生態(tài)水泥研究現(xiàn)狀及趨勢

滕 飛，馬 成

（遼寧省建設(shè)科學(xué)研究院，遼寧 沈陽 110000）

1 引言

在建材工業(yè)的眾多產(chǎn)品中，水泥是最主要的一種建筑材料，占有主導(dǎo)地位，不僅僅是因?yàn)樗嘤昧烤薮?，更重要的是因?yàn)樗喙I(yè)為經(jīng)濟(jì)的發(fā)展提供了前期的物質(zhì)基礎(chǔ)，進(jìn)而推動了人類文明的進(jìn)程。盡管水泥工業(yè)扮演著如此重要的角色，然而無論是從能源、資源消耗還是從環(huán)境保護(hù)的方面來考慮，水泥從生產(chǎn)、使用到廢棄的過程都可以說是一個(gè)不斷消耗和破壞人類生存空間的過程。因此，為了既要滿足國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)對優(yōu)質(zhì)建筑材料的需求，又要實(shí)現(xiàn)建材工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，保護(hù)生態(tài)環(huán)境和維護(hù)人體健康，研究和發(fā)展生態(tài)環(huán)保的建材產(chǎn)品是勢在必行的。

2 生態(tài)水泥

生態(tài)水泥（Ecological Cement），又稱綠色水泥（Green Cement）、健康水泥（Healthy Cement） 和環(huán)保水泥 （Recyclic Cement），是指以城市垃圾焚燒灰和下水道污泥等廢棄物為主要原料，再添加其他輔助材料，經(jīng)過煅燒、粉磨形成的新型水硬性膠凝材料。與以石灰石為主要原料生產(chǎn)出的傳統(tǒng)水泥相比較，生態(tài)水泥的生產(chǎn)可以節(jié)約石灰石和粘土等天然原料，同時(shí)更有效且合理的處理了污染環(huán)境的城市垃圾和工業(yè)廢棄物（500kg的廢棄物約可生產(chǎn)1t的生態(tài)水泥），而生產(chǎn)過程中廢氣和粉塵排放更少；另外，生態(tài)水泥產(chǎn)品還可再生循環(huán)利用，達(dá)到與環(huán)境共生的目標(biāo)，符合可持續(xù)發(fā)展的方向。目前，對生態(tài)水泥的研究得到了國內(nèi)外廣泛的關(guān)注，國外的研究成果已經(jīng)投入到應(yīng)用，但我國的這方面研究尚處于起步階段［1］。

生態(tài)水泥的種類主要可以分為兩種：通用型生態(tài)水泥和快硬型生態(tài)水泥。所謂通用型生態(tài)水泥基本與傳統(tǒng)普通水泥相似，是通過控制原料中氯和堿的比例燒制而成，在燒制過程中氯被灰固結(jié)，產(chǎn)品含氯量僅有0.1%左右，因此通用型生態(tài)水泥可以廣泛應(yīng)用到一切鋼筋混凝土構(gòu)件中；快硬型生態(tài)水泥則是以富含氧化鋁以及氯化物的焚燒灰為主要原料燒制而成的鋁酸鈣水泥，其早期強(qiáng)度高，比傳統(tǒng)早強(qiáng)水泥凝固時(shí)間更短，可用于澆筑預(yù)制構(gòu)件以及配制水泥砂漿，但是由于其含氯量較高，僅可應(yīng)用于素混凝土或耐氯鋼筋混凝土構(gòu)件中。

生態(tài)水泥的主要生產(chǎn)工藝類似傳統(tǒng)普通水泥生產(chǎn)工藝，但是由于是原料采用的是廢棄物，因此增加了重金屬回收預(yù)處理系統(tǒng)，這樣可以防止燒制過程中原料分解的二噁英再合成，避免二次污染［1］。生態(tài)水泥的生產(chǎn)采用回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)工藝，其優(yōu)點(diǎn)是回轉(zhuǎn)窯可以使廢棄物原料在高溫環(huán)境中停留足夠長的時(shí)間，讓廢棄物能夠完全分解，這樣就不會產(chǎn)生不完全燃燒產(chǎn)物和有害氣體（氯化氫、二氧化硅等）污染大氣。生態(tài)水泥的主要生產(chǎn)工藝流程簡圖如下：

圖1：生態(tài)水泥主要生產(chǎn)工藝流程簡圖

在生態(tài)水泥生產(chǎn)過程中應(yīng)當(dāng)注意以下幾點(diǎn)。廢棄物應(yīng)當(dāng)經(jīng)過充分的均化處理成質(zhì)量穩(wěn)定、成分均勻的生料，避免由于原料的離散性大導(dǎo)致其不能夠得到完全的燃燒。在窯尾還要加裝快速冷卻機(jī)將廢氣迅速冷卻至250℃，避免二噁英二次合成。窯灰要通過重金屬回收系統(tǒng)進(jìn)行回收處理，除掉其中含有的Pb、Cr、As、Zn、Cu等重金屬成分［4］。

