堿膠凝材料的哲學基礎

張?zhí)m芳，岳 瑜

（1.重慶交通大學土木建筑學院，重慶 400074；2.重慶鋼鐵集團建設工程有限公司，重慶 400084）

自古以來制造新材料一直很受重視。材料是時代發(fā)展的基礎，是人們用來制造工具和產品的物質，是人類生活和生產的物質基礎。人類認識和使用材料的歷史，和人類文明同樣古老。材料發(fā)展的歷史從生產力的側面，反映了人類社會發(fā)展的文明史，所以歷史學家根據人類使用的主要材料，將人類社會的歷史劃分為舊石器時代、新石器時代、青銅器時代、鐵器時代。材料是科學與工業(yè)技術發(fā)展的基礎，一種新材料的出現，能為社會物質文明帶來巨大的變化，給新技術的發(fā)展帶來劃時代的突破。

膠凝材料的發(fā)展，有著極為悠久的歷史。例如，古埃及的金字塔，我國著名的萬里長城以及其它許多宏偉的古建筑，都是用石灰石、石膏作為膠凝材料砌筑而成的。目前在各類建筑中，最常用的建筑膠凝材料是水泥。水泥是建筑工業(yè)中使用最廣、用量最大的基本材料之一，素有“建筑工業(yè)的糧食”之稱。當前，世界水泥工業(yè)的中心課題仍然是資源、能源和環(huán)境保護。

所謂環(huán)境負荷一般是指材料在其生產、使用、消費或再生過程中耗用的自然資源數量和能源數量以及向環(huán)境體系中排放的各種氣、固、液等廢棄物的多少。材料環(huán)境負荷的急增，將會導致資源、能源的枯竭，同時污染加劇。近年來，研究降低材料的環(huán)境負荷，將廢棄物進行資源化已成為熱門。建材、混凝土、水泥部門也結合環(huán)境降負，對不少企業(yè)進行了停、關、轉、并等，如近些年來重慶就關閉了200多家小型水泥廠，節(jié)能、降耗、高付加值、環(huán)保也成為時髦語。

目前，堿膠凝材料是引人注目的新型材料之一，其特點為生產工藝簡單、原料豐富，能夠利用更多的工業(yè)廢渣，減少對環(huán)境污染。

堿礦渣水泥及混凝土的研究和應用已有很多年的歷史。堿礦渣水泥首先由烏克蘭基輔建筑科技大學于1957年研制成功，是由磨細水淬高爐礦渣和堿組分（堿金屬的氫氧化物、可溶性硅酸鹽和碳酸鹽）組成的一種新型建筑膠凝材料，具有一系列優(yōu)異的性能，例如早強快硬、高強度、低滲透性，優(yōu)良的護筋性能、抗凍性及抗化學侵蝕性好等。但是，由于擔心其制備的混凝土易出現堿集料反應、收縮大、外加劑少等原因，曾一度使人們對該水泥失去了信心。雖然20世紀80年代中后期以來，有關堿礦渣水泥及其混凝土的研究再次成為國內外的熱門課題，但至今為止，人們對堿礦渣混凝土的堿集料反應（AAR）及其外加劑的問題仍具疑慮，因此，一直以來堿礦渣水泥和混凝土都難以推廣到工程實踐中去。

從對堿膠凝材料的研究結果和開發(fā)現狀來看，可以認為它將是繼硅酸鹽水泥和鋁酸鹽水泥以后的又一新體系膠凝材料。它不僅原料豐富，可以利用眾多的工業(yè)廢渣，還能節(jié)約能源，減少環(huán)境污染，也有許多優(yōu)于傳統(tǒng)硅酸鹽水泥的性能。因此，堿膠凝材料是值得研究和開發(fā)的一類新型膠凝材料。

