973项目申报书——2009CB623100-水泥低能耗制备与高效应用的基础研究.docVIP

项目名称：水泥低能耗制备与高效应用的基础研究首席科学家：沈晓冬 南京工业大学起止年限：2009.1至2013.8依托部门：中国建筑材料科学研究院一、研究内容围绕水泥生产和应用过程的各个环节开展提高水泥性能和节能减排的基础研究，实现水泥科学理论和技术的重大创新，促进水泥工业生产与产品结构调整、提高使用效能，提高能源与资源利用效率。项目拟解决4个关键科学问题：1) 高介稳阿利特微结构调控及高胶凝性熟料相匹配高介稳阿利特矿物和水泥熟料矿相匹配决定熟料性能。在研究熟料矿物微结构及其形成机制基础上，建立熟料微结构与熟料性能的关系。该问题是提高和高效发挥熟料性能的基础，也是降低熟料烧成热耗的关键。2) 熟料分段形成动力学针对熟料形成过程中的多阶段化学反应，在分析研究主控反应动力学和熟料形成速率基础上，完善熟料形成动力学理论。该科学问题，是实现熟料烧成过程能量最佳配置，降低熟料烧成能耗的基础和重要途径。3) 离心力场中的粉磨动力学与能量传递完善该动力学理论和能量传递机制，是实现水泥粉磨环节节能和发展高效粉磨设备新技术的理论基础，也是实现水泥粉磨节能技术突破的关键。4) 水泥优化复合与结构稳定性优化复合水泥组分，建立水泥浆体不同层次结构的形成机制以及浆体结构与稳定性的关系。该科学问题是高效发挥水泥各组分性能及延长水泥基材料服役寿命的基础。围绕上述关键科学问题，本项目将从以下6个方面开展研究：1) 高介稳阿利特微结构和熟料矿物相组成与胶凝性的关系系统研究实验室合成的纯C3S相结构、不同阿利特（杂质元素种类、掺量、掺杂方式不同）相结构以及熟料中阿利特化学组成、杂质固溶形式、工艺参数与结构之间的关系。研究矿物相结构在温变过程中演化规律。研究掺杂离子、工艺参数对阿利特缺陷形态的影响规律。研究阿利特介稳程度、缺陷形态对其水化活性的影响，建立高介稳阿利特微结构与水化活性-包括水化反应程度、水化反应速度等参数之间的关系，揭示最优水化活性的阿利特组成和微结构缺陷特征。研究掺杂物质作用下熟料形成过程中的化学反应规律，优化矿物相匹配。阐明高温液相特性（如数量、组成和粘度等）的演变规律，确定硅酸盐水泥熟料的石灰饱和系数、硅酸率、铝氧率及掺杂新相的控制参数。研究熟料中矿物相匹配与烧成热耗和胶凝性能的关系，确定熟料中C3S与其它矿物的最佳匹配，获得高胶凝性熟料。2) 熟料分段形成动力学及过程控制研究原料矿物分解产物的反应活性，确定新生物相初始形成反应的温度重叠区和反应速率。研究固相反应过渡产物及其与温度场的关系，分析固相反应的放热效应。研究熟料形成固液相反应热焓互补机制。研究不同热、动力学过程条件下，高温熔体性质及其变化规律，确定高温熔体量、组成、黏度对熟料矿物、结粒和窑皮形成的影响。确定离子的扩散过程及其控制因素，分析阿利特相的晶核形成过程及生长机理，确定最佳的反应热、动力学参数。研究快速形成的水泥熟料微观结构及其宏观力学性能，解析组成、结构、性能之间的关系，提高水泥熟料的综合性能。通过冷、热态试验和计算机模拟，研究在悬浮态下进行的快速物理化学过程和热、动力学机制。研究在窑尾系统进行预烧结的方法，研究堆积态下窑内的传热过程、窑料状态以及物理化学反应。确定多因素条件下水泥熟料低能耗、快速形成的技术途径，建立新一代、高能效水泥生产窑炉工艺技术原型。3) 离心力场中水泥粉磨动力学与颗粒特性根据物料块体的各种外形和缺陷特征，研究沿着其缺陷使其破碎所需的最优加载力和加载频率，研究物料块体组在小能量振动载荷作用下的接触、碰撞和破碎过程，并探讨不同载荷和振动频率对其的影响，提出小能量振动破碎理论。研究在离心应力场作用下水泥颗粒群的粉磨机制，探讨其对水泥粉体颗粒的形貌、粒径分布、水泥粉体颗粒的表面结构等颗粒学特征参数的影响规律。研究水泥颗粒群粉磨过程中能量匹配关系以及应力场相关参数对颗粒粉磨效果的影响。