（材料学专业论文）碱激发碳酸盐矿矿渣胶凝材料的缓凝、性能及养护制度的影响.pdf

华南理工大学 学位论文原创性声明 l u i lli i ii 11 11 11 1i ii y 1815 2 4 0 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进 行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容 外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作 品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明 确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：_ 囊f 私堪 日期：州年护月护占日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规 定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属华 南理工大学。学校有权保存并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和电子版，允许学位论文被查阅( 除在保密期内的保密论 文外) ；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采 用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。本人电子文 档的内容和纸质论文的内容相一致。 本学位论文属于： 囱保密，在三竺生年解密后适用本授权书。 口不保密。 学位论文全文电子版提交后： 口同意在校园网上发布，供校内师生和与学校有共享协 议的单位浏览。( 请在以上相应方框内打“”) 本人签名：盔盘逮 导师签名：缱叁 日期：望叠：堕! 亟 日期：型二堑二! 摘要 摘要 传统无机胶凝材料生产所造成的资源、能源过度消耗以及严重的环境污染， 是无机胶凝材料工业实现可持续发展的障碍。因此，采用清洁生产技术，耗能少， 不用或少用天然资源，大量使用固态废弃物、低品位天然资源，生产新型胶凝材 料具有重要的战略意义。化学组成为w ( c a o ) 4 5 和6 w ( m g o ) 2 0 的碳酸盐 矿，在冶金工业和建材工业均难以使用，属于废弃的低品位天然资源，在常温下， 它虽然可与硅酸钠溶液能够不断反应生成胶凝物质，但其反应速度慢、早期反应 程度低，因而强度发展缓慢，后期强度亦偏低，抗渗性能不够高。 高炉矿渣的复合可以大幅度提高碱激发碳酸盐矿胶凝材料的强度性能和抗渗 性能，但却导致该材料的凝胶时间显著缩短、流动性明显变差。然而研究发现， 采用苹果酸、消石灰、磷酸、磷酸钠、氯化钠和四硼酸钠等十余种适用于碱矿渣 水泥的缓凝剂均难以起到改善凝胶时间和流动性的效果。经大量探索研究发现， b a c l 2 2 h 2 0 ( b s ) 既能有效延缓其凝胶时间、改善其流动性能，又有利于材料 强度性能的发展与提高，且无论硅酸钠模数( 以) 、硅酸钠溶液浓度( c s s ) 、矿渣 掺量( m s ) 以及液固比等参数如何变化，我们均可通过调整b s 的用量( q ) 的大 小来控制材料的凝胶时间或凝结时间。同时，研究发现b s 的掺入方式对胶凝材料 性能有着显著的影响：直接以粉末形式掺加时，导致材料3 d 强度降低3 6 左右； 以溶液形式掺入并采用二次或三次搅拌工艺，可有效提高材料的早期和后期强度。 但是，b s 无论以什么方式掺入，均可提高材料9 0 d 龄期时的强度。 进一步的研究表明，以b s 为缓凝剂，采用二次搅拌工艺，可制备出碱激发 碳酸盐矿矿渣胶凝灌浆材料和高强型碱激发碳酸盐矿矿渣胶凝材料。制备灌浆 材料时，可采用液固比0 8 ，硅酸钠模数n = 1 6 、硅酸钠浓度c s s = 3 5 、矿渣掺量 m s = 3 0 。5 0 的配合比。此时，灌浆材料具备工作性能良好、凝胶时间可调和早强 高强的特点，3 d 、2 8 d 抗压强度最高可分别达2 5 5 m p a 和4 6 9 m p a 。采用液固比 值0 5 ，矿渣掺量m s = 3 0 5 0 ，可以获得各龄期强度均较高的高强型碱激发碳酸 盐矿矿渣胶凝材料，其3 d 、2 8 d 抗压强度最高可分别达4 9 5 m p a 和8 9 3 m p a 。 升高养护温度可较大幅度地提高材料的早期强度，但对后期强度影响不大； 水中养护则会降低材料各龄期的强度，尤其在矿渣掺量较低和养护温度较高时， 强度降低尤为明显。 振荡快速溶出试验、电场驱动溶出试验以及浸渍溶出试验等研究结果表明， 碱激发碳酸盐矿矿渣胶凝材料中钠、硅组分的溶出受扩散过程控制，提高矿渣掺 量可以减少钠、硅组分的溶出。 华南理丁大学硕士学位论文 浸出毒性试验方法表明，碱激发碳酸盐矿矿渣胶凝材料对c r ( v i ) ，c d ( u ) 和 p b ( i i ) 离子有良好的固化和稳定能力，其即使是在完全碳化后，仍对上述三种离 子有很好的溶出抑制作用。 