國內(nèi)外水泥及水泥基材料研究進展

新世紀國際水泥工業(yè)的發(fā)展趨勢是以節(jié)能、降耗、環(huán)保、改善水泥質(zhì)量和提高勞動生產(chǎn)率為中心，實現(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。研究的重點主要是鬧繞水泥工業(yè)節(jié)能降耗、減少了有害氣體（CO2、SO2和NOx等）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)在兩個方面：
　　 一是國際水泥工業(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“無漏料橫桿推動”蓖式冷卻機、新型輥式磨及輥壓機粉磨系統(tǒng)、自動化控制及網(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)、炯氣脫硫除氮技術(shù)等的開發(fā)和應(yīng)用，使水泥工業(yè)進人現(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)境行為評價和改進等方面為研究開發(fā)重點，兩者相輔相承，推動了水泥工業(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)保意識的增強，水泥工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展越來越得到重視，自20世紀7O年代開始，美國、法國、德國、日本等工業(yè)發(fā)達國家就已研究和推進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展。
根據(jù)歐共體的統(tǒng)計，在其成員國中利用二次燃料替代大然燃料用于水泥生產(chǎn)的替代率平均為12％，荷蘭最高，可達72％，其他如瑞士、比利時、奧地利、法國等國的替代率也高達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（代替 C3A），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)垃圾處理問題，而且還通過垃圾的循環(huán)利用系統(tǒng)保護了環(huán)境。如日本的小野田水泥公司和人平洋水泥公司在得到日本政府“生態(tài)城市計劃” 資助下，于20世紀8O年代末 90年代初，小野田水泥公司由日通產(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行水泥的生產(chǎn)，以消納大量城市垃圾。其中在TOKYO在三多摩地區(qū)垃圾處理場建設(shè)水泥生產(chǎn)線規(guī)模為年產(chǎn)水泥16萬t，年處理垃圾發(fā)12．4萬t，相當于年處理400多萬居民排放的生活垃圾；而在 CHIBA。建成年產(chǎn)10萬t生態(tài)水泥生產(chǎn)線年處量200多萬居民生活垃圾。目前，日本正著手制定生態(tài)水泥標準的工作，通產(chǎn)省已于2000 年5月公布暫行標準性質(zhì)的“標準情報”，計劃三年內(nèi)完成JIS（日本工業(yè)標準）的制訂工作。
在我國，上海金由水泥廠、北京水泥有限責(zé)任公司等水泥企業(yè)出進行了利用水泥窯處理有害廢棄物的焚燒試驗，但此項工作僅是一個開始。
　　 2 先進水泥基材料的研究.
　　 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、超強和在各種嚴酷條件下使用建筑物的出現(xiàn)，對水泥與混凝土材料提出了更高的要求，高強度、長壽命、低環(huán)境負荷是當代水泥材料發(fā)展的主要方向。先進水泥基材料以現(xiàn)代材料科學(xué)理論為指導(dǎo)，以未來膠凝材料為主要研究目標，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)域進行研究和開發(fā)。
　　目前這類材料主要有超高強水泥塊材料無宏觀缺陷水泥（Macro Defect Free Cement,MDF）、含均勻分散超細順粒致密體系水泥（Densified System Containing HOMOGENOUSLY Arranged Ultra-fine Particled,DSP）。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（Chemically Bonded Ceramics,CBC）等，其中DSP材料主要是由細磨的波特蘭水泥(平均粒徑在10－15m）和顆粒組成為50A－0.5m均勻分布的超細粉體（包括硅灰、礦渣、粉煤灰等）組成。通過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，實現(xiàn)水泥基材料的高強化。純DSP水泥的抗壓強度可達2OO～8OOMpa，通過與纖維復(fù)合得到的DSP水泥，斷裂功可達9000 J/m抗彎強度在7OMPa以上；MDF水泥材料的抗拉伸強度可達 150MPa，而在纖維增韌條件下，其斷裂功高達105J/m。由于DSP、 MDF材料的抗壓強度、抗彎強度、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，已有少量進人實際應(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，國內(nèi)外已先后開發(fā)出了c2S一c11a7·CaF2，C2S－ C4A3s，C3S－C4A3A和硅酸鹽體系等節(jié)能礦物體系。其中在承擔(dān)國家“九五” 和“十五”科技攻關(guān)項目的研究工作中，由中國建筑材料科學(xué)研究院研制、開發(fā)并應(yīng)用于國家重點工程的高貝利特水泥（即低熱硅酸鹽水泥）是近年來國內(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（C2S）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)定這兩個國際難點，并首次實現(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)境負荷和低綜合生產(chǎn)成本等特點，其燒成溫度為1350°C左右，比通用硅酸鹽水泥低1OO℃，燒成過程中CO2、SO2、NO。