納米技術與散裝水泥綠色產業革命

崔源聲

（中國散裝水泥推廣發展協會，北京 100834）

1 概述

中國經濟在歷經40多年的改革開放高速增長階段后，目前已經逐步進入中低速增長階段。特別是在工業和實體經濟領域，事實上許多領域的產品增長早已經停止，并開始下降。比如建材行業的最大的代表性產品水泥，在2014年產量就開始下降了。

在實際產品下降的情況下，如何維持經濟的增長？國家提出了從數量增長轉向高質量增長的戰略，結合建材和建設行業的實際情況，可以確認，這一發展戰略的提出無疑是非常正確的選擇。

那么，如何實現高質量增長呢？綜合研究國內外綠建領域的全面科技進展，本人認為唯有依靠科學技術進步，才能夠真正實現產業的革命或轉型升級，也就是從數量的增長轉變到高質量增長的軌道。

依靠技術增長的方式很多，具體技術也千差萬別，其中最有代表性的技術當屬納米科技。納米科技是當今和今后很長一段時間人類認識自然和改造自然的代表性技術，是從宏觀到微觀，再從微觀到亞微觀，逐步深入到物質更深層次內分子和原子尺度的材料科學與技術的最新進展。

在散裝水泥膠凝材料領域，包括輔助性膠凝材料，通過納米科技的開發和應用，必將會極大地改變散裝水泥的生產、流通、應用和循環再生等全生命周期內的產業面貌和經濟質量，為當前和今后的產業定位、市場競爭、經濟效益提升、產品質量改進、知識更新、技術進步和可持續發展等全面科技進步，提供創新和發展新思路，指引企業和行業走向新的高度！

納米科技如何影響散裝水泥綠色產業鏈的全過程呢？我們先簡單介紹一下納米科技的概念、歷史和現狀。

2 納米技術

2.1 納米技術的概念

根據公開的網絡檢索，我們可以看到納米技術的定義：“納米技術（Nanotechnology）是用單個原子、分子制造物質的科學技術，研究結構尺寸在1～100納米范圍內材料的性質和應用。”

“納米科學技術是以許多現代先進科學技術為基礎的科學技術，它是動態科學（動態力學）和現代科學（混沌物理、智能量子、量子力學、介觀物理、分子生物學）和現代技術（計算機技術、微電子和掃描隧道顯微鏡技術、核分析技術）結合的產物，納米科學技術又將引發一系列新的科學技術，例如：納米物理學、納米生物學、納米化學、納米電子學、納米加工技術和納米計量學等。”

還有的定義敘述為：“納米技術（Nanotechnology），也稱毫微技術，是研究結構尺寸在0.1～100納米范圍內材料的性質和應用的一種技術。1981年掃描隧道顯微鏡發明后，誕生了一門以0.1～100納米長度為研究界限的分子世界，它的最終目標是直接以原子或分子來構造具有特定功能的產品。因此，納米技術其實就是一種用單個原子、分子制造物質的技術。”

從這些定義介紹中， 我們可以看出，納米技術是人類認識客觀世界的進一步深化；是從目前的微米世界向納米世界的進一步深入發展。比如我們研究的散裝水泥，基本尺寸都是在微米范圍，一般通常的說法是散裝水泥的顆粒在3～30微米的范圍之內。如今進一步細化到1～100納米，整整小了1000倍；因為1微米等于1000納米；1納米是10-9米。

一般說來，在材料科學領域，數值相差一個數量級，都是革命性的變化。從微米到納米是3個數量級的深入微觀世界，革命性的意義就更是不言而喻了。我們隨后要討論一下，這些數量的變化將對我們的行業產生巨大和深遠的影響。

2.2 納米技術的歷史沿革

下面這些納米技術發展歷史的經典敘述，均選自公開的網絡檢索：“納米技術的靈感，來自于已故物理學家理查德·費曼1959年所作的一次題為《在底部還有很大空間》的演講。這位當時在加州理工大學任教的教授向同事們提出了一個新的想法。從石器時代開始，人類從磨尖箭頭到光刻芯片的所有技術，都與一次性地削去或者融合數以億計的原子以便把物質做成有用的形態有關。”費曼質問道，“為什么我們不可以從另外一個角度出發，從單個的分子甚至原子開始進行組裝，以達到我們的要求?”他說：“至少依我看來，物理學的規律不排除一個原子一個原子地制造物品的可能性。”

