（材料学专业论文）硅酸盐水泥和硫铝酸盐水泥复合的生态设计.pdf

摘要 摘要 生态设计是从根本上节约资源能源、防止环境污染的一种重要的系统过程。 传统的硅酸盐水泥在为人类社会进步与经济发展做出巨大的贡献的同时，也逐渐 暴露出一定的问题：在生产方面，能源资源消耗大，环境污染严重：在应用方面， 耐久性有待于提高。不同系列水泥复合的生态设计，是提高物质利用率的一个重 要设计思想，是改善水泥性能的有效途径。本文以硅酸盐水泥和硫铝酸盐水泥复 合新材料为研究体系，探索无机材料的生态设计方法，研究了不同体系水泥复合 方面的新理论。 本文首先在综合考虑环境性能和使用性能的前提下，选择硅酸盐水泥熟料、 硫铝酸盐水泥熟料、矿渣、粉煤灰、石膏作为水泥复合的基本原料，参考以往学 者的相关研究结果，设计出综合性能优良的水泥复合配比范围，配制复合水泥。 通过测试复合水泥的力学性能( 抗折强度、抗压强度) 、耐久性能( 抗渗性能、抗 盐离子侵蚀性能) ，并对不同配比的复合水泥性能测试结果进行分析，讨论了硫 铝酸盐水泥熟料、矿渣、粉煤灰的掺量对复合水泥性能的影响。 采用生命周期评价方法( l i f ec y c l ea s s e s s m e n t ) ，选用符合中国实际情况的 特征化因子，分别计算出硅酸盐水泥熟料、硫铝酸盐水泥熟料、矿渣、粉煤灰的 环境影响值，进而根据复合水泥中各个基本原料的使用比例，计算出不同配比复 合水泥的环境影响值。本文对比了硅酸盐水泥熟料与硅酸盐水泥环境影响差异、 硅酸盐水泥熟料与硫铝酸盐水泥熟料的环境影响差异，分析了硫铝酸盐水泥熟 料、矿渣、粉煤灰的掺入对复合水泥环境性能的影响。 在对以上使用性能和环境性能研究结果分析的基础上，本文计算了复合水泥 的性能与环境影响比值，比较了单位环境影响的情况下，使用性能的差别，并与 传统设计中的性能与经济指标比值进行分析比较，最后计算复合水泥的综合价值 指标p i c ( c ：c o s t 成本，p ：p e r f o r m a n c e 性能，i ：i m p a c t 环境影响) ，依照生 态设计综合价值指标最大化原则，选择优化的复合配比，判断复合的可行性。 论文归纳总结了复合水泥生态设计的流程，给出复合水泥生态设计的技术框 架，为今后水泥复合设计研究提供一定借鉴。本文不同体系水泥复合生态设计的 北京工业大学工学硕士学位论文 研究，对研究水泥产业与环境的协调发展具有一定的借鉴意义。 关键词生态设计；复合水泥；环境评价；硅酸盐水泥；硫铝酸盐水泥 a b s t i u l ( 叮 a b s t r a c t e c o d e s i g ni st h ei m p o r t a n tp r o c e s s i n gt op r e v e n tt h ep o l l u t i o n , r e d u c et h e c o n s u m p t i o no f e n e r g ya n dr e s o u r c 器t h es i l i c a t ec e m e n th a d a l li m p o r t a n tr o l ef o r s o c i e t ya n de c o n o m i cd e v e l o p m e n t , b u ti th a ds o m ed i s a d v a n t a g ei np r o d u c i n ga n d u s i n gp r o c e s s i n g t h e r ea r es om a n yc o n s u m p t i o na n ds o m ep e r f o r m a n c ed e f e c t s r e s e a r c ho fe c o d e s i g no nd i f f e r e n ts y s t e mc e m e n t sc o m p l e xi s s i g n i f i c a n tt o s u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n to fm a t e r i a l si n d u s t r y i nt h i st h e s i s ，t h ec o m p o u n ds y s t e m o fs i l i c a t ec e m e n ta n ds u l p h o a l u r n i n a t ec e m e n ti ss t u d i e dt of i n do u tt h ew a yo f e c u - d e s i g na b o u ti n o r g a n i cm a t e r i a l s s i l i c a t ec l i n k e r , s u l p h o a l u m i n a t ec l i n k e r , s l a g ，f l ya s ha n dg y p s u mw e r oc h o s e n a c c o r d i n ge n v i r o n m e