沈曉東：致力于水泥低能耗制備與高效應(yīng)用研究

　　目前，水泥生產(chǎn)過程中的燒、磨兩環(huán)節(jié)的能耗大、碳排放高，如何降低這些“高指數(shù)”，是水泥行業(yè)急需解決的問題。其中，由南京工業(yè)大學沈曉東教授為首席科學家，中國建筑材料研究院為依托單位的973計劃項目“水泥低能耗制備與高效應(yīng)用的基礎(chǔ)研究”項目，主要圍繞水泥生產(chǎn)和應(yīng)用過程的各個環(huán)節(jié)開展提高水泥性能和節(jié)能減排的基礎(chǔ)研究，實現(xiàn)水泥科學理論和技術(shù)的重大創(chuàng)新。該項目將促進水泥工業(yè)生產(chǎn)與產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整、提高使用效能，提高能源與資源利用效率。起止年限：2009.1至2013.8。

　　總體研究思路

　　該項目通過提高熟料膠凝性、優(yōu)化熟料與輔助性膠凝材料復(fù)合、高效應(yīng)用水泥和延長服役壽命等性能方面的研究，實現(xiàn)水泥制備過程的直接節(jié)能減排和水泥高效應(yīng)用產(chǎn)生的間接節(jié)能減排。

　　在水泥制備的直接節(jié)能減排方面：第一、通過調(diào)控阿利特介穩(wěn)程度和缺陷形態(tài)，并優(yōu)化熟料相匹配，提高其活性，制備高膠凝性熟料。第二、通過摻雜離子和優(yōu)化高膠凝性熟料相組成，降低系統(tǒng)最低共熔點，降低熟料燒成能耗。第三、通過熟料分段燒成的動力學調(diào)控，實現(xiàn)能量在燒成各個階段合理配置，降低熟料燒成能耗。第四、通過離心力場粉磨動力學調(diào)控和多頻次小能量振動破碎，實現(xiàn)水泥高效粉磨，降低水泥粉磨電耗。

　　在水泥高效應(yīng)用的間接節(jié)能減排方面：第一、通過高膠凝性熟料與輔助性膠凝材料的復(fù)合優(yōu)化設(shè)計，高效發(fā)揮各組分的膠凝性，減少水泥中熟料使用量，從而減少水泥制備能耗。第二、通過優(yōu)化水泥漿體結(jié)構(gòu)，提高復(fù)合水泥水化產(chǎn)物及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、增強其抵抗物理和化學侵蝕能力，延長服役壽命，提高使用效能，減少水泥需求量。

　　技術(shù)路線

　　實現(xiàn)研究目標的技術(shù)途徑有六個方面：

　　一、高介穩(wěn)阿利特微結(jié)構(gòu)和熟料礦物相組成優(yōu)化

　　通過摻雜技術(shù)、改變熱歷史、調(diào)整化學組成等手段，改變熟料形成熱力學和動力學，降低燒成過程的能量和資源的消耗。調(diào)整熟料礦物比例，使熟料中C3S與其它礦物的匹配達到最優(yōu)化，從而提高熟料的膠凝性。

　　采用高分辨電子顯微成像及電子衍射譜圖研究阿利特微區(qū)結(jié)構(gòu)特征，X射線能譜(EDS)和電子能量損失譜(EELS)等表征化學組分。采用場發(fā)射掃描電鏡/能譜儀（FE-SEM/EDS），ESEM通過測定水化漿體中單顆粒的未水化部分與水化層的面積比計算出水化程度。[Page]

　　二、 熟料分段形成動力學及過程控制

　　設(shè)計熟料高溫煅燒模擬試驗裝置，通過改變反應(yīng)時間及熱力學分布等參數(shù)，進行熟料制備和快速冷卻控制；運用先進測試方法，確定產(chǎn)物及中間相的組成、結(jié)構(gòu)，并進行性能分析；定量描述反應(yīng)速度、溫度均勻分布與產(chǎn)物及中間相形成數(shù)量的關(guān)系，建立熟料分段形成動力學模型，進行熟料形成熱力學效率計算分析；通過冷熱態(tài)試驗和計算機模擬，研究懸浮態(tài)下快速反應(yīng)動力學，研究堆積狀態(tài)下低能耗熟料形成過程，建立新一代高能效水泥生產(chǎn)工藝技術(shù)原型。

　　三、離心力場中水泥粉磨動力學與顆粒特性

　　運用計算機仿真模擬研究方法，研究粉磨過程中的能量傳遞機理、能量利用率及各顆粒群相的分布規(guī)律等，建立新型高效磨中物料、球體組成的顆粒群多相流的數(shù)學模型。建立脆性斷裂力學模型及有限元計算機模擬方法，分析復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)下的材料損傷和破裂路徑。

