新型綠色環(huán)保水泥的研究與發(fā)展隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展和環(huán)保力度的加強(qiáng)，高性能和多功能的綠色環(huán)保膠凝材料越來(lái)越引起人們的興趣和重視。德國(guó)、日本、美國(guó)、瑞士和加拿大等發(fā)達(dá)國(guó)家于上世紀(jì)70年代開始研究和推進(jìn)廢棄物替代自然資源，加強(qiáng)高性能水泥與水泥基材料的研究。我國(guó)于20世紀(jì)90年代末開始對(duì)“水泥綠色化”的研究與開發(fā)。
2015年我國(guó)水泥產(chǎn)量達(dá)23億噸，水泥工業(yè)已成為產(chǎn)能過(guò)剩產(chǎn)業(yè)，傳統(tǒng)水泥企業(yè)已開始探索轉(zhuǎn)型升級(jí)的途徑。由于水泥工業(yè)具有利用廢棄物為再生資源和能源的特點(diǎn)，所以水泥工業(yè)不但可以為人類社會(huì)提供基礎(chǔ)原材料，還可以對(duì)環(huán)境保護(hù)做出較大貢獻(xiàn)。水泥工業(yè)將逐步演變?yōu)榄h(huán)保產(chǎn)業(yè)的一員，在可預(yù)見的未來(lái)，新型綠色環(huán)保水泥的工藝技術(shù)、專用設(shè)備以及產(chǎn)品開發(fā)，將會(huì)得到發(fā)展。一起看看新型綠色環(huán)保水泥的研發(fā)現(xiàn)狀!!!
波特蘭水泥體系
1低溫?zé)伤喙?jié)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℃，今后有望實(shí)現(xiàn)采用。雖然少量的微量元素成分會(huì)給產(chǎn)品帶來(lái)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(xì)粒化的研究報(bào)告，在這樣的窯內(nèi)環(huán)境下，溫度測(cè)定的精度很高。國(guó)外有的公司對(duì)一種硫鋁酸鹽礦物作用進(jìn)行了研究，這種礦物表示為4CaO3˙3Al2O3˙SO3(C4A3S)，從原料組成來(lái)看，形成的CO2量較少，并且燒成溫度也比阿利特低。為了適應(yīng)低碳社會(huì)的要求，水泥CO2的排放量越少越好，這種鈣硫鋁系水泥比現(xiàn)在通用硅酸鹽水泥的CO2排放量少30%左右，故世界上出現(xiàn)了這種系列水泥商品化的研發(fā)動(dòng)向。另外，在超快硬水泥、玻璃纖維增強(qiáng)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(guān)注。
2“間隙質(zhì)”對(duì)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Al2O3的成分較多，這是由于采用了廢棄物的結(jié)果，所以今后要考慮水泥中“間隙質(zhì)量”的增加問(wèn)題。“間隙質(zhì)”，即“質(zhì)量空白”，含量多會(huì)對(duì)凝結(jié)時(shí)間、水化熱、流動(dòng)性、最終強(qiáng)度、收縮率造成影響，故有必要研究其影響關(guān)系，找到對(duì)應(yīng)措施。例如，當(dāng)C3A增加時(shí)，可以調(diào)整石膏的加入量來(lái)保證好的流動(dòng)性，所以有人提出了保證一定物性、強(qiáng)度和水化熱的“間隙質(zhì)量”組成方案。
3“低放射性”水泥與“高間隙質(zhì)”概念相反的技術(shù)也在研究，現(xiàn)已開發(fā)了大幅度降低“間隙質(zhì)”熟料的技術(shù)，這種熟料僅含普通硅酸鹽水泥1/4的“間隙質(zhì)相”和低熱波特蘭水泥1/2的“間隙質(zhì)相”。一般認(rèn)為，為了保證熟料燒成穩(wěn)定，就要保證有一定的“間隙質(zhì)量”。通過(guò)原料配料和實(shí)驗(yàn)，可以找到合適的參數(shù)值，同時(shí)可滿足低熱水泥的質(zhì)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(shí)進(jìn)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(shè)施和與原子能關(guān)聯(lián)的設(shè)施。