1 堿膠凝材料的制備

目前，為降低生產水泥的環(huán)境負荷，主要可以通過以下途徑：1）不用或少用水泥熟料或利用高效混合材、摻合料來降低熟料組份含量；2）用天然的或人工的火山灰取代熟料，開發(fā)高摻量粉煤灰、沸石、天然火山灰、石粉、硅灰、稻殼灰以及以硫鋁酸鈣為主的高性能混合材和摻合料；3）以工業(yè)廢渣、下水道污泥、垃圾灰、廢棄的硅酸鹽材料（包括廢舊的砂漿、混凝土等）、工業(yè)石膏、廢白土或直接利用火山渣體等代替部份生產水泥的原料來生產水泥，例如日本開發(fā)了利用含氯化物的焚燒垃圾灰和下水道脫水污泥為主要原料進行水泥生產的新技術，并生產了普通水泥與特種水泥，該水泥強度高、重金屬含量不超標；4）利用可燃垃圾、廢橡膠輪胎、廢油、再生油、有機廢棄物代替部分生產水泥的燃料和原料，以節(jié)約能源并進一步改進NSP窯外分解設備來燒制熟料；5）使用流動化床、熟料新型冷卻熱交換機，選用預破碎設備等，以進一步降低設備的耗能量。

堿膠凝材料利用磨細的高爐礦渣粉、粉煤灰、鋼渣、電熱磷渣等工業(yè)廢渣或火山灰等天然礦物為主要原料，用堿化合物或含堿工業(yè)廢渣、廢液為激發(fā)劑制備而成。Krivenko［1］將堿膠凝材料分為5類：1）土聚水泥；2）礦渣－堿水泥；3）粉煤灰－堿水泥；4）堿－波特蘭水泥；5）堿－鋁酸鹽水泥，這盡管不是堿膠凝材料的全部，但也包括了這類膠凝材料的大多數。目前研究最多的是堿礦渣水泥和土聚水泥。

堿礦渣水泥是由磨細水淬高爐礦渣粉和堿激發(fā)劑組成，其中的礦渣可由粉煤灰、石粉、硅灰等一些其它廢棄物代替，而激發(fā)劑可用化學品也可以用制堿工業(yè)中的含堿廢渣、廢液等。土聚水泥是堿－堿土組成的古代膠凝材料的復活再生，主要是采用高嶺土、堿與堿鹽、混合材及外加劑（主要用于調節(jié)水泥的凝結時間）為主要原材料，在500～900℃下煅燒而成，其物理化學性能優(yōu)異，某些力學性能與陶瓷相當，耐腐蝕，耐高溫等性能更是超過金屬和有機高分子材料，且其生產過程能耗低、污染小。

2 堿膠凝材料與可持續(xù)發(fā)展

可持續(xù)發(fā)展（Sustainable Development）一詞中的持續(xù)性（Sustain）來自拉丁語sustenere，原意是“維持下去”，包含了維持、供養(yǎng)的含義，主要是針對資源與環(huán)境而言，可理解為保持或延長資源的生產使用性和資源基礎的完整性，即解決迫在眉睫、非解決不可的經濟、社會發(fā)展中與環(huán)境不協(xié)調的矛盾，否則，人類社會在不久的將來將難以維持，因此，可持續(xù)發(fā)展已成為世界各國共識的發(fā)展戰(zhàn)略思想，其思想深入人心。

人與自然的協(xié)調發(fā)展是歷史與邏輯相統(tǒng)一的必然，人是導致生態(tài)危機的根源，同時，人與自然的協(xié)調也是社會可持續(xù)發(fā)展的前提和手段，現如今，人類已經進入到必須把自己作為自然界的一員和把自然界當作人類的朋友并與之協(xié)調發(fā)展的時代，而資源是可持續(xù)性發(fā)展中的一個重要因素［2］。

2010年，世界水泥年總產量33億t，其中中國18.82億t，占57%。眾所周知，傳統(tǒng)水泥生產時，原生資源、能源消耗大，廢氣、粉塵的排放量大，全球大氣中55%的CO2是由水泥生產排放的，其對溫室效應的“貢獻”極大。表1為生產1噸水泥熟料資源消耗及污染物排放情況。

從表1可看出，降低水泥生產時的環(huán)境負荷、減少其對環(huán)境的污染是極其重要的，而研制開發(fā)環(huán)保型的生態(tài)水泥，是降低環(huán)境負荷的主要途徑。

