低碳技术引领水泥混凝土行业科学发展

　　随着我国国民经济的快速发展，水泥混凝土作为重要的基础材料，其需求不断增长，而资源、能源和环境的制约，使得提高相关产业的集中度和研发推广低碳技术成为重要的关注点。“十一五”以来，国家发改委、工信部、科技部、住房和城乡建设部等多个部门出台的各种政策法规和设立的科技计划，积极引导水泥混凝土行业的发展，使水泥行业的联合重组成为力度最大的5年，大大提高了水泥企业的集中度，对淘汰落后起到了重要作用，使水泥混凝土领域低碳技术的研究和推广应用显着加快，对科学发展做出了贡献。

　　水泥混凝土行业现状

　　到“十一五”末年的2010年，全国的水泥产能已达到18.7亿吨，熟料产量为11.52亿吨，其中新型干法水泥生产熟料8.2亿吨，熟料的产能比例已经超过80%。据统计，2010年，4000吨及以上水泥新型干法工艺生产线吨熟料标准煤耗预计下降到107千克以内，一些先进水泥生产企业的部分生产线已低于100千克，新型干法工艺平均水平下降到112千克标准煤。目前新的日产5000吨新型干法生产线粉尘排放基本达到100毫克，行业最好水平居国际中等偏上。近700条新型干法水泥生产线建设了余热发电系统，装机容量4786兆瓦。“十一五”期间，累计淘汰落后水泥熟料生产能力4.34亿吨，落后水泥生产能力4.03亿吨。

　　高性能混凝土已广泛应用于我国重点工程建设，三峡等大型水利工程采用的上千万方的中低热水泥混凝土、碱骨料反应研究成果解决了客观条件苛刻的青藏铁路建设难题，超早强高性能混凝土技术制作替代德国技术的无砟轨道板大量应用于高速铁路，高品质的聚羧酸系高性能减水剂轨道交通和道路建设等等，高性能混凝土为我国重点工程建设发挥着越来越大的作用。

　　取得上述优异成绩得益于我国水泥混凝土工业在自主创新、集成创新和引进消化吸收再创新方面所取得的长足进步。

　　水泥混凝土行业技术发展现状及“十一五”取得的成绩

　　“十一五”期间，在科技部的领导下，我国水泥混凝土行业围绕节能减排的相关低碳技术研究全面进入国家三大科技计划体系，成功申报多项国家科技支撑计划、国家重点基础研究计划（“973”计划）、高技术发展规划（“863”计划）的重大项目或重点项目，并取得了一批水泥混凝土行业节能减排重大技术成果，进一步推动了水泥混凝土行业的科学技术创新，为“十二五”及今后一段时间的我国新型干法工艺技术实施节能减排、资源综合利用的技术发展、高性能混凝土技术的不断深化和有效应用奠定了雄厚的基础。同时在国家发改委和工信部的支持下实施了一批节能减排科技示范项目，国家自然基金委也对应用基础研究给予了支持。

　　1.水泥生产制造过程的节能减排技术

　　水泥生产仍以高效、优质、清洁、节省资源的加工制造技术为总体发展趋势。其中包括采用工业废弃物和尾矿替代原、燃料技术、调整原料组成使之达到产品的性能与结构最优化；绿色制造技术与装备，清洁生产技术等。

　　在替代原、燃料技术方面，主要是利用工业废弃物和尾矿等替代建筑材料生产中的原、燃料。利用方式主要有两种：一是利用粉煤灰、煤矸石、赤泥、电石渣、各类尾矿渣等作为替代原料；二是利用废轮胎、废油、废塑料等可燃废弃物作为替代燃料。由于我国各类废渣种类多、数量大，我国水泥制造业在利用工业废渣作混合材方面，无论是理论研究还是实际应用已经处于世界领先水平，粉煤灰、矿渣已广泛应用于水泥和混凝土中，近年来通过物理和热态的化学活化等技术途径提升了钢渣的活性，磨细钢渣在水泥和混凝土中的应用得以实现。根据欧共体的统计，在其成员国中利用二次燃料替代天然燃料用于水泥生产的替代率平均为12％，全球最大的水泥制造商Laftilge公司可燃废弃物的燃料替代率在50％以上。但我国目前利用废弃物作替代燃料还没有进行系统研究。