n t a li m p a c ta n du s i n gp e r f o r m a n c ei nt h et h e s i s s t u d i e dt h e r e s u l t so f r e l e v a n tp a p e r s ，w ed e s i g n e dt h em i x t u r er a t i o sa n dm i xt h e m w et e s tt h e m e c h a n i c sp e r f o r m a n c e ，i m p e r m e a b i l i t y , r e s i s t a n c ec o r r o s i o n t h et e s tr e s u l t so ft h e c o m p o u n dc e m e n tw e r ea n a l y z e dt od i s c u s st h ea f f e c t i o no fs u l p h o a l u m i n a t ec l i n k e r , s l a g , f l ya s ht ot h ec o m p o u n d c e m e n t i nt h i st h e s i s ，l c af o rs i n g l eo b m e n tp r o c e s s e so fc h i n a , i n c l u d i n gs i l i c a t e c e m e n t , s i l i c a t ec l i n k e r , s u l p h o a l u m i n a t ec l i n k e r , c e m e n tm i l lp r o c e s s i n g , w a s p e r f o r m e d t h e nt h ee n v i r o m e n t a li m p a c to ft h ec o m p o u n dc e m e n ti sc a l c u l a t e d a c c o r d i n gt h ec o m p o u n dr a t i o t h et h e s i sc o m p a r e dt h ee n v i r o n m e n t a li m p a c to f s i l i c a t ec l i n k e ra n ds i l i c a t ec e m e n t , s i l i c a t ec l i n k e ra n ds u l p b o a l u m i n a t ec l i n k e r a c c o r d i n gt h ec a l c u l a t i o nr e s u l t s ，w ef o u n do u tt h ee n v i r o n m e n t a li m p a c to f t h es i n g l e c o m p o n e n t t ot h ec o m p o u n dc e m e n t t h er a t i oo f t h eu s i n gp e r f o r m a n c et ot h ee n v i r o n m e n t a li m p a c to f t h ec o m p o u n d c e m e n ti sc a l c u l a t e di nt h et h e s i s t h er e s u l t ss h o wt h eu s i n gp e r f o r m a n c ep e r e n v i r o n m e n t a li m p a c t a tt h ee n d ，w ec a l c u l a t e dt h ec o m p o s i t ev a l u ed a t eo ft h e c o r a p o u n dc e m e n t , p i c ( c ：c o s t ，p ：p e r f o r m a n c e ，hi m p a c t ) t oc h o s e t h eo p t i m u m r a t i o t h ef l o wp r o c e s so fe c o - d e s i g nf o rt h ec o m p o u n dc e m e n ti sg e n e r a l i z e dt o p r o v i d et h er e f e r e n c ef o rt h ef o u n d a t i o no f e c o - c e m e n td e s i g n i i i - 北京工业大学工学硕士学位论文 k e yw o r d s ：e c o d e s i g n ：c o m p o u n dc e m e n t ；l i f ec y c l ea s s e s s m e n t ：s i l i c a t e c e m e n t ；s u l p h o a l u m i n a t ec e m e n t ； - l v 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 豁地瞧蛆 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名。 