的多種研究新方法，從宏觀、微觀和細觀層次對混凝土的損傷失效開展研究，開發(fā)了多種混凝土環(huán)境行為試驗研究新方法。三是提出了材料環(huán)境行為的系列協同效應理論，對腐蝕介質向混凝土內部滲透、擴散，與混凝土水化產物發(fā)生化學反應生成膨脹性物質，以及腐蝕介質與荷載作用下的高性能混凝土所承受的拉應力等進行了深入研究。四是研究了高耐久性水泥基材料的理論與設計方法。這些是對高性能水泥基材料的研究思想、試驗方法和環(huán)境行為分析理論的創(chuàng)新，為建設環(huán)境友好、節(jié)約資源和能源的水泥工業(yè)奠定了理論基礎，提供了試驗依據。

　　　　這個項目在研究過程中，共申請了51項專利，其中20多項已經獲得批準。目前，項目已經獲得省部級科技獎勵5項、發(fā)表學術論文500余篇、鑒定科技成果10項。不久前，教育部、北京市科委、江蘇省科技廳等單位分別組織專家鑒定委員會對973計劃項目高性能水泥制備和應用的基礎研究所屬6個課題的研究成果進行了嚴格的鑒定。專家們認真聽取了課題組的匯報，審查了相關技術資料，并進行質疑和討論，充分肯定了課題組研究成果。以中國工程院院士唐明述為主任的鑒定委員會在對高膠凝性水泥熟料礦物體系的研究成果簽署的鑒定意見中這樣寫道：“成果總體水平達到國際先進水平，其中在高阿利特水泥熟料的組成設計、相匹配、燒成與性能方面的研究成果居國際領先水平?！币渣S書謀為主任的鑒定委員會認為：高性能水泥和水泥基材料的環(huán)境行為與失效機理研究成果整體達到國際先進水平，其中，在ACR快速試驗方法和混合材抑制ASR反應機理方面的研究成果達到國際領先水平。

　　　　這為973計劃項目高性能水泥制備和應用的基礎研究畫上了圓滿的句號，同時，也代表了高性能水泥制備和應用研究新征程的開始。國家科技部已經將這一項目的研究成果向產業(yè)化轉化，列入“十一五”的重大科技計劃。陳益民表示，他們將開展工藝技術和配套裝備的攻關，解決產業(yè)化方面的關鍵技術問題，使這一基礎性的研究成果能夠在工業(yè)生產中廣泛應用，將我國水泥工業(yè)建設成環(huán)境友好型、資源節(jié)約型的新型工業(yè)。