加強基礎性研究促進水泥高性能化

　　21世紀我國水泥工業(yè)面臨的要求與挑戰(zhàn)
1、國民經濟建設對水泥的巨大需求
　　在21世紀，水泥仍將是我國及整個人類社會最主要的建筑材料。我國水泥年產量已超過6億噸，其中經高溫專門燒制的水泥熟料近5億噸，占世界水泥總產量的1/3以上，連續(xù)多年居世界第一。建筑材料和建筑業(yè)是我國的支柱產業(yè)之一，水泥是最主要的建筑材料，全國水泥產值占建筑材料近50%。但是，2000年我國人均水泥消費量為464kg/人年，人均累計水泥消費量為5958kg。根據發(fā)達國家的經驗，人均累計消費量一般達到10噸以上方達到相對飽和點，我國的人均水泥累計消費量僅相當于發(fā)達國家的1/2。作為發(fā)展中國家，我國國民經濟的持續(xù)發(fā)展需要保持一個較大的建設規(guī)模。大規(guī)模房屋建筑和基礎設施建設要求建筑材料的的龍頭產品--水泥在未來20年有更大的發(fā)展，預計到2010年我國水泥需求量將達到8億噸。
　　工業(yè)發(fā)達國家的水泥產量近10多年來逐年下隆，發(fā)展中國家的水泥產量逐步增加，而且存在由發(fā)展中國家向發(fā)達國家出口水泥的趨勢，水泥生產重心逐步向發(fā)展中國家轉移。由于我國人口眾多，地域遼闊，如此大量的水泥需求量不可能從國外進口，必須由國內提供，而且還要向一些國家出口水泥。這是我國水泥工業(yè)的一個機遇，也是一個挑戰(zhàn)。
2、資源與環(huán)境的挑戰(zhàn)，可持續(xù)發(fā)展的需求
　　水泥生產消耗大量的煤和電等能源、消耗大量的礦石和粘土等自然資源，同時排放出大量CO2、SO2和NOX等廢氣。這些廢氣加劇溫室效應和產生酸雨，嚴重污染環(huán)境。顯然，數(shù)量擴張型的水泥工業(yè)發(fā)展模式將使我國能源、資源和環(huán)境不堪重負，不利于社會與經濟的可持續(xù)發(fā)展。
　　社會進步除了要求水泥工業(yè)減少環(huán)境負荷物質的排放量外，還要求水泥工業(yè)能最大限度地將人類社會活動中排出的產業(yè)廢棄物和生活廢棄物加以有效利用（甚至包括廢混凝土的再生利用），使之成為環(huán)境共存型產業(yè)體系。
3、社會進步的挑戰(zhàn)，改造傳統(tǒng)水泥工業(yè)的需求
　　隨著社會向現(xiàn)代化發(fā)展，超高層建筑物、大深度地下構筑物、超長大橋、海上空港、甚至海中城市等等大型建筑越來越多，對水泥與混凝土的性能提出更高要求：施工性更好、水化熱更低、強度更高、體積更穩(wěn)定、耐腐蝕性和耐久性更好。即使是普通建筑，為了延長建筑物的使用壽命，也越來越有這些要求。與此同時，我們所面臨的環(huán)境日益惡化，含有各種有害成分的大氣、雨水和地下水以及其它侵蝕性介質等對水泥基材料的腐蝕作用越來越嚴重，在各種破壞因素作用下，材料的結構穩(wěn)定性和性能逐漸衰減和劣化，工程使用壽命下降。用低標號、低性能的水泥制備混凝土時所需水泥量較多，耐久性能必然較差，將進一步造成水泥用量增加。因此，水泥不僅要有高的強度，更需要有優(yōu)良的耐久性，以抵御諸如凍融、碳化、海水和化學介質等環(huán)境因素對水泥混凝土工程結構的侵蝕。水泥混凝土材料設計正在經歷從單一強度指標向以強度和耐久性綜合指標作為主要設計依據的重大轉變，我國已經將需遠久性要求列入水泥混凝土結構設計規(guī)范，這無疑向水泥材料學工作者和水泥工業(yè)提出了嚴峻挑戰(zhàn)。

