加強(qiáng)基礎(chǔ)性研究促進(jìn)水泥高性能化

　　21世紀(jì)我國(guó)水泥工業(yè)面臨的要求與挑戰(zhàn)
1、國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)對(duì)水泥的巨大需求
　　在21世紀(jì)，水泥仍將是我國(guó)及整個(gè)人類社會(huì)最主要的建筑材料。我國(guó)水泥年產(chǎn)量已超過(guò)6億噸，其中經(jīng)高溫專門(mén)燒制的水泥熟料近5億噸，占世界水泥總產(chǎn)量的1/3以上，連續(xù)多年居世界第一。建筑材料和建筑業(yè)是我國(guó)的支柱產(chǎn)業(yè)之一，水泥是最主要的建筑材料，全國(guó)水泥產(chǎn)值占建筑材料近50%。但是，2000年我國(guó)人均水泥消費(fèi)量為464kg/人年，人均累計(jì)水泥消費(fèi)量為5958kg。根據(jù)發(fā)達(dá)國(guó)家的經(jīng)驗(yàn)，人均累計(jì)消費(fèi)量一般達(dá)到10噸以上方達(dá)到相對(duì)飽和點(diǎn)，我國(guó)的人均水泥累計(jì)消費(fèi)量?jī)H相當(dāng)于發(fā)達(dá)國(guó)家的1/2。作為發(fā)展中國(guó)家，我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展需要保持一個(gè)較大的建設(shè)規(guī)模。大規(guī)模房屋建筑和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)要求建筑材料的的龍頭產(chǎn)品--水泥在未來(lái)20年有更大的發(fā)展，預(yù)計(jì)到2010年我國(guó)水泥需求量將達(dá)到8億噸。
　　工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的水泥產(chǎn)量近10多年來(lái)逐年下隆，發(fā)展中國(guó)家的水泥產(chǎn)量逐步增加，而且存在由發(fā)展中國(guó)家向發(fā)達(dá)國(guó)家出口水泥的趨勢(shì)，水泥生產(chǎn)重心逐步向發(fā)展中國(guó)家轉(zhuǎn)移。由于我國(guó)人口眾多，地域遼闊，如此大量的水泥需求量不可能從國(guó)外進(jìn)口，必須由國(guó)內(nèi)提供，而且還要向一些國(guó)家出口水泥。這是我國(guó)水泥工業(yè)的一個(gè)機(jī)遇，也是一個(gè)挑戰(zhàn)。
2、資源與環(huán)境的挑戰(zhàn)，可持續(xù)發(fā)展的需求
　　水泥生產(chǎn)消耗大量的煤和電等能源、消耗大量的礦石和粘土等自然資源，同時(shí)排放出大量CO2、SO2和NOX等廢氣。這些廢氣加劇溫室效應(yīng)和產(chǎn)生酸雨，嚴(yán)重污染環(huán)境。顯然，數(shù)量擴(kuò)張型的水泥工業(yè)發(fā)展模式將使我國(guó)能源、資源和環(huán)境不堪重負(fù)，不利于社會(huì)與經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。
　　社會(huì)進(jìn)步除了要求水泥工業(yè)減少環(huán)境負(fù)荷物質(zhì)的排放量外，還要求水泥工業(yè)能最大限度地將人類社會(huì)活動(dòng)中排出的產(chǎn)業(yè)廢棄物和生活廢棄物加以有效利用（甚至包括廢混凝土的再生利用），使之成為環(huán)境共存型產(chǎn)業(yè)體系。
3、社會(huì)進(jìn)步的挑戰(zhàn)，改造傳統(tǒng)水泥工業(yè)的需求