4“低鈣”水泥在低鈣水泥系統(tǒng)方面，早期出現(xiàn)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(zhì)混合材20%～50%)、粉煤灰硅酸鹽水泥(粉煤灰20%～40%)，后來(lái)又出現(xiàn)了復(fù)合硅酸鹽水泥，即摻入兩種以上混合材。為了滿足高性能混凝土的要求，人們又采用摻加大量超細(xì)礦渣(比表面積600～800m2/kg)和高質(zhì)量粉煤灰等混合材技術(shù)，同時(shí)，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(fā)出新品種水泥。此外，高貝利特水泥(C2S>50%、C3S≤30%)的性能也正在研究中。此外，利用粉煤灰配料研究開發(fā)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(chǎn)方法，也是對(duì)低鈣水泥生產(chǎn)方法的研究，其產(chǎn)品綜合性能優(yōu)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(chǎn)工藝為基礎(chǔ)，形成適用于低鈣水泥生產(chǎn)的新工藝，我國(guó)在這方面已取得了較大進(jìn)展。
5“生態(tài)”水泥與協(xié)同處置廢棄物“生態(tài)”水泥是相對(duì)普通波特蘭水泥的概念，即在傳統(tǒng)水泥制造過(guò)程中，充分利用廢棄物替代原料或燃料，減少環(huán)境負(fù)荷，所得產(chǎn)品仍屬硅酸鹽水泥。因這種產(chǎn)品與環(huán)境友好，有利于可持續(xù)發(fā)展，故稱“生態(tài)”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(zhì)原料等，而生態(tài)水泥的配比組成因垃圾焚燒灰和下水污泥等占有相當(dāng)大的比重，則石灰石的含量可大大減少。日本上世紀(jì)90年代開發(fā)的“生態(tài)”水泥，1t水泥至少要使用500kg垃圾焚燒灰和下水污泥。由廢棄物帶入的二噁英可以在回轉(zhuǎn)窯1350～1500℃的高溫中分解，所以回轉(zhuǎn)窯的廢氣和熟料中都不會(huì)含有。另外，廢棄物帶入的重金屬在回轉(zhuǎn)窯1300℃以上高溫中以氯化物形式揮發(fā)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(biāo)準(zhǔn)之后排放。
從上世紀(jì)70年代開始，德國(guó)、美國(guó)、瑞士、法國(guó)、英國(guó)、意大利、挪威、瑞典、美國(guó)、加拿大、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家利用水泥窯處置危險(xiǎn)廢物和城市生活垃圾，替代量一般在20%～40%，個(gè)別水泥廠替代率可達(dá)50%以上，例如，上述垃圾焚燒灰生態(tài)水泥法、垃圾焚燒飛灰洗氯法、原態(tài)垃圾發(fā)酵焚燒法、德國(guó)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(yè)垃圾，當(dāng)其數(shù)量、性狀與特點(diǎn)不是標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)時(shí)，也可以按“合理性”與“可能性”在燒成系統(tǒng)的恰當(dāng)位置投入到窯內(nèi)。如廢輪胎可以用皮帶機(jī)一個(gè)一個(gè)從窯尾煙室送入，釀酒廢液可以用泵送進(jìn)窯尾合適位置。我國(guó)一些水泥廠在回轉(zhuǎn)窯協(xié)同處置廢棄物方面取得了一定進(jìn)展，如利用垃圾焚燒飛灰作為替代原料、生活垃圾綜合預(yù)處理焚燒法、回轉(zhuǎn)窯焚燒有毒有害廢棄物和焚燒生活污泥等。
6高性能水泥的研究
水泥是一種處于介穩(wěn)狀態(tài)的礦物粉體材料，通過(guò)水化后產(chǎn)生水化物，水化物彼此鍵合并逐漸硬化成為具有強(qiáng)度的硬化體。水泥從制備到應(yīng)用，不單是復(fù)雜的粉體工程，而且是一個(gè)從穩(wěn)定態(tài)到介穩(wěn)態(tài)，又從介穩(wěn)態(tài)向較穩(wěn)定態(tài)過(guò)渡的過(guò)程。所以為了提高水硬性就要提高水泥熟料礦物的介穩(wěn)性，使其盡量處于高能態(tài)，但為了提高耐久性就要提高水化物的穩(wěn)定性，盡量降低其能態(tài)。高性能水泥的研究?jī)?nèi)容如下：
(1)通過(guò)對(duì)水泥熟料礦相體系的優(yōu)化與改進(jìn)，使水泥高強(qiáng)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(xì)化理論和最佳級(jí)配理論，提高水泥熟料顆粒水化率，提高水泥內(nèi)部潛能利用率，并使水泥基材料有高致密性和高耐久性。調(diào)整水泥顆粒形狀和顆粒級(jí)配，將水泥各組分控制在不同粒度范圍，達(dá)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(fù)合、不同熟料與混合材的復(fù)合、不同顆粒尺寸材料的復(fù)合以及有機(jī)與無(wú)機(jī)的復(fù)合，增加水泥水化密實(shí)性和耐久性。