弛 导师签名：日期： p 夕 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 研究背景 1 1 1 材料产业与环境 人与自然相关的各个环节都直接或间接的与材料相关，材料是国民经济和社 会发展的基础和先导，新材料与能源、信息并列为现代高科技的三大支柱。随着 经济的快速发展和人类生活水平的提高，对材料及其产品的需求量日益增长。但 由于材料工业的生产和使用过程中对生态环境造成很大的负担，使全球的环境问 题变得日趋严重。人类的材料生产和使用是从自然资源中获得物质资源，然后又 将使用过的材料及废弃物质还给自然环境，从而参与了自然界的物质循环和能量 循环，不断影响着自然环境。从资源和环境的角度分析，在材料的采矿、提取、 制各、生产加工、运输、使用和废弃的过程，一方面它推动着社会经济的发展和 人类文明的进步，一方面又耗费着大量的能源和资源，并排放出大量的废气、废 水、废渣，污染着人类生存的环境。 在人类社会中大量应用的各类材料，如化工、建材、钢铁、有色金属等等_ 在原材料及产品的运输、粉碎及由各种原料制成成品的过程中，都会有大量的污 染物排入大气环境中，所排出的污染物的种类及数量、组成、性质因生产工艺、 流程、原材料及操作条件和管理水平的不同而有所差异。主要污染物有粉尘、碳 氢化合物、含碳化合物、含氮化合物及卤素化合物等。 图1 1 是2 0 0 3 年我国9 种主要原材料工业的能耗和废物排放占总的工业能 耗和废物排放的百分比【1 】示意图。可以看出，9 种主要原材料工业的固体废弃物 排放占总的工业排放的5 5 8 ，超过一半以上，废气占4 6 ，能耗占3 9 5 ，废 水占2 0 6 。 1 1 2 水泥工业的现状与可持续发展 水泥是国民经济建设和发展的基础原材料之一，为社会进步和经济发展做出 了巨大贡献，水泥工业已经成为我国产量最大的制造业。但水泥工业的快速发展 是以高能耗、高资源消耗、高污染物排放为代价的，水泥工业的发展给世界环境 保护、资源和能源的合理应用及社会的可持续发展带来了很大的压力。 北京工业大学工学硕士学位论文 图1 - 12 0 0 3 年我国材料产业能耗和废物排放占工业总能耗和废物排放的百分数 f i g 1 - 1t h ep r o p o r t i o no f t h ec o n s u m p t i o na n de m i s s i o ni nt h em a t e r i a li n d u s t r y 我国是水泥工业大国，水泥工业作为我国基础性原材料工业的支柱之一，在 国民经济中具有举足轻重的地位。2 0 0 4 年我国水泥产量9 7 亿吨，占世界水泥总 产量的4 5 【3 j 。但是在我国水泥高产量的背后是整体水平的落后，是以对资源、 能源的超量消耗、对环境的严重污染为代价的，生产效率低阻碍着水泥工业的发 展。我国水泥工业还存在着产业结构问题，7 0 多的水泥产量是由落后的水泥工 艺生产的，污染严重、资源不能得到有效利用。2 0 0 3 年中国的水泥制造行业排 出的大气污染4 牙质如表卜1 所示 4 】。 表1 - 1 水泥制造行业排放到大气中的污染物质量与所有制造业的比率 t a b l e l 一1t h er a t i o o f e m i s s i o n i nc e m 苟t i n d u s t r y t o m a t e r i a l i n d u s t r y 世界水泥技术的发展趋势是以节能化、资源化、环境保护为中心，实现清洁 生产和高效集约化生产，在保证高质量水泥的同时加强水泥生态化技术研究与开 发，逐步减少天然资源和天然能源的消耗，提高废弃物的再循环利用率，最大程 第1 章绪论 度的减少环境污染和最大限度的处理工业废弃物及城市垃圾，达到与生态环境完 全相容、和谐共存 5 1 。在过去2 0 年中，世界水泥生产线平均生产规模提高了5 倍以上，2 0 世纪9 0 年代已达到8 0 0 0 1 0 0 0 0 f f d 。自上世纪7 0 年代开始，国外一 些水泥公司己研究和推进废弃物替代自然资源的工作，9 0 年代中期在日本出现 了“e c o c e m e n t ”水泥厂；欧洲把可燃性废弃物作为替代燃料，在回转窑上的应 用取得了很大进展；美国水泥厂对有毒有害废弃物处置积累了很多的经验嘲。此 外，还出现了用于处置废弃物的破碎机、分选机、燃烧器、专用燃烧炉、环境状 态检测装置和仪器，同时掀起了生态水泥混凝土性能的研究与开发热潮。目前， 发达国家把研发力量主要集中在高效化装备、利用废弃物等方面，可以说国外一 些发达国家已率先走上“生态化”之路，正在逐步将水泥工业变成利废和低污染 的生态友好型工业【“。 