國內(nèi)外水泥及水泥基材料發(fā)展研究
[摘要]當今世界水泥工業(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常活躍，研究重點集中在生態(tài)水泥、先進水泥基材料、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)用等方面，這些研究所取得的成就有力地推動了水泥材料科學與技術(shù)的發(fā)展。
[關(guān)鍵詞]水泥 基材料 研究 發(fā)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)量和提高勞力生產(chǎn)率為中心，實現(xiàn)清潔生產(chǎn)和高效率節(jié)約化生產(chǎn)，走可持續(xù)發(fā)展的道路。研究的重點主要是圍繞水泥工業(yè)節(jié)能降耗、減少廠有害氣體(C02、S02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、新型輥式磨及混壓機粉磨系統(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、先進水泥基材料、水泥的節(jié)能和高性能化、廢棄物出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，兩者相輔相成，推動了水泥工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。
一、水泥的生態(tài)化制備和生態(tài)水泥的發(fā)展
隨著科學技術(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70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。
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C11A7.CaCl2(代替C3A)，它適用于建造房屋、道路、橋梁和混凝土制品等。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。
二、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)代材料科學理論為指導，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)。
三、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)出了硅酸鹽體系等節(jié)能礦物體系。其中在承擔國家“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Ⅱ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100qC，燒成過程中C02、S02、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510MPa，而水泥的水化熱低于通用硅酸鹽水泥20％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含量低，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。
四、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工作：提高水泥熟料的膠凝性，提高性能；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-Si02-A1203-Fez03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-Si02-A1-03-Fez03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；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。
五、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，我國早在20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中。
我國是水泥工為大國，水泥業(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)可有效消化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產(chǎn)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。
（中國混凝土與水泥制品網(wǎng) 轉(zhuǎn)載請注明出處）
[關(guān)鍵詞]水泥 基材料 研究 發(fā)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)量和提高勞力生產(chǎn)率為中心，實現(xiàn)清潔生產(chǎn)和高效率節(jié)約化生產(chǎn)，走可持續(xù)發(fā)展的道路。研究的重點主要是圍繞水泥工業(yè)節(jié)能降耗、減少廠有害氣體(C02、S02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、新型輥式磨及混壓機粉磨系統(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、先進水泥基材料、水泥的節(jié)能和高性能化、廢棄物出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，兩者相輔相成，推動了水泥工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。
一、水泥的生態(tài)化制備和生態(tài)水泥的發(fā)展
隨著科學技術(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70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。
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C11A7.CaCl2(代替C3A)，它適用于建造房屋、道路、橋梁和混凝土制品等。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。
二、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)代材料科學理論為指導，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)。
三、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)出了硅酸鹽體系等節(jié)能礦物體系。其中在承擔國家“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Ⅱ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100qC，燒成過程中C02、S02、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510MPa，而水泥的水化熱低于通用硅酸鹽水泥20％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含量低，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。
四、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工作：提高水泥熟料的膠凝性，提高性能；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-Si02-A1203-Fez03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-Si02-A1-03-Fez03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；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。
五、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，我國早在20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中。
我國是水泥工為大國，水泥業(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)可有效消化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產(chǎn)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。
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