在國外，生態(tài)水泥主要是指高貝利特水泥、工業(yè)廢渣高摻量水泥，用工業(yè)廢棄物生產(chǎn)水泥等。高貝利特水泥是一種高節(jié)能和高節(jié)約資源型的高性能生態(tài)水泥。普通硅酸鹽水泥的生產(chǎn)需要高品位的石灰石經(jīng)過14500℃以上的煅燒才可制成，這一過程還排放與水泥熟料相同重量的CO2、SO2和NOX等有害氣體。采用高新制備技術(shù)和我國發(fā)明的第三系列（硫鋁酸鹽、鐵鋁酸鹽）水泥技術(shù)，研究、開發(fā)的節(jié)能環(huán)保型高性能貝利特水泥（C2S大于60%）燒制溫度僅需1200～12500℃，預(yù)計(jì)每年節(jié)省近千萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤；每年可利用工業(yè)廢渣約1億噸左右，CO2的總排放量至少會減少25%。這種水泥具有良好的強(qiáng)度、高耐久性和抗化學(xué)侵蝕，適用的范圍更廣，經(jīng)濟(jì)和社會效益顯著［5］。

3 新型生態(tài)水泥

3.1 發(fā)泡水泥

發(fā)泡水泥，就是在水泥漿中充氣而制成的具有低密度、低滲透率、低熱導(dǎo)率低等優(yōu)點(diǎn)的輕質(zhì)發(fā)泡保溫材料。發(fā)泡水泥一般使用固體廢棄物如工業(yè)廢渣(粉煤灰、礦渣粉、廢石粉)、秸稈粉、鋸末等材料作為混合材，而其中以粉煤灰的應(yīng)用最為普遍。生產(chǎn)發(fā)泡水泥可以合理再利用工業(yè)廢渣，從而能夠節(jié)約大量的天然原料，改善了水泥的和易性，減少水泥制品的水化熱，還能夠提供高發(fā)泡水泥的抗?jié)B能力［6］。

目前，國內(nèi)研究中較為受關(guān)注的是發(fā)泡聚苯乙烯填充水泥材料。發(fā)泡聚苯乙烯（EPS）具有密度低、比強(qiáng)度高、吸水率低、耐酸堿、保溫性好等優(yōu)點(diǎn)，但是由于EPS顆粒表觀密度比較低，使得漿料在攪拌過程中容易發(fā)生離析的情況，另外EPS表面為憎水性，無機(jī)膠凝材料對EPS不能夠濕潤，從而導(dǎo)致混凝土和易性較差，因此使用EPS填充前要將其經(jīng)過表面化學(xué)處理才能夠使EPS與水泥漿體黏結(jié)的很好［7］。隨著對發(fā)泡聚苯乙烯填充水泥材料研究的逐漸深入，國內(nèi)研究者發(fā)現(xiàn)EPS填充水泥復(fù)合材料具有良好的吸波性能，可以很好的防護(hù)電磁波；另外，在對EPS填充水泥復(fù)合材料施加荷載后，復(fù)合材料逐漸變形至破壞，表明材料的破壞屬于塑性破壞，復(fù)合材料具有一定的韌性，進(jìn)而表明EPS填充能緩解水泥制品的脆硬性［8］。此外，利用含鈣量高和多孔結(jié)構(gòu)的下水道淤泥灰可制備多孔泡沫材料［9］。

在國外，美國研究人員成功研制出一種將泡沫分散在水泥材料內(nèi)并制作成復(fù)合的三明治結(jié)構(gòu)的新型發(fā)泡水泥制品。這種將微泡分散在天然乳膠中形成的水泥漿多相復(fù)合材料具有三明治結(jié)構(gòu)和爆炸緩沖層，能夠在抗沖擊性和耐水性方面表現(xiàn)的十分的優(yōu)異［10］。俄羅斯和立陶宛的研究人員則是在波特蘭泡沫水泥材料中填充碳納米管，通過這種方法制得的復(fù)合材料具備了良好的機(jī)械性能［11］。南洋大學(xué)和謝菲爾德大學(xué)的研究人員則是在波特蘭泡沫水泥漿中添加陶瓷微珠，從而使得復(fù)合材料表現(xiàn)出了良好的抗水性［12］。墨西哥的科研人員發(fā)明并制備出了一種無機(jī)發(fā)泡材料，這種發(fā)泡材料能夠形成耐久力更好的泡沫，不但可以比有機(jī)發(fā)泡材料的成本更低，同時(shí)也避免了有機(jī)發(fā)泡材料合成過程中釋放有害氣體，使復(fù)合材料更具環(huán)保和人類友好的特性［13］。