x - r a y 衍射、s e m 、i r 等分析测试测试结果表明，碱激发碳酸盐矿矿渣胶凝 材料的反应产物主要以凝胶形式存在，结晶程度较差；产物形貌多为不规则片状 或纳米级颗粒状，当降低液固比或升高养护温度时，则会有卷曲状和网状等反应 产物生成。 通过上述研究可以发现，采用适当的缓凝技术后，碱激发碳酸盐矿矿渣胶凝 材料可以开发用作地层灌浆材料、修补用高强材料。同时，由于其具备很好的固 化与稳定c r ( v i ) 、c d ( i i ) 和p b ( i i ) 等有毒有害离子的能力和在生产过程中可实现 低品位碳酸盐矿的高效化利用以及与同类型材料相比具有性价比低的特点，可以 认为这种材料是一种新型环境友好型胶凝材料。 关键词：碱激发；胶凝材料；低品位碳酸盐矿；缓凝；溶出 a b s t r a ( 了 a bs t r a c t t h ep r o d u c t i o no fi n o r g a n i cc e m e n t i t i o u sm a t e r i a l sh a sr e s u l t e di ne n v i r o n m e n t p o l l u t i o na n do v e r a g ec o n s u m p t i o no fe n e r g ya n dr e s o u r c e ，s e r i o u s l yc o u n t e r a c t i n g t h es u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n to fs o c i e t ya n de c o n o m y t h e r e f o r e ，i th a s s t r a t e g i c m e a n i n gt od e v e l o pn e wt y p e so fc e m e n t i t i o u sm a t e r i a l sw i t hc l e a nm a n u f a c t u r i n g t e c h n o l o g y , u t i l i z a t i o no fb o t hn a t u r a l r e s tm a t e r i a la n di n d u s t r i a lw a t e s ，a n dl e s s e n e r g yc o n s u m p t i o na n dp o l l u t i o na sw e l l c a r b o n a t i t e ，w i t hc a ol e s st h a n4 5 a n d m g oo f6 t o2 0 b ym a s si nc o m p o s i t i o n ，c a n n o tb eu s e db o t hi nm e t a l l u r g y i n d u s t r ya n db u i l d i n gm a t e r i a l si n d u s t r y , p r a c t i c a l l yb e i n gak i n do fw a s t en a t u r a l m a t e r i a l i tw a sf o u n dt h a tt h i sk i n do fc a r b o n a t i t e sc o u l dr e a c tw i t hs o d i u ms i l i c a t e s o l u t i o nc o n t i n u o u s l ya tr o o mt e m p e r a t u r et op r o d u c ec e m e n t i t i o u sm a t e r i a l t h e m a t e r i a lp r o d u c e db yt h i sp r o c e s si sc a l l e da l k a l i a c t i v a t e dc a r b o n a t i t e sc e m e n t i t i o u s m a t e r i a l ( a a c c m ) am a i ns h o r t a g eo fa a c c m i st h el o ws t r e n g t ha tb o t he a r l ya n d l a t ea g e sa n dl o wi m p e r m e a b i l i t yb e c a u s eo fl o wr e a c t i o nd e g r e eo fc a r b o n a t i t e sw i t h a l k a l i n es o l u t i o n i th a sb e e n f o u n dt h a tw i t ht h er e p l a c e m e n to fs o m ec a r b o n a t i t ew i t hg r o u n d g r a n u l a t e db l a s tf u r n a c es l a g ( g g b f s ) ，c a l l e da a c