生态水泥研究现状及趋势

滕 飞，马 成

（辽宁省建设科学研究院，辽宁 沈阳 110000）

1 引言

在建材工业的众多产品中，水泥是最主要的一种建筑材料，占有主导地位，不仅仅是因为水泥用量巨大，更重要的是因为水泥工业为经济的发展提供了前期的物质基础，进而推动了人类文明的进程。尽管水泥工业扮演着如此重要的角色，然而无论是从能源、资源消耗还是从环境保护的方面来考虑，水泥从生产、使用到废弃的过程都可以说是一个不断消耗和破坏人类生存空间的过程。因此，为了既要满足国民经济建设对优质建筑材料的需求，又要实现建材工业的可持续发展，保护生态环境和维护人体健康，研究和发展生态环保的建材产品是势在必行的。

2 生态水泥

生态水泥（Ecological Cement），又称绿色水泥（Green Cement）、健康水泥（Healthy Cement） 和环保水泥 （Recyclic Cement），是指以城市垃圾焚烧灰和下水道污泥等废弃物为主要原料，再添加其他辅助材料，经过煅烧、粉磨形成的新型水硬性胶凝材料。与以石灰石为主要原料生产出的传统水泥相比较，生态水泥的生产可以节约石灰石和粘土等天然原料，同时更有效且合理的处理了污染环境的城市垃圾和工业废弃物（500kg的废弃物约可生产1t的生态水泥），而生产过程中废气和粉尘排放更少；另外，生态水泥产品还可再生循环利用，达到与环境共生的目标，符合可持续发展的方向。目前，对生态水泥的研究得到了国内外广泛的关注，国外的研究成果已经投入到应用，但我国的这方面研究尚处于起步阶段［1］。

生态水泥的种类主要可以分为两种：通用型生态水泥和快硬型生态水泥。所谓通用型生态水泥基本与传统普通水泥相似，是通过控制原料中氯和碱的比例烧制而成，在烧制过程中氯被灰固结，产品含氯量仅有0.1%左右，因此通用型生态水泥可以广泛应用到一切钢筋混凝土构件中；快硬型生态水泥则是以富含氧化铝以及氯化物的焚烧灰为主要原料烧制而成的铝酸钙水泥，其早期强度高，比传统早强水泥凝固时间更短，可用于浇筑预制构件以及配制水泥砂浆，但是由于其含氯量较高，仅可应用于素混凝土或耐氯钢筋混凝土构件中。

生态水泥的主要生产工艺类似传统普通水泥生产工艺，但是由于是原料采用的是废弃物，因此增加了重金属回收预处理系统，这样可以防止烧制过程中原料分解的二噁英再合成，避免二次污染［1］。生态水泥的生产采用回转窑生产工艺，其优点是回转窑可以使废弃物原料在高温环境中停留足够长的时间，让废弃物能够完全分解，这样就不会产生不完全燃烧产物和有害气体（氯化氢、二氧化硅等）污染大气。生态水泥的主要生产工艺流程简图如下：

图1：生态水泥主要生产工艺流程简图

在生态水泥生产过程中应当注意以下几点。废弃物应当经过充分的均化处理成质量稳定、成分均匀的生料，避免由于原料的离散性大导致其不能够得到完全的燃烧。在窑尾还要加装快速冷却机将废气迅速冷却至250℃，避免二噁英二次合成。窑灰要通过重金属回收系统进行回收处理，除掉其中含有的Pb、Cr、As、Zn、Cu等重金属成分［4］。

在国外，生态水泥主要是指高贝利特水泥、工业废渣高掺量水泥，用工业废弃物生产水泥等。高贝利特水泥是一种高节能和高节约资源型的高性能生态水泥。普通硅酸盐水泥的生产需要高品位的石灰石经过14500℃以上的煅烧才可制成，这一过程还排放与水泥熟料相同重量的CO2、SO2和NOX等有害气体。采用高新制备技术和我国发明的第三系列（硫铝酸盐、铁铝酸盐）水泥技术，研究、开发的节能环保型高性能贝利特水泥（C2S大于60%）烧制温度仅需1200～12500℃，预计每年节省近千万吨标准煤；每年可利用工业废渣约1亿吨左右，CO2的总排放量至少会减少25%。这种水泥具有良好的强度、高耐久性和抗化学侵蚀，适用的范围更广，经济和社会效益显著［5］。

3 新型生态水泥

3.1 发泡水泥

发泡水泥，就是在水泥浆中充气而制成的具有低密度、低渗透率、低热导率低等优点的轻质发泡保温材料。发泡水泥一般使用固体废弃物如工业废渣(粉煤灰、矿渣粉、废石粉)、秸秆粉、锯末等材料作为混合材，而其中以粉煤灰的应用最为普遍。生产发泡水泥可以合理再利用工业废渣，从而能够节约大量的天然原料，改善了水泥的和易性，减少水泥制品的水化热，还能够提供高发泡水泥的抗渗能力［6］。