　　目前我国许多种类危险废弃物、城市污泥、城市生活垃圾等没有得到很好的处置。中材集团牵头完成的“十一五”国家科技支撑计划项目“新型干法水泥生产线节能减排技术与装备研究”项目包括城市生活垃圾在水泥窑中的处置技术与装备研究，以及电石渣制水泥规模化应用技术及装备研究。北京金隅集团也已经进行了水泥窑炉协同处理废弃物的实践。

　　在调整原料组成技术方面，国内外最新成果多侧重于微观与宏观相结合的研究思路，具体说就是先深入研究原材料的微观组成与结构，通过设计对材料成品的微观与宏观结构进行最优化构造，最后在资源能源消耗最小化的前提下探讨材料的宏观制造方法，从而获取高性能水泥。

　　在由中国建筑材料科学研究总院（以下简称中国建材总院）牵头的“973”计划“高性能水泥制备和应用的基础研究”项目研究在受到各种外来离子固溶诱导下的C3S晶体晶型结构变异对C3S晶体胶凝活性的影响，后通过宏观设计将这种变异在工业化过程中加以实现。该项目在高阿利特含量的高胶凝性熟料研究方面取得实质性进展，通过提高阿利特水化活性和含量可以提高熟料强度5～10兆帕。此项技术实现了工业化生产。利用高强水泥熟料与水泥性能优化工艺技术可以使42.5等级水泥中的活化废渣混合材掺量达30%~50%，混合材掺量较国内平均水平（约20%）提高10%~30%，水泥生产综合电耗为每吨90~100千瓦时，低于目前国内新型干法水泥生产的平均电耗。在“十一五”中期立项的“973”计划“水泥低能耗制备与高效应用的基础研究”中，南京工业大学承担的“高介稳阿利特微结构和熟料矿物相组成优化”课题侧重通过提高阿利特高度介稳化和熟料相组成匹配，建立熟料相组成匹配模型和阿利特介稳化控制准则，获得高胶凝性水泥熟料。

　　其他体系水泥，如贝利特水泥（以C2S为主）、第三系列水泥—硫铝酸盐水泥都是通过调整熟料矿物组成、引入少量其他矿物组成等手段达到降低熟料烧成热耗、减少CO2排放的目的。中国建材总院和南京工业大学拥有相关发明专利并在新型干法窑成功生产，并已作为“低能耗水泥”用于水工水泥混凝土、预制混凝土、自应力混凝土等。

　　在绿色制造技术与装备方面，国内外的最新研究和应用主要包括新一代高能效预分解窑炉工艺技术、高固气比节能技术、无球化粉磨技术、高效冷却装备、低温高效余热发电技术等。目前国内在已有基础上研究开发了六级旋风预热器、二支承回转窑、新型高效低污染水泥工业用燃烧器等节能新技术和装备，技术指标达到国际先进水平。

　　西安建筑科技大学先进的高固气比技术在“十一五”期间得到了推广，节能减排效果显着。更新一代的预烧成窑炉工艺结合短窑燃烧技术目前已由中国建材总院承担的国家“973”计划“熟料分段烧成动力学及过程控制”课题开展相关基础研究。该项目将建立熟料形成过程的最佳热、动力学机制和最佳能量配置，从而建立新一代、高能效水泥窑炉工艺原型，该项目对降低熟料烧成热耗，提高熟料产量和质量具有重要意义。