从2 0 世纪9 0 年代中期开始，我国水泥工业提高了对环保问题的重视，由于 我国水泥工业存在着严重的产业结构问题，故在环境保护与可持续发展方面进展 缓慢，进入2 1 世纪之后我国进一步加强整治力度，但与世界水泥工业的发展现 状还是有很大差距。例如，2 0 0 4 年德国、瑞士采用废渣，如矿渣、粉煤灰、硅 粉、石膏副产品等取代了全国熟料用量的2 3 2 4 ，个别企业烧废料的比例高 达8 0 。而在我国，利用工业废渣和二次能源生产水泥还没有成为企业行为，我 国政府提出要走新型工业化道路，也就是要走“循环经济”的道路，使经济系统 和谐地纳入到自然生态系统的物质循环过程中，我国水泥工业必须向生态化方向 转化【“】。 发展生态化水泥是解决我国建材工业节能和节约资源以实现可持续发展的 重要途径。生态水泥是对水泥健康、环保、安全属性的评价，包括对原料开采、 生产过程、使用过程和废弃物处置的四大环节的分项评价和综合评价。目前生态 水泥的生产主要从以下几个方面改善： ( 1 ) 技术与设备革新。不断发展生产大型化，控制过程自动化、能实现废弃 物再利用的设备，比如大力发展新型干法水泥生产的技术和设备【”。 ( 2 ) 清洁生产。在生产中贯彻环境意识，全面实行质量管理体系，控制水泥 产品在原料、燃料准备、生产过程和水泥产品质量的环境影响，使水泥具有良好 使用性能的同时不对环境造成污染和损害【引。并根据水泥自身的生产特点，循环 利用工业废弃物和生活垃圾来替代水泥生产中的原料、燃料需求。 北京工业大学工学硕士学位论文 ( 3 ) 水泥复合的生态设计。在现有水泥的原料、燃料和生产技术设备基础上， 在现代材料科学和生态设计理论的指导下，根据性能互补原则，通过各系列水泥 和辅助性胶凝材料的复合、各系列水泥之间的复合，达到改善水泥性能和降低环 境影响的目的。 1 1 - 3 水泥的产品现状 当前使用的水泥还是主要以硅酸盐系列水泥为主【1 4 1 ，其矿物组成主要是硅酸 盐矿物( c a s 、c 2 s ) ，其水化产物主要是c s h 凝胶和c a ( o h ) 2 ( 简写为晶体 c h ) 。这种水泥凝结时间适中，力学强度发展持续稳定。然而硅酸盐系列水泥仍 然存在一些缺点，影响它在某些领域的应用，如过于集中的水化放热，易使混凝 土产生温差裂缝；水化产物c s h 凝胶失水干缩引起的体积不稳定，易引起混凝 土的于缩裂缝；硬化浆体中具有二次反应的水化产物多，易导致抗化学侵蚀性能 差；由于c h 易在水泥水化浆体与集料界面区域富集形成结构疏松的界面过渡区 而对水泥混凝土性能产生不利的影响等”】。多年来水泥材料科学和技术研究领域 一直在研究改善硅酸盐水泥性能的途径，取得了许多有效的成果，如通过加入矿 物或化学外加剂控制和调整水泥的水化进程，改变水化产物的组成以达到改善和 调节性能的目的。 1 1 4 生态设计的发展和应用 面对当前资源、能源短缺的日益严重和产品性能缺陷等问题，仅仅采用末端 治理的方式是远远不够的，追求可持续发展、实现工业生态化、提高资源效率等， 最终都体现在环境协调性设计过程中。据有关专家统计，设计对环境保护的贡献 可达到7 0 以上。只有通过环境协调性设计，才有可能将环境污染从源头开始 控制。 2 0 世纪7 0 年代，一些从事工艺技术的有识之士就提出生态设计的概念，当 时称作“为环境而设计”或“环保设计”，其目的就是在传统的经济活动中保持 生态平衡。对材料工业而言，生态平衡不仅要求在材料生产和使用中尽量减少有 害气体、液体、固体的产生和排放，而且要求尽量提高材料的再循环利用率，将 有害物质转化为有用材料。 在工业过程中，传统的设计主要考虑产品的使用性能和成本。进入2 0 世纪 8 0 年代后，全球范围内的环保概念使得设计师开始考虑设计的第三个要素，即 第1 章绪论 产品或工艺的环境性能。把保持生物圈的生态平衡纳入设计的范畴，把可持续发 展作为设计的终极目标。这样，通过技术设计、成本设计和生态设计，把性能、 利润和环境等目标融为一体，实现经济活动的可持续发展，最终实现人类社会的 可持续发展1 1 8 1 。 目前，为扩大市场竞争力，发达国家竭力推行环境协调性设计。德国以 w u p p m a l 研究所为代表最早开展生态设计。日本于1 9 9 3 年开始制订可循环设计 标准，经过4 次修订，1 9 9 9 年6 月开始实施。荷兰是广为世人所知的生态设计 的先进国家，已编撰出生态设计手册并付与实施。在英国设立了著名的“可持续 性设计中心”，国家全力支持生态设计的研究。 目前生态设计已经应用到众多的材料和产品的设计中，例如汽车、家电、计 算机、复印机以及许多工业机器行业据。专家估计，在未来的1 0 年内，生态设 计方法将推广到所有新产品设计和传统产品的重新设计【1 8 】。 1 2 论文的选题依据 针对当前水泥生产面临的严重的环境问题和常用水泥的性能不足，生态设计 成为水泥工业可持续发展的重要手段。如上所述，当前改善水泥生产的环境问题 和提高水泥的性能问题，主要有设备改善、清洁生产、水泥复合设计等方法，目 前水泥的清洁生产和设备改善已经有大量的研究应用，水泥复合的生态设计起步 较晚。 