研究高效粉磨过程下获得的特定形貌和颗粒级别的水泥粉体的堆积效应、填充效应以及对水泥性能的影响机理与优化。4）水泥体系各组分优化匹配和胶凝性的发挥研究水泥初始组成、初始堆积状态与水泥浆体的早期流变性能及塑性变形的关系。研究早期水化和初始结构形成。研究水泥熟料高效水化的方法。辅助性胶凝材料活性发挥与提高所需的介质环境及控制条件。研究水泥熟料辅助性胶凝材料复合体系颗粒群特征参数的性能优化方法及粒度组成控制。研究调节不同胶凝组分水化进程的措施，实现辅助胶凝材料、水泥熟料在水化活性、水化速率的匹配并产生协同效应，实现颗粒间的有效胶结。分析水泥硬化体空间分布特征、水泥水化产物、二次水化产物与辅助性胶凝材料颗粒间界面组成与结构及其与硬化浆体宏观力学性能的关系。研究复合水泥组成、颗粒形貌与组成、表面性质、细孔分布和水化体系液相初始组成、pH值、表面张力和初始水化产物对化学外加剂作用效果与作用机制的影响，以及化学外加剂在水化体系中的分布、化学外加剂官能团与胶凝组分间的物理与化学作用，在此基础上对外加剂进行改性。5) 复合水泥浆体组成和结构的演变规律及其与性能的关系根据复合水泥体系的水化反应过程和产物的分布特点，研究水泥浆体结构演变过程。研究水泥浆体中固相水化产物、未水化水泥颗粒、界面和孔在纳微米尺度上的表征技术。分析低水胶比条件下复合水泥体系的C-S-H凝胶、Ca(OH)2、AFt或AFm、未水化水泥熟料和辅助性胶凝材料和孔的组成及其排列方式的演变规律。测定水泥浆体中水的存在状态和孔溶液的性质。构建水泥浆体纳-微米尺度的结构，建立水泥浆体的结构模型。研究水泥浆体组成和结构对强度、变形和离子结合/持留能力及流体迁移性能的影响，建立水泥浆体结构与性能的关系。通过改变水泥浆体的初始组成与结构、掺加化学外加剂等技术调控水泥浆体的纳-微米尺度上的组成和结构。阐明水泥浆体的纳-微米尺度结构的形成机制。6) 服役条件下水泥基材料的产物与结构稳定性及服役行为研究水泥基材料中的水化产物和浆体结构保持长期化学稳定性的最低碱度条件和最低钙硅比，为最大程度使用工业废渣的复合水泥的组成设计提供基本判据。研究复合水泥早期水化特性、浆体结构及组成对水泥基材料体积稳定性、早期变形、抗开裂能力的影响和作用机理。研究水泥基材料体积变形与相关宏观性能的关系，提出水泥基材料抗裂设计基本原理和混凝土开裂风险评价方法。研究水泥基材料与外界侵蚀性介质之间的化学反应和水泥石结构中介质的传输机制。研究水泥基材料内部孔结构、孔壁表面特性和界面结构与材料渗透性的关系及机理。研究水泥基材料的渗透性、介质扩散及表面层在化学-力学因素耦合作用下微结构的演化与损伤机理。提出水泥基材料在多离子腐蚀溶液中的扩散模型和寿命预测模型。提出基于电学特性的混凝土耐久性测试新方法，提出改善水泥基材料的抗蚀性的理论与方法，完善服役寿命理论。二、预期目标1、项目总体目标：在高胶凝性矿物结构调控、熟料低能耗烧成的分段形成动力学以及水泥高效节能粉磨等方面取得原创性成果；在水泥熟料和辅助性胶凝材料高效复合使用、水泥浆体结构与性能优化、水泥基材料耐久性提高等方面上取得重大进展。为水泥工业工艺技术与装备重大创新和水泥的高效应用，实现水泥工业的节能减排提供坚实的理论基础，使我国水泥低能耗制备和高效应用的理论和技术达到国际领先水平。研究成果在新型干法生产线上使用，以年产2亿吨水泥熟料为例，利用该成果每年可节约标煤约460万吨，节电约12亿kWh；多利用废渣2000万吨，减少熟料用量2000万吨，减少CO2排放约2000万吨。水泥基材料服役寿命显著提高，大幅减少对水泥的需求。通过本项目，凝聚和培养一支在国际上有重要影响的水泥基材料科技创新团队，培养3-5名该领域学科带头人、10-20名中青年高级专家；建成2个国际先进水平的水泥基材料科学研究基地。