“70年代，科學家開始從不同角度提出有關納米科技的構想，1974年，科學家谷口紀男（Norio Taniguchi）最早使用納米技術一詞描述精密機械加工。”

“1981年，科學家發明研究納米的重要工具——掃描隧道顯微鏡，為我們揭示一個可見的原子、分子世界，對納米科技發展產生了劃時代性的巨大推動作用。”

“到1999年，納米技術逐步走向市場，全年基于納米產品的營業額達到500億美元；2001年，一些國家紛紛制定相關戰略或者計劃，投入巨資搶占納米技術戰略高地。日本設立納米材料研究中心，把納米技術列入新5年科技基本計劃的研發重點；德國專門建立納米技術研究網；美國將納米計劃視為下一次工業革命的核心，美國政府部門將納米科技基礎研究方面的投資從1997年的1.16億美元增加到2001年的4.97億美元。中國也將納米科技列為中國的‘973計劃’，大力發展和扶持與其相關的產業。”

等等，不一而足；有關納米科技的介紹眾多，此不贅述。

2.3 納米概念和技術在水泥行業的出現

出于實用和現實邏輯考量，水泥行業一直認為小于3μm 的水泥顆粒對產品的質量是有害的，所謂的“過粉磨產物”；由于顆粒過小，導致水化過快，帶來水化熱過高，容易引起混凝土早期開裂；還有早期水泥水化過快，自然后期的強度的跟進受到影響，也是業界經常說到的“后期強度不高”的所謂弊端……；如此等等問題，都遮住了人們進一步深入探索納米水泥更廣闊空間的視野。

引發人們進一步探索納米水泥精彩世界興趣的，或許是后續的水泥應用行業的功勞，比如水泥混凝土行業。在眾多的探索嘗試中，將硅鐵廠中的煙道灰或曰硅灰用于增強水泥混凝土的做法，應當是啟發人們開始研究新的納米材料的重要一環。

硅灰的平均粒徑為0.1μm，相當于100 nm；剛好處于納米研究的尺度范圍之內，有一半的顆粒處于100納米以下。多年來，許多重要的工程都要用硅灰配料來改善水泥混凝土的性能。受工業副產品硅灰的啟發，如今人們已經有目的地制造了許多種納米活性材料。比如納米粘土、納米硅、納米碳酸鈣、納米氧化鋁、納米鈦、納米鋅、碳納米管和納米氧化鎂等系列納米新材料。有人將納米燒粘土1%加入到波特蘭水泥砂漿中，就可以減少砂漿孔隙31.2%，減少砂漿吸水34%，增加密實度9.7%，抗壓強度提升40%，抗折強度提高42.9%，斷裂韌性提升40%，沖擊強度提高33.6%，洛氏硬度提高31.1%，并改進了熱穩定性3.3%。如今，這些材料已經成為國內外研究領域的熱點問題。許多研究成果，已經開始進入我們的產品和生活，正在極大地顛覆我們的傳統認知，必將帶來材料科學與散裝水泥綠色產業的巨大革命。

在水泥和混凝土行業，系統研究納米水泥的標志性項目，當屬瑞士理工的凱倫教授（Karen Scrivener）。當然，在此期間，也有許多科學家介入了這一研究過程；比如，前蘇聯科學家盧西諾夫博士，他提出了完全不同于業界傳統思維的“完全水化理論”；還有美洲的一些科學家，相應的產品也進入了我國的市場。但是，從業界的主流觀點來看，凱倫教授領導的團隊所做的工作是比較有代表性的。這里，對她的團隊工作進行一點較為詳細的介紹。

凱倫教授領導的納米水泥（Nanocem）團隊成立于2004年，現已發展成為一個由23個學術機構和10個行業伙伴組成的網絡。團隊中約有120名學術研究人員，他們正在管理相關領域約60個博士和博士后研究項目。在2014年的第七屆國際水泥技術大會上，凱倫教授曾作了“納米水泥10年研究進展”的報告。當時給國際水泥界的印象是：大家都帶著懷疑的目光來看待她們團隊的研究。共同的問題是，也就是人們都在問，“你的研究到底對我們有什么用？”誠然，在一個以實用主義為主導的現實生活中，誰會花那么多錢投入一個眼下根本沒有任何實用價值的基礎研究項目呢？如今看來，這些懷疑甚至嘲笑都是短視和愚蠢的。