纵观近年来国内外复合水泥设计的现状，大多数研究集中在各系列水泥和辅 助性胶凝材料的复合方面，并且应用广泛，即在三大系列水泥中加入一种或多种 混合材，通过控制混合材的掺量和颗粒分布达到设计目的，胡曙光【1 刀对特种水泥 做了深入研究，在硅酸盐水泥中掺入矿渣、粉煤灰、火山灰等，降低了硅酸盐水 泥的水化热，提高流动度并增强其耐久性等。各系列水泥之间复合起步较晚，应 用也不是很普遍，与之相关的研究成果屈指可数。目前主要是尝试在硅酸盐系列 中引入某些特性水泥改善硅酸盐水泥的某些特性，或反之，在特性水泥中加入硅 酸盐水泥，调节特性水泥性能。在第八届国际水泥化学会议印度学剖1 9 】将高强硅 酸盐水泥、高铝水泥、硬石膏等配制成快硬、高强复合水泥。我国学者张兴、王 复生 2 0 - 2 1 1 等也研究了硫铝酸盐水泥和硅酸盐水泥混合之后性能特点。研究结果 都表明，以硅酸盐水泥为基体，掺入一定量的硫铝酸盐水泥后，复合体系水泥的 北京工业大学工学硕士学位论文 水泥石具有早强微膨胀性2 2 】；在硫铝酸盐水泥中加入少量硅酸盐水泥，在保证强 度不降低的情况下，可以降低水泥成本。 虽然以往学者的研究都都证明了不同水泥体系的复合研究改善水泥某些性 能是可行的，但已有的水泥复合研究主要是硅酸盐和硫铝酸盐水泥复合体系的研 究，而且都是单纯的对复合水泥的使用性能研究，缺少对各系列水泥复合后的环 境影响和经济指标的讨论。 1 3 论文的主要工作 本课题是在综合考虑水泥使用性能指标、环境性能指标和经济指标的情况 下，计算并比较硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥及其复合后的水泥的综合指标值，判 断水泥生态复合设计的可行性。 课题主要研究内容如下： ( 1 ) 对以往学者的相关水泥复合的成果进行研究，明确不同组分和复合配比 对复合水泥的力学性能、耐久性能、化学性能的影响趋势。从使用性能、经济性 能、环境性能出发，选择复合使用的基本材料并初步确定复合配比。 ( 2 ) 根据配比配制复合水泥，测试使用性能。为了能表征出复合水泥的特点， 主要测试复合水泥的力学性能( 抗压、抗折强度) 、耐久性能( 抗渗性能、抗盐 离子侵蚀性能等) ； ( 3 ) 选择适合中国国情的环境性能评价方法，计算所选用的基本材料的环境 影响，进而设计计算不同配比的复合水泥的环境影响值； ( 4 ) 结合以上的使用性能和环境性能结果，计算分析复合水泥的性能与环境 影响比值，比较单位环境影响的情况下，使用性能的差别。 ( 5 ) 计算复合水泥的综合价值指标p i c ( c ：c o s t 成本，p ：p e 放帕n a l l c e 性 能，i ：i m p a c t 环境影响) ，依照生态设计综合价值指标最大化原则，选择最优的 复合配比，判断复合的可行性。综合研究结果，给出生态设计的基本技术框架。 第2 章复合水泥生态设计的技术构架 第2 章复合水泥生态设计的技术构架 2 1 生态设计的概念与准则 生态设计就是“设计+ l c a ”，这是日本学者山本良一教授提出的概念，生态 设计的概念见图4 3 。可以说随着i s 0 1 4 0 0 0 和环境标志在世界的推行，材料、 产品的设计和开发不引入l c a 方法将是不可能的。生态设计的目标是降低各个 过程综合环境影响指标和降低总影响评估值。 匡圃= 匝匿圃+ 互巫面塑亟习 生态材料= 材料设计+ 生命周期评估 生态产品= 产晶设计+ 生命周期评估 生态服务= 服务设计+ 生命周期评估 图2 - i 生态设计的概念 f i g 2 - 1t h ec o n c e p to f e c o - d e s i g n 要理解生态设计，必须以产品生命周期为中心认识产品的以下三个要素【1 8 1 ， 即成本( c o s t ，简写c ) ，包括原料成本、制造成本、运输成本、循环再生成本、 处理成本等生命周期全程的费用；环境影响( i m p a c t ，简写i ) ，包括地球温室效5 应，臭氧层破坏、资源枯竭等给地球造成的影响；性能( p e r f o r m a n c e ，简写p ) ， 包括安全性、是否方便实用、是否符合审美观、施工难易程度等产品性能。也就 是说，产品价值、经济价值和环境价值的总和即为生态设计产品的综合价值指标。 由上述关系可知，生态设计产品的综合价值指标可用p i c 表示。因此，设 法使p 趋于最大、l 与c 趋于最小就可以实现生态设计。 在这种情况下，成本是一个必须慎重考虑的问题。成本是由市场需求与供给 间的关系决定。这里的成本中并不包括对环境破坏的修复成本，也就是说，环境 成本并未被全面地包含在市场成本里边。 那么，排除环境影响1 只去考虑p c ，即追求产品的性能最好、成本最低。 这正是基于传统经济价值的方法。我们必须摆脱传统经济价值观，要设法使p i c 趋于最大，这就是生态设计的基础；排除成本因素c ，用p i 来衡量一下产品的 北京工业大学工学硕士学位论文 综合价值指标。p i 即产品性能除以环境影响，所以可将其称之为环境效率。 生态设计必须在使用资源丰富的材料的同时要有效地利用可再生资源；要认 识到存在隐含于资源中的物质流的问题，要尽量设法使用物质集约度 ( m i = m a t e r i a li n t e n s i t y ) 更低的物品；并且要选择材料综合环境影响值 ( e e o i n d i c a t o r ) 更低的物品。