2、 五年预期目标：1) 在水泥低能耗制备的基础研究方面取得突破性进展阐明阿利特微结构介稳程度和缺陷形态与其活性的关系，通过高胶凝性熟料矿物相的优化匹配，提高熟料胶凝性、降低烧成热耗；建立熟料分段形成动力学模型，优化烧成过程，实现熟料烧成节能；提出离心力场下粉磨动力学和能量传递机理，低能耗高效制备具有特征颗粒学参数的水泥粉体；建立基于性能的水泥组成设计方法，调控水泥中熟料和辅助性胶凝材料的颗粒学参数，高效发挥各组分胶凝性，减少水泥熟料用量、大幅度提高工业废弃物利用率。2) 在水泥高效应用的基础研究方面取得重要进展阐明水泥浆体纳微米尺度结构的形成机制，建立基于性能的水泥浆体纳微米尺度的结构模型；阐明在服役环境条件下水泥浆体组成与结构的稳定性、侵蚀性介质在水泥基材料中的扩散行为与机理，建立水泥基材料的服役寿命预测模型。指导水泥基材料的设计与应用，提高水泥的使用效能。3) 研究成果在新型干法生产线上使用：在稳定生产高胶凝性熟料的基础上，熟料烧成节煤10以上；水泥粉磨电耗在现有基础上降低15%以上；在同等条件下，42.5级水泥中熟料用量减少10以上；水泥示范应用于国家重点工程，耐久性显著提高。4） 发表一批高水平论文，申报发明专利30项以上，组织召开2次国际学术会议、4次国内学术会议，培养博士研究生50人、硕士研究生150人。三、研究方案1、 总体研究思路和项目研究的技术路线及可行性(1) 总体研究思路本项目紧密围绕节能减排和提高水泥性能的国家重大需求开展基础研究。通过提高熟料胶凝性、优化熟料与辅助性胶凝材料复合、高效应用水泥和延长服役寿命等性能方面的研究，实现水泥制备过程的直接节能减排和水泥高效应用产生的间接节能减排。在水泥制备的直接节能减排方面：第一、通过调控阿利特介稳程度和缺陷形态，并优化熟料相匹配，提高其活性，制备高胶凝性熟料。第二、通过掺杂离子和优化高胶凝性熟料相组成，降低系统最低共熔点，降低熟料烧成能耗。第三、通过熟料分段烧成的动力学调控，实现能量在烧成各个阶段合理配置，降低熟料烧成能耗。第四、通过离心力场粉磨动力学调控和多频次小能量振动破碎，实现水泥高效粉磨，降低水泥粉磨电耗。在水泥高效应用的间接节能减排方面：第一、通过高胶凝性熟料与辅助性胶凝材料的复合优化设计，高效发挥各组分的胶凝性，减少水泥中熟料使用量，从而减少水泥制备能耗。第二、通过优化水泥浆体结构，提高复合水泥水化产物及结构稳定性、增强其抵抗物理和化学侵蚀能力，延长服役寿命，提高使用效能，减少水泥需求量。(2) 技术路线实现研究目标的技术途径有六个方面：1) 高介稳阿利特微结构和熟料矿物相组成优化通过掺杂技术、改变热历史、调整化学组成等手段，改变熟料形成热力学和动力学，降低烧成过程的能量和资源的消耗。调整熟料矿物比例，使熟料中C3S与其它矿物的匹配达到最优化，从而提高熟料的胶凝性。采用高分辨电子显微成像及电子衍射谱图研究阿利特微区结构特征，X射线能谱(EDS)和电子能量损失谱(EELS)等表征化学组分。采用场发射扫描电镜/能谱仪（FE-SEM/EDS），ESEM通过测定水化浆体中单颗粒的未水化部分与水化层的面积比计算出水化程度。2) 熟料分段形成动力学及过程控制设计熟料高温煅烧模拟试验装置，通过改变反应时间及热力学分布等参数，进行熟料制备和快速冷却控制；运用先进测试方法，确定产物及中间相的组成、结构，并进行性能分析；定量描述反应速度、温度均匀分布与产物及中间相形成数量的关系，建立熟料分段形成动力学模型，进行熟料形成热力学效率计算分析；通过冷热态试验和计算机模拟，研究悬浮态下快速反应动力学，研究堆积状态下低能耗熟料形成过程，建立新一代高能效水泥生产工艺技术原型。3) 离心力场中水泥粉磨动力学与颗粒特性运用计算机仿真模拟研究方法，研究粉磨过程中的能量传递机理、能量利用率及各颗粒群相的分布规律等，建立新型高效磨中物料、球体组成的颗粒群多相流的数学模型。建立脆性断裂力学模型及有限元计算机模拟方法，分析复合应力状态下的材料损伤和破裂路径。4) 熟料与辅助性胶凝材料优化复合的化学和物理基础建立实验室高效粉碎系统和粉体精确分级装置，制备出特定形貌和颗粒级配的熟料与辅助性胶凝材料粉体，建立复合水泥粉体堆积模型，确定复合水泥最紧密堆积的颗粒学参数。