【正文】 振、 小角度 X 射線散射和 高分辨透射電子顯微鏡等現代分析手段 精確測定 CSH 凝膠 等固相 的組成與結構及其演變規(guī)律。采用接枝、空間合理排布以及多元復合的方法，改善化學外加劑與水泥 /輔助 性 膠凝材料 的適應性，調節(jié)和控制漿體空間結構形成過程，獲得理想的漿體結構，實現各膠凝組分的充分水化。 分析 復合 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參數 。 4) 熟料與輔助性膠凝材料優(yōu)化復合的化學和物理基礎 建立 實驗室高效粉碎系統(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， 建立復合水泥粉體堆積模型，確定復合水泥最緊密堆積的顆粒學參數。 3) 離心力場中水泥粉磨動力學與顆粒特性 運用計算機仿真模擬研究方法，研究粉磨過程中的能量傳遞機理、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 群多相流的數學模型。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。調整熟料礦物 比例 ，使熟料中 C3S 與其它礦物的匹配達到最優(yōu)化，從而提高熟料的膠凝性。第二、 通過 優(yōu)化水泥漿體結構， 提 高 復合水泥水化產物及結構 穩(wěn)定性、 增強其 抵抗物理和化學侵蝕能力，延長服役壽命， 提高使用效能，減少水泥需求量 。第四、通過 離心 力場粉磨 動力學調控 和多頻次小能量振動破碎，實現水泥高效粉磨，降低水泥 粉磨 電耗。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 ， 降低熟料燒成能耗。 通過提高熟料膠凝性、 優(yōu)化熟料 與 輔助性膠凝材料復合 、高效應用水泥和延長服役壽命等性能方面的 研究 ，實現 水泥 制備 過程的直接節(jié)能減排 和 水泥高效應用產生的間接節(jié)能減排。 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 次國際學術會議、4 次國內學術會議，培養(yǎng)博士研究生 50 人、碩士研究生 150 人。指導水泥基材料的設計與應用，提高水泥的使用效能 。 五年預期目標： 1) 在 水泥低能耗制備 的 基礎研究 方面取得突破性進展 闡明 阿利特微結構介穩(wěn)程度和缺陷形態(tài)與 其 活性的關系 ，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 模型，優(yōu)化燒成過程，實現 熟料燒成節(jié)能 ；提出 離心力場下粉磨動力學和能量傳遞機理，低能耗高效 制備具有特征顆粒 學 參數的水泥粉體 ； 建立基于性能的水泥組成設計方法 ， 調控水泥中熟料和輔助性膠凝材料的顆粒 學 參數，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。 水泥基材料服役壽命顯著提高，大幅減少對水泥的需求。為水泥工業(yè)工藝技術與裝備重大創(chuàng)新和水泥的高效應用 ， 實現 水泥工業(yè)的節(jié)能減排提供堅實的理論基礎，使我國水泥低能耗制備和高效應用的理論和技術達到國際領先水平。提出基于電學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。研究水泥基材料的滲透性、介質擴散及表面層在化學 力學因素耦合作用下微結構的演化與損傷機理。 研究水泥基材料與外界侵蝕性介質之間的化學反應和水泥石結構中介質的傳輸機制。研究復合水泥早期水化特性、漿體結構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理。闡明水泥漿體的納 微米尺度結構的 形成 機制。 研究水泥漿體組成和結構對強度、變形和離子結合 /持留 能力及流體遷移性能的影響，建立水泥漿體結構與性能的關系。測定水泥漿體中水的存在狀態(tài)和孔溶液的性質。研究水泥漿體中固相水化產物、未水化水泥顆粒、界面和孔在納微米尺度上的表征技術。 研究復合水泥 組成、 顆粒形貌 與 組成、表面 性質 、細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物對 化學外加劑 作用效果與作用機制的影響，以及 化學外加劑 在水化體系中的分布、 化學 外加劑 官能團與膠凝組分間的物理與化學作用， 在此基礎上 對外加劑進行改性。研究調節(jié)不同膠凝組分水 3 化進程的措施，實現輔助膠凝材料、水泥熟料在水化活性、水化速率的匹配 并 產生協(xié)同效應，實現顆粒間的有效膠結。輔助性膠凝材料活性發(fā)揮與提高所需的介質環(huán)境及控制條件。