生態(tài)膠凝材料研究進(jìn)展與展望

張昊 段玉凱 王軍

摘 要：分析了生態(tài)膠凝材料研究的重要性和必要性，論述了目前國(guó)內(nèi)和國(guó)外的研究現(xiàn)狀。提出了未來(lái)生態(tài)膠凝材料的研究方向。

關(guān)鍵詞：生態(tài)膠凝材料;研究進(jìn)展;展望

中圖分類號(hào)：TU528 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2019）20-0038-02

Abstract： The importance and necessity of the research on ecological cementitious materials were analyzed， and the current research status at home and abroad was discussed. The research direction of ecological cementitious materials in the future was put forward.

Keywords： ecological cementitious materials; research progress; prospect

生態(tài)膠凝材料又稱為無(wú)熟料膠凝材料，是從硅酸鹽水泥發(fā)展而來(lái)的，以磨細(xì)的?；郀t礦渣、粉煤灰、煤矸石等火山灰質(zhì)混合材料為主要原料和激發(fā)劑，按照適當(dāng)比例配合，共同磨細(xì)成具有水硬性或氣硬性的膠凝材料（如石膏礦渣水泥、石灰礦渣水泥、堿礦渣水泥、鋼渣水泥、粉煤灰水泥）[1-3]。具有高強(qiáng)度、高耐久性、生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、充分利用工業(yè)廢渣等顯著優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)越受到重視[4]。

1 研究生態(tài)膠凝材料的重要性

水泥是目前我國(guó)土木工程領(lǐng)域使用量最大的工程材料，2018年水泥生產(chǎn)量達(dá)到22.98億立方米，比2017年增長(zhǎng)3.11%。伴隨著新舊動(dòng)能轉(zhuǎn)換和城市基礎(chǔ)建設(shè)的加快發(fā)展，對(duì)水泥的需求將保持增長(zhǎng)。但是生產(chǎn)水泥采用兩磨一燒工藝嚴(yán)重消耗能源，產(chǎn)生的二氧化碳?xì)怏w（CO2）、硫化氫氣體（H2S）污染大氣環(huán)境，增加溫室氣體排放;生產(chǎn)中產(chǎn)生的粉塵增加空氣中PM2.5的含量。生產(chǎn)水泥的過(guò)程嚴(yán)重污染環(huán)境破壞生態(tài)，減少甚至停止水泥的生產(chǎn)，改善人民居住的生態(tài)環(huán)境是政府正在采取的措施。尋找可替代水泥的膠凝材料滿足混凝土工程建設(shè)的需要迫在眉睫。另一方面，我國(guó)工業(yè)固體廢物年產(chǎn)生量約33億噸，歷史累計(jì)堆存量超過(guò)600億噸，占地超過(guò)200萬(wàn)公頃，不僅浪費(fèi)資源、占用土地，而且已經(jīng)嚴(yán)重危害到生態(tài)環(huán)境和人民健康安全[5]。盡管經(jīng)過(guò)了幾十年對(duì)工業(yè)固廢的處置和利用，但是對(duì)固體廢棄物的利用率僅有10%，與發(fā)達(dá)國(guó)家有顯著差距[6]。

研究利用具有潛在水硬性和火山灰特性的工業(yè)廢渣，不使用硅酸鹽水泥熟料，生產(chǎn)環(huán)保節(jié)能利廢的復(fù)合膠凝材料替代水泥，具有重要的環(huán)保意義和經(jīng)濟(jì)價(jià)值;對(duì)節(jié)約資源能源、維持生態(tài)平衡和促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。另一方面，采用工業(yè)廢棄物制作混凝土，實(shí)現(xiàn)再生資源的循環(huán)利用，減少固體廢棄物占地危害，為人類健康提供安全可靠的空間，具有重大的社會(huì)意義和廣闊的發(fā)展應(yīng)用前景。

