国际水泥与混凝土研究及应用最新进展

　2002年10月28日～11月1日第五届水泥与混凝土国际会议在上海隆重开幕。本次会议共收集论文219篇，其中国外论文70篇，国内论文149篇；会议发表论文193篇，其中国外论文36篇，国内论文157篇。10多名国际一流的著名专家学者被聘为本届国际会议的国际顾问。包括国际顾问，共有14名国内外著名专家学者做了特邀主题报告。10月29日～30日，会议按水泥生产技术和装备与普通水泥以及膨胀水泥和特种水泥、应用基础和测试技术、水泥及混凝土制品中工业废弃物的利用、混凝土及其制品等4个主题，分4个分会场宣读和交流论文。
　　

从本次会议学术交流和成果来看，当前世界水泥与混凝土领域的学术发展趋势是以节能、降耗、环保、高性能混凝土和混凝土耐久性为中心，走可持续发展的道路。当前水泥与混凝土研究及应用领域的重大进展和主攻方向主要表现在以下方面:
　　

1)引入新的理论和方法研究水泥浆体的微观结构和组成，丰富和完善水泥水化、硬化理论；
　　2)水泥走清洁生产的道路，研制生态水泥；
　　3)水泥新品种、特种水泥的研究、开发与应用；
　　4)利用城市废弃混凝土和城市垃圾，生产再生混凝土；
　　5)混凝土多功能、高性能、耐久性等多元化研究；
　　6)工业废弃物在水泥生产和混凝土中的无害利用。
　　

目前，世界水泥与混凝土领域出现的新的热点，集中在先进水泥基材料、废弃混凝土再生利用、混凝土耐久性及其评价等方面，这些热点往往与别的学科领域交叉，涉及结构学、力学、建筑学、测试技术等领域，而这些领域的新发展，打破了水泥与混凝土研究的传统思维模式，拓展了水泥与混凝土领域研究的范围，促进了水泥与混凝土的研究和发展。

1　水泥生产技术和装备与普通水泥、膨胀水泥和特种水泥

　　天津水泥设计研究院刘志江教授在“水泥机械装备的发展趋势及我们的对策”报告中，用图表形式展示了我国水泥从1950年到2001年的发展过程，并从原材料均化技术、预分解窑节能煅烧技术、节能粉碎和研磨技术及装备、自动控制技术、环境保护装备等角度介绍了NSP生产工艺技术和装备在中国的发展与应用，并提出了相应的对策，如加强基础研究、加强工艺技术和装备的开发和应用、研制大型国产设备而加快NSP生产线的建设、加快生态工艺设备和技术研究，从而实现水泥工业可持续发展。
　　

美国伊利诺依大学J.F.Young教授在“先进水泥基材料”报告中介绍了在低水分下可以保持浇筑性的DSP水泥(即致密的、粒子填充水泥)、可提供较高韧性和强度的大体积纤维增强复合材料以及利用聚合材料的补充性能的MDF水泥(即活性聚合水泥复合材料)。J.F.Young教授还从制备工艺、粒子填充、水化化学、孔结构等方面论述了DSP水泥的形成过程，并从力学性能、运输性能、收缩性等方面着重论述了DSP水泥系统的性能特点。在DSP水泥中加入超塑化剂和硅灰，水灰比可以小于0.25，制备的混凝土抗压强度可以达到150MPa，其渗透率小于10^-15。报告还介绍了纤维增强复合材料和MDF水泥的制备工艺及微观结构。
　　

硫铝酸盐水泥是我国发明的一种非硅酸盐体系的新品种水泥。在其问世之初，国外业内专家对之长期稳定性和耐久性持怀疑态度，但随着其应用研究和耐久性研究的不断进行，该品种水泥日益显示出其独特的性能和可靠性。英国阿伯丁大学的F.P.Glasser教授在其“硫铝酸盐水泥研究进展”特邀报告中，从水化机理、水泥性能、耐久性等方面论述了当前世界硫铝酸盐水泥的研究进展，通过他们自己的研究成果和中国的实践经验，扭转了以前的怀疑观点，肯定了硫铝酸盐水泥的可行性和可靠性，并对该品种水泥提出了进一步研究的方法。
　　