　　中國水泥工業(yè)的現(xiàn)狀和存在的問題
　　我國水泥工業(yè)的現(xiàn)狀是大而不強，表現(xiàn)為"五大六低"：產量大，企業(yè)數(shù)量大，職工隊伍大，資源與能源消耗大，環(huán)境污染大；勞動生產率低，集約化程度低，科技含量低，水泥性能低，市場應變能力低，經濟效益低。其中最主要的是科技含量低，造成資源與能源消耗大、環(huán)境污染嚴重和水泥性能低。
1、資源與能源消耗大
　　水泥工業(yè)是高能耗、高資源消耗的工業(yè)。這既與我國的科技發(fā)展水平、管理水平有關，也與硅酸鹽系統(tǒng)水泥本身的特性有關。由于水泥中主要礦物C3S的形成溫度高達1400℃以上，水泥熟料燒成熱耗很高。我國的水泥生產每年要燒掉近1億噸煤，用掉近600億度電。同時還要消耗4億多噸石灰石和大量粘土。如果這些不可再生的礦物資源繼續(xù)大量的消耗將對人類社會產生災難性的影響。
2、水泥性能低
　　我國目前6億多噸的水泥年產量中，大部分是低標號、低性能的水泥。水泥的抗壓強度等級普遍為32.5和42.5。我國水泥質量與國外先進水平相比還存在較大差距，平均強度低10MPa~20MPa。這除了與水泥與我國水泥生產技術與裝備落后、管理水平較低、立窯水泥占較大比重、含混合材料的水泥占較大比重及混合材料粗放添加有關以外，水泥材料科學發(fā)展緩慢也是一個重要原因。用低性能的水泥制備混凝土時，要達到同樣強度等級的混凝土所需的水泥較多，混凝土的耐久性能也較差。這樣一方面浪費了大量水泥，另一方面建筑物的質量較差而使其使用壽命縮短，進一步造成水泥的浪費。
3、環(huán)境污染嚴重
　　除了排出大量粉塵外，每生產1噸水泥熟料將排放出約1噸CO2和大量NOX、SO3等有害的廢氣。這些廢氣對于人類生存環(huán)境與氣候都造成極其不利的影響，比如加劇溫室效應、產生酸雨，等等。水泥產量在現(xiàn)有的性能水平上繼續(xù)大量增加，對我國的環(huán)境造成的污染將更加驚人。因此，低性能、高污染、高消耗的水泥工業(yè)是不可持續(xù)發(fā)展的產業(yè)。

　　我國水泥發(fā)展的方向--高性能水泥
　　為使我國的水泥工業(yè)這一傳統(tǒng)產業(yè)能夠適應社會的發(fā)展與進步，原國家建材局提出了水泥工業(yè)"由大變強"的戰(zhàn)略目標。這一目標的實現(xiàn)有賴于"靠新出強"：依靠科技的進步和產品的更新，提高水泥的綜合性能，提高水泥工業(yè)的資源和能源利用率，提高水泥行業(yè)的勞動生產率，使我國的水泥工業(yè)不但在數(shù)量上、更主要在科學技術水平上成為真正的世界強國。水泥工業(yè)的科技進步對我國國民經濟的發(fā)展和人民生活質量的提高將起到十分重要的作用。
　　發(fā)達國家的基礎設施建設已趨完善，水泥產量下降，在水泥科學研究領域的投入日趨減少。中國要在二三十年中完成發(fā)達國家100多年所做的基本建設，對水泥的需求量更大，又不能完全照搬國外的經驗。因此必須建立自己的水泥科學原理，創(chuàng)造自己的知識產權，走出一條以質量提高替代數(shù)量增長的道路。其途徑只有提高水泥性能，用較少量的高性能水泥達到較大量低質水泥的使用效果。
　　為此，我們提出了研究開發(fā)具有高強度、優(yōu)異耐久性和低環(huán)境負荷等特征的高性能水泥的設想：在現(xiàn)有水泥實物質量的水平上，大幅度提高水泥的性能，包括強度性能和耐久性性能，用較少的水泥達到較大量水泥的使用效果：大幅度降低水泥熟料的用量，用較少的水泥熟料生產較大量的水泥。充分利用工業(yè)廢渣的潛在膠凝性，使其在水泥混凝土中的利用從單純的增加產量為目的轉化為既降低環(huán)境負荷又使之作為高性能水泥中不可或缺的性能調節(jié)組份。這種高性能水泥應該是我國21世紀水泥工業(yè)的發(fā)展方向，它將使水泥熟料產量降低，生產能耗下降，減少資源消耗，減輕環(huán)境負荷。
　　如果水泥科學研究的成果使節(jié)能型的高性能水泥得以實現(xiàn)，同時用掉數(shù)以億噸計的各類工業(yè)廢渣和尾礦，那么水泥工業(yè)將不僅僅是一低排廢的工業(yè)，而且將是一個環(huán)保型的工業(yè)；水泥將不僅為人類社會提供居住場所，而且將為人類清潔生存環(huán)境。如果將水泥的強度和其他性能大幅度提高，趕上和超過發(fā)達國家的質量水平，那么用4億噸或5億噸高性能水泥就有可能達到現(xiàn)有的6億噸水泥的使用效果，這對提高我國的資源利用率將有重大的貢獻。