s c m ，e i t h e rt h es t r e n g t ho rt h e i m p e r m e a b i l i t yo ft h em a t e r i a li si m p r o v e ds i g n i f i c a n t l y , b u tt h es e t t i n gt i m ea n d f l u i d i t yo ft h em a t e r i a la r eg r e a t l yd e c r e a s e d s o m es e t t i n gr e t a r d e r sw h i c ha r e s u i t a b l ef o ra l k a l i - a c t i v a t e ds l a g ( a a s ) ，s u c ha sm a l i ca c i d ，c a ( o h ) 2 ，h 3 p 0 4 ，n a a p 0 4 ， n a c l ，n a 2 8 4 0 7 ，e t c ，a r en o te f f e c t u a lf o rr e t a r d i n gt h es e t t i n go ft h em a t e r i a l ，l e a d i n g i ti m p o s s i b l et of u r t h e ro p t i m i z et h ep e r f o r m a n c eo ft h em a t e r i a l h o w e v e r ，t h r o u g ha n u m b e ro ft r i a l s ，i ti sf o u n dt h a tc h e m i c a lr e a g e n tb sc a ne f f i c i e n t l yr e t a r dt h e g e l a t i o no fa a c s c mp a s t ea n di m p r o v et h es t r e n g t ho fa a c s c mm o r t a r s b e s i d e s ， t h es e t t i n go ft h em a t e r i a lw i t hd i f f e r e n tp r e s c r i p t i o nc a nb ec o n t r o l l e dc o n v e n i e n t l y b ya d j u s t i n gt h ed o s a g eo fb s t h ea d d i n gm o d eo fb si s f o u n dt oa f f e c tt h e p e r f o r m a n c eo fa a c s c mr e m a r k a b l y w h e nb sp o w d e ri sd i r e c t l ya d d e dt ot h e m i x t u r e ，t h e3d a yc o m p r e s s i v es t r e n g t ho fa a c s c mm o r t a ri sd e c r e a s e db y3 6 c o m p a r e dw i t h t h a to fc o n t r o ls p e c i m e nw i t h o u tb sa d d i t i o n ，w h i l et h e9 0d a y c o m p r e s s i v es t r e n g t hi sg r e a t l yi m p r o v e dw h e t h e rb si sa d d e di nt h ef o r mo fp o w d e r o rs o l u t i o n f u r t h e rs t u d i e si n d i c a t et h a ta l k a l i a c t i v a t e dc a r b o n a t i t e s l a gg r o u t i n gm a t e r i a l i l l 华南理工大学硕士学位论文 ( a a c s g m ) a n dh i g hs t r e n g t ha l k a l i a c t i v a t e dc a r b o n a t i t e - s l a gm a t e r i a l ( h s a a c s m ) c a nb ep r e p a r e dw i t hb sa d d i t i o na n dt w i c em i x i n gt e c h n o l o g y ( 1 ) w h e na a c s c mi s t ob es e r v e da sg r o u t i n gm a t e r i a l ，t h ep r o p e rr a t i oo fm i x i n gs o l u t i o nt oc a r b o n a t i t e a n dg g b f sb e