淺談我國綠色水泥材料的應(yīng)用及發(fā)展見解

摘 要：文章說明了發(fā)展綠色水泥材料的必要性，闡述了目前我國水泥材料應(yīng)用的現(xiàn)狀，提出了綠色水泥材料的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：硫氧鎂水泥；外加劑；抗壓強(qiáng)度；凝結(jié)時間

近年來，我國建筑與建材工業(yè)取得了長足的發(fā)展，技術(shù)水平不斷提高，縮短了與發(fā)達(dá)國家的差距。但是，隨著城市建設(shè)的不斷發(fā)展，對資源和能源的消耗也越來越大，給環(huán)境帶來很大的負(fù)荷，已不符合國家可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略要求。改變傳統(tǒng)落后的粗放式發(fā)展模式，轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式，推進(jìn)綠色低碳發(fā)展已經(jīng)成為我們的當(dāng)務(wù)之急。

1 大力發(fā)展綠色水泥材料的意義

硅酸鹽水泥是建材行業(yè)使用最普遍、用量最大水泥品種。雖然硅酸鹽水泥已使用了很多年，為社會的進(jìn)步做出了很大貢獻(xiàn)，但是，其性能還有很多不如意的地方。硅酸鹽水泥的耐久性低，主要是由于CaO含量高（63%～67%）的原因。水化產(chǎn)物出來主要的水化硅酸鈣之外，還有大量的Ca（HO）2生成，其在化學(xué)上和物理上都是活性物質(zhì)，很容易與其他酸、堿、鹽介質(zhì)發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生破壞作用，從而降低水泥制品的耐久性，造成很大的材料浪費和經(jīng)濟(jì)損失。另外，在技術(shù)不斷進(jìn)步的同時，硅酸鹽水泥一直在生產(chǎn)上存在很多嚴(yán)重的弊端，如資源、能源消耗巨大、環(huán)境污染嚴(yán)重，溫室氣體排放嚴(yán)重超標(biāo)，產(chǎn)能過剩等問題。雖然國家近年進(jìn)行了產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，技術(shù)改造，淘汰落后產(chǎn)能等相關(guān)措施，可是，這些政策并未能改變水泥行業(yè)高污染，高能耗的現(xiàn)狀。逐步推進(jìn)水泥產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，開發(fā)適應(yīng)經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展的環(huán)境友好型水泥混凝土材料及推廣其在土木工程當(dāng)中的應(yīng)用具有重要意義。

2 綠色水泥材料研究與應(yīng)用現(xiàn)狀

目前，在建筑與建材行業(yè)除了應(yīng)用硅酸鹽水泥之外，還有其他幾種膠凝材料。如堿激發(fā)礦渣水泥、堿激發(fā)粉煤灰水泥、硫鋁酸鹽水泥和鎂質(zhì)水泥等。隨著對資源、能源和環(huán)保意識的提高和重視，這些綠色膠凝材料越來越得到重視。

2.1 堿激發(fā)膠凝材料。堿激發(fā)膠凝材料由原蘇聯(lián)基輔建筑工程學(xué)院學(xué)者于1957年發(fā)明，又稱為“土壤水泥”，由堿金屬化合物與含鋁硅酸鹽的原材料作用產(chǎn)生膠凝物質(zhì)。該水泥凝結(jié)快、強(qiáng)度高、低溫下強(qiáng)度發(fā)展也很好、低收縮、抗凍融、抗硫酸鹽、抗腐蝕和低堿集料反應(yīng)，具有很好的耐久性，綜合性能優(yōu)良。它能滿足未來建筑工程材料的高強(qiáng)高耐久要求。

根據(jù)組成材料的不同，有不同的堿激發(fā)膠凝材料系統(tǒng)，如堿-硅酸鹽水泥熟料膠凝材料，堿-礦渣膠凝材料，堿-粉煤灰膠凝材料，堿-礦渣-粉煤灰膠凝材料等。