表1 生產1t水泥熟料資源消耗及污染物排放

研究表明，在制作堿膠凝材料時，礦渣不僅可以用粒化高爐渣、有色金屬礦渣，還可以用鋼渣、銅渣、鐵渣、煤渣、粉煤灰、火山灰、燒粘土等等，而堿組分既可用成品堿：如純堿、碳酸鈉（鉀）、氟化鈉、水玻璃等，也可以用含堿工業(yè)副產品：如堿浮渣、偏硅酸鈉等等，還可以用工業(yè)生產中的含堿廢料，如金屬加工和機械制造，化學、醫(yī)藥、造紙、食品、水泥等工業(yè)部門某些產品的廢料。這些含堿工業(yè)副產品或廢料根據其品質有的需要經過適當加工后使用，有的可直接用作堿礦渣水泥的激發(fā)劑。由此可見，堿礦渣水泥的原料廣泛易取，且由廢料組成，實現了環(huán)境與人類的協(xié)調。

此外，堿膠凝材料生產工藝簡單，能耗少，生產成本低。據報道，每噸600號的堿礦渣水泥的能耗為55 kg標準燃料和56度電，而同樣標號的硅酸鹽水泥卻要345kg標準燃料和更多的電。由此可見，堿礦渣水泥的能耗大大低于硅酸鹽水泥的能耗。同時，還可以利用不同組分研制有特殊用途的堿礦渣水泥，如：快硬堿礦渣水泥、耐熱堿礦渣水泥、無收縮堿礦渣水泥、堵塞用堿礦渣水泥等。

另外，由堿膠凝材料制備的混凝土的成本也比硅酸鹽水泥混凝土的成本低得多，這是由于這些膠結材的主要原料為工業(yè)副產物或工業(yè)廢料，資源豐富、價格低廉，且這種混凝土的制造工藝十分簡單，無須高溫煅燒熟料，煤耗要降低66%～86%，電耗要降低50%。此外，該類混凝土還能降低環(huán)境負荷和對生態(tài)的破壞，能夠實現可持續(xù)發(fā)展，因此，這種低能耗、低成本的生態(tài)型混凝土的開發(fā)有重大的、直接的經濟利益，可為國家節(jié)約大量短缺的資源和能源。

3 結 語

中國作為最大的發(fā)展中國家和環(huán)境大國，是國際環(huán)境合作中的一個重要力量。由于中國人口眾多，人均資源少，生態(tài)環(huán)境脆弱，地區(qū)經濟發(fā)展不平衡，實施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略還面臨相當大的困難和壓力。這就要求我們大家共同努力，將目光放得遠一點，以一個更長的時間作為參考的坐標，這樣才能將問題看得更清楚、更明白，才能更好地實現可持續(xù)發(fā)展。

材料是基礎，只有研制出先進的、高功能的對社會可持續(xù)發(fā)展有益而又為人們所認可的新材料，才能為高技術的發(fā)展作好充分的準備。無論是從技術、經濟還是環(huán)境的角度來看，代替?zhèn)鹘y(tǒng)水泥的物料在未來的建筑工業(yè)中都將起著舉足輕重的作用，而且正如Swamy所說的“無論從經濟技術或生態(tài)的觀點，在今后的建筑工業(yè)中尋找硅酸鹽水泥的替代物勢在必行。”而堿膠凝材料正是這種替代品。

［1］ Krivenko P.Alkaline Cements：Terminology Classification，Aspects of Durability［C］//Justnes H.Proceedings of the 10th International Congress on the Chemistry of Cement，Gothenburg，Sweden，Amarkai and Congrex G?teborg，Gothenburg，Sweden，1997.

［2］ 呂家云.科技哲學與可持續(xù)發(fā)展［J］.巢湖學院物理系：人文社會科學版，2002（1）.

［3］ 沈滿洪.科學技術與可持續(xù)性發(fā)展［J］.科學技術與辯證法，1997，14（5）：4－10.

［4］ 楊勝多.堿激發(fā)膠凝材料發(fā)展趨勢［J］.科技信息，2010（17）.

［5］ 黃 贊.堿激發(fā)膠凝材料的研究進展［J］.水泥，2011（2）.

［6］ 孔德玉，張俊芝.堿激發(fā)膠凝材料及混凝土研究進展［J］.2009.

［7］ 楊南如.堿膠凝材料形成的物理化學基礎［J］.硅酸鹽學報，1996，24（4）：4.

［8］ 唐明述.水泥混凝土與可持續(xù)發(fā)展［J］.中國有色金屬學報，2004.

［9］ 陳 怡.中國水泥行業(yè)可持續(xù)發(fā)展分析［J］.黃石理工學院學報：人文社會科學版，2011，6.

［10］中國水泥工業(yè)的歷史和發(fā)展［J］.中國水泥，2002，9.