　　“十一五”期间，国产节能粉磨装备的生产能力、技术水平大幅提高，原料立磨、煤磨立磨、水泥辊磨技术已臻成熟，已实现规模化和产业化，大量配套于新建和改建水泥生产线。由中国建材总院和合肥水泥工业设计院承担的“十一五”科技支撑计划课题“高性能水泥绿色制造工艺和装备”着重开展了水泥粉磨技术和装备的研究。该课题研发的HFCG160大型辊压机及粉磨系统有效地解决了辊压机大型化后带来的分级效率下降的问题，并在主动调整水泥成品的颗粒分布方面取得了成功的经验，整体性能与技术经济指标达到国际先进水平，超过200套的大型辊压机及其配套设备已投入运行，并已应用在铁矿石选矿、钢渣粉磨中。HRM4800大型生料立式磨粉磨技术是目前国产台时产量最高的生料立式磨，适应了不同易磨性原料的配套要求，立式磨系统单位产品吨电耗为13.53千瓦时，主要技术经济指标达到国际先进水平。该装备可替代进口，满足日产5000吨级水泥熟料生产线配套要求。突破现有粉粹理论的高效节能粉磨技术也正开展应用基础研究，南京工业大学承担的“973”计划“水泥粉磨动力学及过程控制”课题着重研究多频次小能量振动破碎和离心力场下的粉磨动力学与能量传递，得到了小能量粉碎功耗试验与理论模拟研究离心力场作用下的粉磨过程能量传递规律，在小能量粉碎功耗试验与理论模拟研究基础上，提出了分流循环粉磨工艺模型。

　　耐火材料在使用寿命及带来的环境污染被逐步提上议事日程。近10年来，国内外耐火材料界在寻找镁铬砖的替代材料及延长耐火材料寿命方面做了大量工作，但效果均不十分理想。在国家“863”计划的支持下，北京瑞泰科技股份有限公司研制出具有良好抗热震性和挂窑皮性能的新型镁质复相材料，并建成了1.5万吨/年的高端碱性耐火材料生产线，成为国家“863”成果产业化基地。在“十一五”期间又得到国家“863”计划的立项支持，研究水泥窑用长寿命多功能系列不定形耐火材料。已成功研制出三种具有可快速烘烤、耐高温、抗热震、耐磨、高强、优良耐碱侵蚀性能、抗剥落等优异性能的长寿命系列耐火材料，可成功解决大中型水泥窑窑口、喷煤管耐火材料寿命低下的问题，先后在数条5000吨级水泥窑上应用，取得满意的使用效果。

　　除此之外，水泥工业在余热发电、协同处置废弃物、清洁生产及资源综合利用等方面也取得了很多成果，并逐步在水泥行业实施或推广。

　　2.高性能混凝土研究和应用技术

　　我国对高性能混凝土的研究基本与国际同步。在多个国家大型科研项目的支持下，我国在高性能混凝土新材料研发，耐久性控制、设计和施工技术等方面取得突破，开发了多品种的工业废渣掺合料，通过物理活化和化学活化解决早期活性、抗裂、收缩等问题，并大量应用；从控制各种原材料的氯离子和含碱量入手控制混凝土的碱集料反应和钢筋锈蚀反应，全国很多地区和大型工程都建立了碱集料反应分布图和安全集料矿山；清水混凝土技术及自流平混凝土制作的大型体育馆看台、盾构管片、大口径预应力钢筒混凝土管都达到国际领先水平。高性能混凝土技术已推广应用到三峡工程、青藏铁路、南水北调、田湾核电站、首都机场新航站楼、煤矿建井等多个国家重点工程中，并取得了显着成绩。

