提高水泥性能 降低环境负荷

      　“高性能水泥制备和应用的基础研究，作为973计划中惟一的建筑材料领域具有原创性创新的基础研究项目，经过建材行业科研人员历时5年的潜心研究，目前已圆满结题。项目研究取得骄人成果，赢得了科技部专家组的高度赞誉。他们一致认为，高性能水泥制备和应用的基础研究成果，对我国建材行业发展将产生重要的导向作用。”国家973计划项目首席科学家陈益民日前接受本报记者采访时高兴地说。

　　　　从具有百年历史的水泥制备与应用技术中开掘出来，并有幸跨入国家973计划门槛，高性能水泥制备和应用的基础研究从2001年国家批准立项研究到结题，历经5年。来自中国建筑材料科学研究总院、南京工业大学、同济大学、北京工业大学、武汉理工大学、浙江大学、济南大学和东南大学的教授、高级工程师及博士后、博士和硕士等150余位科研人员，在首席科学家陈益民和许仲梓的带领下，根据高性能水泥不同于传统水泥的特征，深入研究高性能水泥的高强度、优异的耐久性和良好的环境协调性。项目研究成果工业化应用后，可使水泥生产熟料用量减少30%，在同等熟料用量条件下水泥强度提高一个等级，水泥基材料耐久性提高一倍，综合能耗降低20%，环境负荷降低30%.这使我国水泥材料的科学研究达到国际先进水平，在某些领域达到国际领先水平。

　　　　多项研究成果居国际领先水平

      　　陈益民介绍说，高性能水泥制备和应用的基础研究共有6个课题，分别是高胶凝性水泥熟料矿物体系的研究、高胶凝性和特性熟料复合体系的研究、性能调节型辅助胶凝组分的研究、水泥水化机理及过程控制、高性能水泥浆体的结构形成与优化和高性能水泥与水泥基材料的环境行为及失效机理等研究。

　　　　5年来，科研人员对高阿利特（硅酸三钙）含量的高胶凝性熟料体系研究方面取得重要进展。他们获得阿利特含量达到70%左右的相体系配料和烧成方法，包括高阿利特含量的高胶凝性硅酸盐系熟料矿相匹配和优化，研究了掺杂对高阿利特熟料烧成的促进作用，在高阿利特高胶凝性水泥熟料及其制备方法方面取得突破。在高阿利特熟料中阿利特组成、晶体结构和性能的研究取得进展，他们发现，阿利特中的杂质可以明显影响其结构，适宜的掺杂使阿利特的结构转变成较高介稳态；发现阿利特的结构变化可能是影响水泥熟料胶凝性的重要原因之一，在阿利特组成、烧成条件、结构与性能研究方面取得了创新性成果，达到了国际领先水平。在含硫铝酸盐矿物的硅酸盐熟料体系相匹配关系、烧成控制方法、性能特点研究，以及含硫铝酸盐矿物的熟料对粉煤灰有强激发作用方面，科研人员也有新发现；通过研究矿物形成动力学和杂质影响，在熟料组成设计、有利于扩大阿利特和硫铝酸盐共存温度范围方面有新进展；建立了熟料中硫铝酸钙测定方法——化学法，为含硫铝酸盐的水泥熟料生产提供有效控制方法。他们提出了制备活性辅助胶凝组分的方法和活化机理，取得创新性成果。在国内外缺乏的对煤矸石活化途径和机理的研究方面，陈益民等科研人员对煤矸石中的黏土矿物结构转变成无定形结构，外来离子（如钙）改变了无定形化结构状态性质，使其结构状态进一步失稳的研究发现，已居国际先进水平。特别是在高性能水泥基材料的环境行为和破坏机理研究中，科研人员将国内外的研究单因素破坏作用，改为多因素协同作用的环境行为研究，居世界前沿，意义重大。

　　　　成功开展高性能水泥制备和工业废弃物活化的工业性试验

      　　科研人员在高性能水泥制备和应用的基础研究中，还成功地开展了高胶凝性水泥熟料工业性试生产。他们在5家水泥生产企业的新型干法窑和湿法回转窑内进行了高阿利特水泥熟料的烧成工业化试验；在17家水泥生产企业中开展了含硫铝酸盐矿物的硅酸盐水泥熟料的烧成中试，均取得了很好的效果，水泥熟料强度均显著提高。他们在生产中，初步证实了实验室取得理论成果的正确和可靠，并取得了显著的社会效益和经济效益。如在新型干法窑烧制成功了阿利特含量达到70%左右的高胶凝性水泥熟料，其28天抗压强度高达70MPa.这对于提高水泥中工业废弃物的掺和量十分有效。在带五级旋风预热器干法水泥窑上进行工业化试验，试生产的阿利特-硫铝酸钡钙水泥，早期强度提高30%以上。

