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浅谈我国绿色水泥材料的应用及发展见解

作者:核心期刊目录查询 发布时间:2019-06-26

文章说明了发展绿色水泥材料的必要性,阐述了目前我国水泥材料应用的现状,提出了绿色水泥材料的发展方向。 《 施工技术 》多年来,及时追踪报道建设领域的最新技术,以其实用性强、内容丰富的特色,深受工程技术人员的欢迎和好评,发行量在国内建筑领域遥遥

  文章说明了发展绿色水泥材料的必要性,阐述了目前我国水泥材料应用的现状,提出了绿色水泥材料的发展方向。

施工技术

  《施工技术》多年来,及时追踪报道建设领域的最新技术,以其实用性强、内容丰富的特色,深受工程技术人员的欢迎和好评,发行量在国内建筑领域遥遥领先。办刊宗旨:面向全国工程建设领域,及时报道国家和建设部有关施工技术政策,传播和交流国内外先进施工技术和经验。

  近年来,我国建筑与建材工业取得了长足的发展,技术水平不断提高,缩短了与发达国家的差距。但是,随着城市建设的不断发展,对资源和能源的消耗也越来越大,给环境带来很大的负荷,已不符合国家可持续发展的战略要求。改变传统落后的粗放式发展模式,转变经济发展方式,推进绿色低碳发展已经成为我们的当务之急。

  1 大力发展绿色水泥材料的意义

  硅酸盐水泥是建材行业使用最普遍、用量最大水泥品种。虽然硅酸盐水泥已使用了很多年,为社会的进步做出了很大贡献,但是,其性能还有很多不如意的地方。硅酸盐水泥的耐久性低,主要是由于CaO含量高(63%~67%)的原因。水化产物出来主要的水化硅酸钙之外,还有大量的Ca(HO)2生成,其在化学上和物理上都是活性物质,很容易与其他酸、碱、盐介质发生反应产生破坏作用,从而降低水泥制品的耐久性,造成很大的材料浪费和经济损失。另外,在技术不断进步的同时,硅酸盐水泥一直在生产上存在很多严重的弊端,如资源、能源消耗巨大、环境污染严重,温室气体排放严重超标,产能过剩等问题。虽然国家近年进行了产业结构优化,技术改造,淘汰落后产能等相关措施,可是,这些政策并未能改变水泥行业高污染,高能耗的现状。逐步推进水泥产业结构调整,开发适应经济社会可持续发展的环境友好型水泥混凝土材料及推广其在土木工程当中的应用具有重要意义。

  2 绿色水泥材料研究与应用现状

  目前,在建筑与建材行业除了应用硅酸盐水泥之外,还有其他几种胶凝材料。如碱激发矿渣水泥、碱激发粉煤灰水泥、硫铝酸盐水泥和镁质水泥等。随着对资源、能源和环保意识的提高和重视,这些绿色胶凝材料越来越得到重视。

  2.1 碱激发胶凝材料。碱激发胶凝材料由原苏联基辅建筑工程学院学者于1957年发明,又称为“土壤水泥”,由碱金属化合物与含铝硅酸盐的原材料作用产生胶凝物质。该水泥凝结快、强度高、低温下强度发展也很好、低收缩、抗冻融、抗硫酸盐、抗腐蚀和低碱集料反应,具有很好的耐久性,综合性能优良。它能满足未来建筑工程材料的高强高耐久要求。

  根据组成材料的不同,有不同的碱激发胶凝材料系统,如碱-硅酸盐水泥熟料胶凝材料,碱-矿渣胶凝材料,碱-粉煤灰胶凝材料,碱-矿渣-粉煤灰胶凝材料等。

  碱激发胶凝材料与硅酸盐水泥相比具有很多技术和经济上的优势。硅酸盐水泥生产过程可概括为“两磨一烧”工艺,需要消耗大量的石灰石、粘土等资源,生产过程十分耗能。而碱激发胶凝材料只需对所激发材料进行粉磨,生产过程简易,能源及能耗很少,能耗可降低60%~90%。碱激发胶凝材料生产工艺简单,无需大的煅烧设备,无需破碎设备和生料的粉末设备及相应的厂房和辅助设施,基建投资仅为硅酸盐水泥的30%~40%。碱激发胶凝材料的能耗低,所需设备及厂房投入少,所以产品成本大幅降低,比相同强度等级的硅酸盐水泥大约降低50%。硅酸盐水泥生产过程中要排放大量CO2,每生产1t水泥就要排放1t CO2,加剧全球气温升高,而碱激发胶凝材料基本上可以无CO2排放,发展碱激发胶凝材料可以大大减少水泥工业的CO2排放量。因此碱激发胶凝材料可以大量消耗工业废弃物,且原料广泛,成本低廉、工艺简单、投资较少、能耗低、环保性强,是一种很有发展前景的新型绿色水泥材料,应加大研究并积极拓展其在土木工程当中的应用。