　　隨著社會(huì)向現(xiàn)代化發(fā)展，超高層建筑物、大深度地下構(gòu)筑物、超長(zhǎng)大橋、海上空港、甚至海中城市等等大型建筑越來(lái)越多，對(duì)水泥與混凝土的性能提出更高要求：施工性更好、水化熱更低、強(qiáng)度更高、體積更穩(wěn)定、耐腐蝕性和耐久性更好。即使是普通建筑，為了延長(zhǎng)建筑物的使用壽命，也越來(lái)越有這些要求。與此同時(shí)，我們所面臨的環(huán)境日益惡化，含有各種有害成分的大氣、雨水和地下水以及其它侵蝕性介質(zhì)等對(duì)水泥基材料的腐蝕作用越來(lái)越嚴(yán)重，在各種破壞因素作用下，材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和性能逐漸衰減和劣化，工程使用壽命下降。用低標(biāo)號(hào)、低性能的水泥制備混凝土?xí)r所需水泥量較多，耐久性能必然較差，將進(jìn)一步造成水泥用量增加。因此，水泥不僅要有高的強(qiáng)度，更需要有優(yōu)良的耐久性，以抵御諸如凍融、碳化、海水和化學(xué)介質(zhì)等環(huán)境因素對(duì)水泥混凝土工程結(jié)構(gòu)的侵蝕。水泥混凝土材料設(shè)計(jì)正在經(jīng)歷從單一強(qiáng)度指標(biāo)向以強(qiáng)度和耐久性綜合指標(biāo)作為主要設(shè)計(jì)依據(jù)的重大轉(zhuǎn)變，我國(guó)已經(jīng)將需遠(yuǎn)久性要求列入水泥混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范，這無(wú)疑向水泥材料學(xué)工作者和水泥工業(yè)提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

　　中國(guó)水泥工業(yè)的現(xiàn)狀和存在的問(wèn)題
　　我國(guó)水泥工業(yè)的現(xiàn)狀是大而不強(qiáng)，表現(xiàn)為"五大六低"：產(chǎn)量大，企業(yè)數(shù)量大，職工隊(duì)伍大，資源與能源消耗大，環(huán)境污染大；勞動(dòng)生產(chǎn)率低，集約化程度低，科技含量低，水泥性能低，市場(chǎng)應(yīng)變能力低，經(jīng)濟(jì)效益低。其中最主要的是科技含量低，造成資源與能源消耗大、環(huán)境污染嚴(yán)重和水泥性能低。
1、資源與能源消耗大
　　水泥工業(yè)是高能耗、高資源消耗的工業(yè)。這既與我國(guó)的科技發(fā)展水平、管理水平有關(guān)，也與硅酸鹽系統(tǒng)水泥本身的特性有關(guān)。由于水泥中主要礦物C3S的形成溫度高達(dá)1400℃以上，水泥熟料燒成熱耗很高。我國(guó)的水泥生產(chǎn)每年要燒掉近1億噸煤，用掉近600億度電。同時(shí)還要消耗4億多噸石灰石和大量粘土。如果這些不可再生的礦物資源繼續(xù)大量的消耗將對(duì)人類社會(huì)產(chǎn)生災(zāi)難性的影響。
2、水泥性能低
　　我國(guó)目前6億多噸的水泥年產(chǎn)量中，大部分是低標(biāo)號(hào)、低性能的水泥。水泥的抗壓強(qiáng)度等級(jí)普遍為32.5和42.5。我國(guó)水泥質(zhì)量與國(guó)外先進(jìn)水平相比還存在較大差距，平均強(qiáng)度低10MPa~20MPa。這除了與水泥與我國(guó)水泥生產(chǎn)技術(shù)與裝備落后、管理水平較低、立窯水泥占較大比重、含混合材料的水泥占較大比重及混合材料粗放添加有關(guān)以外，水泥材料科學(xué)發(fā)展緩慢也是一個(gè)重要原因。用低性能的水泥制備混凝土?xí)r，要達(dá)到同樣強(qiáng)度等級(jí)的混凝土所需的水泥較多，混凝土的耐久性能也較差。這樣一方面浪費(fèi)了大量水泥，另一方面建筑物的質(zhì)量較差而使其使用壽命縮短，進(jìn)一步造成水泥的浪費(fèi)。
3、環(huán)境污染嚴(yán)重
　　除了排出大量粉塵外，每生產(chǎn)1噸水泥熟料將排放出約1噸CO2和大量NOX、SO3等有害的廢氣。這些廢氣對(duì)于人類生存環(huán)境與氣候都造成極其不利的影響，比如加劇溫室效應(yīng)、產(chǎn)生酸雨，等等。水泥產(chǎn)量在現(xiàn)有的性能水平上繼續(xù)大量增加，對(duì)我國(guó)的環(huán)境造成的污染將更加驚人。因此，低性能、高污染、高消耗的水泥工業(yè)是不可持續(xù)發(fā)展的產(chǎn)業(yè)。

　　我國(guó)水泥發(fā)展的方向--高性能水泥