　　高性能混凝土取得的进展为：（1）通过系统研究对混凝土结构耐久性设计提出了基本规定。混凝土结构耐久性的损伤主要是结构在使用期间环境有害介质的物理化学侵蚀伤害，随着环境条件与设计使用年限不同，其可能出现的侵蚀伤害程度也不同。对于重大、重要工程应该按照100年寿命来设计混凝土。这其中预防碱集料反应和钢筋锈蚀的措施在耐久性工程中最为重视。目前，工程界已经可以按照单一破坏原因来提出长寿命材料保证措施。（2）高性能混凝土用化学外加剂快速发展。其中发展最突出的是聚羧酸系高性能减水剂，它具有较高的减水率、良好的坍落度保持性能和一定的引气性，生产工艺比萘系简单。国内科研单位开发了多种具有创新性和实用性的外加剂产品。这些外加剂对控制混凝土体积变形、促进早期强度发展、减少动态坍落度损失等方面有特殊功能，成果在多家企业生产，在国家高铁等重要工程中大量应用，获得了很高的技术经济和社会效益。（3）长寿命混凝土的研究和应用范围日渐扩大。我国将高性能混凝土的研究范围由高强度高性能混凝土扩大到中等强度等级高性能混凝土，针对C30~C50强度范围内的混凝土的高性能化进行了系统的研究。结果表明：中等强度等级的C30~C50混凝土可以通过材料优选、混凝土配合比设计、严格的施工管理达到高性能化，不仅材料成本没有大的增加，而且从延长混凝土使用寿命，减少工程维修费用的角度来说意义更为重大。

　　在针对工程实际情况开展的多因素协同作用下水泥基材料耐久性研究越来越多，东南大学、中国建材总院等单位都开展了多因素协同作用条件下水泥基材料失效机理的研究。中国建材总院借助国家“973”计划的支持，结合工程实际研究揭示了高性能水泥基材料在化学介质腐蚀、冻融循环、荷载等环境因素及其在二因素、三因素和四因素协同作用下的损伤失效行为规律，并指导工程应用。

　　目前全世界都已经把高性能混凝土的研究重点集中到混凝土服役寿命的设计方面。国际结构混凝土联合会在2006年6月提出了全概率方法的寿命设计流程图，法国土木工程师学会在2007年提出了混凝土结构服役寿命设计指南，欧盟也正在研究提出一个过渡的基于性能的耐久性设计方法。我国的GB/T50476-2008《混凝土结构耐久性设计规范》也是吸纳了最新的国内高性能混凝土耐久性研究最新成果，根据混凝土的环境条件进行分级，规定混凝土的最大水胶比和最小水泥用量等参数来进行耐久性设计。混凝土服役寿命的设计研究建立的耐久性模型尚有许多不确定因素，有些模型参数还不能量化，确定这些参数的难度较大，另外还缺少重复性好的测试方法，对有些破坏类型还缺少可靠的模型，如干湿循环和硫酸盐腐蚀等。针对这些问题，在以中国建材总院为主承担的“973”计划“水泥基材料的产物与结构稳定性及服役行为”课题，以提高水泥基材料耐久性为研究重点，研究服役条件下水泥基材料的行为表现及其耐久性变化规律，阐明水泥基材料的性能劣化机理，建立基于混凝土耐久性的材料组成设计和寿命预测的理论与方法，建立混凝土寿命预测模型。为水泥的组成优化制备和使用提供理论指导。

　　针对我国目前水泥混凝土路面寿命短、行车舒适性差的问题，中国建材总院在“十一五”科技支撑计划“高性能道路水泥混凝土路面关键技术”课题研究中，应用现代高强混凝土技术、弹性混凝土技术、轻集料混凝土技术，结合路用特点，研究开发高性能水泥混凝土路面、防滑降噪柔韧型水泥混凝土路面、轻集料混凝土在桥面上的铺装技术，在实现大量利用工业废弃物的同时，开发出抗弯拉强度大于7～8兆帕（韧性保持不变）、高耐磨性能、使用年限超过30年的路面材料，有效解决了混凝土路面的耐久性问题。

　　混凝土废弃后的循环利用也是近年混凝土行业研究的热点。日本全国建筑废弃物实现资源再利用率已超过50%，其中废弃混凝土利用率更高，目前，日本已经形成成熟的建筑垃圾处理技术。美国、德国等国家凭借经济实力与科技优势，采用高新技术处理建筑垃圾。如美国采用微波技术处理回收的沥青混凝土路面，利用率达100%，成本降低且质量相同。德国的干馏燃烧垃圾处理工艺，可以使垃圾中各种再生材料干净地分离出来，再回收利用，有效地解决了垃圾占用土地的问题。我国建筑垃圾的研究和利用相比发达国家重视不够，研究水平和应用情况差距很大，研究成果比较集中是通过物理手段将废弃混凝土、砖瓦制成再生集料替代天然砂石生产商品混凝土、新型墙体材料等并实现产业化。四川大地震后，中国建材总院组织完成了国家科技支撑计划“地震灾区建筑垃圾资源化与抗震节能房屋示范”项目。通过集成创新，在地震灾区实现了建筑垃圾资源化，并建设了两条具有一定规模的示范生产线，并以建筑垃圾为原料生产了多种再生混凝土制品（砌块、墙板、构件）示范生产线，为灾区重建和建筑垃圾应用起到了示范作用。