當我們看到以港珠澳大橋等為代表的世界級工程項目出現在東方地平線上時，每一個業界的同仁都會感到我國工程技術和材料科學的偉大與自豪（見圖1）！包括近年來國內華為公司任正非先生的大筆科研投入，競把銷售額的15%都投入了研發，去換來世界一流的科技成果，是用鐵的事實證實了重視基礎科研的重大意義。

圖1 采用納米微珠材料的港珠澳大橋（2018年10月通車）

順帶說一下，2018年9月份在杜塞爾多夫舉辦的第八屆國際水泥技術大會上，凱倫教授又報告了一個理論聯系實際的實用項目成果，把納米水泥的實用化技術推向了經濟建設的主戰場。我們借鑒凱倫教授的研發成果，于2018年底在山西呂梁召開了全國第一屆煤矸石綜合利用技術交流大會。如果不是凱倫教授的團隊在基礎研究領域的發現和產業化應用啟發，我們多年來一直不敢觸碰煤矸石綜合利用的難題，因為我們無法為業界指出一條大規模高效利用煤矸石的技術途徑。根據凱倫教授的科學發現，我們結合中國煤矸石資源的實際情況，將利用煤矸石來代替粘土，與徐德龍院士的團隊開發的高固氣比技術有效結合，來大規模低溫煅燒生產石灰石燒粘土水泥；這樣一種結合中國國情的技術創新路線，不但可以節能減排、利廢環保，還可以提高水泥混凝土的性能，生產出抗氯離子和抗堿骨料反應的長壽命特種水泥和混凝土，這會極大地改變水泥行業的工業布局并提升產業的可持續發展能力。

有關凱倫教授及其團隊的研究成果，我們將在今年底于河南鶴壁召開的第二屆全國煤矸石綜合利用技術大會上進行進一步的介紹。

3 存在的問題

我們為什么要發展納米散裝水泥及其混凝土綠色產業，主要是想解決傳統散裝水泥及其混凝土等綠色產業面臨的一些致命性缺陷問題。這些問題，總結起來主要包括5大方面：（1）解決傳統水泥及其混凝土怕水的問題；（2）解決傳統水泥及其混凝土壽命短的問題；（3）解決傳統水泥及其混凝土鋼筋銹蝕的問題；（4）解決傳統水泥及其混凝土高能耗和高排放的問題；（5）解決傳統水泥及其混凝土功能性差的問題；等等，還有不少問題，但是大體上可以歸結為這5個方面。下面逐一討論一下，看看納米散裝水泥綠色產業將如何解決這些問題。首先，看一下普通傳統水泥混凝土怕水的問題。傳統的水泥由于水泥的細度在微米范圍，粗中細骨料都在毫米范圍，因此做成的混凝土很難形成緊密型堆積；對于平均直徑只有0.4納米的水分子來說，無疑是類似于可以自由貫通的篩網一樣。因此，傳統的水泥混凝土建筑或構筑物都需要特殊的防水處理，否則無法安全使用。不管是衛生間，還是陽臺，如果不做防水，室外一下雨或水龍頭跑水，屋里就會漏的一塌糊涂，嚴重時會殃及四鄰。而且這些水的滲入，會帶入各種有害成分，也會帶走水泥混凝土中的鈣質化學組成，使水泥混凝土結構逐步缺鈣，最終因“骨質疏松”而夭折或破壞。如果利用納米水泥來改善這些缺陷，即便是加入極少量的納米水泥外加劑，也會大大改善傳統水泥混凝土的耐水性，使其宏觀孔隙變小，阻止水的進入，保護好建筑物，使構筑物的壽命更長久（見圖2）。

圖2 普通水泥和納米水泥的防水效果比較（圖片來源：公開網絡）

其次，是解決普通水泥及混凝土的壽命短的問題。我國過去的建筑平均壽命是30年，如今正在往百年建筑的目標奮斗。之所以建筑短命，除了設計、施工和管理等其它原因外，傳統水泥的宏觀孔隙大，各種有害成分比如空氣中的氯化物、氮氧化物、硫化物和碳酸鹽等會隨著水介質的侵入而帶入，除了鈣流失和形成破壞性的化合物外，氯離子也易造成混凝土中鋼筋的銹蝕，最終導致鋼結構的破壞而壽終正寢。

