國內(nèi)外水泥及水泥基材料發(fā)展研究
[摘要]當(dāng)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(diǎn)集中在生態(tài)水泥、先進(jìn)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(dòng)了水泥材料科學(xué)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(jì)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(shí)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(diǎn)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(gè)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(dòng)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(dòng)”蓖式冷卻機(jī)、新型輥式磨及混壓機(jī)粉磨系統(tǒng)、自動(dòng)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?xì)饷摿虺夹g(shù)等的開發(fā)和應(yīng)用，使水泥工業(yè)進(jìn)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(jìn)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(píng)價(jià)和改進(jìn)等方面為研究開發(fā)重點(diǎn)，兩者相輔相成，推動(dòng)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(xué)技術(shù)的發(fā)展和人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，水泥工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展越來越得到重視，自20世紀(jì)70年代開始，美國、法國、德國、日本等工業(yè)發(fā)達(dá)國家就已研究和推進(jìn)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(jìn)展。
生態(tài)水泥的研究也是目前水泥研究的熱點(diǎn)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(hù)了環(huán)境。
二、先進(jìn)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(qiáng)和在各種嚴(yán)酷條件下使用建筑物的出現(xiàn)，對(duì)水泥與混凝土材料提出了更高的要求，高強(qiáng)度、長壽命、低環(huán)境負(fù)荷是當(dāng)代水泥材料發(fā)展的主要方向。先進(jìn)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(biāo)，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(jìn)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(shí)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(dān)國家“九五”和“十五”科技攻關(guān)項(xiàng)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(diǎn)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(gè)國際難點(diǎn)，并首次實(shí)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(fù)荷和低綜合生產(chǎn)成本等特點(diǎn)，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(qiáng)度與通用硅酸鹽水泥相當(dāng)，后期強(qiáng)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(shí)現(xiàn)了水泥的低熱、高強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃項(xiàng)目，以實(shí)現(xiàn)水泥的高性能化為研究目標(biāo)，主要圍繞以下三個(gè)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(duì)了業(yè)廢棄物進(jìn)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(qiáng)度與耐久性兼優(yōu)的高性能水泥材料新體系，實(shí)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(shí)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-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(shí)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(duì)硅酸鹽熟料體系的高溫?fù)诫s效應(yīng)和低溫礦化效果的差異，在此基礎(chǔ)上提出了實(shí)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(duì)稱性、實(shí)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(shí)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(qiáng)度達(dá)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(jì)的發(fā)展和工業(yè)化進(jìn)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(hù)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，我國早在20世紀(jì)50年代就開始了對(duì)工業(yè)廢渣的利用研究，目前對(duì)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(dāng)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(jì)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(dá)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(yán)重等等。在可持續(xù)發(fā)展已成為人類共識(shí)的今天，我國水泥及水泥基材料研究重點(diǎn)為：利用水泥工業(yè)可有效消化和降解廢棄物的獨(dú)特優(yōu)勢，加大對(duì)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(fù)荷及具性能特色的水泥。以實(shí)現(xiàn)水泥工業(yè)低污染、低排放，推進(jìn)水泥工業(yè)成為資源、環(huán)境與人類社會(huì)協(xié)調(diào)、持續(xù)發(fā)展的循環(huán)經(jīng)濟(jì)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(jì)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(shí)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(diǎn)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(gè)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(dòng)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(dòng)”蓖式冷卻機(jī)、新型輥式磨及混壓機(jī)粉磨系統(tǒng)、自動(dòng)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?xì)饷摿虺夹g(shù)等的開發(fā)和應(yīng)用，使水泥工業(yè)進(jìn)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(jìn)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(píng)價(jià)和改進(jìn)等方面為研究開發(fā)重點(diǎn)，兩者相輔相成，推動(dòng)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(xué)技術(shù)的發(fā)展和人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，水泥工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展越來越得到重視，自20世紀(jì)70年代開始，美國、法國、德國、日本等工業(yè)發(fā)達(dá)國家就已研究和推進(jìn)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(jìn)展。
生態(tài)水泥的研究也是目前水泥研究的熱點(diǎn)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(hù)了環(huán)境。
二、先進(jìn)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(qiáng)和在各種嚴(yán)酷條件下使用建筑物的出現(xiàn)，對(duì)水泥與混凝土材料提出了更高的要求，高強(qiáng)度、長壽命、低環(huán)境負(fù)荷是當(dāng)代水泥材料發(fā)展的主要方向。先進(jìn)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(biāo)，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(jìn)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(shí)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(dān)國家“九五”和“十五”科技攻關(guān)項(xiàng)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(diǎn)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(gè)國際難點(diǎn)，并首次實(shí)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(fù)荷和低綜合生產(chǎn)成本等特點(diǎn)，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(qiáng)度與通用硅酸鹽水泥相當(dāng)，后期強(qiáng)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(shí)現(xiàn)了水泥的低熱、高強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃項(xiàng)目，以實(shí)現(xiàn)水泥的高性能化為研究目標(biāo)，主要圍繞以下三個(gè)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(duì)了業(yè)廢棄物進(jìn)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(qiáng)度與耐久性兼優(yōu)的高性能水泥材料新體系，實(shí)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(shí)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-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(shí)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(duì)硅酸鹽熟料體系的高溫?fù)诫s效應(yīng)和低溫礦化效果的差異，在此基礎(chǔ)上提出了實(shí)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(duì)稱性、實(shí)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(shí)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(qiáng)度達(dá)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(jì)的發(fā)展和工業(yè)化進(jìn)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(hù)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，我國早在20世紀(jì)50年代就開始了對(duì)工業(yè)廢渣的利用研究，目前對(duì)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(dāng)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(jì)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(dá)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(yán)重等等。在可持續(xù)發(fā)展已成為人類共識(shí)的今天，我國水泥及水泥基材料研究重點(diǎn)為：利用水泥工業(yè)可有效消化和降解廢棄物的獨(dú)特優(yōu)勢，加大對(duì)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(fù)荷及具性能特色的水泥。以實(shí)現(xiàn)水泥工業(yè)低污染、低排放，推進(jìn)水泥工業(yè)成為資源、環(huán)境與人類社會(huì)協(xié)調(diào)、持續(xù)發(fā)展的循環(huán)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)體系。
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