中国建筑材料科学研究院的隋同波博士，在“高贝利特水泥的强度与孔结构”论文中，介绍了该院在国家“九五”科技攻关中研制的高贝利特水泥及其性能。该品种水泥熟料中的低钙矿物贝利特(C₂S)含量大于50%，具有水化热小、水化温升低、后期强度增长率高、干缩小、抗化学侵蚀性能及耐磨性好等特点。文中介绍了研究人员采用对比试验的方法对高贝利特水泥与通用硅酸盐水泥浆体强度和孔结构进行研究，得到了2种水泥的强度发展规律以及强度发展与孔结构演变的关系。高贝利特水泥早期抗压强度(1～7d)相对较低，但后期强度增长率大，28d强度即达到与525号(相当于42.5等级)通用硅酸盐水泥相当的水平，且此后高贝利特水泥的强度发展仍保持较高的增长幅度。另外，2种水泥硬化浆体的孔隙率均随水化的进行而逐渐降低，但对高贝利特水泥而言下降速率更快；水灰比降低，2种水泥硬化浆体的孔隙率均随之减小，但高贝利特水泥水化浆体的孔隙率降低幅度更大，这些均与2种水泥的强度发展规律相吻合；高贝利特水泥硬化浆体的孔分布变化与通用硅酸盐水泥基本一致。目前，高贝利特水泥已在部分工程中得到应用。
　　

中国建筑材料科学研究院的郭随华博士对高贝利特水泥熟料的微观结构与性能的关系进行了一系列研究。他在“高贝利特水泥熟料的结粒、结构组成和性能关系研究”一文中论述了，当熟料块尺寸在5～15mm时，高贝利特水泥的强度最高，这时贝利特矿物晶体呈交叉薄片状，且杂质离子多。
　　

生态水泥是一种新型的波特兰水泥。这种水泥的研制，不仅解决了由于耕地面积限制而引起的城市及工业垃圾处理问题，而且还通过垃圾的循环利用系统保护了环境。日本Taiheiyo水泥公司的Hiroshi Hirao先生在“生态水泥的制备与性能:一种利用城市垃圾焚烧灰所生产的新型波特兰水泥”一文中，介绍了用城市垃圾焚烧灰取代50%的原材料制备水泥。城市垃圾焚烧灰通常含有不利于水泥的物质，如Cl和少部分重金属。水泥烧结过程中，重金属以氯化物的形式蒸发，并以窑灰的形式被收集在袋式收尘器中。普通生态水泥的主要成分与普通硅酸盐水泥相同，因此两者的物理性能是相似的。生态水泥中含有20%的C₁₁A₇·CaCl₂，代替了C₃A，它适用于制备混凝土块、木纤维板和其它不含钢筋的混凝土制品。2001年4月，日本建立了世界上第一个生产生态水泥的工厂，并已开始生产；目前，东京正在建立第二个生产生态水泥的工厂。

2　应用基础和测试技术

　　德国Bauhaus大学的J.Stark教授在“关于测定普通波特兰水泥早期水化的新方法”报告中，论述了利用传统的电子显微镜观察结构组成形貌时的局限性，提出了一种新的带场射枪的环境扫描电子显微镜(ESEM-FEG)测试技术，这种技术可以观察到微米和毫微米结构，这就使观察诸如波特兰水泥等复杂多相系统的水化过程成为可能。J.Stark教授还描述了利用这种新方法观察到的普通波特兰水泥水化过程中的相的变化情况。多孔材料的孔体积和尺寸通常是用压汞法测定的，但是压汞法却无法测定孔的形状和位置，而这2个参数对混凝土来说是非常重要的。日本东京技术学院结构工程研究中心的Kiyofumi Kurumisawa先生在“硬化水泥浆体早期孔结构变化的景象分析”论文中提出了压镓法测定孔的形状和位置。将镓注入混凝土的孔中，通过电子探针显微分析技术(EPMA)可以得到孔形状和位置的景象。这种方法被用于得到和分析早期的硬化水泥浆体孔结构景象。通过景象分析，可以观察到大尺寸的孔及养护期间孔结构的变化。结果表明，硬化水泥浆体的孔结构随着龄期的增加而剧烈变化。
　　