第三，解決普通鋼筋混凝土耗費大量鋼材的問題。傳統水泥混凝土結構，一般都是鋼結構為主體。我國每年在建筑方面的鋼材用量高達5億多噸，對環境和資源的消耗十分巨大。由于鋼材先天性的容易銹蝕的缺陷，混凝土建筑的不耐久性是與生俱來的頑疾，無法治愈。如果采用納米水泥，加之配制超高性能混凝土，我們就可以普遍縮小混凝土的骨料尺寸，從毫米級別普遍降低到微米和微米以下。眾所周知，混凝土的強度與密度成正比，用納米水泥優化的超高性能混凝土，強度可以超過鋼材（見表1、圖3）。因此，不用鋼材或少用鋼材的水泥混凝土可以節約大量鋼材，可以為保護環境和節約資源作出巨大貢獻（見圖4）。

表1 UHPC與其它幾種同功能材料的比較

UHPC取代傳統材料的情形，可以從以下的圖片上看得更直觀一些。

圖3 UHPC和其它幾種同功能材料的比較

圖4 2002年由法國著名設計師設計的和平橋

圖3是世界上首個（1997年）使用UHPC結構的橋，經常被文獻所引用；過去引用這個案例還覺得比較新奇，現在這樣的案例已經遍布世界各地。包括我國的一些地方，也已經重復了這些創造和發明。大家可以看到，這個橋的跨距是60米，不需要鋼筋；中間也不需要橋墩。如今已經20多年過去了，這座橋是提前進入“碳混凝土”時代、告別“鋼筋混凝土”時代的一個標志性建筑物。

第四，解決普通水泥混凝土高能耗和高排放問題。由于普通水泥混凝土耗費大量資源，包括石灰石和鐵礦，在煅燒和煉制過程中要耗費大量的能源，同時放出有毒有害氣體。納米水泥及其超高性能混凝土，由于取消鋼材或少用鋼材，并且長壽命，從幾十年的壽命變成百年或千年混凝土，因此節能減排和節省資源都是幾十倍的數量級。

第五，傳統水泥和混凝土功能性差的問題。采用納米水泥改性的混凝土，以及納米水泥基的各種復合材料，可以變成防水材料、高檔保溫材料、抗酸堿鹽侵蝕的材料、抗海水侵蝕、長壽命材料、輕質高強和高韌性材料、抗凍融和耐高溫材料，等等，具備許多常規材料所不具備的優異性能（見圖1、圖4）。

輕質高強材料，一直是材料科學所追求的理想目標。不但對材料的性能產生影響，減少的運輸量就更不用說了。加之長壽命，是十倍百倍的延長壽命，也就意味著在百年或千年里，減少十次或百次的運輸費用，不僅僅是減少資源、能源、人力和物力耗費的問題了。

除了解決以上5個主要的問題外，還有不少其它相關的問題，鑒于篇幅，此不贅述。

4 未來的前景

鑒于納米水泥及其混凝土的優異性能，對未來散裝水泥綠色產業的發展將產生革命性的影響。下面再從宏觀層面介紹一下開發納米水泥的重大意義。

首先，從散裝水泥的生產角度而言，將減少水泥的產量，提高水泥的質量；也就是說，整個水泥工業，將從主要生產普通水泥轉向生產適合納米水泥復合材料級配要求的優質水泥。比如，普通散裝水泥的細度控制將從3～33微米的范圍，逐步向6～16微米或更低的細度發展。全國水泥產量目前在每年21億噸左右，將來生產優質水泥和納米水泥，水泥生產以質代量，以一當十，以十當百；水泥數量將進一步降低，向更少的數量發展，降低到目前產量的1/3左右，甚至更低；全國每年有5～7億噸高質量水泥，或者是3～5億噸更高檔次的水泥，完全可以滿足經濟和社會綠色發展的需要了。

水泥的數量減少，預示著質量必須提高，壽命也必須延長，包括建筑物的壽命。比如，過去的建筑壽命為平均30年，改成優質水泥、納米水泥和這些水泥配制的超高性能混凝土，包括砂漿和制品，建筑和構筑物的壽命就可以提高到百年或千年。這樣長壽命的納米水泥混凝土和制品，在幾百年和幾千年里都不會破壞，和壽命只有幾十年的傳統建筑比較起來，就可以少生產幾倍到幾十倍的傳統水泥，節省大量的能源和資源，減少巨大人力和物力耗費；二氧化碳等溫室氣體也可以大幅度減排！