研究早期水化和初始結構形成。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、填充效應以及對水泥性能的影響機理與優(yōu)化。研究在離心應力場作用下水泥顆 粒群的粉磨機制，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構等顆粒學特征參數的影響規(guī)律。確定多因素條件下水泥熟料低能耗、快速形成的技術途徑，建立新一代、高能效水泥生產窯爐工藝技術原型。 通過冷、熱態(tài)試驗和計算機模 擬，研究在懸浮態(tài)下進行的快速物理化學過程和熱、動力學機制。 確定 離子的擴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理，確定最佳的反應熱、動力學參數。研究熟料形成固－液相反應熱焓互補機制。 2) 熟 料分段形成動力學 及過程控制 研究原料礦物分解產 物的反應活性，確定新生物相初始 形成 反應 的 溫度重疊區(qū)和反應速率。 闡明 2 高溫液相 特性 （ 如 數量、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、硅酸率 、 鋁氧率 及 摻雜新相的控制參數 。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)阿利特微結構與水化活性 包括水化反應程度、水化反應速度等參數之間的關系，揭示最優(yōu)水化活性的 阿利特 組成和微結構缺陷特征。研究礦物相結構在 溫變 過程中演化規(guī)律。該科學問題是高效發(fā)揮水泥各組分性能及延長水泥基材料服役壽命的基礎。 3) 離心力場中的粉磨動力學與能量傳遞 完善該 動力學 理論和 能量傳遞 機制， 是實現水泥粉磨環(huán)節(jié)節(jié)能和發(fā)展高效粉磨設備新技術的理論基礎，也是實現水泥粉磨節(jié)能技術突破的關鍵。 2) 熟 料分段形成動力學 針對熟料形成過程中的多階段化學反應，在分析研究主控反應動力學和熟料形成速率基礎上，完善熟料形成動力學理論。在研究熟料礦物微結構及其形成機制基礎上，建立熟料微結構與熟料性能的關系。 項目名稱： 水泥低能耗制備與高效應用的基礎研究 首席科學家： 沈曉冬 南京工業(yè)大學 起止年限： 至 依托部門： 中國建筑材料科學研究院 1 一、研究內容 圍繞水泥生產和應用過程的各個環(huán)節(jié)開展 提高水泥性能和 節(jié)能減排 的 基礎研究，實現水泥科學理論和技術的重大創(chuàng)新， 促進水泥工業(yè)生產與產品結構調整、提高使用效能，提高能源與資源利用效率 。 項目擬解決 4 個關鍵科學問題： 1) 高介穩(wěn)阿利特微結構調控 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。該問題是提高和高效發(fā)揮熟料性能的基礎，也是降低熟料燒成熱耗的關鍵。該科學問題 ， 是 實現 熟料燒成過程 能量最佳配置，降低熟料燒成能耗的 基礎和重要 途徑 。 4) 水泥優(yōu)化復合與結 構穩(wěn)定性 優(yōu)化復合水泥組分，建立水泥漿體不同層次結構的形成機制以及漿體結構與穩(wěn)定性的關系。 圍繞上述關鍵科學問題，本項目將從以下 6 個方面開展研究： 1) 高介穩(wěn)阿利特微結構和熟料礦物相組成與膠凝性的關系 系統(tǒng)研究實驗室合成的純 C3S 相結構、 不同 阿利特（ 雜質元素 種類、摻量、 摻雜方式不同 ）相結構以及熟料中阿利特化學組成、雜質固溶形式、工藝參數與結構之間的關系。研究摻雜離子、工藝參數對阿利特缺陷形態(tài)的影響規(guī)律。 研究摻雜物質作用下熟料形成過程中的化學反應規(guī)律， 優(yōu)化 礦物 相 匹配 。 研究熟料中礦物相匹配與燒成熱耗和 膠凝 性能的關系，確定熟料中 C3S 與其它礦物的最佳匹配 ，獲得高膠凝性熟料。研究固相反應過渡產物及其與溫度場的關系，分析固相反應的放熱效應。研究不同熱、動力學過程條件下，高溫熔體性質及其變化規(guī)律，確定高溫熔體量、組成、黏度對熟料礦物、結粒和窯皮形成的影響。研究快速形成的水泥熟料微觀結構及其宏觀力學性能，解析組成、結構、性能之間的關系，提高水泥熟料的綜合性能。研究在窯尾系統(tǒng)進行預燒結的方法，研究堆積態(tài)下窯內的傳熱過程、窯料狀態(tài)以及物理化學反應。 3) 離心力場中水泥粉磨動力學與顆粒特性 根據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。研究水泥顆粒群粉磨過程中能量匹配關系以及應力場相關參數對顆 粒 粉磨效果的影響。 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系。 