　　“十二五”水泥混凝土技术发展方向

　　围绕《国家中长期科技发展规划纲要》“重点领域”中的优先主题“制造业”等方向，针对水泥混凝土制造业节能减排和国家重大工程对水泥混凝土材料功能化、长寿命的需求，大力研究推广低碳技术，满足国家建设需求，使水泥混凝土行业科学、可持续发展。对水泥窑炉及工艺技术、降低成本减排技术进行创新研究和示范，使水泥工业的节能减排指标达到国际先进水平。开展重大工程用水泥混凝土材料的研究及应用，满足核电、水电、高速铁（公）路等重大工程的迫切需求。发展水泥工业协同处置大宗、难以处置、环境危害较大的废弃物技术，体现建材工业在循环经济中的作用，实现建材工业的可持续发展。

　　“十二五”水泥混凝土领域技术重点发展方向：

　　1.继续开展水泥制造低碳技术的研究与推广。继续推广已有的节能减排新技术，为水泥工业结构调整和转型提供科技支撑。在水泥窑炉设计、工艺技术、替代原燃料与原料减量化技术、高效燃烧技术、耐高温材料研究与制备、余热高效利用、粉尘、NOx、CO₂减排、提高质量等方面开展创新性研究，取得一批具有自主知识产权、赶超国际先进水平的技术创新成果，提升我国在建材制造业领域自主和持续创新能力，实现我国建材制造技术领域的跨越式发展。

　　2.重点开发重大工程水泥与混凝土应用技术。继续围绕提高混凝土工程使用寿命开展研究与应用。特别是由于国家重大工程结构形式复杂化、使用环境劣化，对基础材料的功能和耐久性提出了更新、更高的要求，针对现有水泥与混凝土性能不能满足工程质量和使用寿命的特殊要求等重大问题，开发一批整体达到国际先进水平的新材料并在工程中应用，攻克满足重大工程高质量、长寿命需求的水泥混凝土关键技术，建立新材料产业化基地及重大工程实施项目，实现重大工程安全使用寿命提高1倍，形成我国自主知识产权的技术体系。

　　3.突破综合利用和协同处理技术。通过研究水泥窑炉综合利用和协同处置废弃物关键技术和装备，一方面充分利用废弃物的残余热值，另一方面协同处置了大宗、难以处置、环境危害较大的工农业和生活废弃物，体现了绿色建材在社会大循环中的作用和价值，实现水泥混凝土行业的可持续发展。

　　4.发展可替代原、燃料的利用。低碳经济时期水泥行业节能减排的重点更多的要转向可替代原、燃料的利用，这是水泥生产的大势所趋，在这方面我国企业与国际一流企业还有差距。可以预期随着煤炭价格继续上涨，成本压力的增大，水泥企业会考虑减少煤炭的使用量，寻求一些可替代原、燃料，不但可以降低成本，也是低碳发展的途径。

　　科技创新、发展低碳技术既是应对危机、解除“近忧”的手段，也是调整经济结构、转变发展方式、实现科学发展的最好方法。刚刚闭幕的全国人大十一届四次会议上，温家宝总理提出了科学发展、转型调结构和关注民生，再一次给水泥混凝土行业的发展带来了机遇和挑战。今后的10年是建材行业发展的黄金10年，也是需要低碳技术支撑建材行业可持续发展的10年。我们要以科技创新和低碳技术引领行业的科学发展，为我国国民经济的发展做出应有的贡献。