i n g0 8 b ym a s sa n dt h ep r e p a r a t i o np a r a m e t e r sa r ea sf o l l o w i n g ：t h e m o d u l u s 以，c o n c e n t r a t i o nc s so fs o d i u ms i l i c a t es o l u t i o na n dr e p l a c e m e n tr a t i o ( 施) o fg g b f sa r e1 6 ，3 5 a n d3 0 - 5 0 ，r e s p e c t i v e l y , w h e r end e n o t e st h em o l er a t i oo f s i 0 2t on a 2 0 ，a n dc s st h em a s sp e r c e n t a g eo ft o t a ln a 2 0a n ds i 0 2i nt h es o l u t i o n a a c c mf r e s h p a s t e ，p r e p a r e da c c o r d i n gt o t h ep a r a m e t e r sa b o v e ，i ss t a b l ei n f l o w a b i l i t ya n dw i t hh i g hs t r e n g t hb o t ha te a r l ya n dl a t es t a g e sa f t e rh a r d e n i n g a t3 d a n d2 8 d ，t h ec o m p r e s s i v e s t r e n g t h s o fm o r t a rs p e c i m e n so ft h em a t e r i a lr e a c h 2 5 5 m p aa n d4 6 9 m p a ，r e s p e c t i v e l y h s a a c s c mc a nb ep r e p a r e da tar a t i oo f m i x i n gs o l u t i o nt oc a r b o n a t i t ea n dg g b f sb e i n g0 5b ym a s sa n dm s = 3 0 - 5 0 w i t ht h i sp r e s c r i p t i o n ，t h ec o m p r e s s i v es t r e n g t h so fm o r t a rs p e c i m e n sr e a c h4 9 5 m p a a n d8 9 3 m p aa t3 da n d2 8 d ，r e s p e c t i v e l y t h ee f f e c to fc u r i n gc o n d i t i o no nt h ep e r f o r m a n c eo fa a c s g mh a sb e e ns t u d i e d t h ee a r l ys t r e n g t hi sg r e a t l yi m p r o v e dw i t ht h ei n c r e a s eo fc u r i n gt e m p e r a t u r e ，w h i l e t h es t r e n g t ha tl a t es t a g ei sk e p tu n c h a n g e d w h e nt h es p e c i m e n sa r ec u r e di nw a t e r , t h es t r e n g t hi sr e d u c e d ，e s p e c i a l l yf o rt h es p e c i m e n sw i t hl o wg g b f sr e p l a c e m e n t a n dh i g hc u r i n gt e m p e r a t u r e t h el e a c h i n gc h a r a c t e r i s t i c so fs o d i u ma n ds i l i c af r o ma a c s g mh aa l s ob e e n s t u d i e d r e s u l t sf r o ms h a k e nl e a c h i n gt e s t ，l e a c h i n gu n d e re l e c t r i cf i e l dp r o d u c e db y c o n s t a n tv o l t a g ea n dt a n kl e a c h i n gt e s ts h o wt h a tt h el e a c h i n gb e h a v i o ro fs o d i u ma n d s i l i c ai sc o n t r o l l e db yf i c k sl a wo fd i f f u s i o n t h el e