研究水泥熟料高效水化的方法。 研 究水泥熟料－輔助性膠凝材料復合體系顆粒群特征參數的性能優(yōu)化方法及粒度組成控制。分析水泥硬化體空間分布特征、水泥水化產物、二次水化產物與輔助性膠凝材料顆粒間界面組成與結構及其與硬化漿體宏觀力學 性能 的關系。 5) 復合水泥漿體組成和結構的演變規(guī)律及其與性能的關系 根據復合 水泥 體系的水化反應過程和產物的分布特點，研究水泥漿體結構演變過程。分析低水膠比條件下復合 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。構建水泥漿體納 微米尺度的結構，建立水泥漿體的 結構模型。通過改變水泥漿體的初始組成與結構、摻加化學外加劑等技術調控水泥漿體的納 微米尺度上的組成和結構。 6) 服役條件下水泥基材料的產物與結構穩(wěn)定性及 服役行為 研究水泥基材料 中 的水化產物和漿體結構保持長期化學穩(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)廢渣的復合水泥的組成設計提供基本判據。研究水泥基材料體積變形與相關宏觀性能 的關系，提出水泥基材料抗裂設計基本原理和混凝土開裂風險評價方法。研究水泥基材料內部孔結構、孔壁表面特性和界面結構與材料滲透性的關系及機理。提出水泥基材料在多離子腐蝕溶液中的擴散模型和壽命預測模型。 5 二、預期目標 項目總體目標： 在高膠凝性礦物結構調控、熟料低能耗燒成的分段形成動力學以及水泥高效節(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合使用、水泥漿體結構與性能優(yōu)化、水泥基材料耐久性提高等方面上取得重大進展。 研究成果在 新型干法生產線上 使 用 ， 以年產 2 億噸水泥 熟料為例 ， 利用該成果每年可節(jié)約標煤 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。 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)新團隊，培養(yǎng) 35 名該領域學科帶頭人、 1020 名中青年高級專家；建成 2 個國際先進水平的水泥基材料科學研究基地。 2) 在 水泥高效應用的基礎研究 方面取得重要進展 闡明水泥漿體納微米尺度結構的 形成 機制，建立基于性能的水泥漿體納微米尺度的結構模型 ； 闡明在服役環(huán)境條件下水泥漿體組成與結構的穩(wěn)定性、 侵蝕性介質在 水泥基材料 中的擴散行為 與機理 ， 建立 水 泥基材料的服役壽命 預測模型 。 6 3) 研究成果在 新型干法生產線上 使 用 ： 在 穩(wěn)定生產高膠凝性熟料 的基礎上， 熟料燒成節(jié)煤 10％ 以上 ； 水泥粉磨電耗 在現有基礎上降低 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 應用于國家重點工程，耐久性 顯著 提高。 7 三、研究方案 總體研究思路和項目研究的技術路線及可行性 (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研究。 在 水泥 制備 的直接節(jié)能減排方面：第一、通過 調控阿利特介穩(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。第三、通過熟料分段燒成的動力學調控，實現能量在燒成各個階段合理配置，降低熟料燒 成能耗。 在 水泥 高效 應用 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合優(yōu)化設計， 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。 (2) 技術路線 實現研究目標的技術途徑 有 六個方面： 1) 高介穩(wěn)阿利特微結構和熟料礦物相組成 優(yōu)化 通過摻雜技術、改變熱歷史、調整 化學組成等手段，改變熟料形成熱力學和動力學，降低燒成過程的能量和資源的消耗。 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)結構特征， X 射線能譜 (EDS)和 電子能量損失譜 (EELS)等表征化學組分。 2) 熟料分段形成動力學 及 過程控制 8 設計熟料高溫煅燒模擬試驗裝置，通過改變反應時間及熱力學分布等參數，進行熟料制備和快速冷卻控制；運用先進測試方法，確定產物及中間相的組成、結構，并進行性能分析；定量描述反應速度、溫度均勻分布與產物及中間相形成數量的關系，建立熟料分段形成動力學模型，進行熟料形成熱力學效率計算分析；通過冷熱態(tài)試驗和計算機模擬，研究懸浮態(tài)下快速反應動力學，研究堆積狀態(tài)下低能耗熟料形成過程，