復合硅酸鹽水泥的研制與應用

顧佳妮/華北理工大學材料科學與工程學院

復合硅酸鹽水泥的研制與應用

顧佳妮/華北理工大學材料科學與工程學院

隨著科技的進步，現代工業趨向于一種綠色可持續的發展方式，越來越多的復合材料利用廢棄資源打開了新市場。本文從復合硅酸鹽水泥的種類、生產條件與性能特點進行論述，簡述了工業廢渣在復合硅酸鹽水泥中的應用和發展前景。

復合硅酸鹽水泥；混合材；生產條件；性能特點；工業廢渣；節能減排

1.復合硅酸鹽水泥的定義與種類

長期以來，建筑領域使用最廣泛的水泥基復合材料是由硅酸鹽水泥、砂、石和水組成的普通混凝土。然而，隨著現代科技的進步，普通混凝土的性能已遠不能滿足現代建筑的要求，這使得水泥基復合材料取得重大發展。

1.1 復合硅酸鹽水泥的定義

復合硅酸鹽水泥是由硅酸鹽水泥熟料、兩種或兩種以上規定的混合材料、適量石青磨細制成的水硬性膠凝材料。水泥中混合材料總摻t按重量百分比應大于15％,不超過50％,且不應與GB1344重復。

1.2 復合硅酸鹽水泥的種類

按增強體的種類，水泥基復合材料可分為混凝土、纖維增強水泥基復合材料、聚合物混凝土復合材料等。

混凝土由水泥、水和粗、細集料按適當比例拌和均勻，經澆搗成型后硬化而成。按復合材料定義 ，它屬于水泥基復合材料，是建筑工程中最主要的建筑材料之一，在工業與民用建筑、給排水工程、國防建筑等方面都廣泛應用。

纖維增強水泥基復合材料是由不連續的短纖維均勻分散于水泥混凝土基材中形成的復合材料，常用纖維有鋼纖維、玻璃纖維、碳纖維。

與普通混凝土不同，聚合物混凝土是以聚合物或聚合物與水泥為膠結材料，可分為：聚合物混凝土或樹脂混凝土（PC）、聚合物浸漬混凝土（PIC）和聚合物改性混凝土（PMC）。

1.2.2 RANK啟動子區甲基化檢測 使用Methyl Primer Express v1.0設計重亞硫酸鹽測序引物：上游引物 5′-GGTGCCTTTCTAGAATTTGGTGG-3′；下 游引 物：5′-CCAACCCTAAATTACCCTTCAC-3′，PCR產物長度376 bp，共20個CpG位點。

2.復合硅酸鹽水泥的混合材類型

現用于生產復合硅酸鹽水泥的混合材種類很多。按來源分，可分為天然的（如石灰石、玄武石巖等）與人造的（如礦渣、粉煤灰等）；按反應分，可分為具有潛在水硬性（礦渣、磷渣等）和火山灰性的（如沸石、粉煤灰等）。其他混合材包括化鐵爐渣、冶金渣、煤矸石等。目前廣泛應用的有礦、粉煤灰、化鐵爐渣，黃磷渣等。

3.復合硅酸鹽水泥的生產條件

人們習慣認為硅酸鹽水泥才是優質水泥,復合硅酸鹽水泥往常被視為質量較差的水泥,這種觀點是不符合科學道理的。在各種因素適宜的情況下,可以生產出比硅酸鹽水泥還要好的優質復合硅酸鹽水泥,要生產優質復合硅酸鹽水泥應注意下列三個條件。

3.1 保證熟料質量并選擇適宜混合材及摻量

生產優質復合硅酸鹽水泥的首要條件是保證熟料質量,否則就是不加混合材也生產不出好的水泥。復合硅酸鹽水泥因加入混合材量大,通常早期強度低,因此,選擇混合材時要注意其特性。另外,混合材摻量還與熟料質量和成分有關。如C3A高的熟料,石灰石宜多摻;堿含量高的熟料,宜多摻火山灰質混合材。各種混合材的總摻量及其比例,應根據科學實驗來確定。

