973项目申报书——2009CB623100-水泥低能耗制备与高效应用的基础研究

项目名称：水泥低能耗制备与高效应用的基础研究首席科学家：沈晓冬南京工业大学起止年限：2009.1至2013.8依托部门：中国建筑材料科学研究院一、研究内容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，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。

项目拟解决4个关键科学问题：1)高介稳阿利特微结构调控及高胶凝性熟料相匹配高介稳阿利特矿物和水泥熟料矿相匹配决定熟料性能。

在研究熟料矿物微结构及其形成机制基础上，建立熟料微结构与熟料性能的关系。

该问题是提高和高效发挥熟料性能的基础，也是降低熟料烧成热耗的关键。

2)熟料分段形成动力学针对熟料形成过程中的多阶段化学反应，在分析研究主控反应动力学和熟料形成速率基础上，完善熟料形成动力学理论。

该科学问题，是实现熟料烧成过程能量最佳配置，降低熟料烧成能耗的基础和重要途径。

3)离心力场中的粉磨动力学与能量传递完善该动力学理论和能量传递机制，是实现水泥粉磨环节节能和发展高效粉磨设备新技术的理论基础，也是实现水泥粉磨节能技术突破的关键。

4) 水泥优化复合与结构稳定性优化复合水泥组分，建立水泥浆体不同层次结构的形成机制以及浆体结构与稳定性的关系。

该科学问题是高效发挥水泥各组分性能及延长水泥基材料服役寿命的基础。

围绕上述关键科学问题，本项目将从以下6个方面开展研究：1)高介稳阿利特微结构和熟料矿物相组成与胶凝性的关系系统研究实验室合成的纯C3S相结构、不同阿利特（杂质元素种类、掺量、掺杂方式不同）相结构以及熟料中阿利特化学组成、杂质固溶形式、工艺参数与结构之间的关系。

研究矿物相结构在温变过程中演化规律。

研究掺杂离子、工艺参数对阿利特缺陷形态的影响规律。

研究阿利特介稳程度、缺陷形态对其水化活性的影响，建立高介稳阿利特微结构与水化活性--包括水化反应程度、水化反应速度等参数之间的关系，揭示最优水化活性的阿利特组成和微结构缺陷特征。

研究掺杂物质作用下熟料形成过程中的化学反应规律，优化矿物相匹配。

阐明高温液相特性（如数量、组成和粘度等）的演变规律，确定硅酸盐水泥熟料的石灰饱和系数、硅酸率、铝氧率及掺杂新相的控制参数。

研究熟料中矿物相匹配与烧成热耗和胶凝性能的关系，确定熟料中C3S与其它矿物的最佳匹配，获得高胶凝性熟料。

2)熟料分段形成动力学及过程控制研究原料矿物分解产物的反应活性，确定新生物相初始形成反应的温度重叠区和反应速率。

研究固相反应过渡产物及其与温度场的关系，分析固相反应的放热效应。

研究熟料形成固－液相反应热焓互补机制。

研究不同热、动力学过程条件下，高温熔体性质及其变化规律，确定高温熔体量、组成、黏度对熟料矿物、结粒和窑皮形成的影响。

确定离子的扩散过程及其控制因素，分析阿利特相的晶核形成过程及生长机理，确定最佳的反应热、动力学参数。

研究快速形成的水泥熟料微观结构及其宏观力学性能，解析组成、结构、性能之间的关系，提高水泥熟料的综合性能。

通过冷、热态试验和计算机模拟，研究在悬浮态下进行的快速物理化学过程和热、动力学机制。

研究在窑尾系统进行预烧结的方法，研究堆积态下窑内的传热过程、窑料状态以及物理化学反应。

确定多因素条件下水泥熟料低能耗、快速形成的技术途径，建立新一代、高能效水泥生产窑炉工艺技术原型。

3)离心力场中水泥粉磨动力学与颗粒特性根据物料块体的各种外形和缺陷特征，研究沿着其缺陷使其破碎所需的最优加载力和加载频率，研究物料块体组在小能量振动载荷作用下的接触、碰撞和破碎过程，并探讨不同载荷和振动频率对其的影响，提出小能量振动破碎理论。

研究在离心应力场作用下水泥颗粒群的粉磨机制，探讨其对水泥粉体颗粒的形貌、粒径分布、水泥粉体颗粒的表面结构等颗粒学特征参数的影响规律。

研究水泥颗粒群粉磨过程中能量匹配关系以及应力场相关参数对颗粒粉磨效果的影响。

研究高效粉磨过程下获得的特定形貌和颗粒级别的水泥粉体的堆积效应、填充效应以及对水泥性能的影响机理与优化。

4）水泥体系各组分优化匹配和胶凝性的发挥研究水泥初始组成、初始堆积状态与水泥浆体的早期流变性能及塑性变形的关系。

研究早期水化和初始结构形成。

研究水泥熟料高效水化的方法。

辅助性胶凝材料活性发挥与提高所需的介质环境及控制条件。

研究水泥熟料－辅助性胶凝材料复合体系颗粒群特征参数的性能优化方法及粒度组成控制。

研究调节不同胶凝组分水化进程的措施，实现辅助胶凝材料、水泥熟料在水化活性、水化速率的匹配并产生协同效应，实现颗粒间的有效胶结。

分析水泥硬化体空间分布特征、水泥水化产物、二次水化产物与辅助性胶凝材料颗粒间界面组成与结构及其与硬化浆体宏观力学性能的关系。

研究复合水泥组成、颗粒形貌与组成、表面性质、细孔分布和水化体系液相初始组成、pH值、表面张力和初始水化产物对化学外加剂作用效果与作用机制的影响，以及化学外加剂在水化体系中的分布、化学外加剂官能团与胶凝组分间的物理与化学作用，在此基础上对外加剂进行改性。

