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加强基础性研究促进水泥高性能化

技术交流

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加强基础性研究促进水泥高性能化

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技术交流
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2009/08/05
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  摘要:高性能水泥是我国水泥科学研究和水泥工业创新和发展的方向。由中国建筑材料科学研究院、南京工业大学、同济大学、北京工业大学、武汉理工大学等单位组成了"高性能水泥制备和应用的基础研究"项目的研究队伍。预计经过五年的研究,将会解决其中关键的科学问题,初步产生具有我国自主知识产权的高性能水泥材料科学理论,为大大提高水泥和水泥基材料的综合性能奠定科学基础,使我国在该领域达到世界先进水平。

  21世纪我国水泥工业面临的要求与挑战

  1、国民经济建设对水泥的巨大需求

  在21世纪,水泥仍将是我国及整个人类社会最主要的建筑材料。我国水泥年产量已超过6亿吨,其中经高温专门烧制的水泥熟料近5亿吨,占世界水泥总产量的1/3以上,连续多年居世界第一。建筑材料和建筑业是我国的支柱产业之一,水泥是最主要的建筑材料,全国水泥产值占建筑材料近50%。但是,2000年我国人均水泥消费量为464kg/人年,人均累计水泥消费量为5958kg。根据发达国家的经验,人均累计消费量一般达到10吨以上方达到相对饱和点,我国的人均水泥累计消费量仅相当于发达国家的1/2。作为发展中国家,我国国民经济的持续发展需要保持一个较大的建设规模。大规模房屋建筑和基础设施建设要求建筑材料的的龙头产品--水泥在未来20年有更大的发展,预计到2010年我国水泥需求量将达到8亿吨。

  工业发达国家的水泥产量近10多年来逐年下隆,发展中国家的水泥产量逐步增加,而且存在由发展中国家向发达国家出口水泥的趋势,水泥生产重心逐步向发展中国家转移。由于我国人口众多,地域辽阔,如此大量的水泥需求量不可能从国外进口,必须由国内提供,而且还要向一些国家出口水泥。这是我国水泥工业的一个机遇,也是一个挑战。

  2、资源与环境的挑战,可持续发展的需求

  水泥生产消耗大量的煤和电等能源、消耗大量的矿石和粘土等自然资源,同时排放出大量CO2、SO2和NOX等废气。这些废气加剧温室效应和产生酸雨,严重污染环境。显然,数量扩张型的水泥工业发展模式将使我国能源、资源和环境不堪重负,不利于社会与经济的可持续发展。

  社会进步除了要求水泥工业减少环境负荷物质的排放量外,还要求水泥工业能最大限度地将人类社会活动中排出的产业废弃物和生活废弃物加以有效利用(甚至包括废混凝土的再生利用),使之成为环境共存型产业体系。

  3、社会进步的挑战,改造传统水泥工业的需求

  随着社会向现代化发展,超高层建筑物、大深度地下构筑物、超长大桥、海上空港、甚至海中城市等等大型建筑越来越多,对水泥与混凝土的性能提出更高要求:施工性更好、水化热更低、强度更高、体积更稳定、耐腐蚀性和耐久性更好。即使是普通建筑,为了延长建筑物的使用寿命,也越来越有这些要求。与此同时,我们所面临的环境日益恶化,含有各种有害成分的大气、雨水和地下水以及其它侵蚀性介质等对水泥基材料的腐蚀作用越来越严重,在各种破坏因素作用下,材料的结构稳定性和性能逐渐衰减和劣化,工程使用寿命下降。用低标号、低性能的水泥制备混凝土时所需水泥量较多,耐久性能必然较差,将进一步造成水泥用量增加。因此,水泥不仅要有高的强度,更需要有优良的耐久性,以抵御诸如冻融、碳化、海水和化学介质等环境因素对水泥混凝土工程结构的侵蚀。水泥混凝土材料设计正在经历从单一强度指标向以强度和耐久性综合指标作为主要设计依据的重大转变,我国已经将需远久性要求列入水泥混凝土结构设计规范,这无疑向水泥材料学工作者和水泥工业提出了严峻挑战。