3.2 土壤聚合物水泥

土壤聚合物水泥(簡稱土聚水泥)是一種性能優(yōu)異的堿激活水泥，其水化產(chǎn)物是一種含有硅鋁鏈的“無機(jī)聚合物”，這種水化產(chǎn)物與一些構(gòu)成地殼物質(zhì)相似，土聚水泥也因此而得名。土聚水泥是一種環(huán)保節(jié)能的新型生態(tài)水泥，凡是富含高嶺石或者富含鋁硅酸鹽礦物的廢渣都可以用來作為原料，同時(shí)生產(chǎn)過程中CO2的排放量僅為傳統(tǒng)波特蘭水泥生產(chǎn)中排放的CO2的10%左右。

由于土聚水泥獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，其性能更為優(yōu)異。主要性能特點(diǎn)有：（1）土聚水泥早期強(qiáng)度增長快。在室溫條件下養(yǎng)護(hù)4小時(shí)，其抗壓強(qiáng)度就可達(dá)15MPa～20MPa，并達(dá)到最終強(qiáng)度的70%，而后期強(qiáng)度也不會下降；另外，土聚水泥的抗拉、抗彎強(qiáng)度也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過硅酸鹽水泥。（2）土聚水泥的水化產(chǎn)物具有穩(wěn)定的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，這就使得土聚水泥具有好于硅酸鹽水泥的體積穩(wěn)定性，其干縮量僅為硅酸鹽水泥的80%。（3）土聚水泥制作工藝簡單，室溫下快速硬化，具有良好的施工性能。（4）土聚水泥的水化產(chǎn)物在自然條件的各種侵蝕下幾乎能夠存在上千年以上，因此其具有十分良好的耐久性［14］。

使用土聚水泥制得的混凝土擁有更為致密的結(jié)構(gòu)，所以這種混凝土的抗?jié)B性、抗凍性更好；在酸性條件下有很小的質(zhì)量損失，能夠表現(xiàn)出良好的抗腐蝕性能；化學(xué)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，具有優(yōu)良的的耐火隔熱性能。

3.3 少熟料水泥

少熟料水泥是指以較少水泥熟料、適量石膏再加上一定比例的混合材制成的水硬性膠凝材料。少熟料水泥通過優(yōu)化水泥熟料組成、提高熟料性能的方法，大幅度的提高了混合材的摻量，從而減少了能耗大、污染嚴(yán)重的硅酸鹽水泥熟料的使用，這種采用先進(jìn)的技術(shù)工藝制得的能夠得到環(huán)保和生態(tài)雙收益的新型膠凝材料是一種新型生態(tài)水泥。

不同于普通硅酸鹽水泥，少熟料水泥所選用的水泥熟料要經(jīng)過高細(xì)粉磨，從而降低其粒度，改善其粒徑分布，另外熟料強(qiáng)度要高；活性混合材則可以大量摻入具有潛在水硬性或火山灰特性的工業(yè)固體廢棄物（即各種工業(yè)廢渣，礦渣、粉煤灰、煤矸石和高嶺土等）；此外，少熟料水泥還需要石膏、堿性激發(fā)劑等輔料來激發(fā)其活性，優(yōu)化少熟料水泥的性能［15］。

4 結(jié)束語

生態(tài)水泥的發(fā)展尚且需要更多的理論研究和實(shí)踐來支撐，其中還存在不少有待解決的問題。首先，生態(tài)水泥的生產(chǎn)仍然會消耗很多的熱能和電能，要解決這個(gè)問題就需要研發(fā)更新的、更節(jié)能的工藝和設(shè)備來降低能耗；其次，在研究以固體廢棄物替代天然材料作為原料生產(chǎn)水泥的同時(shí)，也應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)可燃性廢棄物代替天然礦物燃料進(jìn)行生產(chǎn)的研究進(jìn)展，使得生態(tài)水泥的生產(chǎn)過程可以更大限度的解決城市垃圾和工業(yè)廢渣處理問題；再次，生態(tài)水泥的生產(chǎn)過程中依然會排放一定量的廢氣和廢渣，要實(shí)現(xiàn)零排放生產(chǎn)的目標(biāo)，這些廢棄物的再處理和利用還需要進(jìn)一步深入的研究；最后，利用廢棄物制備的生態(tài)水泥熟料的質(zhì)量和使用生態(tài)水泥制備的混凝土的性能仍需要更全面的探討。生態(tài)水泥的研究及發(fā)展是一個(gè)多學(xué)科交叉的綜合性工作，研究工作者應(yīng)當(dāng)破除原有材料研究的固定模式，發(fā)散思維才能將這項(xiàng)對人類、對環(huán)境都有益的工作進(jìn)行的更加完善、成功。

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