新型綠色環保水泥的研究與發展

波特蘭水泥體系

一、低溫燒成水泥

節能水泥熟料燒成方法研究包括研究添加礦化劑或提高原料易燒性等。在添加礦化劑方面，若高效采用“氟”和“硫”，則可以降低燒成溫度100～C，今后有望實現采用。雖然少量的微量元素成分會給產品帶來不良的影響，但不同的使用方法也可使其變成有利的元素。目前已有使用礦化劑使熟料顆粒細粒化的研究報告，在這樣的窯內環境下，溫度測定的精度很高。

國外有的公司對一種硫鋁酸鹽礦物作用進行了研究，這種礦物表示為4CaO3，3Al2O3，SO3（C4A3S），從原料組成來看，形成的CO2量較少，并且燒成溫度也比阿利特低。為了適應低碳社會的要求，水泥CO2的排放量越少越好，這種鈣硫鋁系水泥比現在通用硅酸鹽水泥的CO2排放量少30%左右，故世界上出現了這種系列水泥商品化的研發動向。另外，在超快硬水泥、玻璃纖維增強水泥和膨脹劑方面，也研究了這種礦物作用，受到了很多人的關注。

二、“間隙質”對水泥熟料性能的影響

使用廢棄物作為替代原燃料的水泥較之普通波特蘭水泥，其Al2O2的成分較多，這是由于采用了廢棄物的結果，所以今后要考慮水泥中“間隙質量”的增加問題。“間隙質”，即“質量空白”，含量多會對凝結時間、水化熱、流動性、最終強度、收縮率造成影響，故有必要研究其影響關系，找到對應措施。例如，當CaA增加時，可以調整石膏的加入量來保證好的流動性，所以有人提出了保證一定物性、強度和水化熱的“間隙質量”組成方案。

三、“低放射性”水泥

與“高間隙質”概念相反的技術也在研究，現已開發了大幅度降低“間隙質”熟料的技術，這種熟料僅含普通硅酸鹽水泥1/4的“間隙質相”和低熱波特蘭水泥1/2的“間隙質相”。

一般認為，為了保證熟料燒成穩定，就要保證有一定的“間隙質量”。通過原料配料和實驗，可以找到合適的參數值，同時可滿足低熱水泥的質量要求。這樣的熟料盡量不使用Fe和Al成分，所以與這些元素可能同時進入的co，Na，K等微量放射元素也隨之減少。這樣的熟料具有低放射性，可用于處理具有放射性的設施和與原子能關聯的設施。

四、“低鈣”水泥

在低鈣水泥系統方面，早期出現的有礦渣硅酸鹽水泥（高爐礦渣摻加量為20%～70%）、火山灰硅酸鹽水泥（火山灰質混合材20%～50%）、粉煤灰硅酸鹽水泥（粉煤灰20%～40%），后來又出現了復合硅酸鹽水泥，即摻人兩種以上混合材。為了滿足高性能混凝土的要求，人們又采用摻加大量超細礦渣（比表面積600～800m2/kg）和高質量粉煤灰等混合材技術，同時，人們還在研究c2s及C4AF含量高的熟料以及活化它們的方法，以便開發出新品種水泥。此外，高貝利特水泥（c2s>50%，c2s≤30%）的性能也正在研究中。此外，利用粉煤灰配料研究開發一種能夠大幅度降低能耗和二氧化碳排放的水泥熟料生產方法，也是對低鈣水泥生產方法的研究，其產品綜合性能優于普通硅酸鹽水泥，二氧化碳排放量和燒成熱耗都可大幅降低，噸熟料使用的粉煤灰比例>40%，噸熟料二氧化碳排放量和燒成熱耗可以降低20%以上。此方法是以新型干法水泥生產工藝為基礎，形成適用于低鈣水泥生產的新工藝，我國在這方面已取得了較大進展。

