【正文】 項目名稱： 水泥低能耗制備與高效應(yīng)用的基礎(chǔ)研究 首席科學(xué)家： 沈曉冬 南京工業(yè)大學(xué) 起止年限： 至 依托部門： 中國建筑材料科學(xué)研究院 1 一、研究內(nèi)容 圍繞水泥生產(chǎn)和應(yīng)用過程的各個環(huán)節(jié)開展 提高水泥性能和 節(jié)能減排 的 基礎(chǔ)研究，實(shí)現(xiàn)水泥科學(xué)理論和技術(shù)的重大創(chuàng)新， 促進(jìn)水泥工業(yè)生產(chǎn)與產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整、提高使用效能，提高能源與資源利用效率 。 項目擬解決 4 個關(guān)鍵科學(xué)問題： 1) 高介穩(wěn)阿利特微結(jié)構(gòu)調(diào)控 及高膠凝性熟料相匹配 高介穩(wěn)阿利特礦物和水泥熟料礦相匹配決定熟料性能。在研究熟料礦物微結(jié)構(gòu)及其形成機(jī)制基礎(chǔ)上，建立熟料微結(jié)構(gòu)與熟料性能的關(guān)系。該問題是提高和高效發(fā)揮熟料性能的基礎(chǔ)，也是降低熟料燒成熱耗的關(guān)鍵。 2) 熟 料分段形成動力學(xué) 針對熟料形成過程中的多階段化學(xué)反應(yīng)，在分析研究主控反應(yīng)動力學(xué)和熟料形成速率基礎(chǔ)上，完善熟料形成動力學(xué)理論。該科學(xué)問題 ， 是 實(shí)現(xiàn) 熟料燒成過程 能量最佳配置，降低熟料燒成能耗的 基礎(chǔ)和重要 途徑 。 3) 離心力場中的粉磨動力學(xué)與能量傳遞 完善該 動力學(xué) 理論和 能量傳遞 機(jī)制， 是實(shí)現(xiàn)水泥粉磨環(huán)節(jié)節(jié)能和發(fā)展高效粉磨設(shè)備新技術(shù)的理論基礎(chǔ)，也是實(shí)現(xiàn)水泥粉磨節(jié)能技術(shù)突破的關(guān)鍵。 4) 水泥優(yōu)化復(fù)合與結(jié) 構(gòu)穩(wěn)定性 優(yōu)化復(fù)合水泥組分，建立水泥漿體不同層次結(jié)構(gòu)的形成機(jī)制以及漿體結(jié)構(gòu)與穩(wěn)定性的關(guān)系。該科學(xué)問題是高效發(fā)揮水泥各組分性能及延長水泥基材料服役壽命的基礎(chǔ)。 圍繞上述關(guān)鍵科學(xué)問題，本項目將從以下 6 個方面開展研究： 1) 高介穩(wěn)阿利特微結(jié)構(gòu)和熟料礦物相組成與膠凝性的關(guān)系 系統(tǒng)研究實(shí)驗室合成的純 C3S 相結(jié)構(gòu)、 不同 阿利特（ 雜質(zhì)元素 種類、摻量、 摻雜方式不同 ）相結(jié)構(gòu)以及熟料中阿利特化學(xué)組成、雜質(zhì)固溶形式、工藝參數(shù)與結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系。研究礦物相結(jié)構(gòu)在 溫變 過程中演化規(guī)律。研究摻雜離子、工藝參數(shù)對阿利特缺陷形態(tài)的影響規(guī)律。研究阿利 特介穩(wěn)程度、缺陷形態(tài)對其水化活性的影響，建立 高介穩(wěn)阿利特微結(jié)構(gòu)與水化活性 包括水化反應(yīng)程度、水化反應(yīng)速度等參數(shù)之間的關(guān)系，揭示最優(yōu)水化活性的 阿利特 組成和微結(jié)構(gòu)缺陷特征。 研究摻雜物質(zhì)作用下熟料形成過程中的化學(xué)反應(yīng)規(guī)律， 優(yōu)化 礦物 相 匹配 。 闡明 2 高溫液相 特性 （ 如 數(shù)量、組成和粘度等）的演變規(guī)律， 確定 硅酸鹽水泥熟料的石灰飽和系數(shù)、硅酸率 、 鋁氧率 及 摻雜新相的控制參數(shù) 。 