  中国水泥工业的现状和存在的问题

  我国水泥工业的现状是大而不强,表现为"五大六低":产量大,企业数量大,职工队伍大,资源与能源消耗大,环境污染大;劳动生产率低,集约化程度低,科技含量低,水泥性能低,市场应变能力低,经济效益低。其中最主要的是科技含量低,造成资源与能源消耗大、环境污染严重和水泥性能低。

  1、资源与能源消耗大

  水泥工业是高能耗、高资源消耗的工业。这既与我国的科技发展水平、管理水平有关,也与硅酸盐系统水泥本身的特性有关。由于水泥中主要矿物C3S的形成温度高达1400℃以上,水泥熟料烧成热耗很高。我国的水泥生产每年要烧掉近1亿吨煤,用掉近600亿度电。同时还要消耗4亿多吨石灰石和大量粘土。如果这些不可再生的矿物资源继续大量的消耗将对人类社会产生灾难性的影响。

  2、水泥性能低

  我国目前6亿多吨的水泥年产量中,大部分是低标号、低性能的水泥。水泥的抗压强度等级普遍为32.5和42.5。我国水泥质量与国外先进水平相比还存在较大差距,平均强度低10MPa~20MPa。这除了与水泥与我国水泥生产技术与装备落后、管理水平较低、立窑水泥占较大比重、含混合材料的水泥占较大比重及混合材料粗放添加有关以外,水泥材料科学发展缓慢也是一个重要原因。用低性能的水泥制备混凝土时,要达到同样强度等级的混凝土所需的水泥较多,混凝土的耐久性能也较差。这样一方面浪费了大量水泥,另一方面建筑物的质量较差而使其使用寿命缩短,进一步造成水泥的浪费。

  3、环境污染严重

  除了排出大量粉尘外,每生产1吨水泥熟料将排放出约1吨CO2和大量NOX、SO3等有害的废气。这些废气对于人类生存环境与气候都造成极其不利的影响,比如加剧温室效应、产生酸雨,等等。水泥产量在现有的性能水平上继续大量增加,对我国的环境造成的污染将更加惊人。因此,低性能、高污染、高消耗的水泥工业是不可持续发展的产业。

  我国水泥发展的方向--高性能水泥

  为使我国的水泥工业这一传统产业能够适应社会的发展与进步,原国家建材局提出了水泥工业"由大变强"的战略目标。这一目标的实现有赖于"靠新出强":依靠科技的进步和产品的更新,提高水泥的综合性能,提高水泥工业的资源和能源利用率,提高水泥行业的劳动生产率,使我国的水泥工业不但在数量上、更主要在科学技术水平上成为真正的世界强国。水泥工业的科技进步对我国国民经济的发展和人民生活质量的提高将起到十分重要的作用。

  发达国家的基础设施建设已趋完善,水泥产量下降,在水泥科学研究领域的投入日趋减少。中国要在二三十年中完成发达国家100多年所做的基本建设,对水泥的需求量更大,又不能完全照搬国外的经验。因此必须建立自己的水泥科学原理,创造自己的知识产权,走出一条以质量提高替代数量增长的道路。其途径只有提高水泥性能,用较少量的高性能水泥达到较大量低质水泥的使用效果。

  为此,我们提出了研究开发具有高强度、优异耐久性和低环境负荷等特征的高性能水泥的设想:在现有水泥实物质量的水平上,大幅度提高水泥的性能,包括强度性能和耐久性性能,用较少的水泥达到较大量水泥的使用效果:大幅度降低水泥熟料的用量,用较少的水泥熟料生产较大量的水泥。充分利用工业废渣的潜在胶凝性,使其在水泥混凝土中的利用从单纯的增加产量为目的转化为既降低环境负荷又使之作为高性能水泥中不可或缺的性能调节组份。这种高性能水泥应该是我国21世纪水泥工业的发展方向,它将使水泥熟料产量降低,生产能耗下降,减少资源消耗,减轻环境负荷。