一般再生材料的环境影响值要比新鲜材料的小【1 8 】。 2 2 复合材料生态设计 材料的复合设计是通过将两种或更多种材料结合在一起，通过合适的相设 计，使单组分结合在一起而形成的复合或复相材料具有单一组成相所不具备的优 良性能。传统的复合材料设计，主要追求复合材料的力学性能和其它物理性能， 而复合材料的生态设计不仅仅重视其使用性能，同时考虑环境性能、经济性能， 但目前设计方法和方向还处于探索阶段，目前提出的主要是研究、设计、l c a 分析、检测一体化方法。复合材料多功能化是生态设计的方向，传统上复合材料 是以追求力学性能为主的设计，使不同材料的性能和功能可以并存，但到目前为 止已利用的功能非常有限，必须认识到复合材料的多功能性还未得到充分利用。 复合材料是可以将现有的材料巧妙地组合，按人为使用目的制造出来的系统技 术。不仅可以将不同的材料组合起来，在同一材料中也凝聚材料所具有的各种功 能，包括可解体、可再组合、可自分解、可自修复等生态性能，本文中研究无机 材料的复合生态设计，无机材料的复合具有以下的特点： ( 1 ) 与金属材料不同，多数无机非金属材料的性能对成分的微小变化不敏 感。那么适量的替代无机材料的某些组分，不会对材料性能造成不良影响。 ( 2 ) 传统无机非金属材料自身及其原料，几乎全都是复相物质，成分范围很 宽，复相或复合化对环境的危害，没有金属材料严重。 ( 3 ) 无机材料废弃后，不存在复杂的相分离回收过程，不会加重废弃物的环 境污染。 根据无机材料的复合特点，考虑材料的整个生命周期环境负荷和性能，是无 机材料生态设计的主要特点。 2 3 复合水泥的生态设计 水泥的生态设计是生产高环境效率( e c o e f f i c i e n c y ) 的水泥产品的有效手段， 生态设计要考虑水泥生产的整个生命周期。根据上文生态设计的论述，其设计的 第2 章复合水泥生态设计的技术构架 基本原则是要使水泥产品的综合价值指标最大，依据原则初步制定复合水泥的生 态设计流程如下所示。 图2 - 2 复合设计的沉程 f i g 2 - 2t h ef r a m e w o r ko f c o m p l e x - d e s i g n 2 3 1 复合水泥单组分的选择 由于当前水泥市场中硅酸盐水泥的使用占有绝对的优势，但传统的硅酸盐水 泥逐渐暴露出不少问题：在生产方面，能源资源消耗大，环境污染严重；在应用 方面，力学性能不足，耐久性有待于提高。那么面对硅酸盐水泥暴露出的问题， 有针对性的对其进行改善研究具有重要的作用，所以复合选用的基本原材料之一 就是选择用硅酸盐水泥。 根据无机材料复合的理论，选取有利于改善硅酸盐水泥性能的单组分，达到 水泥性能互补、节能降耗、经济实用的目的。 从性能角度出发，要改善硅酸盐水泥的性能，必需选用与硅酸盐熟料具有互 补矿物组成的熟料。硫铝酸盐水泥熟料有不同于硅酸盐熟料的矿物组成，其水化 过程和水化产物也有别于硅酸盐水泥。针对硅酸盐水泥耐久性较差的现状，硫铝 酸盐水泥具有早强性和微膨胀性能，在硅酸盐水泥中掺入少量硫铝酸盐熟料的时 候，水泥的水化得到促进，水化产物中的钙矾石的量增多，水泥具有早强微膨胀 性，那么其结构致密，其抗水渗性能和抗盐离子侵蚀的能力增强，已有相关研究 证明硅酸水泥熟料和硫铝酸盐水泥熟料复合可以实现性能的互补【2 6 】。 从环境影响角度和经济角度出发，我国水泥工业可持续发展的出路就是提高 水泥性能、增加水泥中工业废弃物利用量，改善性能，减少环境影响。中国每年 的矿渣产量非常大，如果这些矿渣得不到有效利用，必须会对环境造成难以估量 的污染。同时大量的研究也表明，硅酸盐水泥熟料掺入矿渣后具有很多优良性能， 北京工业大学工学硕士学位论文 如后期强度高，水化热低，可以提高抗渗、抗腐蚀能力和耐久性；有效地抑制碱 一骨料反应等2 刀等。矿粉已经成为水泥生产中的主要物料加以使用，为复合水泥 掺入矿渣提供理论基础。 同时，粉煤灰在水泥工业中的应用也得到了证明，它可以替代水泥熟料节约 宝贵的资源，并且能有效地改善水泥的应用性能。已有资料表明粉煤灰可以提高 水泥的流动度，改善水泥的工作性能 2 e - 3 0 ，增强水泥抗海水侵蚀的能力，为复合 水泥掺入粉煤灰提供理论基础。 考虑复合水泥的凝结时间、标准稠度用水量等水泥和易性方面，水泥制备中 须掺入石膏。石膏在硅酸盐和硫铝酸盐水泥中有不同的作用，在硅酸盐水泥中石 膏的主要是用于调节凝结时问，在硫铝酸盐水泥中石膏掺量的不同可以决定其性 能和相应水泥品种。 2 3 2 复合水泥的性能设计 水泥作为建筑胶凝材料，其性能在实际应用中非常重要。但是水泥基是多元 的复合材料，其性能受多种因素影响，包括原料的基本特性和体系材料组成配比。 因此在研究复合体系性能之前，首先要了解组成复合体系的各种原料的基本性 能，首先要明确所使用原料的化学成分和颗粒细度等性能，进而通过控制原料的 之间的配比，实现水泥熟料化学组成和理论矿物组成的优化，使熟料矿物组成达 到最佳配比，使复合水泥有良好的性能。 本章参考以往学者的研究脚】，在矿渣或粉煤灰与硅酸盐水泥熟料和硫铝酸盐 水泥熟料的复合中，综合考虑力学性能和凝结特性，得出复合系统中硫铝酸盐水 泥熟料的合适掺量为4 - 5 ，石膏的适宜掺量为5 1 0 【2 6 1 。