采用NMR等方法研究不同活性的辅助性胶凝材料玻璃相聚合度与其水化活性的关系。分析复合水泥体系不同水化阶段的水化程度，获得不同体系不同水化阶段的动力学参数。应用点接触模型模拟复合水泥体系，建立复合胶凝效应的特征方程。采用接枝、空间合理排布以及多元复合的方法，改善化学外加剂与水泥/辅助性胶凝材料的适应性，调节和控制浆体空间结构形成过程，获得理想的浆体结构，实现各胶凝组分的充分水化。确定水泥熟料与辅助性胶凝材料物理、化学优化匹配原则。5) 复合水泥浆体组成和结构的演变规律及调控对硅酸盐水泥熟料-辅助性胶凝材料体系，综合运用核磁共振、小角度X射线散射和高分辨透射电子显微镜等现代分析手段精确测定C-S-H凝胶等固相的组成与结构及其演变规律。采用同步层析X-射线衍射分析等对水泥浆体的孔结构随时间的变化规律进行研究。采用孔溶液等离子发射光谱（ICP）分析和电阻率测定等表征孔溶液的性质。采用高分辨透射电子显微镜和电阻率仪等研究固相物质和孔分布情况、孔连通性及水泥浆体各相间的界面结构特征。通过调整水泥浆体初始结构、掺加化学外加剂等调控水泥浆体的组成与结构。测定水泥浆体的强度、变形、流体迁移性能、离子的固结或持留作用，阐明水泥浆体组成和结构与性能的关系。6) 水泥基材料的产物与结构稳定性及服役行为观察在大气环境和压力水作用下水泥基材料浆体孔隙结构、孔溶液的碱度和水化产物组成随时间的变化规律，以及水化产物和微观结构的稳定性，获得基于耐久性的水泥组成设计合理性判据。通过实验测定和数值模拟研究水泥硬化体孔隙内表面特性，在试件上预制特定宽度和密度的裂缝以模拟荷载效果，对比荷载与非荷载条件下水泥基材料的孔隙特性、体积稳定性和开裂敏感性对其渗透性的影响。测定在不同侵蚀性环境中实际结构内沿深度分布的侵蚀性介质浓度曲线，建立侵蚀性介质在水泥基材料中的扩散模型；在大量获得腐蚀+应力耦合作用下钢筋混凝土破坏数据的基础上，建立水泥基材料的寿命预测模型。(3) 可行性项目研究目标紧扣水泥工业节能减排，相关的指标达到国际领先水平。尽管项目研究难度大，但是项目组经过深入系统的研究，完全有可能取得重大突破。1） 建立阿利特微结构与活性的关系，并通过优化熟料相匹配低能耗制备高胶凝性熟料是实现水泥生产和应用环节节能的基础。熟料矿物微结构表征和微结构调控是有很强挑战性的研究内容。但在已结题的“高性能水泥制备和应用的基础研究”中，已对熟料微结构表征方法和结构调控措施进行了探索，表明现有实验室测试技术手段能够系统评价熟料矿物的微观结构。而且，可以通过掺杂、温变等多种技术途径调控熟料矿物微结构。本课题提出的内容已有良好研究基础，是在继承前述研究基础上的深化和发展。同时优化了课题承担人员的专业结构和分工，在低能耗制备熟料方面取得突破是可以预期的。2）熟料烧成过程的热耗主要是碳酸盐分解，约占总热耗的60%左右，而矿物形成过程是放热过程。如果将熟料烧成各个阶段重新划分，就可以使高反应活性的新生态的CaO和SiO2迅速结合，同时进行其能量重新配置，把某些反应放出热量补充碳酸钙分解的吸热。高温带所需要升温的幅度减少，热耗减少。项目组进行的实验室初步试验已经发现了这一趋势。所以，进行熟料烧成过程中的能量重新配置，提高热交换效率，降低熟料烧成能耗是可能的。3）研究水泥浆体不同层次结构，建立基于性能优化的结构模型，来指导水泥组成优化设计，提高辅助胶凝组分的用量并延长水泥基材料的服役寿命。这一研究思路得到国内外专家的认可，实现水泥高效应用和水泥工业间接节能减排的有效途径，因而课题设计的研究思路是可行的，也是可以达到的目标。主要难点在于建立水泥浆体不同结构层次合理配置模型，及实现不同层次结构合理配置的方法。而本项目承担单位在上述相关方面已有较好的研究基础，具有国际水平的测试设备，因此在这方面取得显著进展是完全可以预期的。