日本东京技术学院的Masaki Daimon教授在“含接枝聚乙烯氧化物的Comb型超塑化剂的分散机理”报告中，从分子结构、被吸收的聚合物数量、CaCO₃粒子中俘获的水分等方面论述了Comb型超塑化剂的接枝链长度和分散机理，以及其对石灰石粉末悬浮物的流动性的影响。通过使用具有较短接枝链长度的Comb型聚合物可以改善高浓度悬浮物的流动性。
　　

日本Kitakyushu大学的Fukushima Toshio先生在“短纤维增强水泥复合材料的资源再生与材料生态化”一文中阐述了短切纤维增强水泥复合材料(FRC)的资源再生与生态材料化设计的基本思路，根据结构、耐久性、防火及生态平衡的要求为FRC设计一个产品、选择和评估的系统，并试图建立设计和预测动力学特征的专家系统。通过对沥青型短切碳纤维增强水泥复合材料(Pitch-CFRC)的试验研究，并通过有效利用循环的、未被使用的资源(如碾碎的废弃FRC粉末和生态水泥代替胶结料及循环的砂子)，作者发现这些Pitch-CFRC材料性能与普通CERC相似，或甚至优于后者。作者将这一技术称为混凝土生态技术。为完成这个具体设想，作者认为需建立合理的性能评价方法以及不同数据的积累。
　　

中国建筑材料科学研究院陈益民教授在“大坝混凝土因水泥与外加剂的适应性问题而导致过度缓凝的分析”一文中认为，大坝混凝土所用的中热硅酸盐水泥中，如果SO₃含量过低，混凝土会出现过度缓凝现象。通过对SO₃含量的不同水泥水化产物的研究和分析，发现这是由于水泥组成与化学外加剂不相适应所造成的。通常混凝土是在Ca(OH)₂形成后才开始凝结，AFt的形成并不会引起混凝土凝结。如果水泥中的SO₃含量很低，再加入由PNS和木素磺化盐制备的高效减水剂，将严重影响C₃S水化过程中Ca(OH)₂的形成。

3　水泥及混凝土制品中工业废弃物的利用

　　日本是个人口非常密集的国家，可用来进行建筑施工的面积仅为8%，因此，日本政府和水泥混凝土领域的研究人员在城市废弃混凝土再生利用和工业垃圾等方面投入了大量资金和精力，取得了很多突破性进展。日本东京Aichi技术学院的Shigeyoshi Nagataki教授在“混凝土循环集料利用的评价”一文中介绍，日本每年产生4亿t的工业废弃物，其中19%来自建筑业，而建筑业的废弃物中，有41%来自水泥混凝土。目前，日本的城市废弃混凝土作为混凝土集料被利用制备道路基础材料，利用率几乎达100%。随着混凝土废弃物的增加，以及道路建设项目的减少，在未来10年中，日本将发展有效的循环利用技术，再利用这些废弃物作为循环集料用于混凝土中，或在水泥生产中作为环境友好型的替代物替代石灰石。自70年代以来，日本发展应用了许多已为人知的、商业化的循环技术，主要有:1)通过改型的传统破碎机循环(改进后的颚式破碎机、冲击式破碎机、偏心回转破碎机)；2)通过带筛分器(根据密度进行筛分)的磨机式破碎机循环；3)通过加热和摩擦的办法循环。Shigeyoshi Nagataki教授在论文中介绍，原始混凝土由普通硅酸盐水泥、河砂、破碎的石子以及引气剂和减水剂制成；被循环的集料由混凝土块经颚式破碎机、冲击式破碎机破碎后为一级破碎水平的破碎混凝土，再经改进后的颚式破碎机破碎为二级破碎水平的破碎混凝土，再一次由颚式破碎机破碎，成为三级破碎水平的破碎混凝土。试验结果表明，由高强或中等强度的原始混凝土作为集料制成的循环混凝土不受破碎混凝土的破碎水平的影响，而对低强度原始混凝土制成的循环混凝土，破碎混凝土的破碎水平对其强度稍有影响。
　　