　　四、熟料與輔助性膠凝材料優(yōu)化復(fù)合的化學和物理基礎(chǔ)

　　建立實驗室高效粉碎系統(tǒng)和粉體精確分級裝置，制備出特定形貌和顆粒級配的熟料與輔助性膠凝材料粉體，建立復(fù)合水泥粉體堆積模型，確定復(fù)合水泥最緊密堆積的顆粒學參數(shù)。

　　采用NMR等方法研究不同活性的輔助性膠凝材料玻璃相聚合度與其水化活性的關(guān)系。分析復(fù)合水泥體系不同水化階段的水化程度，獲得不同體系不同水化階段的動力學參數(shù)。應(yīng)用點接觸模型模擬復(fù)合水泥體系，建立復(fù)合膠凝效應(yīng)的特征方程。采用接枝、空間合理排布以及多元復(fù)合的方法，改善化學外加劑與水泥/輔助性膠凝材料的適應(yīng)性，調(diào)節(jié)和控制漿體空間結(jié)構(gòu)形成過程，獲得理想的漿體結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)各膠凝組分的充分水化。確定水泥熟料與輔助性膠凝材料物理、化學優(yōu)化匹配原則。

　　五、復(fù)合水泥漿體組成和結(jié)構(gòu)的演變規(guī)律及調(diào)控

　　對硅酸鹽水泥熟料-輔助性膠凝材料體系，綜合運用核磁共振、小角度X射線散射和高分辨透射電子顯微鏡等現(xiàn)代分析手段精確測定C-S-H凝膠等固相的組成與結(jié)構(gòu)及其演變規(guī)律。采用同步層析X-射線衍射分析等對水泥漿體的孔結(jié)構(gòu)隨時間的變化規(guī)律進行研究。采用孔溶液等離子發(fā)射光譜（ICP）分析和電阻率測定等表征孔溶液的性質(zhì)。采用高分辨透射電子顯微鏡和電阻率儀等研究固相物質(zhì)和孔分布情況、孔連通性及水泥漿體各相間的界面結(jié)構(gòu)特征。通過調(diào)整水泥漿體初始結(jié)構(gòu)、摻加化學外加劑等調(diào)控水泥漿體的組成與結(jié)構(gòu)。測定水泥漿體的強度、變形、流體遷移性能、離子的固結(jié)或持留作用，闡明水泥漿體組成和結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系。

　　六、水泥基材料的產(chǎn)物與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及服役行為

　　觀察在大氣環(huán)境和壓力水作用下水泥基材料漿體孔隙結(jié)構(gòu)、孔溶液的堿度和水化產(chǎn)物組成隨時間的變化規(guī)律，以及水化產(chǎn)物和微觀結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，獲得基于耐久性的水泥組成設(shè)計合理性判據(jù)。通過實驗測定和數(shù)值模擬研究水泥硬化體孔隙內(nèi)表面特性，在試件上預(yù)制特定寬度和密度的裂縫以模擬荷載效果，對比荷載與非荷載條件下水泥基材料的孔隙特性、體積穩(wěn)定性和開裂敏感性對其滲透性的影響。測定在不同侵蝕性環(huán)境中實際結(jié)構(gòu)內(nèi)沿深度分布的侵蝕性介質(zhì)濃度曲線，建立侵蝕性介質(zhì)在水泥基材料中的擴散模型；在大量獲得腐蝕+應(yīng)力耦合作用下鋼筋混凝土破壞數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，建立水泥基材料的壽命預(yù)測模型。[Page]

　　可行性

　　該項目研究目標緊扣水泥工業(yè)節(jié)能減排，相關(guān)的指標達到國際領(lǐng)先水平。盡管項目研究難度大，但是項目組經(jīng)過深入系統(tǒng)的研究，完全有可能取得重大突破。

　　一、建立阿利特微結(jié)構(gòu)與活性的關(guān)系，并通過優(yōu)化熟料相匹配低能耗制備高膠凝性熟料是實現(xiàn)水泥生產(chǎn)和應(yīng)用環(huán)節(jié)節(jié)能的基礎(chǔ)。熟料礦物微結(jié)構(gòu)表征和微結(jié)構(gòu)調(diào)控是有很強挑戰(zhàn)性的研究內(nèi)容。但在已結(jié)題的“高性能水泥制備和應(yīng)用的基礎(chǔ)研究”中，已對熟料微結(jié)構(gòu)表征方法和結(jié)構(gòu)調(diào)控措施進行了探索，表明現(xiàn)有實驗室測試技術(shù)手段能夠系統(tǒng)評價熟料礦物的微觀結(jié)構(gòu)。而且，可以通過摻雜、溫變等多種技術(shù)途徑調(diào)控熟料礦物微結(jié)構(gòu)。本課題提出的內(nèi)容已有良好研究基礎(chǔ)，是在繼承前述研究基礎(chǔ)上的深化和發(fā)展。同時優(yōu)化了課題承擔人員的專業(yè)結(jié)構(gòu)和分工，在低能耗制備熟料方面取得突破是可以預(yù)期的。