目前，国内研究中较为受关注的是发泡聚苯乙烯填充水泥材料。发泡聚苯乙烯（EPS）具有密度低、比强度高、吸水率低、耐酸碱、保温性好等优点，但是由于EPS颗粒表观密度比较低，使得浆料在搅拌过程中容易发生离析的情况，另外EPS表面为憎水性，无机胶凝材料对EPS不能够湿润，从而导致混凝土和易性较差，因此使用EPS填充前要将其经过表面化学处理才能够使EPS与水泥浆体黏结的很好［7］。随着对发泡聚苯乙烯填充水泥材料研究的逐渐深入，国内研究者发现EPS填充水泥复合材料具有良好的吸波性能，可以很好的防护电磁波；另外，在对EPS填充水泥复合材料施加荷载后，复合材料逐渐变形至破坏，表明材料的破坏属于塑性破坏，复合材料具有一定的韧性，进而表明EPS填充能缓解水泥制品的脆硬性［8］。此外，利用含钙量高和多孔结构的下水道淤泥灰可制备多孔泡沫材料［9］。

在国外，美国研究人员成功研制出一种将泡沫分散在水泥材料内并制作成复合的三明治结构的新型发泡水泥制品。这种将微泡分散在天然乳胶中形成的水泥浆多相复合材料具有三明治结构和爆炸缓冲层，能够在抗冲击性和耐水性方面表现的十分的优异［10］。俄罗斯和立陶宛的研究人员则是在波特兰泡沫水泥材料中填充碳纳米管，通过这种方法制得的复合材料具备了良好的机械性能［11］。南洋大学和谢菲尔德大学的研究人员则是在波特兰泡沫水泥浆中添加陶瓷微珠，从而使得复合材料表现出了良好的抗水性［12］。墨西哥的科研人员发明并制备出了一种无机发泡材料，这种发泡材料能够形成耐久力更好的泡沫，不但可以比有机发泡材料的成本更低，同时也避免了有机发泡材料合成过程中释放有害气体，使复合材料更具环保和人类友好的特性［13］。

3.2 土壤聚合物水泥

土壤聚合物水泥(简称土聚水泥)是一种性能优异的碱激活水泥，其水化产物是一种含有硅铝链的“无机聚合物”，这种水化产物与一些构成地壳物质相似，土聚水泥也因此而得名。土聚水泥是一种环保节能的新型生态水泥，凡是富含高岭石或者富含铝硅酸盐矿物的废渣都可以用来作为原料，同时生产过程中CO2的排放量仅为传统波特兰水泥生产中排放的CO2的10%左右。

由于土聚水泥独特的结构，其性能更为优异。主要性能特点有：（1）土聚水泥早期强度增长快。在室温条件下养护4小时，其抗压强度就可达15MPa～20MPa，并达到最终强度的70%，而后期强度也不会下降；另外，土聚水泥的抗拉、抗弯强度也远远超过硅酸盐水泥。（2）土聚水泥的水化产物具有稳定的三维网络结构，这就使得土聚水泥具有好于硅酸盐水泥的体积稳定性，其干缩量仅为硅酸盐水泥的80%。（3）土聚水泥制作工艺简单，室温下快速硬化，具有良好的施工性能。（4）土聚水泥的水化产物在自然条件的各种侵蚀下几乎能够存在上千年以上，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拥有更为致密的结构，所以这种混凝土的抗渗性、抗冻性更好；在酸性条件下有很小的质量损失，能够表现出良好的抗腐蚀性能；化学结构稳定，具有优良的的耐火隔热性能。

3.3 少熟料水泥

少熟料水泥是指以较少水泥熟料、适量石膏再加上一定比例的混合材制成的水硬性胶凝材料。少熟料水泥通过优化水泥熟料组成、提高熟料性能的方法，大幅度的提高了混合材的掺量，从而减少了能耗大、污染严重的硅酸盐水泥熟料的使用，这种采用先进的技术工艺制得的能够得到环保和生态双收益的新型胶凝材料是一种新型生态水泥。

不同于普通硅酸盐水泥，少熟料水泥所选用的水泥熟料要经过高细粉磨，从而降低其粒度，改善其粒径分布，另外熟料强度要高；活性混合材则可以大量掺入具有潜在水硬性或火山灰特性的工业固体废弃物（即各种工业废渣，矿渣、粉煤灰、煤矸石和高岭土等）；此外，少熟料水泥还需要石膏、碱性激发剂等辅料来激发其活性，优化少熟料水泥的性能［15］。

4 结束语

生态水泥的发展尚且需要更多的理论研究和实践来支撑，其中还存在不少有待解决的问题。首先，生态水泥的生产仍然会消耗很多的热能和电能，要解决这个问题就需要研发更新的、更节能的工艺和设备来降低能耗；其次，在研究以固体废弃物替代天然材料作为原料生产水泥的同时，也应当加强可燃性废弃物代替天然矿物燃料进行生产的研究进展，使得生态水泥的生产过程可以更大限度的解决城市垃圾和工业废渣处理问题；再次，生态水泥的生产过程中依然会排放一定量的废气和废渣，要实现零排放生产的目标，这些废弃物的再处理和利用还需要进一步深入的研究；最后，利用废弃物制备的生态水泥熟料的质量和使用生态水泥制备的混凝土的性能仍需要更全面的探讨。生态水泥的研究及发展是一个多学科交叉的综合性工作，研究工作者应当破除原有材料研究的固定模式，发散思维才能将这项对人类、对环境都有益的工作进行的更加完善、成功。

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