4）项目主持单位和参加单位有良好的研究基础，除了主持已经结题的973项目“高性能水泥制备和应用的基础研究”之外，目前正主持国家科技支撑计划重大项目的课题“高性能水泥绿色制造工艺和装备”。本项目的研究成果将和科技支撑计划课题相配合，相辅相成，相互促进，有助于本项目研究成果尽快进行工业性试验，有助于研究取得突破。5）项目承担单位为国内水泥领域重要的科研机构、重点大学以及国家大型水泥企业，具备开展实验条件，并有很好的研究基础。项目依托单位是已结题的“973”计划“高性能水泥制备和应用的基础研究”项目的依托单位和主持单位。主要参加人员多数为已结题项目参加人员，长期从事水泥熟料烧成和水泥制备、水泥浆体结构与性能及水泥基材料耐久性的研究，其专业背景和研究优势有很强的互补性,这为顺利开展项目研究工作，提供了强大的人力资源保证。2、创新点本项目在深入了解和详尽分析水泥科学国际最新研究进展和发展趋势的基础上，紧密围绕水泥节能减排的国家重大需求，瞄准影响中国水泥工业可持续发展的资源、能源和环境负荷的瓶颈问题，在高胶凝性熟料组成与结构、熟料烧成和水泥粉磨等关键环节的基础研究上取得重大突破，主要创新点有：1) 建立熟料相组成匹配模型和阿利特介稳化控制准则。2) 提出熟料分段烧成动力学控制理论。3) 提出水泥高效粉磨高离心力场和小能量振动破碎原理。4) 建立基于耐久性的水泥组成设计方法。3、课题设置第一课题：高介稳阿利特微结构和熟料矿物相组成优化 (经费比例：20%)主要研究内容：1) 掺杂元素和变温过程对阿利特介稳程度和相结构的影响及表征2) 阿利特介稳程度、微结构和熟料矿物形貌与其水化活性的关系及调控3) 掺杂物质对高胶凝性熟料的物理和化学作用规律、主矿物相和重要的新相组成匹配与设计4) 熟料中矿物相匹配与烧成热耗和性能的关系研究目标：建立高介稳阿利特微结构的表征方法，阐明掺杂效应和冷却速度对高介稳阿利特微结构的影响规律，揭示阿利特微结构对其水化活性的影响规律。提出阿利特微结构调控技术。提出高胶凝性熟料相组成匹配优化机理，掺杂物质作用规律和存在状态。在先进新型干法窑上，稳定生产高胶凝性熟料，28天抗压强度稳定达到65MPa，同时熟料烧成节煤10。承担单位：南京工业大学、中国建筑材料科学研究总院课题负责人：沈晓冬第二课题：熟料分段烧成动力学及过程控制（经费比例：18%）主要研究内容：1) 研究原料矿物分解新生物相的反应活性和化学结合能，弄清外部能量供给及温度场对初始固相反应的影响2) 研究固相反应的热、动力学过程，分析固相反应的放热效应和自维持反应机理，研究固液相反应热焓互补3) 研究高温熔体性质对熟料及阿利特形成的影响，分析阿利特晶核形成及生长机理，完善阿利特形成反应动力学方程4) 通过冷、热态试验和计算机模拟，研究悬浮态下分解动力学及初始固相反应过程5) 研究堆积态下固、液相反应及传热、传质特性，进行最佳能量配置和检测分析，建立新一代、高能效水泥生产窑炉工艺技术原型研究目标：通过熟料烧成动力学的系统研究，提出熟料烧成分段控制方法和措施，达到最佳过程能量配置，提高阿利特矿物和高胶凝性熟料形成速率，熟料能耗降低200kJ/kg, 窑炉单位容积产量提高30，为工业化生产高胶凝性水泥熟料降低能耗提供理论依据，为新型干法窑的改进提供创新性的理论支撑和指导。主要承担单位：中国建筑材料科学研究总院、南京工业大学课题负责人： 汪澜第三课题：水泥粉磨动力学及过程控制（经费比例：15%）主要研究内容：1) 离心力场作用下水泥粉磨过程中动力学与能量传递2) 离心力场相关参数对粉体颗粒学特征参数的影响规律3) 沿物料块体缺陷使其破碎所需的最优加载力和加载频率4) 物料块体组在小能量振动不同载荷和振动频率作用下破碎机制研究目标：建立和应用高离心力场和小能量振动破碎原理，建立高效的水泥粉磨系统，最大限度地降低水泥粉体粉磨能耗，水泥粉磨电耗比球磨系统降低35、比联合粉磨系统降低15%。