同时，矿渣微粉与 粉煤灰联合掺用时，矿渣微粉与粉煤灰的比例为4 ：1 或3 ：2 均可获得较好的效 果 2 虬3 0 1 。通过研究以往的学者在硅酸盐水泥熟料中掺入硫铝酸盐水泥熟料、矿 渣或粉煤灰后，水泥性能的变化规律，初步确定复合配比。 复合水泥的性能设计主要是根据所设计的复合配比，结合本文生态设计的目 的和所选用的基本材料的性能特点，选取能表征复合水泥特点的性能进行测试。 性能的测试结果要能反映水泥的力学性能和耐久性能，常用的力学性能指标有抗 压、抗折强度，耐久性指标包括抗盐离子侵蚀、抗冻融循环、抗水渗、抗碳化等 性能。 第2 章复合水泥生态设计的技术构架 2 3 3 复合水泥环境性能设计 环境性能的正确评估就需要有恰当的方法，目前评价材料的环境协调性主要 是采用生命周期评价法( l i f ec y c l e a s s e s s m e n t ) ，生命周期评价法己成为对材料 和产品进行环境表现分析的一种重要的方法。本文选择生命周期法对复合水泥的 环境性能进行评估。其技术框架如下所示【3 l 】： 2 3 3 i 目标与范围定义由于生命周期评价的对象是一个系统和过程，评价的目 的是为了表征该系统和过程的影响及其程度，所以，生命周期评价工作的第一步 就是确定评价对象的范围。l c a 研究目的中须明确陈述其应用意图，开展该项研 究的理由以及它的使用对象，即研究结果的接收者或预期交流对象。 在目标与范围的定义中，应明确说明以下几个方面的内容2 2 3 3 】： ( 1 ) 产品的功能与功能单位功能单位确定了量化这些选定功能的基础。功 能单位必须与研究的目的与范围相符。功能单位的主要作用之一，是提供一个统 计计量输入与输出的基准。因此，功能单位必须是明确规定并且可测量的。 ( 2 ) 初始系统边界确定系统边界，即确定要纳入待模型化的单元过程。在 理想情况下，建立产品系统的模型时，应使其边界上的输入和输出均为基本流。 7 t 。 但在许多情况下，没有充足的时间、数据或资源来进行这样全面的研究，因而必 须决定在研究中对哪些单元过程建立模型，并决定对这些单元过程研究的详略程 度。不必为量化那些对总体结论影响不大的输入和输出而耗费资源。 ( 3 ) 数据类型的表述l c a 研究需要哪些数据取决于研究目的。这些数据问 从系统边界内与单元过程有关的生产现场收集，也可从公开文献中直接获取或通 过计算实现，在实际操作中，所有数据类型中都可能含有通过测量、计算和估算 取得的混合数据。 ( 4 ) 输入输出初步选择准则在确定范围时，初步选定了用于清单的一组输 入输出。在此过程中将所有输入和输出都纳入产品系统进行模拟分析是不实际 的。识别应追溯到环境的输入输出，亦即识别应纳入所研究的产品系统内的，产 生上述输入或承受上述输出的单元过程，这是一个反复的过程，一般都是先利用 现有数据做出初步识别，并随着研究进程中数据的积累对输入和输出做出更充分 的识别，最后通过敏感性分析加以验证。 北京工业大学工学硕士学位论文 2 3 3 2 清单分析清单分析是生命周期评价的第二步，这是在生命周期评价的第 一步的基础上进行的。在本阶段，将对所研究过程的边界的所有输入输出参数或 边界参数进行定量描述，它包括该系统的物质、能量、各种形态污染物的定量描 述。 清单分析是l c a 四个组成部分中研究最成熟、理解最深入和应用最充分的一 个，其目的是最终得到一个具体的、明确的指标参数来表征该系统或过程对环境 影响的程度或强弱。主要步骤和基本原则如下 3 2 1 ： ( 1 ) 数据收集的准备。 ( 2 ) 计算程序。收集数据后，要根据计算程序对该产品系统由每一单元过程 和功能单位求得清单分析结果。 ( 3 ) 物流、能量流和排放物的分配。清单分析有赖于将产品系统中的单元过 程以简单的物流或能量流相联系。 2 3 3 3 环境影响评价影响评价是生命周期评价的第三步，它是在生命周期评价 的前两步的基础上进行的。它在清单分析的基础上，把评价系统或过程的各种输 入和输出参数转化成定量的或半定量的指标来表征该系统或过程对环境造成的 影响程度。影响评价可以给出被评价对象与环境之间相互影响的整体轮廓。影响 评价主要针对生态平衡、环境安全、人体健康、资源消耗或能源消耗等对象进行 评价分析。具体针对的对象取决于事先确定的生命周期评价的研究目的或目标， 从中选择出相关的环境损害项目进行评价。 目前国际上关于环境影响评价尚无统一的方法。一般采用s e t a c 建立的框 架，将环境影响评价分为分类、特征化和评估三个步骤。而在最新的i s 0 1 4 0 4 2 标准基本承认了s e t a c 的方案，但进行了必备要素和可选要素的划分，即将分 类和特征化以及影响类型、参数、评价模型作为必备要素，而将评估阶段列为可 选要素，又进一步将其划分为归一化、分组、加权以及数据质量评价四个步骤 2 2 1 。 ( 1 ) 分类分类是一个将清单分析的结果划分到影响类型的过程。