研究熟料中礦物相匹配與燒成熱耗和 膠凝 性能的關(guān)系，確定熟料中 C3S 與其它礦物的最佳匹配 ，獲得高膠凝性熟料。 2) 熟 料分段形成動力學(xué) 及過程控制 研究原料礦物分解產(chǎn) 物的反應(yīng)活性，確定新生物相初始 形成 反應(yīng) 的 溫度重疊區(qū)和反應(yīng)速率。研究固相反應(yīng)過渡產(chǎn)物及其與溫度場的關(guān)系，分析固相反應(yīng)的放熱效應(yīng)。研究熟料形成固－液相反應(yīng)熱焓互補(bǔ)機(jī)制。研究不同熱、動力學(xué)過程條件下，高溫熔體性質(zhì)及其變化規(guī)律，確定高溫熔體量、組成、黏度對熟料礦物、結(jié)粒和窯皮形成的影響。 確定 離子的擴(kuò)散過程及其控制因素，分析阿利特相的晶核形成過程及生長機(jī)理，確定最佳的反應(yīng)熱、動力學(xué)參數(shù)。研究快速形成的水泥熟料微觀結(jié)構(gòu)及其宏觀力學(xué)性能，解析組成、結(jié)構(gòu)、性能之間的關(guān)系，提高水泥熟料的綜合性能。 通過冷、熱態(tài)試驗和計算機(jī)模 擬，研究在懸浮態(tài)下進(jìn)行的快速物理化學(xué)過程和熱、動力學(xué)機(jī)制。研究在窯尾系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)燒結(jié)的方法，研究堆積態(tài)下窯內(nèi)的傳熱過程、窯料狀態(tài)以及物理化學(xué)反應(yīng)。確定多因素條件下水泥熟料低能耗、快速形成的技術(shù)途徑，建立新一代、高能效水泥生產(chǎn)窯爐工藝技術(shù)原型。 3) 離心力場中水泥粉磨動力學(xué)與顆粒特性 根據(jù)物料塊體的各種外形和缺陷特征，研究沿著其缺陷使其破碎所需的最優(yōu)加載力和加載頻率，研究物料塊體組在小能量振動載荷作用下的接觸、碰撞和破碎過程，并探討不同載荷和振動頻率對其的影響，提出小能量振動破碎理論。研究在離心應(yīng)力場作用下水泥顆 粒群的粉磨機(jī)制，探討其對水泥粉體顆粒的形貌、粒徑分布、水泥粉體顆粒的表面結(jié)構(gòu)等顆粒學(xué)特征參數(shù)的影響規(guī)律。研究水泥顆粒群粉磨過程中能量匹配關(guān)系以及應(yīng)力場相關(guān)參數(shù)對顆 粒 粉磨效果的影響。研究高效粉磨過程下獲得的特定形貌和顆粒級別的水泥粉體的堆積效應(yīng)、填充效應(yīng)以及對水泥性能的影響機(jī)理與優(yōu)化。 4） 水泥體系各組分 優(yōu)化 匹配 和 膠凝性的發(fā)揮 研究水泥初始組成、初始堆積狀態(tài)與 水泥漿體 的早期流變性能及塑性變形的關(guān)系。研究早期水化和初始結(jié)構(gòu)形成。 研究水泥熟料高效水化的方法。輔助性膠凝材料活性發(fā)揮與提高所需的介質(zhì)環(huán)境及控制條件。 研 究水泥熟料－輔助性膠凝材料復(fù)合體系顆粒群特征參數(shù)的性能優(yōu)化方法及粒度組成控制。研究調(diào)節(jié)不同膠凝組分水 3 化進(jìn)程的措施，實(shí)現(xiàn)輔助膠凝材料、水泥熟料在水化活性、水化速率的匹配 并 產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)顆粒間的有效膠結(jié)。分析水泥硬化體空間分布特征、水泥水化產(chǎn)物、二次水化產(chǎn)物與輔助性膠凝材料顆粒間界面組成與結(jié)構(gòu)及其與硬化漿體宏觀力學(xué) 性能 的關(guān)系。 研究復(fù)合水泥 組成、 顆粒形貌 與 組成、表面 性質(zhì) 、細(xì)孔分布和水化體系液相初始組成、 pH 值 、表面張力和初始水化產(chǎn)物對 化學(xué)外加劑 作用效果與作用機(jī)制的影響，以及 化學(xué)外加劑 在水化體系中的分布、 化學(xué) 外加劑 官能團(tuán)與膠凝組分間的物理與化學(xué)作用， 在此基礎(chǔ)上 對外加劑進(jìn)行改性。 