　　為使我國(guó)的水泥工業(yè)這一傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)能夠適應(yīng)社會(huì)的發(fā)展與進(jìn)步，原國(guó)家建材局提出了水泥工業(yè)"由大變強(qiáng)"的戰(zhàn)略目標(biāo)。這一目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)有賴于"靠新出強(qiáng)"：依靠科技的進(jìn)步和產(chǎn)品的更新，提高水泥的綜合性能，提高水泥工業(yè)的資源和能源利用率，提高水泥行業(yè)的勞動(dòng)生產(chǎn)率，使我國(guó)的水泥工業(yè)不但在數(shù)量上、更主要在科學(xué)技術(shù)水平上成為真正的世界強(qiáng)國(guó)。水泥工業(yè)的科技進(jìn)步對(duì)我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活質(zhì)量的提高將起到十分重要的作用。
　　發(fā)達(dá)國(guó)家的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)已趨完善，水泥產(chǎn)量下降，在水泥科學(xué)研究領(lǐng)域的投入日趨減少。中國(guó)要在二三十年中完成發(fā)達(dá)國(guó)家100多年所做的基本建設(shè)，對(duì)水泥的需求量更大，又不能完全照搬國(guó)外的經(jīng)驗(yàn)。因此必須建立自己的水泥科學(xué)原理，創(chuàng)造自己的知識(shí)產(chǎn)權(quán)，走出一條以質(zhì)量提高替代數(shù)量增長(zhǎng)的道路。其途徑只有提高水泥性能，用較少量的高性能水泥達(dá)到較大量低質(zhì)水泥的使用效果。
　　為此，我們提出了研究開(kāi)發(fā)具有高強(qiáng)度、優(yōu)異耐久性和低環(huán)境負(fù)荷等特征的高性能水泥的設(shè)想：在現(xiàn)有水泥實(shí)物質(zhì)量的水平上，大幅度提高水泥的性能，包括強(qiáng)度性能和耐久性性能，用較少的水泥達(dá)到較大量水泥的使用效果：大幅度降低水泥熟料的用量，用較少的水泥熟料生產(chǎn)較大量的水泥。充分利用工業(yè)廢渣的潛在膠凝性，使其在水泥混凝土中的利用從單純的增加產(chǎn)量為目的轉(zhuǎn)化為既降低環(huán)境負(fù)荷又使之作為高性能水泥中不可或缺的性能調(diào)節(jié)組份。這種高性能水泥應(yīng)該是我國(guó)21世紀(jì)水泥工業(yè)的發(fā)展方向，它將使水泥熟料產(chǎn)量降低，生產(chǎn)能耗下降，減少資源消耗，減輕環(huán)境負(fù)荷。
　　如果水泥科學(xué)研究的成果使節(jié)能型的高性能水泥得以實(shí)現(xiàn)，同時(shí)用掉數(shù)以億噸計(jì)的各類工業(yè)廢渣和尾礦，那么水泥工業(yè)將不僅僅是一低排廢的工業(yè)，而且將是一個(gè)環(huán)保型的工業(yè)；水泥將不僅為人類社會(huì)提供居住場(chǎng)所，而且將為人類清潔生存環(huán)境。如果將水泥的強(qiáng)度和其他性能大幅度提高，趕上和超過(guò)發(fā)達(dá)國(guó)家的質(zhì)量水平，那么用4億噸或5億噸高性能水泥就有可能達(dá)到現(xiàn)有的6億噸水泥的使用效果，這對(duì)提高我國(guó)的資源利用率將有重大的貢獻(xiàn)。

　　高性能水泥制備和應(yīng)用有賴于基礎(chǔ)性的科學(xué)研究
　　水泥的生產(chǎn)和使用已經(jīng)有170多年的歷史，在水泥科學(xué)的指導(dǎo)下水泥生產(chǎn)工藝和使用技術(shù)不斷得到發(fā)展，每一次水泥工業(yè)和混凝土工業(yè)的重大變革都與水泥科學(xué)的進(jìn)展密切相關(guān)。例如：熟料化學(xué)的研究成果促使生產(chǎn)設(shè)備的改進(jìn)，水泥制備技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到相當(dāng)高的水平，先進(jìn)的窯外分解技術(shù)可以幾乎使水泥熟料燒成的熱耗最大限度地接近其理論熱耗；水化化學(xué)的研究成果致使礦渣等工業(yè)廢棄物可以比較大量地?fù)饺胨嘀?，有效地增加了水泥的產(chǎn)量，在某些特定的條件下還能改善水泥的使用性能；水泥漿體流變學(xué)和表面物理化學(xué)的研究為化學(xué)外加劑的成功應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)，促使在各類環(huán)境混凝土的施工和提高混凝土性能成為可能。