其次，當生產這些高質量的水泥與建筑材料時，就可以逐步把鋼筋取消了或提升檔次，包括變換形式；變成使用鋼纖維、碳纖維、玄武巖纖維、化學纖維和植物纖維等新技術材料，采用3D打印的方式也變得容易起來。逐步取消鋼筋，這是一次巨大的材料革命。

近百年來，鋼筋和水泥是兩大基本的建材，兩兄弟一直攜手并肩，互為伙伴，形影不離；無論是高樓大廈，還是高鐵和高速，鋼筋和水泥這兩大兄弟一個藏在里面，一個顯示在外面，共同構筑了共和國的大廈，鋪就了“逢山開路、遇水搭橋”的現代文明交通基礎設施； 如果有一天水泥和鋼筋要突然分家和彼此離去，你能說這不是一場建材和建筑領域驚天動地的革命嗎？這或許就是納米材料革命要帶給我們的驚喜和震撼了。好好考慮一下吧：科技將改變世界，科技將改變我們的生活！

此外，在散裝水泥全生命周期的各個流通階段，從水泥原料進廠，到優質水泥的制造，再到散裝納米水泥或納米水泥復合材料的輸送，包括高品質納米水泥及制品的預制和運輸，還有裝配式建筑和地下管廊，都是高質量和長壽命的納米水泥復合材料制備的，都是輕質高強、長壽命和多功能的新一代綠色材料和制品。

最后，要重點提一下輔助性膠凝材料；包括粉煤灰、磨細礦渣、硅灰、石灰石粉、燒粘土、火山灰、鋼渣、建筑垃圾或磷銅鈦渣等工業副產物，都是來自各種工業固廢和循環再生的建筑固廢或構筑材料。這些工業固廢，包括農業固廢，譬如生物質材料，農業秸稈或毛竹等，都可以成為再生的綠色復合納米材料的輔助性膠凝材料或纖維增強材料，成為散裝納米水泥及其綠色產業的一部分。科學地加工和利用這些寶貴的再生資源，是大力發展納米散裝水泥及其綠色產業的應有之義。將它們和納米散裝水泥及其綠色產業一起發展起來，必將為我們創造一個對環境零污染、資源零消耗、廢氣零排放的全新綠色工業體系作出巨大貢獻。

5 結論

通過對我國經濟形勢發展的分析，即從數量增長開始進入高質量的發展階段；進而聯系到散裝水泥及其綠色產業的發展，也將從數量增長進入高質量增長的新時代。這個新的歷史階段，就是納米水泥和混凝土及其綠色產業發展的新時代。具體到散裝水泥及其輔助性膠凝材料的全生命周期產業鏈，涉及到了散裝水泥的生產、流通、應用和再生循環利用，包括散裝水泥、輔助性膠凝材料、砂漿、混凝土、預制構件、裝配式建筑、被動式建筑、地下管廊和基礎設施等方面，都需要在納米水泥復合材料的科學技術推動下，以全新的綠色產業形式得到徹底的革命性提升。

散裝水泥綠色產業革命的意義是重大的，影響亦將是深遠的。重申一下，我們不難得出的3點結論是：

（1）我們正面臨一個重要的轉型升級時代，經濟從數量型增長轉變為高質量增長階段。

（2）在散裝水泥及其綠色產業領域，我們正在從微米尺度的散裝水泥及其輔助性膠凝材料，逐步過渡到納米水泥、納米輔助性膠凝材料、納米水泥砂漿、納米水泥制品、納米水泥混凝土、納米水泥構件、納米水泥復合材料制作的裝配式被動房和納米水泥混凝土建造的基礎設施等綠色產業的全產業鏈進程之中。

（3）處于散裝水泥、輔助性膠凝材料和散裝水泥全生命周期產業鏈各個階段的企業和事業單位，要抓住機遇，迎接挑戰，加大科技投入，在國內外激烈的科技、管理和市場競爭中，把握商機，乘勢而上，全身心地投入到納米材料革命的大潮之中，使自己的產品和服務走上更高質量、更加綠色、創新和可持續發展的金光大道！