生態膠凝材料研究進展與展望

張昊 段玉凱 王軍

摘 要：分析了生態膠凝材料研究的重要性和必要性，論述了目前國內和國外的研究現狀。提出了未來生態膠凝材料的研究方向。

關鍵詞：生態膠凝材料;研究進展;展望

中圖分類號：TU528 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）20-0038-02

Abstract： The importance and necessity of the research on ecological cementitious materials were analyzed， and the current research status at home and abroad was discussed. The research direction of ecological cementitious materials in the future was put forward.

Keywords： ecological cementitious materials; research progress; prospect

生態膠凝材料又稱為無熟料膠凝材料，是從硅酸鹽水泥發展而來的，以磨細的粒化高爐礦渣、粉煤灰、煤矸石等火山灰質混合材料為主要原料和激發劑，按照適當比例配合，共同磨細成具有水硬性或氣硬性的膠凝材料（如石膏礦渣水泥、石灰礦渣水泥、堿礦渣水泥、鋼渣水泥、粉煤灰水泥）[1-3]。具有高強度、高耐久性、生產工藝簡單、充分利用工業廢渣等顯著優點，越來越受到重視[4]。

1 研究生態膠凝材料的重要性

水泥是目前我國土木工程領域使用量最大的工程材料，2018年水泥生產量達到22.98億立方米，比2017年增長3.11%。伴隨著新舊動能轉換和城市基礎建設的加快發展，對水泥的需求將保持增長。但是生產水泥采用兩磨一燒工藝嚴重消耗能源，產生的二氧化碳氣體（CO2）、硫化氫氣體（H2S）污染大氣環境，增加溫室氣體排放;生產中產生的粉塵增加空氣中PM2.5的含量。生產水泥的過程嚴重污染環境破壞生態，減少甚至停止水泥的生產，改善人民居住的生態環境是政府正在采取的措施。尋找可替代水泥的膠凝材料滿足混凝土工程建設的需要迫在眉睫。另一方面，我國工業固體廢物年產生量約33億噸，歷史累計堆存量超過600億噸，占地超過200萬公頃，不僅浪費資源、占用土地，而且已經嚴重危害到生態環境和人民健康安全[5]。盡管經過了幾十年對工業固廢的處置和利用，但是對固體廢棄物的利用率僅有10%，與發達國家有顯著差距[6]。

研究利用具有潛在水硬性和火山灰特性的工業廢渣，不使用硅酸鹽水泥熟料，生產環保節能利廢的復合膠凝材料替代水泥，具有重要的環保意義和經濟價值;對節約資源能源、維持生態平衡和促進經濟社會的可持續發展具有重要意義。另一方面，采用工業廢棄物制作混凝土，實現再生資源的循環利用，減少固體廢棄物占地危害，為人類健康提供安全可靠的空間，具有重大的社會意義和廣闊的發展應用前景。

2 國內外研究現狀

2.1 國外研究概況及水平

通過激發劑獲取膠凝材料的研究在上世紀成為熱門。德國學者Kuhl最初開始研究氫氧化鉀激發礦渣膠凝材料的凝結性能，這是研究者們首次將堿作為膠凝材料的原材料進行研究[7]。Chassevent 對氫氧化鉀和碳酸鈉溶液激發礦渣的反應活性進行了研究;比利時的Purdon研究了氫氧化鈉激發礦渣和堿性鹽材料，提出了堿激活理論，即用氫氧化鈉使膠凝材料中的化合物溶解，形成偏鋁酸鈉和硅酸鈉，再與氫氧化鈣反應，形成鋁酸鈣和硅酸鈣凝膠，促使膠凝材料硬化，并再次得到氫氧化鈉[8]。因此，氫氧化鈉在膠凝材料硬化的過程中，起到了催化劑的作用。烏克蘭Glukhovsky教授使用氫氧化鈉或水玻璃作為激發劑，來激發碎石、鍋爐渣、生石灰或高爐礦渣微粉的混合物，得到抗壓強度高達120MPa，穩定性良好的膠凝材料，他們通過進一步研究證明這種膠凝材料與硅酸鹽水泥一樣，既能在水中和自然條件下硬化，也能在蒸汽養護和高壓處理條件下硬化。進入21世紀，由于國外的基本建設發展緩慢，對無水泥熟料膠凝材料的研究，特別是其在不同環境下性能的研究趨于淡化。

2.2 國內研究概況及水平

我國對無熟料膠凝材料研究始于20世紀80年代，許多研究者對堿激發劑進行了大量研究[9]。李永德采用不同堿溶液或組合堿對礦渣和粉煤灰進行激發，結果表明，組合堿對礦渣和粉煤灰混合料的作用效果優于單獨使用相同濃度的堿。鄭州大學盧紅霞、西安建筑科技大學徐德龍、哈爾濱工業大學鄭文忠、同濟大學王培南、武漢工業大學袁潤章等人各自提出了適合原材料的配合比及堿激發摻料的配比;萬小梅等深入研究了堿激發膠凝材料制作的混凝土的耐久性能及耐高溫性能，為無熟料膠凝材料在混凝土中推廣應用進行有益的探索[10]。

3 研究展望

生態膠凝材料目前在我國沒有得到大規模應用，主要原因在于理論與實踐的研究有待深入，包括以下兩個方面：

（1）深入系統研究礦渣鋼渣石膏等原材料的基礎性

能;開發能在工程中應用的外加劑如減水劑、緩凝劑、抗凍劑、減縮劑等。

（2）深入持久的研究生態膠凝材料的耐久性能，為工程結構的可靠性和服役安全提供理論支持和方向;加快制定生態膠凝材料及其相關制品像生態膠凝砂漿、生態膠凝混凝土的行業標準，確保其在行業市場的準入和安全使用。

參考文獻：

[1]徐永模.固廢資源化利用：需要突破的觀念[J].混凝土世界，2018（7）：8-10.

[2]王燕謀，蘇慕珍，路永華，等.中國特種水泥[M].中國建材工業出版社，2012.

[3]胡曙光.特種水泥[M].武漢理工大學出版社，2010.

[4]趙青林，李北星.生態干混砂漿[M].化學工業出版社，2012.

[5]楊小聰，郭利杰.尾礦和廢石綜合利用技術[M].化學工業出版社，2018.

[6]黃赟.堿激發膠凝材料的研究進展[J].水泥，2010（2）：9-13.

[7]田學偉，李顯忠.唐山堿渣土的工程利用研究[J].建筑科學，2009（7）：77-79.

[8]陳杏婕，倪文，吳輝，等.全尾礦廢石骨料高強混凝土的試驗研究[J].金屬礦山，2015（2）：166-172.

[9]朱廣宇.鋼鐵渣處理的意義和綜合利用[J].化學工程與裝備，2015（3）：237-238.

[10]Ruskovnjak A，Lothenbach B，Winnefeld F，et al.Hydration mechanisms of sulphated slag cement.Cement and Concrete Research.2008，38（7）：983-992.