五、“生態”水泥與協同處置廢棄物

“生態”水泥是相對普通波特蘭水泥的概念，即在傳統水泥制造過程中，充分利用廢棄物替代原料或燃料，減少環境負荷，所得產品仍屬硅酸鹽水泥。因這種產品與環境友好，有利于可持續發展，故稱“生態”水泥。一般硅酸鹽水泥的原料包括石灰石、粘土類原料和鐵質原料等，而生態水泥的配比組成因垃圾焚燒灰和下水污泥等占有相當大的比重，則石灰石的含量可大大減少。日本上世紀90年代開發的“生態”水泥，1 t水泥至少要使用500kg垃圾焚燒灰和下水污泥。由廢棄物帶人的二嗯英可以在回轉窯1350～1500℃的高溫中分解，所以回轉窯的廢氣和熟料中都不會含有。另外，廢棄物帶入的重金屬在回轉窯1300℃以上高溫中以氯化物形式揮發而隨廢氣排出，再由重金屬回收裝置濃縮分離成為可利用的再生資源，重金屬回收裝置的廢水在滿足其排放標準之后排放。

從上世紀70年代開始，德國、美國、瑞士、法國、英國、意大利、挪威、瑞典、美國、加拿大、日本等發達國家利用水泥窯處置危險廢物和城市生活垃圾，替代量一般在20%～40%，個別水泥廠替代率可達50%以上，例如，上述垃圾焚燒灰生態水泥法、垃圾焚燒飛灰洗氯法、原態垃圾發酵焚燒法、德國的大垃圾直接投入法、史密斯的圓盤爐焚燒法等。一般廢棄的生活、工業垃圾，當其數量、性狀與特點不是標準狀態時，也可以按“合理性”與“可能性”在燒成系統的恰當位置投入到窯內。如廢輪胎可以用皮帶機一個一個從窯尾煙室送入，釀酒廢液可以用泵送進窯尾合適位置。我國一些水泥廠在回轉窯協同處置廢棄物方面取得了一定進展，如利用垃圾焚燒飛灰作為替代原料、生活垃圾綜合預處理焚燒法、回轉窯焚燒有毒有害廢棄物和焚燒生活污泥等。

六、高性能水泥的研究

水泥是一種處于介穩狀態的礦物粉體材料，通過水化后產生水化物，水化物彼此鍵合并逐漸硬化成為具有強度的硬化體。水泥從制備到應用，不單是復雜的粉體工程，而且是一個從穩定態到介穩態，又從介穩態向較穩定態過渡的過程。所以為了提高水硬性就要提高水泥熟料礦物的介穩性，使其盡量處于高能態，但為了提高耐久性就要提高水化物的穩定性，盡量降低其能態。高性能水泥的研究內容如下：

（1）通過對水泥熟料礦相體系的優化與改進，使水泥高強度化、高性能化，突破礦相低溫生成與高位能的矛盾。

（2）深入研究水泥顆粒微細化理論和最佳級配理論，提高水泥熟料顆粒水化率，提高水泥內部潛能利用率，并使水泥基材料有高致密性和高耐久性。調整水泥顆粒形狀和顆粒級配，將水泥各組分控制在不同粒度范圍，達到體系最緊密堆積，需水量減少，性能提高。

（3）研究不同熟料的復合、不同熟料與混合材的復合、不同顆粒尺寸材料的復合以及有機與無機的復合，增加水泥水化密實性和耐久性。

（4）對混合材料進行物理化學預處理，使之微細化、活性化，具有性能調節功能，使混合材的水化產物在水泥中起到結構致密性、膠結性、抗腐蝕性和耐久性作用，我國在機械力化學法研究方面有一定進展。

（5）使水泥的綜合性能取得突破性提高，從而極大提高混凝土構筑物各方面的性能和壽命，如強度提高10 MPa、水泥用量減少20%～30%、抗滲性能提高、混凝土壽命提高30%～50%等。

