沈晓东：致力于水泥低能耗制备与高效应用研究

　　目前，水泥生产过程中的烧、磨两环节的能耗大、碳排放高，如何降低这些“高指数”，是水泥行业急需解决的问题。其中，由南京工业大学沈晓东教授为首席科学家，中国建筑材料研究院为依托单位的973计划项目“水泥低能耗制备与高效应用的基础研究”项目，主要围绕水泥生产和应用过程的各个环节开展提高水泥性能和节能减排的基础研究，实现水泥科学理论和技术的重大创新。该项目将促进水泥工业生产与产品结构调整、提高使用效能，提高能源与资源利用效率。起止年限：2009.1至2013.8。

　　总体研究思路

　　该项目通过提高熟料胶凝性、优化熟料与辅助性胶凝材料复合、高效应用水泥和延长服役寿命等性能方面的研究，实现水泥制备过程的直接节能减排和水泥高效应用产生的间接节能减排。

　　在水泥制备的直接节能减排方面：第一、通过调控阿利特介稳程度和缺陷形态，并优化熟料相匹配，提高其活性，制备高胶凝性熟料。第二、通过掺杂离子和优化高胶凝性熟料相组成，降低系统最低共熔点，降低熟料烧成能耗。第三、通过熟料分段烧成的动力学调控，实现能量在烧成各个阶段合理配置，降低熟料烧成能耗。第四、通过离心力场粉磨动力学调控和多频次小能量振动破碎，实现水泥高效粉磨，降低水泥粉磨电耗。

　　在水泥高效应用的间接节能减排方面：第一、通过高胶凝性熟料与辅助性胶凝材料的复合优化设计，高效发挥各组分的胶凝性，减少水泥中熟料使用量，从而减少水泥制备能耗。第二、通过优化水泥浆体结构，提高复合水泥水化产物及结构稳定性、增强其抵抗物理和化学侵蚀能力，延长服役寿命，提高使用效能，减少水泥需求量。

　　技术路线

　　实现研究目标的技术途径有六个方面：

　　一、高介稳阿利特微结构和熟料矿物相组成优化

　　通过掺杂技术、改变热历史、调整化学组成等手段，改变熟料形成热力学和动力学，降低烧成过程的能量和资源的消耗。调整熟料矿物比例，使熟料中C3S与其它矿物的匹配达到最优化，从而提高熟料的胶凝性。

　　采用高分辨电子显微成像及电子衍射谱图研究阿利特微区结构特征，X射线能谱(EDS)和电子能量损失谱(EELS)等表征化学组分。采用场发射扫描电镜/能谱仪（FE-SEM/EDS），ESEM通过测定水化浆体中单颗粒的未水化部分与水化层的面积比计算出水化程度。[Page]

　　二、 熟料分段形成动力学及过程控制

　　设计熟料高温煅烧模拟试验装置，通过改变反应时间及热力学分布等参数，进行熟料制备和快速冷却控制；运用先进测试方法，确定产物及中间相的组成、结构，并进行性能分析；定量描述反应速度、温度均匀分布与产物及中间相形成数量的关系，建立熟料分段形成动力学模型，进行熟料形成热力学效率计算分析；通过冷热态试验和计算机模拟，研究悬浮态下快速反应动力学，研究堆积状态下低能耗熟料形成过程，建立新一代高能效水泥生产工艺技术原型。

　　三、离心力场中水泥粉磨动力学与颗粒特性

　　运用计算机仿真模拟研究方法，研究粉磨过程中的能量传递机理、能量利用率及各颗粒群相的分布规律等，建立新型高效磨中物料、球体组成的颗粒群多相流的数学模型。建立脆性断裂力学模型及有限元计算机模拟方法，分析复合应力状态下的材料损伤和破裂路径。

　　四、熟料与辅助性胶凝材料优化复合的化学和物理基础

　　建立实验室高效粉碎系统和粉体精确分级装置，制备出特定形貌和颗粒级配的熟料与辅助性胶凝材料粉体，建立复合水泥粉体堆积模型，确定复合水泥最紧密堆积的颗粒学参数。

　　采用NMR等方法研究不同活性的辅助性胶凝材料玻璃相聚合度与其水化活性的关系。分析复合水泥体系不同水化阶段的水化程度，获得不同体系不同水化阶段的动力学参数。应用点接触模型模拟复合水泥体系，建立复合胶凝效应的特征方程。采用接枝、空间合理排布以及多元复合的方法，改善化学外加剂与水泥/辅助性胶凝材料的适应性，调节和控制浆体空间结构形成过程，获得理想的浆体结构，实现各胶凝组分的充分水化。确定水泥熟料与辅助性胶凝材料物理、化学优化匹配原则。

　　五、复合水泥浆体组成和结构的演变规律及调控

　　对硅酸盐水泥熟料-辅助性胶凝材料体系，综合运用核磁共振、小角度X射线散射和高分辨透射电子显微镜等现代分析手段精确测定C-S-H凝胶等固相的组成与结构及其演变规律。采用同步层析X-射线衍射分析等对水泥浆体的孔结构随时间的变化规律进行研究。采用孔溶液等离子发射光谱（ICP）分析和电阻率测定等表征孔溶液的性质。采用高分辨透射电子显微镜和电阻率仪等研究固相物质和孔分布情况、孔连通性及水泥浆体各相间的界面结构特征。通过调整水泥浆体初始结构、掺加化学外加剂等调控水泥浆体的组成与结构。测定水泥浆体的强度、变形、流体迁移性能、离子的固结或持留作用，阐明水泥浆体组成和结构与性能的关系。