　　我國(guó)水泥科學(xué)基礎(chǔ)研究在水泥工業(yè)的技術(shù)進(jìn)步過(guò)程中起到了極為重要的作用。比如，在各類水泥熟料相體系的研究成果基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出數(shù)10種特種水泥，使我國(guó)成為水泥品種最多的國(guó)家；復(fù)合礦化理論研究成果在立窯生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用，熟料燒成熱降低10%以上，大幅度提升了立窯水泥的品質(zhì)；水泥水化理論研究中關(guān)于鈣礬石形成理論的研究成果不但使普通的硅酸鹽水泥中石膏用量在合理的范圍內(nèi)，而且引發(fā)出一系列以鈣礬石為膨脹源的的膨脹水泥和混凝土（包括混凝土膨脹劑）；水泥漿體液相研究為GRC的開(kāi)發(fā)應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)；水泥石與混凝土的亞微結(jié)構(gòu)、堿骨料反應(yīng)等研究成果為混凝土合理制備和高性能和高耐久性提供了指導(dǎo)。
　　高性能水泥的制備和應(yīng)用同樣有賴于基礎(chǔ)理論的研究，現(xiàn)有的水泥科學(xué)理論難以指導(dǎo)水泥制備和應(yīng)用技術(shù)再進(jìn)一步的發(fā)展，制約了水泥性能的進(jìn)一步提高。為此，國(guó)家科技部批準(zhǔn)設(shè)立《國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃》"高性能水泥制備和應(yīng)用的基礎(chǔ)研究項(xiàng)目"，擬從提高熟料和輔助膠凝材料的膠凝性來(lái)提高水泥性能，解決關(guān)鍵的科學(xué)問(wèn)題，建立具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高性能水泥科學(xué)原理，為大幅度提高水泥強(qiáng)度、提高水泥基材料的耐久性、降低由于水泥制備和應(yīng)用帶來(lái)的環(huán)境負(fù)荷提供理論基礎(chǔ)，走出一條以性能提高替代數(shù)量增長(zhǎng)的水泥工業(yè)可持續(xù)發(fā)展道路。

　　高性能水泥基礎(chǔ)研究的目標(biāo)與展望
　　從我國(guó)的國(guó)情和社會(huì)發(fā)展需要出發(fā)，在提高水泥性能的同時(shí)，還要考慮降低能源和資源消耗、降低環(huán)境污染。因此，高性能水泥基礎(chǔ)研究的目標(biāo)是：在同樣工業(yè)廢渣用量條件下水泥強(qiáng)度提高等級(jí)，并且早、中、后期強(qiáng)度協(xié)調(diào)發(fā)展，達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，使制備混凝土?xí)r的水泥用量顯著減少；同樣的水泥強(qiáng)度時(shí)水泥熟料用量減少30%，使經(jīng)高溫煅燒制成的水泥熟料的作用得以充分發(fā)揮；強(qiáng)度和耐久性兼優(yōu)，水泥基材料的耐久性指標(biāo)提高1倍以上；水泥生產(chǎn)的綜合能耗降低20%以上，環(huán)境負(fù)荷降低30%以上。
　　高性能水泥是我國(guó)水泥科學(xué)研究和水泥工業(yè)創(chuàng)新和發(fā)展的方向。由中國(guó)建筑材料科學(xué)研究院、南京工業(yè)大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)、北京工業(yè)大學(xué)、武漢理工大學(xué)等單位組成了"高性能水泥制備和應(yīng)用的基礎(chǔ)研究"項(xiàng)目的研究隊(duì)伍。預(yù)計(jì)經(jīng)過(guò)五年的研究，將會(huì)解決其中關(guān)鍵的科學(xué)問(wèn)題，初步產(chǎn)生具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高性能水泥材料科學(xué)理論，為大大提高水泥和水泥基材料的綜合性能奠定科學(xué)基礎(chǔ)，使我國(guó)在該領(lǐng)域達(dá)到世界先進(jìn)水平。