意大利Ancona大学的Corialdesi Valerria先生在“碎石处理以制备建筑再生骨料混凝土”一文中，论述了从建筑毁损废弃物中回收碎石，并将这些碎石作为混凝土的骨料的可行性。回收的碎石由工业破碎厂提供，在这个破碎厂，建筑毁损废弃物的片块被合理处理。用它们完全代替天然骨料来制备混凝土。测试这些混凝土的抗折强度和抗压强度，结果表明，适当降低水灰比，可以制备强度等级与基准混凝土(由天然骨料制备)适当的混凝土。作者还分析了这些混凝土的经济效益及环境效益，从而评估了这些混凝土的生态平衡价值。
　　

日本Tokushima大学李保群先生对如何从废弃混凝土中回收骨料提出了2种方法。他在“利用热处理及擦磨法从废弃混凝土中回收骨料”一文中揭示了原始粗骨料类型、废弃混凝土的强度，以及热处理温度对物理性能及通过热处理和擦磨法回收粗骨料和细骨料的回收百分率的影响，并论述了这些回收骨料的可利用性。研究结果表明，当热处理温度很高时，热处理温度和原始粗骨料类型对回收粗骨料的混凝土的重要性能(如绝对干燥密度、水吸收率)影响很大，而废弃混凝土的强度影响较小；而对于回收细骨料混凝土性能，热处理温度和原始粗骨料类型影响很小，废弃混凝土的强度影响相对较大。热处理温度越高，回收粗骨料的质量越好；而500℃温度下处理的回收粗骨料的质量几乎达到混凝土碎砂的JIS标准。然而，各种回收细骨料质量都很低，且它们的绝对干燥密度和水吸收率都不能达到混凝土碎砂的JIS标准。

4　混凝土及其制品

　　姚燕教授总结了我国多年在混凝土耐久性方面的研究成果，在“中国混凝土材料耐久性研究的新进展”报告中，从碱-集料反应、混凝土抗冻性、混凝土抗渗性和耐钢筋锈蚀、混凝土高温性能、混凝土裂缝的检测与修补技术、高性能混凝土和新型胶凝材料、混凝土安全性专家系统、高性能混凝土的耐久性设计等8个方面论述了中国混凝土耐久性研究的新进展，取得的大批研究和应用成果水平已达到国际水平，部分已达国际先进水平；并指出我国今后混凝土耐久性研究的发展方向，即提高混凝土性能、建立混凝土耐久性数据库、估算混凝土使用寿命及定性定量功能设计。
　　

中国长江三峡工程总公司曹广景总经理在“三峡工程混凝土施工技术”报告中介绍了三峡大坝混凝土的特征，即大体积和高密实性、结构复杂、混凝土温度控制困难、耐久性极高要求、特殊部位要求特殊混凝土等，并介绍了为确保三峡工程质量而采取的大量的新技术，这些技术有:1)混凝土的设计方案，如选择最佳原材料、使用高效减水剂、在所有混凝土中使用引气剂等；2)混凝土施工方案；3)混凝土温度控制技术，如混凝土预冷却、坝体接头和砌块的合理配比、施工程序和进展的合理管理、最高混凝土温度的控制、水冷却、流动水养护、表面保护等；4)混凝土质量保证措施，如质量监督和质量管理系统、质量检测标准、对供应的材料进行质量控制、在施工过程中采用新的质量控制方法。
　　

2000年，日本颁布实施了若干条关于循环和再利用不同工业废弃物的法律，对日本工业的不同领域提出了可持续的或生态材料的要求。日本Nihon大学的Ohama Yoshihiki教授在其“日本聚合物混凝土的最新进展”报告中，介绍了日本可持续的混凝土聚合物复合材料的研究和发展的最新进展，改性聚合物混凝土(砂浆)、聚合物混凝土(砂浆)及聚合物浸透混凝土(砂浆)被列入可持续的建筑材料类中。这种可持续的聚合物混凝土复合材料近年来在日本得到极大的重视和发展。这种复合材料是修补系统，它是用改性砂浆来修补:增强混凝土结构、具有自修补功能的改性环氧型砂浆和混凝土、可渗透的改性聚合物混凝土、用改性聚合物砂浆制备的有液体隔膜的防水系统、人造大理石或木制品等等。