承担单位：南京工业大学、中国建筑材料科学研究总院课题负责人：叶旭初第四课题：水泥熟料和辅助性胶凝材料优化复合的化学和物理基础（经费比例：15%）主要研究内容：1）水泥熟料与辅助性胶凝性材料在颗粒分布、颗粒堆积和表面性状等初始物理组成以及化学活性和水化动力学等方面的优化匹配理论与方法，复合优化对粉体颗粒学特征参数的要求； 2）水泥熟料和辅助性胶凝材料在水化和产生胶凝性方面的耦合作用机制；水泥熟料与辅助胶凝材料的持续水化反应机理以及实现低水胶比和大掺量辅助性胶凝材料条件下水泥熟料高效水化的机制；3）大掺量辅助性胶凝性材料下水泥浆体液相初始组成、pH值、液相粘度、表面张力和初始水化产物对化学外加剂作用效果与作用机制的影响；4）化学外加剂在水化体系中的分布、化学外加剂官能团与胶凝组分间的物理化学作用；5）水泥组分的初始物理状态、空间聚类结构与水泥浆体早期流变性能、初期结构及塑性变形的关系。研究目标：探索充分发挥熟料和辅助性胶凝材料胶凝能力的理论与技术，发现实现水泥熟料颗粒发挥最大胶凝性的调控机制，最终达到减少水泥熟料用量、增加辅助性胶凝材料掺量，稳定生产水泥的目的。工业生产水泥，保持水泥整体细度不变，42.5级水泥熟料用量减少10。主要承担单位：华南理工大学、同济大学课题负责人： 余其俊第五课题：复合水泥浆体组成和结构的演变规律(经费比例：12%)主要研究内容：1) 复合水泥浆体结构演化的计算机模拟。2) 水泥浆体水化产物（C-S-H凝胶、CH、AFt和AFm等）、未水化熟料和未反应辅助性胶凝材料相组成分析和纳微米尺度结构表征。复合水泥浆体中水的状态分析和孔溶液组成表征。低水胶比条件下复合水泥浆体孔结构参数表征方法和经时变化规律。3) 复合水泥浆体纳微米尺度结构与强度、变形、离子结合/滞留能力及流体迁移等性能的关系。4) 水泥浆体初始结构和化学外加剂等对硬化复合水泥浆体结构的调控及其作用机制。基于性能优化的复合水泥浆体理想结构模型。研究目标：研究低水胶比条件下，硅酸盐水泥熟料和辅助性胶凝材料水泥浆体纳微米尺度组成和结构的演变规律及其对水泥基材料宏观性能的影响规律，阐明水泥浆体组成和结构的调控机制，建立水泥浆体的结构模型，为水泥的高效应用提供理论依据。承担单位：南京工业大学、同济大学课题负责人：邓敏第六课题：水泥基材料的产物与结构稳定性及服役行为（经费比例：20%）主要研究内容：1) 影响水泥基材料水化产物和微观结构稳定性的最低碱度环境和水化硅酸钙凝胶的钙硅比。2) 水泥基材料的孔结构与其渗透性的关系，孔隙内表面特性对于液体传输特性的影响。3) 在荷载与非荷载条件下水泥基材料中侵蚀性介质的传输机制；离子在带缺陷的复合水泥基材料中的扩散模型；水泥基材料的变形特性和非荷载开裂敏感性对其的影响规律。4) 建立应力+腐蚀（盐冻、钢筋锈蚀与荷载、约束等）耦合作用下钢筋混凝土的寿命预测模型。研究目标：提出基于耐久性的低钙的复合水泥体系的水化产物与浆体结构的稳定性判据。揭示复合水泥基材料微观结构变化与决定材料耐久性能的重要因素渗透性和体积稳定性的关系，阐明硬化混凝土表层内的介质传输基本规律及其影响因素，提出其结构优化与控制机制。了解在服役条件下水泥基材料的行为表现及其耐久性变化规律，阐明水泥基材料的性能劣化机理，建立混凝土结构寿命预测模型，为水泥的制备和使用提供理论指导。主要承担单位：中国建筑材料科学研究总院、清华大学课题负责人：姚燕4、课题间的相互关系以及与项目目标的关系 本项目设置六个课题，各课题都紧密围绕所要解决的关键科学问题和总体目标开展工作，是实现预期目标的有机组成部分。项目的中心任务是“节能减排和提高水泥性能”。 在“水泥低能耗制备”方面设置三个课题：第一课题研究高介稳阿利特微结构和熟料矿物相组成优化；第二个课题研究熟料分段形成动力学及过程控制。这两个课题主要关注于熟料高胶凝性和低能耗低排放烧成。第三课题研究离心力场中水泥粉磨动力学与颗粒特性，主要关注从优化复合角度提出对粉体颗粒学特征的要求后，如何低能耗高效率地制备粉体，涉及粉磨节能。