5) 復(fù)合水泥漿體組成和結(jié)構(gòu)的演變規(guī)律及其與性能的關(guān)系 根據(jù)復(fù)合 水泥 體系的水化反應(yīng)過程和產(chǎn)物的分布特點(diǎn)，研究水泥漿體結(jié)構(gòu)演變過程。研究水泥漿體中固相水化產(chǎn)物、未水化水泥顆粒、界面和孔在納微米尺度上的表征技術(shù)。分析低水膠比條件下復(fù)合 水泥 體系的 CSH 凝膠、 Ca(OH) AFt 或AFm、未水化水泥熟料和輔助性膠凝材料和孔的組成及其排列方式的演變規(guī)律。測定水泥漿體中水的存在狀態(tài)和孔溶液的性質(zhì)。構(gòu)建水泥漿體納 微米尺度的結(jié)構(gòu)，建立水泥漿體的 結(jié)構(gòu)模型。 研究水泥漿體組成和結(jié)構(gòu)對強(qiáng)度、變形和離子結(jié)合 /持留 能力及流體遷移性能的影響，建立水泥漿體結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系。通過改變水泥漿體的初始組成與結(jié)構(gòu)、摻加化學(xué)外加劑等技術(shù)調(diào)控水泥漿體的納 微米尺度上的組成和結(jié)構(gòu)。闡明水泥漿體的納 微米尺度結(jié)構(gòu)的 形成 機(jī)制。 6) 服役條件下水泥基材料的產(chǎn)物與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及 服役行為 研究水泥基材料 中 的水化產(chǎn)物和漿體結(jié)構(gòu)保持長期化學(xué)穩(wěn)定性的最低堿度條件和最低鈣硅比，為最大程度使用工業(yè)廢渣的復(fù)合水泥的組成設(shè)計提供基本判據(jù)。研究復(fù)合水泥早期水化特性、漿體結(jié)構(gòu)及組成對水泥基材料體積穩(wěn)定 性、早期變形、抗開裂能力的影響和作用機(jī)理。研究水泥基材料體積變形與相關(guān)宏觀性能 的關(guān)系，提出水泥基材料抗裂設(shè)計基本原理和混凝土開裂風(fēng)險評價方法。 研究水泥基材料與外界侵蝕性介質(zhì)之間的化學(xué)反應(yīng)和水泥石結(jié)構(gòu)中介質(zhì)的傳輸機(jī)制。研究水泥基材料內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)、孔壁表面特性和界面結(jié)構(gòu)與材料滲透性的關(guān)系及機(jī)理。研究水泥基材料的滲透性、介質(zhì)擴(kuò)散及表面層在化學(xué) 力學(xué)因素耦合作用下微結(jié)構(gòu)的演化與損傷機(jī)理。提出水泥基材料在多離子腐蝕溶液中的擴(kuò)散模型和壽命預(yù)測模型。提出基于電學(xué)特性的混凝土耐久性測試新方法，提出改善水泥基材料的 4 抗蝕性的理 論與方法，完善服役壽命理論。 5 二、預(yù)期目標(biāo) 項目總體目標(biāo)： 在高膠凝性礦物結(jié)構(gòu)調(diào)控、熟料低能耗燒成的分段形成動力學(xué)以及水泥高效節(jié)能粉磨等方面取得原創(chuàng)性成果；在水泥熟料和輔助性膠凝材料高效復(fù)合使用、水泥漿體結(jié)構(gòu)與性能優(yōu)化、水泥基材料耐久性提高等方面上取得重大進(jìn)展。為水泥工業(yè)工藝技術(shù)與裝備重大創(chuàng)新和水泥的高效應(yīng)用 ， 實(shí)現(xiàn) 水泥工業(yè)的節(jié)能減排提供堅實(shí)的理論基礎(chǔ)，使我國水泥低能耗制備和高效應(yīng)用的理論和技術(shù)達(dá)到國際領(lǐng)先水平。 