非波特蘭水泥體系及其他

一、特種水泥

我國硅酸鹽體系的特種水泥有幾十個品種，特種水泥能滿足各種特殊性能混凝土的要求，可以考慮在水泥中添加外加劑，但要注意外加劑的品種配套和質量問題。我國非波特蘭水泥體系的特種水泥也有幾十個品種，是對普通水泥性能的補充，滿足了大壩、軍工、防洪、防輻射等特殊工程的要求，例如硫鋁酸鹽水泥、氟鋁酸鹽水泥、鋁酸鹽水泥和阿利尼特水泥等。其中，硫鋁酸鹽水泥的原料為低品位礬土、石灰石和石膏。由于石灰石的配合量低，所以燒成溫度低，CO2排放量也低。氟鋁酸鹽水泥用于搶修、堵漏等特殊工程，鋁酸鹽水泥主要應用在耐火材料方面。特種水泥在適應節能環保和應用性能的要求下，品種逐步增多。

二、化學激發膠凝材料的研發

傳統的硅酸鹽水泥膠凝材料，在制備過程中會消耗較多的資源和能源，排放出的粉塵和廢氣也需要處理。近年來，國內外出現了對堿激發膠凝材料的研究與報道，稱為堿膠凝材料，其目的就是大量采用工業副產物及工業廢渣，減少有害物質的排放。堿激發膠凝材料的主要原料是工業排放的廢渣、尾礦、粘土類物料、天然礦物等，激發劑主要是各種化學試劑、工業副產品或產品，一般用量在10%以下。堿激發劑的作用是激發原料，使之具有膠凝性，并且形成含堿水化物。由于大部分原料中都含有一定量的鈣，因此不用專門的含鈣物質也可以使其具有膠凝性。一些化學激發膠凝材料的研發種類如下：

（1）堿一鋁硅酸鹽玻璃體類，是以礦渣、粉煤灰、磷渣、赤泥、煤矸石等為主要原料，這些原料是以鋁硅酸鹽的玻璃體或無定形物質為主體。

（2）堿一燒粘土類，以粘土經適當溫度煅燒后形成偏高嶺石作原料，經堿的激發而形成的膠凝材料，其組成幾乎不含鈣。

（3）堿一礦石尾礦類，如堿激發鉀長石尾礦，和燒粘土類有相似處，含鈣量少。

（4）堿一碳酸鈣類，在一定條件下，堿性硅酸鹽溶液可能與天然石灰巖形成膠凝性材料。

這些水泥的加工方法不用高溫處理，處理過程中內部原子、離子發生重排，組成新的結構。

三、低碳水泥混凝土制品

摻入混合材是水泥混凝土功能化、高性能化的有效手段，近年來在深度研究方面又有一定進展，成為低碳化的手段之一。加入石灰石等混合材與少量廢棄物混合，在不使一般水泥性能有較大變化的情況下，形成廢棄物可利用性與低碳化的平衡，可對低碳水泥進行設計，是新的技術研究內容。水泥與混合材的簡單混合不一定就好，要全盤研究質量管理、控制技術和恰當的制造方法。

利用某些工業副產品中的y-C2S與CO2反應，可提高碳酸養護的低水灰比混凝土的致密度，因此這種混凝土的耐久性可能提高。另外，混入粉煤灰的混凝土，再用火力發電站排放的廢氣養護，甚至可使混凝土CO2的排放量成為負值，其產品已用于路面裝飾砌塊材料。還有一種低碳膠凝材料，完全不用水泥的壓縮強度也可與水泥一樣，但要蒸汽養護。這種科技創新最近已有進展，引起了世界的關注。這種材料由鋁硅酸鹽和堿化硅溶液制造。

四、新型水泥基材料

目前報道研究開發的品種有：無宏觀缺陷膠凝材料、含有均勻分布超細顆粒的致密材料體系、活性粉末混凝土和化學結合陶瓷材料等。目前在這一領域國內外的關注點在于提高膠凝材料的力學性能、斷裂韌性和耐久性，研究內容包括不同性能材料的復合和超細化，在最小水灰比條件下實現結構致密化。新型水泥基材料在隔音、保溫、核廢料儲存、遮擋核輻射等方面具有優越的功能和性能。

（來源：水泥技術）