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生态胶凝材料研究进展与展望

生态胶凝材料又称为无熟料胶凝材料,是从硅酸盐水泥发展而来的,以磨细的粒化高炉矿渣、粉煤灰、煤矸石等火山灰质混合材料为主要原料和激发剂,按照适当比例配合,共同磨细成具有水硬性或气硬性的胶凝材料(如石膏矿渣水泥、石灰矿渣水泥、碱矿渣水泥、钢渣水泥、粉煤灰水泥)[1-3]。具有高*度、高耐久性、生产工艺简单、充分利用工业废渣等显著优点,越来越受到重视[4]。
  1 研究生态胶凝材料的重要性
  水泥是目前我国土木工程领域使用量*大的工程材料,2018年水泥生产量达到22.98亿立方米,比2017年增长3.11%。伴随着新旧动能转换和城市基础建设的加快发展,对水泥的需求将保持增长。但是生产水泥采用两磨*烧工艺严重消耗能源,产生的二氧化碳气体(CO2)、硫化氢气体(H2S)污染大气环境,增加温室气体排放;生产中产生的粉尘增加空气中PM2.5的含量。生产水泥的过程严重污染环境破坏生态,减少甚至停止水泥的生产,改善人民居住的生态环境是政府正在采取的措施。寻找可替代水泥的胶凝材料满足混凝土工程建设的需要迫在眉睫。另*方面,我国工业固体废物年产生量约33亿吨,历史累计堆存量*过600亿吨,占地*过200万公顷,不仅浪费资源、占用土地,而且已经严重危害到生态环境和人民健康安*[5]。尽管经过了几十年对工业固废的处置和利用,但是对固体废弃物的利用率仅有10%,与发达国家有显著差距[6]。
  研究利用具有潜在水硬性和火山灰特性的工业废渣,不使用硅酸盐水泥熟料,生产环保节能利废的复合胶凝材料替代水泥,具有重要的环保意义和经济价值;对节约资源能源、维持生态平衡和促进经济社会的可持续发展具有重要意义。另*方面,采用工业废弃物制作混凝土,实现再生资源的循环利用,减少固体废弃物占地危害,为人类健康提供安*可靠的空间,具有重大的社会意义和广阔的发展应用前景。
  2 国内外研究现状
  2.1 国外研究概况及水平
  通过激发剂获取胶凝材料的研究在上世纪成为热门。德国学者Kuhl*初开始研究氢氧化钾激发矿渣胶凝材料的凝结性能,这是研究者们*次将碱作为胶凝材料的原材料进行研究[7]。Chassevent 对氢氧化钾和碳酸钠溶液激发矿渣的反应活性进行了研究;比利时的Purdon研究了氢氧化钠激发矿渣和碱性盐材料,提出了碱激活理论,即用氢氧化钠使胶凝材料中的化合物溶解,形成偏铝酸钠和硅酸钠,再与氢氧化钙反应,形成铝酸钙和硅酸钙凝胶,促使胶凝材料硬化,并再次得到氢氧化钠[8]。因此,氢氧化钠在胶凝材料硬化的过程中,起到了催化剂的作用。乌克兰Glukhovsky教授使用氢氧化钠或水玻璃作为激发剂,来激发碎石、锅炉渣、生石灰或高炉矿渣微粉的混合物,得到抗压*度高达120MPa,稳定性良好的胶凝材料,他们通过进*步研究证明这种胶凝材料与硅酸盐水泥*样,既能在水中和自然条件下硬化,也能在蒸汽养护和高压处理条件下硬化。进入21世纪,由于国外的基本建设发展缓慢,对无水泥熟料胶凝材料的研究,特别是其在不同环境下性能的研究趋于淡化。
  2.2 国内研究概况及水平
  我国对无熟料胶凝材料研究始于20世纪80年代,许多研究者对碱激发剂进行了大量研究[9]。李永德采用不同碱溶液或组合碱对矿渣和粉煤灰进行激发,结果表明,组合碱对矿渣和粉煤灰混合料的作用效果优于单*使用相同浓度的碱。郑州大学卢红霞、西安建筑科技大学徐德龙、哈尔滨工业大学郑文忠、同济大学王培南、武汉工业大学袁润章等人各自提出了适合原材料的配合比及碱激发掺料的配比;万小梅等深入研究了碱激发胶凝材料制作的混凝土的耐久性能及耐高温性能,为无熟料胶凝材料在混凝土中推广应用进行有益的探索[10]。
  3 研究展望
   生态胶凝材料目前在我国没有得到大规模应用,主要原因在于理论与实践的研究有待深入,包括以下兩个方面:
  (1)深入系统研究矿渣钢渣石膏等原材料的基础性
  能;开发能在工程中应用的外加剂如减水剂、缓凝剂、抗冻剂、减缩剂等。
  (2)深入持久的研究生态胶凝材料的耐久性能,为工程结构的可靠性和服役安*提供理论支持和方向;加快制定生态胶凝材料及其相关制品像生态胶凝砂浆、生态胶凝混凝土的行业标准,确保其在行业市场的准入和安*使用。

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