　　二、熟料燒成過程的熱耗主要是碳酸鹽分解，約占總熱耗的60%左右，而礦物形成過程是放熱過程。如果將熟料燒成各個階段重新劃分，就可以使高反應(yīng)活性的新生態(tài)的CaO和SiO2迅速結(jié)合，同時進行其能量重新配置，把某些反應(yīng)放出熱量補充碳酸鈣分解的吸熱。高溫帶所需要升溫的幅度減少，熱耗減少。項目組進行的實驗室初步試驗已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了這一趨勢。所以，進行熟料燒成過程中的能量重新配置，提高熱交換效率，降低熟料燒成能耗是可能的。

　　三、研究水泥漿體不同層次結(jié)構(gòu)，建立基于性能優(yōu)化的結(jié)構(gòu)模型，來指導(dǎo)水泥組成優(yōu)化設(shè)計，提高輔助膠凝組分的用量并延長水泥基材料的服役壽命。這一研究思路得到國內(nèi)外專家的認可，實現(xiàn)水泥高效應(yīng)用和水泥工業(yè)間接節(jié)能減排的有效途徑，因而課題設(shè)計的研究思路是可行的，也是可以達到的目標。主要難點在于建立水泥漿體不同結(jié)構(gòu)層次合理配置模型，及實現(xiàn)不同層次結(jié)構(gòu)合理配置的方法。而本項目承擔單位在上述相關(guān)方面已有較好的研究基礎(chǔ)，具有國際水平的測試設(shè)備，因此在這方面取得顯著進展是完全可以預(yù)期的。

　　四、項目主持單位和參加單位有良好的研究基礎(chǔ)，除了主持已經(jīng)結(jié)題的973項目“高性能水泥制備和應(yīng)用的基礎(chǔ)研究”之外，目前正主持國家科技支撐計劃重大項目的課題“高性能水泥綠色制造工藝和裝備”。本項目的研究成果將和科技支撐計劃課題相配合，相輔相成，相互促進，有助于本項目研究成果盡快進行工業(yè)性試驗，有助于研究取得突破。

　　五、項目承擔單位為國內(nèi)水泥領(lǐng)域重要的科研機構(gòu)、重點大學以及國家大型水泥企業(yè)，具備開展實驗條件，并有很好的研究基礎(chǔ)。項目依托單位是已結(jié)題的“973”計劃“高性能水泥制備和應(yīng)用的基礎(chǔ)研究”項目的依托單位和主持單位。主要參加人員多數(shù)為已結(jié)題項目參加人員，長期從事水泥熟料燒成和水泥制備、水泥漿體結(jié)構(gòu)與性能及水泥基材料耐久性的研究，其專業(yè)背景和研究優(yōu)勢有很強的互補性,這為順利開展項目研究工作，提供了強大的人力資源保證。

　　創(chuàng)新點

　　本項目在深入了解和詳盡分析水泥科學國際最新研究進展和發(fā)展趨勢的基礎(chǔ)上，緊密圍繞水泥節(jié)能減排的國家重大需求，瞄準影響中國水泥工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的資源、能源和環(huán)境負荷的瓶頸問題，在高膠凝性熟料組成與結(jié)構(gòu)、熟料燒成和水泥粉磨等關(guān)鍵環(huán)節(jié)的基礎(chǔ)研究上取得重大突破，主要創(chuàng)新點有：

　　一、建立熟料相組成匹配模型和阿利特介穩(wěn)化控制準則。

　　二、提出熟料分段燒成動力學控制理論。

　　三、提出水泥高效粉磨高離心力場和小能量振動破碎原理。

　　四、建立基于耐久性的水泥組成設(shè)計方法。

　　為了更好地幫助水泥企業(yè)提升磨機效率、降低粉磨能耗，由中國水泥網(wǎng)主辦的“2011第四屆國際粉磨峰會”將于5月21日至22日在南京舉行。本屆峰會圍繞“走節(jié)能降耗之路，創(chuàng)粉磨技術(shù)新高”的主題，通過邀請行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)解讀政策走向；邀請行業(yè)專家分享前沿技術(shù)；邀請知名水泥企業(yè)探討設(shè)備選型并分享應(yīng)用經(jīng)驗，并結(jié)合互動交流，切實推動水泥行業(yè)實現(xiàn)粉磨技術(shù)的有效升級。屆時，沈曉冬教授將出席峰會并做題為《水泥低能耗制備與高效應(yīng)用的基礎(chǔ)研究(國家973計劃)》的報告，相信精彩的報告會使企業(yè)在粉磨設(shè)備選型方面有所借鑒。