堿激發(fā)膠凝材料與硅酸鹽水泥相比具有很多技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上的優(yōu)勢。硅酸鹽水泥生產(chǎn)過程可概括為“兩磨一燒”工藝，需要消耗大量的石灰石、粘土等資源，生產(chǎn)過程十分耗能。而堿激發(fā)膠凝材料只需對所激發(fā)材料進(jìn)行粉磨，生產(chǎn)過程簡易，能源及能耗很少，能耗可降低60%～90%。堿激發(fā)膠凝材料生產(chǎn)工藝簡單，無需大的煅燒設(shè)備，無需破碎設(shè)備和生料的粉末設(shè)備及相應(yīng)的廠房和輔助設(shè)施，基建投資僅為硅酸鹽水泥的30%～40%。堿激發(fā)膠凝材料的能耗低，所需設(shè)備及廠房投入少，所以產(chǎn)品成本大幅降低，比相同強(qiáng)度等級的硅酸鹽水泥大約降低50%。硅酸鹽水泥生產(chǎn)過程中要排放大量CO2，每生產(chǎn)1t水泥就要排放1t CO2，加劇全球氣溫升高，而堿激發(fā)膠凝材料基本上可以無CO2排放，發(fā)展堿激發(fā)膠凝材料可以大大減少水泥工業(yè)的CO2排放量。因此堿激發(fā)膠凝材料可以大量消耗工業(yè)廢棄物，且原料廣泛，成本低廉、工藝簡單、投資較少、能耗低、環(huán)保性強(qiáng)，是一種很有發(fā)展前景的新型綠色水泥材料，應(yīng)加大研究并積極拓展其在土木工程當(dāng)中的應(yīng)用。

2.2 鎂質(zhì)水泥。在土木工程當(dāng)中，除了大量使用以鈣鹽為水化產(chǎn)物的石灰、石膏、硅酸鹽水泥、硫鋁酸鹽水泥之外，還有一大類是以鎂鹽為水化產(chǎn)物的鎂質(zhì)膠凝材料。鎂質(zhì)膠凝材料主要包括氯氧鎂水泥、硫氧鎂水泥、磷酸鎂水泥及最近對硫氧鎂水泥進(jìn)行改性后的堿式硫酸鎂水泥。

2.2.1 氯氧鎂水泥。氯氧鎂水泥是1867年法國化學(xué)家索瑞爾發(fā)明。氯氧鎂水泥由輕燒氧化鎂與氯化鎂溶液反應(yīng)獲得，水泥凝結(jié)快，早期強(qiáng)度發(fā)展迅速，后期強(qiáng)度高，導(dǎo)熱性低，防火性好，粘結(jié)力強(qiáng)，可與有機(jī)、無機(jī)材料粘結(jié)良好，耐磨而且具有很好的裝飾性。但是，這種水泥存在吸潮返鹵、耐水性差等缺陷，雖然經(jīng)過改性之后得到明顯改善，但在實際應(yīng)用中還是會經(jīng)常出現(xiàn)質(zhì)量問題，主要是一些生產(chǎn)者缺乏核心技術(shù)。氯氧鎂水泥可代鋼代木，用于生產(chǎn)玻鎂防火板、GRC板材、玻鎂風(fēng)管、農(nóng)用大棚架、井蓋、亭臺樓閣等。氯氧鎂水泥屬于綠色環(huán)保材料，組成材料中的輕燒氧化鎂煅燒溫度為700℃左右，比硅酸鹽水低一半，CO2排放量低，氯化鎂可由工業(yè)副產(chǎn)物獲得。