研究成果在 新型干法生產(chǎn)線上 使 用 ， 以年產(chǎn) 2 億噸水泥 熟料為例 ， 利用該成果每年可節(jié)約標(biāo)煤 約 460 萬 噸 ，節(jié)電 約 12 億 kWh； 多利用廢渣 2020 萬 噸， 減少熟料用量 2020 萬噸，減少 CO2排放約 2020 萬噸。 水泥基材料服役壽命顯著提高，大幅減少對水泥的需求。 通過本項目，凝聚和培養(yǎng)一支在國際上有重要影響的水泥基材料科技創(chuàng)新團(tuán)隊，培養(yǎng) 35 名該領(lǐng)域?qū)W科帶頭人、 1020 名中青年高級專家；建成 2 個國際先進(jìn)水平的水泥基材料科學(xué)研究基地。 五年預(yù)期目標(biāo)： 1) 在 水泥低能耗制備 的 基礎(chǔ)研究 方面取得突破性進(jìn)展 闡明 阿利特微結(jié)構(gòu)介穩(wěn)程度和缺陷形態(tài)與 其 活性的關(guān)系 ，通過高膠凝性 熟料礦物相的優(yōu)化匹配 ，提高 熟料膠凝性 、 降低燒成熱耗 ；建立熟料 分段 形成 動力學(xué) 模型，優(yōu)化燒成過程，實(shí)現(xiàn) 熟料燒成節(jié)能 ；提出 離心力場下粉磨動力學(xué)和能量傳遞機(jī)理，低能耗高效 制備具有特征顆粒 學(xué) 參數(shù)的水泥粉體 ； 建立基于性能的水泥組成設(shè)計方法 ， 調(diào)控水泥中熟料和輔助性膠凝材料的顆粒 學(xué) 參數(shù)，高效發(fā)揮 各 組分膠凝性，減少水泥熟料用量、 大幅度提高 工業(yè)廢棄物利用率。 2) 在 水泥高效應(yīng)用的基礎(chǔ)研究 方面取得重要進(jìn)展 闡明水泥漿體納微米尺度結(jié)構(gòu)的 形成 機(jī)制，建立基于性能的水泥漿體納微米尺度的結(jié)構(gòu)模型 ； 闡明在服役環(huán)境條件下水泥漿體組成與結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、 侵蝕性介質(zhì)在 水泥基材料 中的擴(kuò)散行為 與機(jī)理 ， 建立 水 泥基材料的服役壽命 預(yù)測模型 。指導(dǎo)水泥基材料的設(shè)計與應(yīng)用，提高水泥的使用效能 。 6 3) 研究成果在 新型干法生產(chǎn)線上 使 用 ： 在 穩(wěn)定生產(chǎn)高膠凝性熟料 的基礎(chǔ)上， 熟料燒成節(jié)煤 10％ 以上 ； 水泥粉磨電耗 在現(xiàn)有基礎(chǔ)上降低 15%以上 ； 在同等條件下， 級水泥 中 熟料用量減少 10％ 以上 ；水泥 示范 應(yīng)用于國家重點(diǎn)工程，耐久性 顯著 提高。 4） 發(fā)表 一批 高水平論文，申報發(fā)明專利 30 項 以上 ， 組織 召開 2 次國際學(xué)術(shù)會議、4 次國內(nèi)學(xué)術(shù)會議，培養(yǎng)博士研究生 50 人、碩士研究生 150 人。 7 三、研究方案 總體研究思路和項目研究的技術(shù)路線及可行性 (1) 總體 研究思路 本項目緊密圍繞節(jié)能減排 和提高 水泥 性能 的 國家重大需求開展基礎(chǔ)研究。 通過提高熟料膠凝性、 優(yōu)化熟料 與 輔助性膠凝材料復(fù)合 、高效應(yīng)用水泥和延長服役壽命等性能方面的 研究 ，實(shí)現(xiàn) 水泥 制備 過程的直接節(jié)能減排 和 水泥高效應(yīng)用產(chǎn)生的間接節(jié)能減排。 在 水泥 制備 的直接節(jié)能減排方面：第一、通過 調(diào)控阿利特介穩(wěn)程度和缺陷形態(tài)，并優(yōu)化熟料相匹配， 提高 其 活性 ，制備 高膠凝性熟料。第二、通過摻雜離子 和 優(yōu)化高膠凝性熟料相組成 ， 降低系統(tǒng)最低共熔點(diǎn) ， 降低熟料燒成能耗。