　　高性能水泥制備和應用有賴于基礎性的科學研究
　　水泥的生產和使用已經有170多年的歷史，在水泥科學的指導下水泥生產工藝和使用技術不斷得到發(fā)展，每一次水泥工業(yè)和混凝土工業(yè)的重大變革都與水泥科學的進展密切相關。例如：熟料化學的研究成果促使生產設備的改進，水泥制備技術已經發(fā)展到相當高的水平，先進的窯外分解技術可以幾乎使水泥熟料燒成的熱耗最大限度地接近其理論熱耗；水化化學的研究成果致使礦渣等工業(yè)廢棄物可以比較大量地摻入水泥中，有效地增加了水泥的產量，在某些特定的條件下還能改善水泥的使用性能；水泥漿體流變學和表面物理化學的研究為化學外加劑的成功應用提供了理論基礎，促使在各類環(huán)境混凝土的施工和提高混凝土性能成為可能。
　　我國水泥科學基礎研究在水泥工業(yè)的技術進步過程中起到了極為重要的作用。比如，在各類水泥熟料相體系的研究成果基礎上開發(fā)出數(shù)10種特種水泥，使我國成為水泥品種最多的國家；復合礦化理論研究成果在立窯生產中廣泛應用，熟料燒成熱降低10%以上，大幅度提升了立窯水泥的品質；水泥水化理論研究中關于鈣礬石形成理論的研究成果不但使普通的硅酸鹽水泥中石膏用量在合理的范圍內，而且引發(fā)出一系列以鈣礬石為膨脹源的的膨脹水泥和混凝土（包括混凝土膨脹劑）；水泥漿體液相研究為GRC的開發(fā)應用奠定了基礎；水泥石與混凝土的亞微結構、堿骨料反應等研究成果為混凝土合理制備和高性能和高耐久性提供了指導。
　　高性能水泥的制備和應用同樣有賴于基礎理論的研究，現(xiàn)有的水泥科學理論難以指導水泥制備和應用技術再進一步的發(fā)展，制約了水泥性能的進一步提高。為此，國家科技部批準設立《國家重點基礎研究發(fā)展規(guī)劃》"高性能水泥制備和應用的基礎研究項目"，擬從提高熟料和輔助膠凝材料的膠凝性來提高水泥性能，解決關鍵的科學問題，建立具有自主知識產權的高性能水泥科學原理，為大幅度提高水泥強度、提高水泥基材料的耐久性、降低由于水泥制備和應用帶來的環(huán)境負荷提供理論基礎，走出一條以性能提高替代數(shù)量增長的水泥工業(yè)可持續(xù)發(fā)展道路。

　　高性能水泥基礎研究的目標與展望
　　從我國的國情和社會發(fā)展需要出發(fā)，在提高水泥性能的同時，還要考慮降低能源和資源消耗、降低環(huán)境污染。因此，高性能水泥基礎研究的目標是：在同樣工業(yè)廢渣用量條件下水泥強度提高等級，并且早、中、后期強度協(xié)調發(fā)展，達到國際先進水平，使制備混凝土時的水泥用量顯著減少；同樣的水泥強度時水泥熟料用量減少30%，使經高溫煅燒制成的水泥熟料的作用得以充分發(fā)揮；強度和耐久性兼優(yōu)，水泥基材料的耐久性指標提高1倍以上；水泥生產的綜合能耗降低20%以上，環(huán)境負荷降低30%以上。
　　高性能水泥是我國水泥科學研究和水泥工業(yè)創(chuàng)新和發(fā)展的方向。由中國建筑材料科學研究院、南京工業(yè)大學、同濟大學、北京工業(yè)大學、武漢理工大學等單位組成了"高性能水泥制備和應用的基礎研究"項目的研究隊伍。預計經過五年的研究，將會解決其中關鍵的科學問題，初步產生具有我國自主知識產權的高性能水泥材料科學理論，為大大提高水泥和水泥基材料的綜合性能奠定科學基礎，使我國在該領域達到世界先進水平。