(4)對(duì)混合材料進(jìn)行物理化學(xué)預(yù)處理，使之微細(xì)化、活性化，具有性能調(diào)節(jié)功能，使混合材的水化產(chǎn)物在水泥中起到結(jié)構(gòu)致密性、膠結(jié)性、抗腐蝕性和耐久性作用，我國(guó)在機(jī)械力化學(xué)法研究方面有一定進(jìn)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(gòu)筑物各方面的性能和壽命，如強(qiáng)度提高10MPa、水泥用量減少20%～30%、抗?jié)B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
1特種水泥
我國(guó)硅酸鹽體系的特種水泥有幾十個(gè)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(zhì)量問(wèn)題。我國(guó)非波特蘭水泥體系的特種水泥也有幾十個(gè)品種，是對(duì)普通水泥性能的補(bǔ)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(yīng)用在耐火材料方面。特種水泥在適應(yīng)節(jié)能環(huán)保和應(yīng)用性能的要求下，品種逐步增多。
2化學(xué)激發(fā)膠凝材料的研發(fā)
傳統(tǒng)的硅酸鹽水泥膠凝材料，在制備過(guò)程中會(huì)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(lái)，國(guó)內(nèi)外出現(xiàn)了對(duì)堿激發(fā)膠凝材料的研究與報(bào)道，稱為堿膠凝材料，其目的就是大量采用工業(yè)副產(chǎn)物及工業(yè)廢渣，減少有害物質(zhì)的排放。堿激發(fā)膠凝材料的主要原料是工業(yè)排放的廢渣、尾礦、粘土類物料、天然礦物等，激發(fā)劑主要是各種化學(xué)試劑、工業(yè)副產(chǎn)品或產(chǎn)品，一般用量在10%以下。堿激發(fā)劑的作用是激發(fā)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(zhì)也可以使其具有膠凝性。一些化學(xué)激發(fā)膠凝材料的研發(fā)種類如下：
(1)堿—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(wú)定形物質(zhì)為主體。
(2)堿—燒粘土類，以粘土經(jīng)適當(dāng)溫度煅燒后形成偏高嶺石作原料，經(jīng)堿的激發(fā)而形成的膠凝材料，其組成幾乎不含鈣。
(3)堿—礦石尾礦類，如堿激發(fā)鉀長(zhǎng)石尾礦，和燒粘土類有相似處，含鈣量少。
(4)堿—碳酸鈣類，在一定條件下，堿性硅酸鹽溶液可能與天然石灰?guī)r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(guò)程中內(nèi)部原子、離子發(fā)生重排，組成新的結(jié)構(gòu)。
3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(lái)在深度研究方面又有一定進(jìn)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(duì)低碳水泥進(jìn)行設(shè)計(jì)，是新的技術(shù)研究?jī)?nèi)容。水泥與混合材的簡(jiǎn)單混合不一定就好，要全盤研究質(zhì)量管理、控制技術(shù)和恰當(dāng)?shù)闹圃旆椒ā?/p>
利用某些工業(yè)副產(chǎn)品中的γ-C2S與CO2反應(yīng)，可提高碳酸養(yǎng)護(hù)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(fā)電站排放的廢氣養(yǎng)護(hù)，甚至可使混凝土CO2的排放量成為負(fù)值，其產(chǎn)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(qiáng)度也可與水泥一樣，但要蒸汽養(yǎng)護(hù)。這種科技創(chuàng)新最近已有進(jìn)展，引起了世界的關(guān)注。這種材料由鋁硅酸鹽和堿化硅溶液制造。
4新型水泥基材料目前報(bào)道研究開發(fā)的品種有：無(wú)宏觀缺陷膠凝材料、含有均勻分布超細(xì)顆粒的致密材料體系、活性粉末混凝土和化學(xué)結(jié)合陶瓷材料等。目前在這一領(lǐng)域國(guó)內(nèi)外的關(guān)注點(diǎn)在于提高膠凝材料的力學(xué)性能、斷裂韌性和耐久性，研究?jī)?nèi)容包括不同性能材料的復(fù)合和超細(xì)化，在最小水灰比條件下實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)致密化。新型水泥基材料在隔音、保溫、核廢料儲(chǔ)存、遮擋核輻射等方面具有優(yōu)越的功能和性能。