在“水泥高效应用”方面设置三个课题：第四课题研究熟料与辅助性胶凝材料优化复合的化学和物理基础，主要关注于如何使水泥熟料胶凝性的充分发挥、辅助性胶凝材料用量尽可能提高。.第五课题研究复合水泥浆体组成和结构的演变规律及调控，建立复合水泥浆体结构模型，提出浆体组成和结构与力学性能、体积稳定性、离子传递特征和化学性能等宏观性能的关系。第六课题研究服役条件下水泥基材料的产物与结构稳定性及预测评估，对水泥基材料环境服役行为进行科学评价。这六个课题之间紧密联系，与项目的总目标密切关联。 四、年度计划研究内容预期目标第一年1.阿利特介稳程度和相结构的表征、初步建立阿利特微结构与其水化活性的关系。2.水泥熟料原料矿物分解新生物相的反应活性、化学结合能及其温度场的影响。3.建立新型水泥粉磨试验装置，初步研究新型水泥粉磨系统粉磨动力学与能量传递过程；实验室合成聚羧酸盐类新型助磨剂。4.研究不同水泥熟料和辅助性胶凝材料的矿物组成、溶出离子性质、玻璃相聚合度、与水反应进程以及复合水泥颗粒特征、堆积状况、表面结构和浆体断裂结构特征。5.采用计算机模拟技术分析复合水泥浆体初始结构对水泥浆体结构大致的演变规律。研究复合水泥浆体纳微米尺度组成与结构的表征技术以及水泥浆体力学、变形、离子结合和流体迁移等性能的试验方法。6.研究高辅助性胶凝材料含量的低钙体系中C-S-H稳定的最低碱度、矿相转变的规律；进行多因素环境条件下的混凝土性能变化试验；测试单矿完全水化后，受到外界氯盐介质侵蚀时固化氯离子的能力。1. 初步阐明掺杂离子，温变对阿利特微结构的影响，建立阿利特微结构表征方法。2. 确定原料矿物分解新生物相的反应活性、化学结合能，初步建立最佳的分解反应过程控制。3. 建立可控且稳定运行的新型粉磨试验装置，完成不同方荷载式下破裂过程仿真和符合实际的有限元计算模型。4. 建立胶凝材料的组分特征与水化进程之间的关系；阐明水泥-辅助胶凝材料复合体系中颗粒群分布与复合水泥浆体初期结构与性能的关系。5. 初步建立复合水泥浆体纳微米尺度上CSH凝胶、CH、AFt或AFm等组成与孔、界面等结构的表征方法和水泥浆体性能的测试方法。6. 初步探明水泥单矿固化氯离子的能力和机理；完善耦合作用下混凝土耐久性测试装置。7. 发表学术论文19篇，申报发明专利1项，培养博士生3名，硕士生13名，召开1次国内学术会议。第二年1 进一步研究阿利特介稳程度、微结构和熟料矿物形貌与其水化活性的关系及调控；初步研究掺杂物质对高胶凝性熟料的物理和化学作用、主矿物相和重要的新相组成匹配与设计。2 熟料形成过程中，固相反应的热、动力学过程、放热效应和自维持反应机理。3 新型粉磨系统能量传递机理；初步研究新型粉磨系统对不同粉体组分（熟料、矿渣、粉煤灰等）水泥颗粒特性的影响规律；新型助磨剂的结构表征和改性。4 研究水泥基材料复合体系初始液相成分、粘度、屈服点等流变性能，以及辅助胶凝材料表面能与成核势垒的内在关系及其经时变化等方面的影响规律。5 研究复合水泥浆体纳微米尺度固相组成和结构、水泥浆体颗粒间界面结构、孔结构和孔溶液随水泥浆体组成和时间的变化规律。研究复合水泥浆体的强度、变形、离子结合和流体迁移等性能。6 用电学超声综合方法评价水泥基材料的传输性能；研究水泥基材料内部裂缝、孔、界面结构与其渗透性的关系及对液体传输特性的影响；研究化学外加剂、多种侵蚀离子协同作用对水泥基材料固化的侵蚀性离子稳定性的影响机理；进行硫酸盐环境及耦合作用下混凝土耐久性试验。7 中期评估1. 阐明实验室制备的阿利特矿物介稳化过程、介稳程度和缺陷形态与活性的关系。2. 确定固相反应阶段过程动力学，建立放热反应及放热量的表征方法，阐明固液相反应热焓互补机制。3. 在建立新型高效水泥粉磨试验流程装置基础上，初步提出小能量、高离心力场下水泥粉磨动力学方程和能量传递机理，从宏观上确定新型粉磨过程的能量利用率及其主要影响因素。4. 初步完成水泥基材料化学外加剂体系的流变学特征、相容性和初始结构形成研究；提出实现水泥水化体系中熟料组分胶凝性高效发挥，促进辅助性胶凝材料表面水化的方法。