a c h i n go fs o d i u ma n ds i l i c ac a n b er e s t r i c t e db yi n c r e a s i n gt h er e p l a c e m e n to fg g b f s r e s u l t so ft a n kl e a c h i n gt e s ts h o wt h a ta a c s c mi sc a p a b l et ow e l ls t a b i l i z e t o x i ca n dh e a v ym e t a l s ，s u c ha sc r ( v i ) ，c d ( i i ) a n dp b ( i i ) e v e ni ft h es a m p l e sa r e c o m p l e t e l yc a r b o n i z e dt h el e a c h i n go ft h et h r e em e t a l sc a nb er e s t r i c t e d t h r o u g hx r d ，s e m ，a n di rm e t h o d s ，e t c i ti sf o u n dt h a tt h er e a c t i o np r o d u c t s o f a a c s c ma r em o s t l yi nt h ef o r mo f g e la n dp o o r l yc r y s t a l l i z e d t h em o r p h o l o g yo f t h er e a c t i o np r o d u c t si sm o s t l yc o m p r i s e do fi r r e g u l a r l ys l i c e sa n dn a n o m e t e r - s i z e d p a r t i c l e s c r u m p l e da n dn e t l i k e ( f r a m e w o r k ) r e a c t i o np r o d u c t sa r eo b t a i n e du n d e rt h e c o n d i t i o no fl o wl s ，i e t h er a t i oo fl i q u i dt os o l i d ，o rh i g hc u r i n gt e m p e r a t u r e b a s e do nt h er e s u l t so ft h i sr e s e a r c h ，i ti sc o n f i r m e db ya d o p t i n gt h es e t t i n g r e t a r d a t i o np r o p o s e db ya u t h o r , a a c s c mc a nb ed e v e l o p e dt ob eg r o u t i n gm a t e r i a l a n ds t r u c t u r a lm a t e d a l t h i sm a t e r i a lc a nb ec l a s s i f i e da sak i n do fe n v i r o n m e n t a l i v a b s t r a c t f r i e n d l yc e m e n t i t i o u sm a t e r i a lw i t hg o o dp e r f o r m a n c e ，l o wc o s t ，b e i n ga b l et ou t i l i z e l o w g r a d ec a r b o n a t i t ea n dw e l ls t a b i l i z et o x i ca n dh e a v y m e t a li o n s ，s u c ha sc r ( v i ) 、 c d ( i i ) a n dp b ( i i ) k e yw o r d s ：a l k a l ia c t i v a t i o n ，c e m e n t i t i o u sm a t e r i a l ，l o w g r a d ec a r b o n a t i t e ；m e t h o d f o rs e t t i n gr e t a r d a t i o n ，l e a c h i n g v 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 第一章绪论1 1 1 无机胶凝材料的环境相容性1 1 1 1 硅酸盐水泥生产与资源、环境问题1 1 1 2 无机胶凝材料环境相容性的改进途径2 1 2 碱矿渣水泥4 1 2 1 凝结时间4 1 2 2 强度性能5 1 2 3 在废弃物管理及固化有害组分方面的应用7 1 3 碱激发碳酸盐矿胶凝材料8 1 3 1 碱激发碳酸盐矿胶凝材料的由来和发展8 1 3 2 碱激发碳酸盐矿胶凝材料的性能8 1 3 3 