2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2.1 國(guó)外研究概況及水平

通過(guò)激發(fā)劑獲取膠凝材料的研究在上世紀(jì)成為熱門。德國(guó)學(xué)者Kuhl最初開(kāi)始研究氫氧化鉀激發(fā)礦渣膠凝材料的凝結(jié)性能，這是研究者們首次將堿作為膠凝材料的原材料進(jìn)行研究[7]。Chassevent 對(duì)氫氧化鉀和碳酸鈉溶液激發(fā)礦渣的反應(yīng)活性進(jìn)行了研究;比利時(shí)的Purdon研究了氫氧化鈉激發(fā)礦渣和堿性鹽材料，提出了堿激活理論，即用氫氧化鈉使膠凝材料中的化合物溶解，形成偏鋁酸鈉和硅酸鈉，再與氫氧化鈣反應(yīng)，形成鋁酸鈣和硅酸鈣凝膠，促使膠凝材料硬化，并再次得到氫氧化鈉[8]。因此，氫氧化鈉在膠凝材料硬化的過(guò)程中，起到了催化劑的作用。烏克蘭Glukhovsky教授使用氫氧化鈉或水玻璃作為激發(fā)劑，來(lái)激發(fā)碎石、鍋爐渣、生石灰或高爐礦渣微粉的混合物，得到抗壓強(qiáng)度高達(dá)120MPa，穩(wěn)定性良好的膠凝材料，他們通過(guò)進(jìn)一步研究證明這種膠凝材料與硅酸鹽水泥一樣，既能在水中和自然條件下硬化，也能在蒸汽養(yǎng)護(hù)和高壓處理?xiàng)l件下硬化。進(jìn)入21世紀(jì)，由于國(guó)外的基本建設(shè)發(fā)展緩慢，對(duì)無(wú)水泥熟料膠凝材料的研究，特別是其在不同環(huán)境下性能的研究趨于淡化。

2.2 國(guó)內(nèi)研究概況及水平

我國(guó)對(duì)無(wú)熟料膠凝材料研究始于20世紀(jì)80年代，許多研究者對(duì)堿激發(fā)劑進(jìn)行了大量研究[9]。李永德采用不同堿溶液或組合堿對(duì)礦渣和粉煤灰進(jìn)行激發(fā)，結(jié)果表明，組合堿對(duì)礦渣和粉煤灰混合料的作用效果優(yōu)于單獨(dú)使用相同濃度的堿。鄭州大學(xué)盧紅霞、西安建筑科技大學(xué)徐德龍、哈爾濱工業(yè)大學(xué)鄭文忠、同濟(jì)大學(xué)王培南、武漢工業(yè)大學(xué)袁潤(rùn)章等人各自提出了適合原材料的配合比及堿激發(fā)摻料的配比;萬(wàn)小梅等深入研究了堿激發(fā)膠凝材料制作的混凝土的耐久性能及耐高溫性能，為無(wú)熟料膠凝材料在混凝土中推廣應(yīng)用進(jìn)行有益的探索[10]。

3 研究展望

生態(tài)膠凝材料目前在我國(guó)沒(méi)有得到大規(guī)模應(yīng)用，主要原因在于理論與實(shí)踐的研究有待深入，包括以下兩個(gè)方面：

（1）深入系統(tǒng)研究礦渣鋼渣石膏等原材料的基礎(chǔ)性

能;開(kāi)發(fā)能在工程中應(yīng)用的外加劑如減水劑、緩凝劑、抗凍劑、減縮劑等。

（2）深入持久的研究生態(tài)膠凝材料的耐久性能，為工程結(jié)構(gòu)的可靠性和服役安全提供理論支持和方向;加快制定生態(tài)膠凝材料及其相關(guān)制品像生態(tài)膠凝砂漿、生態(tài)膠凝混凝土的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，確保其在行業(yè)市場(chǎng)的準(zhǔn)入和安全使用。

參考文獻(xiàn)：

[1]徐永模.固廢資源化利用：需要突破的觀念[J].混凝土世界，2018（7）：8-10.

[2]王燕謀，蘇慕珍，路永華，等.中國(guó)特種水泥[M].中國(guó)建材工業(yè)出版社，2012.

[3]胡曙光.特種水泥[M].武漢理工大學(xué)出版社，2010.

[4]趙青林，李北星.生態(tài)干混砂漿[M].化學(xué)工業(yè)出版社，2012.

[5]楊小聰，郭利杰.尾礦和廢石綜合利用技術(shù)[M].化學(xué)工業(yè)出版社，2018.

[6]黃赟.堿激發(fā)膠凝材料的研究進(jìn)展[J].水泥，2010（2）：9-13.

[7]田學(xué)偉，李顯忠.唐山堿渣土的工程利用研究[J].建筑科學(xué)，2009（7）：77-79.

[8]陳杏婕，倪文，吳輝，等.全尾礦廢石骨料高強(qiáng)混凝土的試驗(yàn)研究[J].金屬礦山，2015（2）：166-172.

[9]朱廣宇.鋼鐵渣處理的意義和綜合利用[J].化學(xué)工程與裝備，2015（3）：237-238.

[10]Ruskovnjak A，Lothenbach B，Winnefeld F，et al.Hydration mechanisms of sulphated slag cement.Cement and Concrete Research.2008，38（7）：983-992.