5. 确定复合水泥浆体纳微米尺度CSH凝胶等组成与孔、界面等结构的表征方法。初步阐明复合水泥浆体CSH凝胶等水化产物及结构、孔及界面结构等形成机制。6. 初步确定水泥基材料水化产物和浆体结构稳定性的主要影响因素；初步建立实际结构混凝土的渗透性现场检测方法；初步提出基于耐久性的水泥基材料组成设计的基本调控原则。7. 发表学术论文57篇，申报发明专利7项，培养博士生12名，硕士生25名，博士后1名。召开1次国际学术会议、1次国内学术会议。第三年1. 深入研究掺杂元素和变温过程对熟料中阿利特介稳程度和相结构的影响及表征，完善阿利特微结构与熟料性能的关系；以及掺杂作用条件下，高胶凝性熟料矿相匹配优化研究和作用机理研究。2. 熟料形成过程中高温熔体的性质及对阿利特形成的影响，阿利特晶核形成及生长机理。3. 新型粉磨过程参数优化（操作参数、助磨剂、产品颗粒群特征等）；物料形状和尺寸对破碎所需最小能耗的影响；新型粉磨系统中熟料、辅助性胶凝材料及水泥体系的颗粒特性与水泥性能的关系。4. 优化控制水泥熟料-辅助胶凝材料复合体系性能的颗粒群特征参数；研究复合体系动力学参数、化学外加剂对不同材质辅助胶凝材料表面位能的影响方式和途径。5. 研究水泥浆体固相组成与结构、孔组成和结构的形成机制和调控技术。研究复合水泥浆体初始组成对其强度、变形、离子结合和流体迁移等性能演变规律的影响。6. 研究低钙水泥基材料体系中水化产物稳定的最低碱度、矿相转变的规律、水化产物固化侵蚀性离子的性能及机理、外界侵蚀性介质的传输机制；继续研究硫酸盐环境及耦合作用下混凝土耐久性试验。1. 确定熟料中阿利特矿物的最佳微结构。初步确定高胶凝性水泥熟料的矿相匹配。确定熟料形成最佳的热力学控制参数，完善形成反应动力学方程。2. 建立新型粉磨系统中操作参数与不同粉体颗粒群特性的关系；揭示新型粉磨系统产品与水泥性能的关系；阐明助磨剂对新型粉磨系统中粉磨动力学方程和参数的影响。3. 初步建立水泥-辅助胶凝材料复合体系中颗粒群以及水化进程的优化匹配理论，建立低水灰比大掺量胶凝材料体系中胶凝组分与化学外加剂相互作用机理；初步掌握化学外加剂中功能性基团作用与合成条件。4. 阐明复合水泥浆体中CSH凝胶和CH等水化产物和孔结构的演变规律和形成机制。初步明确水泥浆体强度、变形、离子结合、流体迁移等性能的演变规律。5. 建立与侵蚀介质相关的孔隙结构的基本描述与表征方法；建立电学超声联合测试方法；确定水泥基材料水化产物和浆体结构稳定性的主要影响因素；阐明多离子侵蚀性介质在水泥基材料中的渗透扩散规律。6. 发表学术论文67篇，申报发明专利8项，培养博士生14名，硕士生28名。第四年1. 研究高胶凝性熟料矿相匹配与其烧成热耗和性能的关系，并将课题组制备的低能耗高胶凝性水泥熟料与水泥企业制备的水泥熟料进行对比。2. 冷、热态试验和计算机反应过程热、动力学模拟研究悬浮态和堆积态下，熟料形成过程及传热、传质特性。3. 深入研究磨筒内的钢球运动、原料颗粒、水泥组分粉体颗粒的运动动力学的数学模型与计算机模拟方法与数值模拟分析；深入研究机械粉碎力及助磨剂对水泥熟料、辅助性胶凝材料的物理、化学作用机理与效应。4. 研究调控辅助胶凝材料的表面能的方法、水化产物容易生成的环境条件、水泥石显微结构与强度的关系；研究不同胶凝材料组成和掺量以及环境条件对水泥基材料水化过程中组成结构与早期塑性收缩性能的影响。5. 探讨水泥浆体组成和结构与强度、变形、离子结合和流体迁移等性能之间的关系。开展复合水泥浆体结构的计算机模拟。研究复合水泥浆体结构模型。6. 研究水泥基材料介质传输基本规律及其影响因素；研究低能耗水泥早期水化特性、浆体结构及组成对水泥基材料体积稳定性、早期变形、抗开裂能力的影响和作用机理；继续研究多因素耦合作用下水泥基材料微结构的演化过程及损伤机理。1. 确定低能耗高胶凝性熟料相匹配的最优化，初步阐明熟料匹配优化机理，完善水泥科学理论。2. 确定熟料形成最佳的热力学控