第三、通過熟料分段燒成的動力學(xué)調(diào)控，實(shí)現(xiàn)能量在燒成各個階段合理配置，降低熟料燒 成能耗。第四、通過 離心 力場粉磨 動力學(xué)調(diào)控 和多頻次小能量振動破碎，實(shí)現(xiàn)水泥高效粉磨，降低水泥 粉磨 電耗。 在 水泥 高效 應(yīng)用 的 間接節(jié)能減排方面： 第一、 通過高膠凝性熟料 與 輔助性膠凝材料的復(fù)合優(yōu)化設(shè)計， 高效 發(fā)揮各組分的膠凝性，減少水泥中熟料使用量，從而減少水泥 制備 能耗。第二、 通過 優(yōu)化水泥漿體結(jié)構(gòu)， 提 高 復(fù)合水泥水化產(chǎn)物及結(jié)構(gòu) 穩(wěn)定性、 增強(qiáng)其 抵抗物理和化學(xué)侵蝕能力，延長服役壽命， 提高使用效能，減少水泥需求量 。 (2) 技術(shù)路線 實(shí)現(xiàn)研究目標(biāo)的技術(shù)途徑 有 六個方面： 1) 高介穩(wěn)阿利特微結(jié)構(gòu)和熟料礦物相組成 優(yōu)化 通過摻雜技術(shù)、改變熱歷史、調(diào)整 化學(xué)組成等手段，改變熟料形成熱力學(xué)和動力學(xué)，降低燒成過程的能量和資源的消耗。調(diào)整熟料礦物 比例 ，使熟料中 C3S 與其它礦物的匹配達(dá)到最優(yōu)化，從而提高熟料的膠凝性。 采用 高分辨電子顯微成像及電子衍射譜圖研究阿利特微區(qū)結(jié)構(gòu)特征， X 射線能譜 (EDS)和 電子能量損失譜 (EELS)等表征化學(xué)組分。采用 場發(fā)射掃描電鏡 /能譜儀（ FESEM/EDS）， ESEM 通過測定水化漿體中單顆粒的未水化部分與水化層的面積比計算出水化程度。 2) 熟料分段形成動力學(xué) 及 過程控制 8 設(shè)計熟料高溫煅燒模擬試驗裝置，通過改變反應(yīng)時間及熱力學(xué)分布等參數(shù)，進(jìn)行熟料制備和快速冷卻控制；運(yùn)用先進(jìn)測試方法，確定產(chǎn)物及中間相的組成、結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行性能分析；定量描述反應(yīng)速度、溫度均勻分布與產(chǎn)物及中間相形成數(shù)量的關(guān)系，建立熟料分段形成動力學(xué)模型，進(jìn)行熟料形成熱力學(xué)效率計算分析；通過冷熱態(tài)試驗和計算機(jī)模擬，研究懸浮態(tài)下快速反應(yīng)動力學(xué)，研究堆積狀態(tài)下低能耗熟料形成過程，建立新一代高能效水泥生產(chǎn)工藝技術(shù)原型。 3) 離心力場中水泥粉磨動力學(xué)與顆粒特性 運(yùn)用計算機(jī)仿真模擬研究方法，研究粉磨過程中的能量傳遞機(jī)理、能量利用率及各顆粒群相的分布規(guī)律等 ， 建立新型高效磨中物料、球體組成的顆粒 群多相流的數(shù)學(xué)模型。建立脆性斷裂力學(xué)模型及有限元計算機(jī)模擬方法，分析復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)下的 材料 損傷和破裂路徑。 4) 熟料與輔助性膠凝材料優(yōu)化復(fù)合的化學(xué)和物理基礎(chǔ) 建立 實(shí)驗室高效粉碎系統(tǒng)和 粉體 精確分級 裝置， 制備出特定形貌和顆粒級 配 的熟料與輔助性膠凝材料粉體， 建立復(fù)合水泥粉體堆積模型，確定復(fù)合水泥最緊密堆積的顆粒學(xué)參數(shù)。 采用 NMR 等 方法研究不同活性的輔助 性 膠凝材料玻璃相聚合度 與其水化活性的關(guān)系 。 分析 復(fù)合 水泥 體系不同水化階段的水化程度，獲得不同體系不同水化階段的動力學(xué)參數(shù) 。 應(yīng)用 點(diǎn)接觸 模型模擬復(fù)合 水泥 體系，建立復(fù)合膠 凝效應(yīng)的特征方程 。采用