碱激发碳酸盐矿胶凝材料尚存问题9 1 3 4 提高碱激发碳酸盐矿胶凝材料性能的可能途径1 0 1 4 本课题的研究思路与研究内容1 0 1 4 1 研究思路1 0 1 4 2 研究内容1 1 第二章碱激发碳酸盐矿一矿渣胶凝材料缓凝技术1 3 2 1 试验原材料与试验方法1 3 2 1 1 试验用原材料1 3 2 1 2 试验用原材料的制备1 4 2 1 3 试验方法1 4 2 2 缓凝剂的探索1 6 2 3b s 掺入方式对胶凝材料性能的影响1 8 2 3 1 缓凝剂b s 的几种掺入方式1 8 2 3 2 试验用胶凝材料的参数1 9 2 3 3 工作性能19 2 3 4 强度性能2 0 2 4 讨论2l 2 4 1b s 缓凝作用机理探讨2 1 华南理工大学硕士学位论文 2 4 2 不同掺入方式时b s 的缓凝机理探讨2 2 2 5 本章小结2 3 第三章碱激发碳酸盐矿矿渣胶凝材料的制备2 5 3 1 碱激发碳酸盐矿矿渣灌浆材料( 液固比o 8 ) 2 5 3 1 1 工作性能2 5 3 1 2 强度性能2 9 3 1 3 材料参数的选择3 0 3 2 高强型碱激发碳酸盐矿矿渣胶凝材料( 液固比0 5 ) 3 l 3 2 1 试验原材料- 3 l 3 2 2 试验方法3l 3 2 3 凝结时间。3 2 3 2 4 强度性能3 3 3 3 碱激发碳酸盐矿矿渣胶凝材料的微观结构分析3 5 3 3 1 扫描电镜分析( s e m ) 3 5 3 3 2 孔结构分析( m i r ) 4 0 3 4 本章小结。4 2 第四章养护制度对碱激发碳酸盐矿矿渣胶凝材料性能的影响4 3 4 1 试验方案的设计4 3 4 1 1 原材料。4 3 4 1 2 胶砂材料的配方。4 3 4 1 3 养护制度4 4 4 1 4 胶砂试体孔隙率的测定4 4 4 2 养护制度对强度性能的影响。4 5 4 3 养护制度对材料孔隙率的影响一4 8 4 4 养护制度对反应产物的影响一5 0 4 4 1 材料的微观形貌5 0 4 4 2x r d 分析5l 4 4 3i r 分析。5 3 4 5 讨论5 1 ； 4 6 本章小结5 6 第五章碱激发碳酸盐矿矿渣胶凝材料的抗溶出性能5 7 5 1 试验方法5 7 5 1 1 净浆孔溶液抽取方法5 7 5 1 2 快速溶出试验方法5 7 5 1 3 恒压电场驱动溶出试验方法5 8 h 目录 5 1 4 浸渍溶出试验方法5 8 5 1 5 溶液中的钠、硅组分测定方法一5 8 5 2 孔溶液5 9 5 2 1 孔溶液中h a 含量变化5 9 5 2 2 孔溶液中s i 0 2 含量变化6 0 5 3 快速溶出6 1 5 3 1n a 的溶出规律6 1 5 3 2s i 0 2 的溶出规律6 2 5 3 3 快速溶出结果与孔溶液的关系6 2 5 4 恒压电场驱动溶出6 3 5 5 浸渍溶出6 5 5 5 1 浸渍溶出结果6 5 5 5 2 溶出扩散控制模型6 7 5 6 本章小结一6 8 第六章碱激发碳酸盐矿矿矿渣胶凝材料对有毒离子的固化7 0 6 1 试验原材料与试验方法。7 1 6 1 1 试验原材料7 l 6 1 2 试验方法7 l 6 2 强度性能一7 3 6 3 对重金属离子的溶出抑制作用7 4 6 3 1 对铬离子的溶出抑制作用7 4 6 3 2 对镉离子的溶出抑制作用7 6 6 3 3 对铅离子的溶出抑制作用7 6 6 3 4 孔溶液中重金属离子含量一7 7 6 3 5 溶出抑制机理探讨7 8 6 4 本章小结7 8 结论7 9 参考文献81 攻读硕士学位期间发表的学术论文。9 0 攻读硕士学位期间申请的专利。9 l 致谢9 2 l l i 第一章绪论 第一章绪论 1 1 无机胶凝材料的环境相容性 1 1 1 硅酸盐水泥生产与资源、环境问题 水泥是建筑工业三大基本材料之一，是应用最广、产量最大的人造材料，素 有“建筑工业的粮食”之称。从工业民用建筑到水利、公路、桥梁、隧道、采油平 台等都大量使用。硅酸盐水泥经过一百八十余年的生产实践，其生产工艺、煅烧 设备、粉磨设备、质量检验及控制方法等都取得了巨大进步。 然而，硅酸盐水泥“两磨一烧”的生产工艺消耗了大量资源、能源，并对人类 赖以生存的环境与资源产生一定的影响甚至破坏。现有的水泥生产消耗大量优质 石灰石、粘土和煤炭资源，不仅成本高，而且这些不可再生矿物资源的持续性大 量消耗将对人类社会产生重大的影响。硅酸盐水泥熟料一般需要经1 4 5 0 c 的高温 煅烧，能量消耗大，每吨硅酸盐水泥消耗标准煤1 8 5 - 2 4 3 公斤( 包括发电用煤) ； 同时石灰石分解和燃料燃烧排放出大量的c 0 2 及n o x 、s 0 2 等有害废气，对环境 与气候都造成极其不利的影响。其中尤以巨大的c 0 2 排放量( 每生产1 吨硅酸盐 水泥熟料将排放约1 吨c 0 2 【1 】) 给地球的温室效应不断增加沉重的砝码，全球排 放的上百亿吨c 0 2 气体中，水泥混凝土行业就占其1 1 0 左右。水泥生料和熟料的 粉磨过程中还会排放出大量粉尘。目前，全世界水泥产量已突破2 0 亿吨，由于水 泥用量极大和不断增加，其带来的资源、能源和环境问题日益突出，成为可持续 发展的严重障碍。s w a n n y 说“无论从经济、技术和生态观点，在今后的建筑业中 寻找硅酸盐水泥的替代品是势在必行的”。