在l c a 中 环境损害总体上分为资源消耗、人体健康和生态环境影响，通常又可以确定为以 下十个具体种类，即不可再生资源消耗( a d p ) 、温室效应( g w p ) 、臭氧层破 坏( o d p ) 、环境酸化( a p ) 、富营养化作用( n p ) 、光化学烟雾( p o c p ) 、土壤 污染( e c t ) 、水污染( e c a ) 、人类健康损害( h t ) 和土地破坏与占用( l e ) 。 第2 章复合水泥生态设计的技术构架 在分类中当清单分析结果只与一种环境影响类型有关时，就直接将其归类， 由于产品和产品系统相联系的环境交换因子之间常常存在着复杂的因果链关系， 因此对生态系统和人体造成的环境影响也常常难以归为某一因子的单独作用，这 时就需要考虑并联和串联的问题。 ( 2 ) 特征化特征化是根据环境影响指标分类，依据一定的模型将各编目分析 的数据转化为相应的环境影响指标。特征化通常采用相对定量的方法，即对每种 环境影响指标选定一种参照物，将其它污染物的环境影响作用以这种参照物的当 量表示。因此各环境指标都是以参照物的总量表示的，可称为环境污染当量数。 ( 3 ) 归一化对参数结果进行归一化的目的是更好地认识所研究的产品系统 中每个参数结果的相对大小。该步骤是以类型参数计算结果除以选定的基准值来 加以转换。基准值可以选定特定地域范围内总排放量或资源消耗量，这样的地域 范围可能是全球、区域、国家或当地。 可以用环境影响当量数与整个研究范围( 地区、国家或世界) 相应环境影响 总当量数的比值表示环境影响相对指数。 ( 4 ) 加权加权是使用基于价值选择的数值系数，将不同的影响类型指标结果 进行换算的过程，还可包括加权后参数结果的合并。加权是一个可选要素，包括 两个可能的步骤：用选定的加权因子对参数结果和归一化的结果进行转换； 可能对各个影响类型中转换后的参数结果和归一化的结果进行合并。 在确定各种环境影响的相对权重时，这里采用层次分析法来进行计算。 层次分析法( a n a l y t i ch i e r a r c h yp r o c e s s ，简称a h p 法) 是美国运筹学家 t l s a t t y 提出的一种定性与定量分析相结合的多目标决策分析方法，把复杂问题 中的各种因素通过划分为相互联系的有序层次，使之条理化，并能把数据、专家 意见和分析者的主观判断直接而有效地结合起来。它主要采用一系列数据模式和 计算方法，确定每一层次的相对重要性并给予定量表示，通过结果分析和相关加 权矩阵计算，求解所提问题的优化解答 4 7 1 。 为使问题简化，计算中仅考虑了各环境指标的生态重要性，未考虑环境贡献 大小。通常采用表2 1 所示的重要性标度方法来对不同环境指标的重要性进行标 度【4 7 】，根据重要性标度得到的判断矩阵，可以决定各个环境影响类别的相对权重 系数，从而可以将各个环境影响类别进行相加，得出整个系统的环境负荷。 北京工业大学工学硕士学位论文 表2 - 1 重要性标度表 t a b l e 2 1t h ef a c t o r so f i m p o r t a n c e 标度的定义 1 i 因素与j 冈素相同重要 3 i 因素比因素略重要 5 i 因素比，因素较重要 7 i 因素比j 因素非常重要 9 i 因素比j 因素绝对重要 2 ，4 ，6 ，8 为以上两判断之间的中间状态对应的标度值 倒数 若，因素与i 因素比较，德到判断值为a p l a f ，a u = l 2 3 3 4 生命周期解释生命周期解释是生命周期评价中根据规定的目的和范围 的要求对清单分析和影响评价的结果进行归纳以形成结论和建议的阶段。生命周 期解释的目的是基于生命周期清单分析和影响评价的发现，分析结果、形成结论、 解释局限及提出建议，并以透明化方式报告解释结果。 根据i s 0 1 4 0 4 3 的要求，生命周期解释阶段包括3 个要素，即识别、评估和 报告。识别主要是基于l c a 中清单分析和影响评价阶段的结果识别重大问题； 评估主要是对整个生命周期评价过程中的完整性、敏感性和一致性进行检查；报 告主要是形成结论，提出建议。 根据以上生命周期法计算出复合使用的基本原料的环境影响值，进而根据各 种原料的配比值采用加权加和的方法计算出不同配比的复合水泥的环境复合值。 2 3 4 综合价值指标的计算与总体设计 依照生态设计的综合价值指标p l c ( c ：c o s t 成本，p ：p e r f o r m a n c e 性能， i ：i m p a c t 环境影响) 最大化原则和检查清单等方法、技术，设计硅酸盐水泥和 硫铝酸盐水泥复合，设法使p 趋于最大、i 与c 趋于最小。 分析各个单组分的掺量对复合水泥性能产生的影响，调整配比重新进行实验 和环境影响计算，优化复合配比，直到得到满足生态设计要求的复合水泥产品， 实现生态化设计。 在确定了体系的配比、原材料特性和实验项目之后，具体的复合水泥设计流 程如下图： 第2 章复合水泥生态设计的技术构架 图2 - 3 复合水泥设计流程 f i g 2 - 3t h ed e s i g nf r a m e w o r k sf o rc o m p o u n dc e m e n t 2 4 本章小结 本章依据材料生态设计的理论和材料复合研究方法，给出了水泥复合生态设 计的基本技术构架，介绍了复合设计的基本思想、设计流程及设计中所使用的理 论方法。 复