　　六、水泥基材料的产物与结构稳定性及服役行为

　　观察在大气环境和压力水作用下水泥基材料浆体孔隙结构、孔溶液的碱度和水化产物组成随时间的变化规律，以及水化产物和微观结构的稳定性，获得基于耐久性的水泥组成设计合理性判据。通过实验测定和数值模拟研究水泥硬化体孔隙内表面特性，在试件上预制特定宽度和密度的裂缝以模拟荷载效果，对比荷载与非荷载条件下水泥基材料的孔隙特性、体积稳定性和开裂敏感性对其渗透性的影响。测定在不同侵蚀性环境中实际结构内沿深度分布的侵蚀性介质浓度曲线，建立侵蚀性介质在水泥基材料中的扩散模型；在大量获得腐蚀+应力耦合作用下钢筋混凝土破坏数据的基础上，建立水泥基材料的寿命预测模型。[Page]

　　可行性

　　该项目研究目标紧扣水泥工业节能减排，相关的指标达到国际领先水平。尽管项目研究难度大，但是项目组经过深入系统的研究，完全有可能取得重大突破。

　　一、建立阿利特微结构与活性的关系，并通过优化熟料相匹配低能耗制备高胶凝性熟料是实现水泥生产和应用环节节能的基础。熟料矿物微结构表征和微结构调控是有很强挑战性的研究内容。但在已结题的“高性能水泥制备和应用的基础研究”中，已对熟料微结构表征方法和结构调控措施进行了探索，表明现有实验室测试技术手段能够系统评价熟料矿物的微观结构。而且，可以通过掺杂、温变等多种技术途径调控熟料矿物微结构。本课题提出的内容已有良好研究基础，是在继承前述研究基础上的深化和发展。同时优化了课题承担人员的专业结构和分工，在低能耗制备熟料方面取得突破是可以预期的。

　　二、熟料烧成过程的热耗主要是碳酸盐分解，约占总热耗的60%左右，而矿物形成过程是放热过程。如果将熟料烧成各个阶段重新划分，就可以使高反应活性的新生态的CaO和SiO2迅速结合，同时进行其能量重新配置，把某些反应放出热量补充碳酸钙分解的吸热。高温带所需要升温的幅度减少，热耗减少。项目组进行的实验室初步试验已经发现了这一趋势。所以，进行熟料烧成过程中的能量重新配置，提高热交换效率，降低熟料烧成能耗是可能的。

　　三、研究水泥浆体不同层次结构，建立基于性能优化的结构模型，来指导水泥组成优化设计，提高辅助胶凝组分的用量并延长水泥基材料的服役寿命。这一研究思路得到国内外专家的认可，实现水泥高效应用和水泥工业间接节能减排的有效途径，因而课题设计的研究思路是可行的，也是可以达到的目标。主要难点在于建立水泥浆体不同结构层次合理配置模型，及实现不同层次结构合理配置的方法。而本项目承担单位在上述相关方面已有较好的研究基础，具有国际水平的测试设备，因此在这方面取得显着进展是完全可以预期的。

　　四、项目主持单位和参加单位有良好的研究基础，除了主持已经结题的973项目“高性能水泥制备和应用的基础研究”之外，目前正主持国家科技支撑计划重大项目的课题“高性能水泥绿色制造工艺和装备”。本项目的研究成果将和科技支撑计划课题相配合，相辅相成，相互促进，有助于本项目研究成果尽快进行工业性试验，有助于研究取得突破。

　　五、项目承担单位为国内水泥领域重要的科研机构、重点大学以及国家大型水泥企业，具备开展实验条件，并有很好的研究基础。项目依托单位是已结题的“973”计划“高性能水泥制备和应用的基础研究”项目的依托单位和主持单位。主要参加人员多数为已结题项目参加人员，长期从事水泥熟料烧成和水泥制备、水泥浆体结构与性能及水泥基材料耐久性的研究，其专业背景和研究优势有很强的互补性,这为顺利开展项目研究工作，提供了强大的人力资源保证。

　　创新点

　　本项目在深入了解和详尽分析水泥科学国际最新研究进展和发展趋势的基础上，紧密围绕水泥节能减排的国家重大需求，瞄准影响中国水泥工业可持续发展的资源、能源和环境负荷的瓶颈问题，在高胶凝性熟料组成与结构、熟料烧成和水泥粉磨等关键环节的基础研究上取得重大突破，主要创新点有：

　　一、建立熟料相组成匹配模型和阿利特介稳化控制准则。

　　二、提出熟料分段烧成动力学控制理论。

　　三、提出水泥高效粉磨高离心力场和小能量振动破碎原理。

　　四、建立基于耐久性的水泥组成设计方法。

　　为了更好地帮助水泥企业提升磨机效率、降低粉磨能耗，由中国水泥网主办的“2011第四届国际粉磨峰会”将于5月21日至22日在南京举行。本届峰会围绕“走节能降耗之路，创粉磨技术新高”的主题，通过邀请行业领导解读政策走向；邀请行业专家分享前沿技术；邀请知名水泥企业探讨设备选型并分享应用经验，并结合互动交流，切实推动水泥行业实现粉磨技术的有效升级。届时，沈晓冬教授将出席峰会并做题为《水泥低能耗制备与高效应用的基础研究(国家973计划)》的报告，相信精彩的报告会使企业在粉磨设备选型方面有所借鉴。