  如果水泥科学研究的成果使节能型的高性能水泥得以实现,同时用掉数以亿吨计的各类工业废渣和尾矿,那么水泥工业将不仅仅是一低排废的工业,而且将是一个环保型的工业;水泥将不仅为人类社会提供居住场所,而且将为人类清洁生存环境。如果将水泥的强度和其他性能大幅度提高,赶上和超过发达国家的质量水平,那么用4亿吨或5亿吨高性能水泥就有可能达到现有的6亿吨水泥的使用效果,这对提高我国的资源利用率将有重大的贡献。

  高性能水泥制备和应用有赖于基础性的科学研究

  水泥的生产和使用已经有170多年的历史,在水泥科学的指导下水泥生产工艺和使用技术不断得到发展,每一次水泥工业和混凝土工业的重大变革都与水泥科学的进展密切相关。例如:熟料化学的研究成果促使生产设备的改进,水泥制备技术已经发展到相当高的水平,先进的窑外分解技术可以几乎使水泥熟料烧成的热耗最大限度地接近其理论热耗;水化化学的研究成果致使矿渣等工业废弃物可以比较大量地掺入水泥中,有效地增加了水泥的产量,在某些特定的条件下还能改善水泥的使用性能;水泥浆体流变学和表面物理化学的研究为化学外加剂的成功应用提供了理论基础,促使在各类环境混凝土的施工和提高混凝土性能成为可能。

  我国水泥科学基础研究在水泥工业的技术进步过程中起到了极为重要的作用。比如,在各类水泥熟料相体系的研究成果基础上开发出数10种特种水泥,使我国成为水泥品种最多的国家;复合矿化理论研究成果在立窑生产中广泛应用,熟料烧成热降低10%以上,大幅度提升了立窑水泥的品质;水泥水化理论研究中关于钙矾石形成理论的研究成果不但使普通的硅酸盐水泥中石膏用量在合理的范围内,而且引发出一系列以钙矾石为膨胀源的的膨胀水泥和混凝土(包括混凝土膨胀剂);水泥浆体液相研究为GRC的开发应用奠定了基础;水泥石与混凝土的亚微结构、碱骨料反应等研究成果为混凝土合理制备和高性能和高耐久性提供了指导。

  高性能水泥的制备和应用同样有赖于基础理论的研究,现有的水泥科学理论难以指导水泥制备和应用技术再进一步的发展,制约了水泥性能的进一步提高。为此,国家科技部批准设立《国家重点基础研究发展规划》"高性能水泥制备和应用的基础研究项目",拟从提高熟料和辅助胶凝材料的胶凝性来提高水泥性能,解决关键的科学问题,建立具有自主知识产权的高性能水泥科学原理,为大幅度提高水泥强度、提高水泥基材料的耐久性、降低由于水泥制备和应用带来的环境负荷提供理论基础,走出一条以性能提高替代数量增长的水泥工业可持续发展道路。

  高性能水泥基础研究的目标与展望

  从我国的国情和社会发展需要出发,在提高水泥性能的同时,还要考虑降低能源和资源消耗、降低环境污染。因此,高性能水泥基础研究的目标是:在同样工业废渣用量条件下水泥强度提高等级,并且早、中、后期强度协调发展,达到国际先进水平,使制备混凝土时的水泥用量显著减少;同样的水泥强度时水泥熟料用量减少30%,使经高温煅烧制成的水泥熟料的作用得以充分发挥;强度和耐久性兼优,水泥基材料的耐久性指标提高1倍以上;水泥生产的综合能耗降低20%以上,环境负荷降低30%以上。

  高性能水泥是我国水泥科学研究和水泥工业创新和发展的方向。由中国建筑材料科学研究院、南京工业大学、同济大学、北京工业大学、武汉理工大学等单位组成了"高性能水泥制备和应用的基础研究"项目的研究队伍。预计经过五年的研究,将会解决其中关键的科学问题,初步产生具有我国自主知识产权的高性能水泥材料科学理论,为大大提高水泥和水泥基材料的综合性能奠定科学基础,使我国在该领域达到世界先进水平。

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