  2.2 镁质水泥。在土木工程当中,除了大量使用以钙盐为水化产物的石灰、石膏、硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥之外,还有一大类是以镁盐为水化产物的镁质胶凝材料。镁质胶凝材料主要包括氯氧镁水泥、硫氧镁水泥、磷酸镁水泥及最近对硫氧镁水泥进行改性后的碱式硫酸镁水泥。

  2.2.1 氯氧镁水泥。氯氧镁水泥是1867年法国化学家索瑞尔发明。氯氧镁水泥由轻烧氧化镁与氯化镁溶液反应获得,水泥凝结快,早期强度发展迅速,后期强度高,导热性低,防火性好,粘结力强,可与有机、无机材料粘结良好,耐磨而且具有很好的装饰性。但是,这种水泥存在吸潮返卤、耐水性差等缺陷,虽然经过改性之后得到明显改善,但在实际应用中还是会经常出现质量问题,主要是一些生产者缺乏核心技术。氯氧镁水泥可代钢代木,用于生产玻镁防火板、GRC板材、玻镁风管、农用大棚架、井盖、亭台楼阁等。氯氧镁水泥属于绿色环保材料,组成材料中的轻烧氧化镁煅烧温度为700℃左右,比硅酸盐水低一半,CO2排放量低,氯化镁可由工业副产物获得。

  2.2.2 硫氧镁水泥。硫氧镁水泥在组成和性能上与氯氧镁水泥相似,只是调和剂使用硫酸镁溶液。硫氧镁水泥与氯氧镁水泥相比,具有吸潮返卤性较低,对钢筋腐蚀性小等优点。但是,由于内部反应不充分,强度较氯氧镁水泥低很多,且很容易开裂。近年,通过对硫氧镁水泥进行改性研究后发现,通过掺加有效外加剂后,可以促进硫氧镁水泥水化的进行,水化产物以碱式盐5Mg(OH)2·MgSO4·7H2O为主要产物,水泥力学性能和耐久性得到很大改进和提高,已优于氯氧镁水泥,有学者将其命名为“碱式硫酸镁水泥”。该水泥完全可以取代氯氧镁水泥,并且无吸潮返卤及腐蚀钢材现象发生。碱式硫酸镁水泥经过理论创新,采用工业废硫酸、轻烧氧化镁、粉煤灰和化学外加剂为主要原料,可以开发低成本的碱式硫酸镁水泥产品,实现从水泥产品到建筑材料制品的工业化大生产模式。该水泥具有快凝、早强、高强、抗水、不吸潮返卤、耐高温性好、抗腐蚀、护筋性能好等优异性能,同时具有低碳、节能、利废和环保等良好经济效益和社会效益,适合于制作建筑工业的结构材料、保温材料和装饰材料等。是最有希望发展成为继硅酸盐水泥之后的用于承重结构材料、并在建筑工程行业中占据更大份额的新型胶凝材料。碱式硫酸镁水泥的理论创新引起了企业界的青睐,正在稳步地推广、实施。

  2.2.3 磷酸镁水泥。磷酸镁水泥是由磷酸盐与重烧氧化镁经过酸碱反应形成的一种胶凝材料。磷酸镁水泥凝结非常迅速,而且早期强度高,与各种集料粘结性好,这使得这种水泥非常适合作为修补材料。磷酸镁水泥在使用时也可以掺入大量的工业废弃物如粉煤灰和矿渣,在改善水泥性能的同时起到利废环保的效应。

  2.2.4 碳酸镁水泥。这种水泥是2003年由澳大利亚学者提出,并且引起了行业的很大关注。该水泥由活性氧化镁与硅酸盐水泥按不同比例混合,水化产物中含有Mg(OH)2,水镁石。水镁石的溶解度要低于Ca(OH)2,并且会与空气中的CO2反应生产Mg CO2,因此,这种水泥可以消耗空气中的CO2,而且废弃之后还可以作为原料生产水泥,所以,属于生态环保的绿色水泥,是很好的硅酸盐水泥的替代产品。但是目前应用还不多,仍然需要加大对其的研究并尽早推广应用。

  3 存在的问题及解决措施

  目前,无论是碱激发水泥还是镁质水泥,所存在的最大问题就是原料组成不稳定,如各地矿物掺合料由于各种原因其组成波动较大,轻烧氧化镁活性含量差别较大,造成原料组成不稳定,水泥性能受到很大影响。因此,国家及行业应积极完善相关标准的制定,推进绿色胶凝材料的更新换代。

  参考文献

  [1] 中国建材数量经济监理学会.“十一五”时期水泥产业能源利用情况述评[J].中国水泥,2011(01):30-35.

  [2] 涂平涛.氯氧镁材料技术与应用[M].化学工业出版社,2009.

  [3] 闫洁.“科学家成功解析硫氧镁水泥新物相结构,可显著提高水泥力学和耐久性能”[N].中国科学报,2013-07-11.

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