目前世界各国均积极致力于研究开发低 能耗、低材耗、可利用工业废弃物或低品位天然资源、污染小、可实现材料循环 利用的新型绿色胶凝材料。 中国水泥产量自1 9 8 5 年以来一直位居世界第一，2 0 0 4 年中国水泥产量为9 7 亿吨，2 0 0 5 年已增至l o 6 亿吨，均接近全世界水泥总产量的一半。据1 9 9 6 年统计 数据，中国已发现石灰岩矿点1 2 3 3 处，b + c + d 级储量5 4 3 5 亿t ；可利用矿点6 0 4 处，保有水泥石灰岩储量2 8 6 亿吨，根据中国水泥工业的发展态势，仅能满足约4 0 年的水泥生产需要【2 1 。同时有资料显示：我国大部分水泥是由立窑为主的落后生 产工艺生产的( 2 0 0 5 年占5 5 5 4 ) ，因绝大多数立窑水泥厂生产规模小，所以一 般不自备矿山，而是外购民采石灰石，采矿率不足4 0 ，造成了严重的资源浪费 和环境污染。与国外水平相比，同等储量的石灰石，若我国能用1 0 0 年，国外则可 以用到2 1 0 年以上【3 1 。另外，2 0 0 3 年水泥工业的能耗在原材料工业中排名第二，仅 华南理工大学硕士学位论文 次于冶金工业【3 4 j ，万元产值能耗居全国各行业部门之首。因此充分利用资源， 减少能源消耗，开发新型绿色胶凝材料对中国来说更为迫切。党的“十六大 报 告指出，我国要走“可持续发展能力不断增强，生态环境得到改善，资源利用效率 显著提高，促进人与自然的和谐，推动整个社会走上生产发展、生活富裕、生态 良好的文明发展道路”。为实现这一目标，建筑材料行业要积极开展“低污染、节 能、节土、利废的多功能新型建筑材料”及“工业废弃物、低品位资源、燃料等综 合利用的新途径、新领域的研究开发”和应用工作。 1 1 2 无机胶凝材料环境相容性的改进途径 1 1 2 1 硅酸盐水泥生产的环境相容性改进 ( 一) 调整水泥工业结构 以立窑为主的小水泥企业产品质量低、能耗大、污染环境及资源浪费严重等 问题，是限制硅酸盐水泥工业走向可持续发展道路的瓶颈。因此调整水泥工业结 构，加快推广新型干法水泥生产技术，发展规模经济淘汰落后工艺，从而降低资 源、能源的消耗，减少粉尘、有害气体等污染物的排放，是改进硅酸盐水泥生产 环境相容性的重要途径之一。 在机立窑、立波尔窑、湿法窑、新型干法窑生产工艺中，新型干法工艺生产 水泥热耗最低、熟料质量最好、资源利用率最高、劳动生产率最佳；其它生产方 法的技术经济指标在总体上都落后于新型干法【5 】。此外，新型干法所排放的窑尾 气体中粉尘和有害气体含量一般都能都在g b 4 9 1 5 - - 2 0 0 4 国家标准的允许范围之 内；而其它落后生产方法的粉尘排放量和所排气体中有害成分含量都容易超出国 家标准的规定范围。因此，新型干法是一种创建节约型环保型水泥企业的生产方 法。 就我国水泥工业而言，“十五”期间在国家宏观调控政策的支持下，新型干法 水泥占水泥总产量的比重迅速提高，由2 0 0 0 年的9 4 增至2 0 0 5 年的4 4 5 。 这是我国水泥工业史上一次重大的技术结构调整，在取得水泥工业结构调整的同 时，污染物排放明显减少，也取得了显著的环境效益。 ( 二) 对关键性生产工艺流程进行技术改进 硅酸盐水泥生产无论采用何种生产工艺，都仍然存在着能耗高、污染大的特 点。为了改善其生产对环境的影响，对关键性生产工艺流程进行技术改进也是重 要的途径之一，并已成为近年来国内外水泥科技研究的热点。 ( 1 ) 发展了一系列消减和防止有害物排放的技术措施。 通过这些技术的应用，水泥工业生产所产生的s 0 2 、n o 。、c 0 2 以及粉尘和窑 灰等有害物基本上可以实现低排放甚至于零排放【6 】；废水处理并回收利用【7 】、先 2 第一章绪论 进粉磨技术和车间遮幕技术的采用以及“中、低温余热发电”系统的发展与应用， 均为环境保护或能源的充分利用作出了积极贡献。 ( 2 ) 利用其它工业废渣和可燃性废弃物。 水泥工业对工业废弃物的利用具有得天独厚的优势，一是将废渣进行粉磨后 用作混合材生产复合水泥，甚至用以生产无熟料或少熟料水泥，或用以制备高活 性混凝土掺合料【弘1 2 】：二是以化学石膏作为缓凝剂；三是以废渣为原料或矿化剂 烧制水泥熟料或特种水泥。另外，近年来兴起了利用可燃性废弃物及生活垃圾生 产“生态水泥”的新技术【1 3 1 4 l 。据统计，我国水泥中作为混合材的工业废渣比例已 接近2 0 e 6 ，1 5 , 1 6 】。但是，水泥生产中利用工业废渣还有很大的潜力，且利用效率 还有待提高。 1 1 2 2 发展环境友好型的新型胶凝材料 通过工业结构调整和工艺技术措施改进，硅酸盐水泥工业不仅使自身的污染 问题得以缓解，还可循环利用其它工业废渣和可燃性废料，这些都赋予硅酸盐水 泥工业以较好的环境相容性。尽管如此，硅酸盐水泥的生产仍摆脱不了“两磨一烧” 的生产工艺，水泥熟料仍需要经过1 4 5 0 左右的高温煅烧，即使是低钙水泥熟料， 煅烧温度也要达到1 2 8 0 - 1 3 5 0 c 1 7 1 ，能量消耗仍然很大；仍需消耗大量不可再生 的优质水泥石灰石和粘土等矿物资源；石灰石的分解和燃料的燃烧排放出大量的 c 0 2 ，仍是地球温室效应的主要责任者之一。因此，为了实现无机胶凝材料的可 持续发展，积极寻求和