2.2.2 硫氧鎂水泥。硫氧鎂水泥在組成和性能上與氯氧鎂水泥相似，只是調(diào)和劑使用硫酸鎂溶液。硫氧鎂水泥與氯氧鎂水泥相比，具有吸潮返鹵性較低，對鋼筋腐蝕性小等優(yōu)點。但是，由于內(nèi)部反應(yīng)不充分，強(qiáng)度較氯氧鎂水泥低很多，且很容易開裂。近年，通過對硫氧鎂水泥進(jìn)行改性研究后發(fā)現(xiàn)，通過摻加有效外加劑后，可以促進(jìn)硫氧鎂水泥水化的進(jìn)行，水化產(chǎn)物以堿式鹽5Mg（OH）2·MgSO4·7H2O為主要產(chǎn)物，水泥力學(xué)性能和耐久性得到很大改進(jìn)和提高，已優(yōu)于氯氧鎂水泥，有學(xué)者將其命名為“堿式硫酸鎂水泥”。該水泥完全可以取代氯氧鎂水泥，并且無吸潮返鹵及腐蝕鋼材現(xiàn)象發(fā)生。堿式硫酸鎂水泥經(jīng)過理論創(chuàng)新，采用工業(yè)廢硫酸、輕燒氧化鎂、粉煤灰和化學(xué)外加劑為主要原料，可以開發(fā)低成本的堿式硫酸鎂水泥產(chǎn)品，實現(xiàn)從水泥產(chǎn)品到建筑材料制品的工業(yè)化大生產(chǎn)模式。該水泥具有快凝、早強(qiáng)、高強(qiáng)、抗水、不吸潮返鹵、耐高溫性好、抗腐蝕、護(hù)筋性能好等優(yōu)異性能，同時具有低碳、節(jié)能、利廢和環(huán)保等良好經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，適合于制作建筑工業(yè)的結(jié)構(gòu)材料、保溫材料和裝飾材料等。是最有希望發(fā)展成為繼硅酸鹽水泥之后的用于承重結(jié)構(gòu)材料、并在建筑工程行業(yè)中占據(jù)更大份額的新型膠凝材料。堿式硫酸鎂水泥的理論創(chuàng)新引起了企業(yè)界的青睞，正在穩(wěn)步地推廣、實施。

2.2.3 磷酸鎂水泥。磷酸鎂水泥是由磷酸鹽與重?zé)趸V經(jīng)過酸堿反應(yīng)形成的一種膠凝材料。磷酸鎂水泥凝結(jié)非常迅速，而且早期強(qiáng)度高，與各種集料粘結(jié)性好，這使得這種水泥非常適合作為修補(bǔ)材料。磷酸鎂水泥在使用時也可以摻入大量的工業(yè)廢棄物如粉煤灰和礦渣，在改善水泥性能的同時起到利廢環(huán)保的效應(yīng)。

2.2.4 碳酸鎂水泥。這種水泥是2003年由澳大利亞學(xué)者提出，并且引起了行業(yè)的很大關(guān)注。該水泥由活性氧化鎂與硅酸鹽水泥按不同比例混合，水化產(chǎn)物中含有Mg（OH）2，水鎂石。水鎂石的溶解度要低于Ca（OH）2，并且會與空氣中的CO2反應(yīng)生產(chǎn)Mg CO2，因此，這種水泥可以消耗空氣中的CO2，而且廢棄之后還可以作為原料生產(chǎn)水泥，所以，屬于生態(tài)環(huán)保的綠色水泥，是很好的硅酸鹽水泥的替代產(chǎn)品。但是目前應(yīng)用還不多，仍然需要加大對其的研究并盡早推廣應(yīng)用。

3 存在的問題及解決措施

目前，無論是堿激發(fā)水泥還是鎂質(zhì)水泥，所存在的最大問題就是原料組成不穩(wěn)定，如各地礦物摻合料由于各種原因其組成波動較大，輕燒氧化鎂活性含量差別較大，造成原料組成不穩(wěn)定，水泥性能受到很大影響。因此，國家及行業(yè)應(yīng)積極完善相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定，推進(jìn)綠色膠凝材料的更新?lián)Q代。

參考文獻(xiàn)

[1] 中國建材數(shù)量經(jīng)濟(jì)監(jiān)理學(xué)會.“十一五”時期水泥產(chǎn)業(yè)能源利用情況述評[J].中國水泥，2011（01）：30-35.

[2] 涂平濤.氯氧鎂材料技術(shù)與應(yīng)用[M].化學(xué)工業(yè)出版社，2009.

[3] 閆潔.“科學(xué)家成功解析硫氧鎂水泥新物相結(jié)構(gòu)，可顯著提高水泥力學(xué)和耐久性能”[N].中國科學(xué)報，2013-07-11.

作者簡介：王偉明，男，碩士，黑龍江省審計廳固定資產(chǎn)投資審計局一處，主任科員，高級工程師，研究方向：建筑工程技術(shù)與經(jīng)濟(jì)。