5) 复合水泥浆体组成和结构的演变规律及其与性能的关系根据复合水泥体系的水化反应过程和产物的分布特点，研究水泥浆体结构演变过程。

研究水泥浆体中固相水化产物、未水化水泥颗粒、界面和孔在纳微米尺度上的表征技术。

分析低水胶比条件下复合水泥体系的C-S-H凝胶、Ca(OH)2、AFt或AFm、未水化水泥熟料和辅助性胶凝材料和孔的组成及其排列方式的演变规律。

测定水泥浆体中水的存在状态和孔溶液的性质。

构建水泥浆体纳-微米尺度的结构，建立水泥浆体的结构模型。

研究水泥浆体组成和结构对强度、变形和离子结合/持留能力及流体迁移性能的影响，建立水泥浆体结构与性能的关系。

通过改变水泥浆体的初始组成与结构、掺加化学外加剂等技术调控水泥浆体的纳-微米尺度上的组成和结构。

阐明水泥浆体的纳-微米尺度结构的形成机制。

6) 服役条件下水泥基材料的产物与结构稳定性及服役行为研究水泥基材料中的水化产物和浆体结构保持长期化学稳定性的最低碱度条件和最低钙硅比，为最大程度使用工业废渣的复合水泥的组成设计提供基本判据。

研究复合水泥早期水化特性、浆体结构及组成对水泥基材料体积稳定性、早期变形、抗开裂能力的影响和作用机理。

研究水泥基材料体积变形与相关宏观性能的关系，提出水泥基材料抗裂设计基本原理和混凝土开裂风险评价方法。

研究水泥基材料与外界侵蚀性介质之间的化学反应和水泥石结构中介质的传输机制。

研究水泥基材料内部孔结构、孔壁表面特性和界面结构与材料渗透性的关系及机理。

研究水泥基材料的渗透性、介质扩散及表面层在化学-力学因素耦合作用下微结构的演化与损伤机理。

提出水泥基材料在多离子腐蚀溶液中的扩散模型和寿命预测模型。

提出基于电学特性的混凝土耐久性测试新方法，提出改善水泥基材料的抗蚀性的理论与方法，完善服役寿命理论。

二、预期目标1、项目总体目标：在高胶凝性矿物结构调控、熟料低能耗烧成的分段形成动力学以及水泥高效节能粉磨等方面取得原创性成果；在水泥熟料和辅助性胶凝材料高效复合使用、水泥浆体结构与性能优化、水泥基材料耐久性提高等方面上取得重大进展。

为水泥工业工艺技术与装备重大创新和水泥的高效应用，实现水泥工业的节能减排提供坚实的理论基础，使我国水泥低能耗制备和高效应用的理论和技术达到国际领先水平。

研究成果在新型干法生产线上使用，以年产2亿吨水泥熟料为例，利用该成果每年可节约标煤约460万吨，节电约12亿kWh；多利用废渣2000万吨，减少熟料排放约2000万吨。

水泥基材料服役寿命显著提高，大幅减用量2000万吨，减少CO2少对水泥的需求。

通过本项目，凝聚和培养一支在国际上有重要影响的水泥基材料科技创新团队，培养3-5名该领域学科带头人、10-20名中青年高级专家；建成2个国际先进水平的水泥基材料科学研究基地。

2、五年预期目标：1)在水泥低能耗制备的基础研究方面取得突破性进展阐明阿利特微结构介稳程度和缺陷形态与其活性的关系，通过高胶凝性熟料矿物相的优化匹配，提高熟料胶凝性、降低烧成热耗；建立熟料分段形成动力学模型，优化烧成过程，实现熟料烧成节能；提出离心力场下粉磨动力学和能量传递机理，低能耗高效制备具有特征颗粒学参数的水泥粉体；建立基于性能的水泥组成设计方法，调控水泥中熟料和辅助性胶凝材料的颗粒学参数，高效发挥各组分胶凝性，减少水泥熟料用量、大幅度提高工业废弃物利用率。

2)在水泥高效应用的基础研究方面取得重要进展阐明水泥浆体纳微米尺度结构的形成机制，建立基于性能的水泥浆体纳微米尺度的结构模型；阐明在服役环境条件下水泥浆体组成与结构的稳定性、侵蚀性介质在水泥基材料中的扩散行为与机理，建立水泥基材料的服役寿命预测模型。

指导水泥基材料的设计与应用，提高水泥的使用效能。

3)研究成果在新型干法生产线上使用：在稳定生产高胶凝性熟料的基础上，熟料烧成节煤10％以上；水泥粉磨电耗在现有基础上降低15%以上；在同等条件下，42.5级水泥中熟料用量减少10％以上；水泥示范应用于国家重点工程，耐久性显著提高。

4）发表一批高水平论文，申报发明专利30项以上，组织召开2次国际学术会议、4次国内学术会议，培养博士研究生50人、硕士研究生150人。

三、研究方案1、总体研究思路和项目研究的技术路线及可行性(1)总体研究思路本项目紧密围绕节能减排和提高水泥性能的国家重大需求开展基础研究。

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。

(2)技术路线实现研究目标的技术途径有六个方面：1)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。