3.2 選擇合理的石膏用量及粉磨細度

在硅酸鹽水泥中選擇合理的石膏用量可正確調節水泥凝結時間、降低C3A水化速度、改善水泥漿的工作度、提高水泥后期強度,一般控制在1.5-3.5％(按SO3計)。在復合硅酸鹽水泥中摻加多種混合材,混合材的難磨度有所不同,篩余的化學成份也經常是那些難磨的混合材,不控制好恰當的粉磨細度,那些粗的混合材在水泥水化時就難以參與反應。

3.3 選用合適的外加劑

復合硅酸鹽水泥一般需要用外加劑來提高熟料水化速度，改善水泥早期強度，從而彌補加入大量混合材帶來的相應缺陷。選用外加劑應嚴格控制摻量，協調早后期強度。

4.復合硅酸鹽水泥的性能特點

復合硅酸鹽水泥在確保水泥質量的同時，減少熟料成分，利用新型水泥技術處理了大量工業廢渣，不僅改善水泥性能，還提高了水泥產量，降低能耗與生產成本。其在熟料質量性能、混合材選擇搭配、生產質量控制系統上，比普通硅酸鹽水泥具有更高的要求，產出的水泥更優質。在摻入的混合材上，復合硅酸鹽水泥將粉煤灰的填充效應、表面水化效應與礦渣膠凝性能的結合，改善混凝土中的亞微觀結構，顯著提高水泥基材料的混合性能與激發作用。在水化熱上，復合硅酸鹽水泥比普通硅酸鹽水泥低10％左右，有利于大體積混凝土施工。

5.工業廢渣在水泥中的應用

一、利用各種工業廢渣或廢料作為水泥的混合材（粉煤灰、礦渣、廢礦、煤研石等），混合磨細生成相應的水泥品種。二、利用工業廢料作為水泥熟料原料（電石渣、赤泥、廢礦石等），經處理后可充分利用其中所含的硅、鋁、鐵、鈣等有效成份，替代部分天然原料，調配制成復合要求的水泥生料。三、利用具有可燃組分的廢渣或廢料，作為鍛燒水泥熟料所需的燃料，通常稱為替代燃料或二次燃料。這樣既能合理利用資源又節能減排。

6.復合硅酸鹽水泥的發展

復合水泥的“復合效應”不僅是一種工業廢渣高值化的途徑,而且還具有顯著提高早期強度、整體強度的優點。研究復合水泥在物理力學性能上、在宏觀和微觀上的“復合效應”,對水泥物理化學學科的發展具有重大意義。

6.1 我國水泥發展現狀

隨著我國經濟的高速發展，水泥工業作為重要的基礎原料產業，實現了自身的膨脹式發展，為我國近年來的城鄉發展和基礎設施建設做出了巨大的貢獻。技術上，我國水泥不斷探索新型工業化道路，大規模推廣新型干法水泥技術。這大大有利于我國產業機構的升級與緩和資源與發展之間的沖突。但相比于發達國家，我國水泥產業仍未脫離“大而不強”的局面，其生產發展仍延續著粗放式經濟的增長模式。

6.2 復合硅酸鹽水泥的社會效益和發展前景

大量運用工業廢渣生產復合硅酸鹽水泥，是發展循環經濟的一個方面，可直接降低環境污染，實現節能、減排、低碳的生產目標，具有巨大的社會效益。在復合硅酸鹽水泥中摻入較大量的工業廢渣是發展循環經濟的一種嘗試，能節約資源、提高環境的保護。據不完全統計，我國水泥工業每年向大氣排放的粉塵、煙塵在1300萬以上，雖然比過去1800萬t有了較大的改進，但比國家環保部門要求的年排放量650萬t仍相距甚遠。利用工業廢渣可有效減輕環境負荷的潛能，使水泥工業朝節能、減排的循環經濟發展。

故而復合水泥的開發、研制、生產和性能研究已成為國內外水泥發展的又一重要方向。

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