　　　　科研人员在对主要产地的煤矸石进行成分分析和相分析的基础上，提出了煤矸石从工业废渣转化为高性能水泥用性能调节型辅助胶凝组分的方法和活化的机理，并开展了半工业性试验。他们分析了全国10多个主要产煤区排出煤矸石的组成结构特性（化学组成、相组成、相结构等），研究热历史等因素与其胶凝活性的相关性；综合运用热活化、化学活化、机械活化与复合活化的方式，研究在激发组分、温度、微细化等因素作用下，煤矸石的颗粒表面结构、物理化学变化特征与活化效果，等等，都达到了预期效果。

　　　　研发水泥化学研究、混凝土环境行为试验的新方法、新装置

      　　科研人员研究发明了多种工业废渣转化成辅助胶凝组分的方法和机理，特别是复合型辅助胶凝组分性能优化的方法和作用，提出高性能水泥体系复合胶凝效应与性能优化设计。他们提出钢渣、磷渣、赤泥作为辅助胶凝组分的方法。其中，微细钢渣作为水泥活性混合材的研究成果，已经在多家企业进行产业化；建立了一系列水泥水化过程表征的先进研究方法，研究和提出了高性能水泥水化反应产物形成及演变过程；研究高性能水泥浆体的结构形成与演变规律，提出高性能水泥浆体结构模型和强度模型；开发出多种混凝土环境行为试验研究新方法，研究了水泥基材料的两种和多种因素共同作用下的损伤机制；针对低钙复合体系高性能混凝土的组成和特点，提出了高性能水泥基材料的失效机理和高耐久性水泥基材料的设计方法与途径等。

　　回顾5年来的研究与实践，陈益民表示，973计划项目高性能水泥制备和应用的基础研究成果意义重大。他说，他们的研究首先是解决了高性能水泥基材料特有组成和结构的耐久性科学问题，特别是在水泥基材料低碱度高耐久问题上，提高了高性能水泥基材料水化相的结构密实度，抑制有害离子在水泥浆体中的扩散，从而降低或延缓了混凝土遭受有害离子腐蚀的程度。二是提出了环境行为各因素及其协同作用下评价混凝土损伤失效的多种研究新方法，从宏观、微观和细观层次对混凝土的损伤失效开展研究，开发了多种混凝土环境行为试验研究新方法。三是提出了材料环境行为的系列协同效应理论，对腐蚀介质向混凝土内部渗透、扩散，与混凝土水化产物发生化学反应生成膨胀性物质，以及腐蚀介质与荷载作用下的高性能混凝土所承受的拉应力等进行了深入研究。四是研究了高耐久性水泥基材料的理论与设计方法。这些是对高性能水泥基材料的研究思想、试验方法和环境行为分析理论的创新，为建设环境友好、节约资源和能源的水泥工业奠定了理论基础，提供了试验依据。

　　　　这个项目在研究过程中，共申请了51项专利，其中20多项已经获得批准。目前，项目已经获得省部级科技奖励5项、发表学术论文500余篇、鉴定科技成果10项。不久前，教育部、北京市科委、江苏省科技厅等单位分别组织专家鉴定委员会对973计划项目高性能水泥制备和应用的基础研究所属6个课题的研究成果进行了严格的鉴定。专家们认真听取了课题组的汇报，审查了相关技术资料，并进行质疑和讨论，充分肯定了课题组研究成果。以中国工程院院士唐明述为主任的鉴定委员会在对高胶凝性水泥熟料矿物体系的研究成果签署的鉴定意见中这样写道：“成果总体水平达到国际先进水平，其中在高阿利特水泥熟料的组成设计、相匹配、烧成与性能方面的研究成果居国际领先水平。”以黄书谋为主任的鉴定委员会认为：高性能水泥和水泥基材料的环境行为与失效机理研究成果整体达到国际先进水平，其中，在ACR快速试验方法和混合材抑制ASR反应机理方面的研究成果达到国际领先水平。

　　　　这为973计划项目高性能水泥制备和应用的基础研究画上了圆满的句号，同时，也代表了高性能水泥制备和应用研究新征程的开始。国家科技部已经将这一项目的研究成果向产业化转化，列入“十一五”的重大科技计划。陈益民表示，他们将开展工艺技术和配套装备的攻关，解决产业化方面的关键技术问题，使这一基础性的研究成果能够在工业生产中广泛应用，将我国水泥工业建设成环境友好型、资源节约型的新型工业。