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抗壓強度與通用硅酸鹽水泥相當，后期強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，實現(xiàn)了水泥的低熱、高強和高性能、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’”國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃項目，以實現(xiàn)水泥的高性能化為研究目標，主要圍繞以下三個方面開展研究了作：
　?。?）提高水泥熟料的膠凝性，提高水能；
　　（2）通過對了業(yè)廢棄物進行合理的活化處理，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料；
　?。?）通過大幅度提高水泥應(yīng)用過程中的水泥基材料耐久性，延長建筑物安全使用壽命，大幅度降低水泥的長期需求量，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)成的強度與耐久性兼優(yōu)的高性能水泥材料新體系，實現(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、通過摻雜技術(shù)實現(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程。 通過前期大量的研究，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)化理論和適用于實際水泥生產(chǎn)的熟料率值控制方法。
　　（2）建立了高膠凝性、高C3s不含過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)了針對硅酸鹽熟料體系的高溫摻雜效應(yīng)和低溫礦化效果的差異，在此基礎(chǔ)上提出了實現(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在固溶體晶體高對稱性、實現(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抗壓強度達到70MPa以上。
　　 5 工業(yè)廢棄物的資源化、無害化利用的研究
　　 隨著全球經(jīng)濟的發(fā)展和工業(yè)化進程的加快，每年都有大量的廢渣排放，主要有粉煤灰、爐渣、高爐礦渣、鋼渣、鋼渣、煤矸石、特種冶金渣、電石渣、鋰渣、堿渣等。為了保護環(huán)境、變廢為主和保持可持續(xù)發(fā)展，世界各國水泥學(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到近40％。我國早在2O世紀50 年代就開始了對工業(yè)廢渣的利用研究，目前對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師中。
　　此外，隨著水的泥混凝土技術(shù)發(fā)展以及人們對節(jié)約資源、能源和環(huán)境保護的日益關(guān)注，在水泥混凝土的制備過程中，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)境保護和可持續(xù)發(fā)展的角度來看，水泥混凝土行業(yè)利廢實現(xiàn)了資源化利用，具有十分重要的環(huán)境和社會意義。但由些帶來的問題也不容忽視，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)（Cr、Pb、Cu、Cd、As、Cl離子等）的含量大大增加，而其中一些含量相對較高的有害物質(zhì)是否會從水泥混凝土中溶出（leaching）從而導(dǎo)致二次環(huán)境污染？該問題已引起了國際混凝土界的普遍關(guān)注和高度重視。目前國外工業(yè)達國家對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)對該問題進行研究；荷蘭在1996年實施了一項法規(guī)，規(guī)定用于地下或作基礎(chǔ)用的任何建筑材料部必須通過環(huán)境影響評估試驗；而歐洲標準委員會已提交一份“關(guān)于硬化混凝土在然環(huán)境中的溶出行為特征” 的技術(shù)報告，目的是希望加大對混凝土中有害物質(zhì)容出問小分‘題的研究力度和環(huán)境影響的評估。
　　6 結(jié)語
　　我國是水泥工為大國，水泥丁業(yè)作為我國基礎(chǔ)性原材料工業(yè)的支柱之一，在國民經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展中具有舉足輕重的地位，雖每年水泥產(chǎn)量已達到8億t以上。但目我國水泥工業(yè)仍然存在一系列問題；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)境污染嚴重等等。在可持續(xù)發(fā)展已成為人類共識的今天，我國水泥及水泥基材料研究重點為：
　?。?）利用水泥工業(yè)可有效消納和降解廢棄物的獨特優(yōu)勢，加大對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下業(yè)的綜合利用技術(shù)；
　?。?）研究開發(fā)低能源資源消耗、低環(huán)境負荷及具性能特色的水泥。以實現(xiàn)水泥工業(yè)低污染、低排放，推進水泥工業(yè)成為資源、環(huán)境與人類社會協(xié)調(diào)、持續(xù)發(fā)展的循環(huán)經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)體系。