硅酸盐水泥的发展趋式

硅酸盐水泥的发展趋式

硅酸盐水泥是建筑工程中不可或缺的建筑材料，其用量之大，使之成为人类使用量最大的人工材料。然而，硅酸盐水泥本身仍然存在固有的不足。一方面，能源与资源消耗大，污染大。另一方面，在熟料的锻烧过程中，因石灰石分解和燃料燃烧释放出大量的CO2，以及SO2，NOx等有毒气体，导致严重的环境污染，其中尤以巨大的CO2排放量给地球的温室效应不断添加沉重的砝码。

因此，研究胶凝材料制备的新原理，加强工业废渣的利用研究，是一项既具有科学意义，又具有实际意义的工作。所谓碱激发胶凝材料是指由具有火山灰活性或潜在水硬性原料与碱性激活剂反应而成的一类胶凝材料，这类材料多以铝硅酸盐类矿物为主要原材料。许多工业固体废弃物如:矿渣、钢渣、粉煤灰和煤矸石等，主要矿物成分均为硅酸盐或铝硅酸盐类。因此，这些工业固体废弃物均可作为制备碱激发胶凝材料的主要原材料，这将为充分利用工业固体废弃物开辟一条新的途径。碱激发胶凝材料研究开发正是基于上述原因而兴起。

1 国外研究发展现状

1957 年格卢霍夫斯基教授、科列文科教授等人使用碎石、锅炉渣或高炉矿渣磨细，或生石灰加高炉矿渣和硅酸盐水泥(或不加)混合后，再用Na0H 溶液或水玻璃溶液调制净浆，得到强度高达120MPa、稳定性好的胶凝材料。到1959 年，他们通过进一步研究证明这种水泥与硅酸盐水泥一样，既能在水中及自然条件下硬化，也能在蒸汽养护处理条件下硬化。上世纪70 年代，可能是担心这种水泥的耐久性极易引起碱一集料反应，人们对这种水泥逐渐失去了兴趣。但是，80 年代中期以来，这种碱激发方法制备水泥又恢复了生命力。认为它具有强度高、抗渗性、抗蚀性均特别优良，并具有成本低和节能等特点。

随着研究的深入，碱胶凝材料中的碱逐渐由液体发展到固体，其原料则几乎不用熟料而全部利用工业废渣，且原料品种逐渐由矿渣和烧粘土不断扩展到钢渣、粉煤灰、磷渣、赤泥、尾矿等铝硅酸盐类工业废渣。

2 国内研究发展现状

我国在这方面的研究不多，均为探索性研究，没有国家级课题或地方政府重点经费的支持，参与研究的单位有中国地质大学、北京科技大学、马鞍山矿山研究院、苏州混凝土水泥制品研究所，但均没有产业化的报道，也没有申报专利和成果鉴定的报道，只有少量的论文发表。

中国地质大学(北京)的马鸿文教授领导的课题组利用富钾板岩提钾后的废渣35wt%，细粉煤灰60wt%和NaOH5wt%，制备出的地面砖样品平均抗压强度达到52.8MPa，单块最小抗压强度达到46.1MPa，其它性能符合JC/T446-2000 标准中“一等品”或“优等品”的指标要求。该材料还具有优异的耐酸碱侵蚀性。其耐酸性达到99.9wt%，达到了商品耐酸砖的国家标准(GB8488-87);耐碱性为99.92wt%，达到了玻璃马赛克的耐碱性国家标准(GB7697-89)。

3 碱激发胶凝材料的理论研究成果

关于碱激发胶凝材料的反应机理仍然是一个尚未完全解决的问题，尤其是对组成相对复杂的体系更是如此，对于碱激发胶凝材料系统存在含钙和无钙两种体

系。

在初级阶段，各研究者主要是对含钙体系的研究，其主要对象集中在碱矿渣水泥上，并提出了一些理论，如Purdon 出的最早的“碱激活”理论[3]解释为少量的NaOH 在水泥硬化过程中可以起催化剂的作用，使得水泥中的硅、铝化合物比较容易溶解而形成硅酸钠和偏铝钠，在进一步与Ca(OH)2反应形成硅酸钙和铝酸钙矿物，使水泥硬化并且重新生成NaOH 再重新催化下一轮反应。前苏联的科学家提出的“碱液反应机理”其过程为富钙相的溶解;硅酸盐凝胶的形成；复杂晶态产物的形成，涉及的中间产物有雪硅钙石，水化石榴子石，最终产物为类沸石结构物质与富硅钙石。上世纪80 年代，Malone 等的研究发现，碱激发炉渣水泥的硬化机理为:碱金属、碱土金属离子进入溶液，在炉渣颗粒表面形成胶状硅酸钠层; 铝氧化物直接溶解于硅酸钠中，形成半晶态托贝莫来石；水化铝酸钙生成并排出水分，最后形成不同组成的沸石及类沸石相。

随着研究的进展，人们发现无钙体系得到的产物有更优异的性能，并且应用领域有很大的发展潜力，因此现在的研究大部分以无钙体系为基体，并且在有钙体系的机理上进行了一些改动。主要以J.D等通过对矿物聚合物材料的硬化过程的研究提出的反应机理为代表，他们把矿物聚合反应理解为“解聚一缩聚”过程，认为矿物聚合材料的形成是在碱性催化剂作用下的硅氧键和铝氧键的断裂，形成一系列的低聚硅(铝)四面体单元，逐渐脱水重组聚合反应过程。

与普通硅酸盐水泥的硬化机理不同，碱激发胶凝材料的硬化过程是碱性材料与矿渣材料的反应过程，水主要起传质媒介作用。而水泥的硬化过程是熟料矿物与水反应的过程。在这里，水是一种主要反应物。碱激发胶凝材料反应产物一直是研究的热点，而且不同的学者的观点难以统一。究其原因，一是反应产物结晶程度低，现有的测试手段难以准确地描述和测量；二是不同学者研究手段和实验条件各异；另外，随着激发剂体系的不同，反应产物也有所不同。

4 碱激发水泥存在的问题和研究中的不足之处。

4．1 碱矿渣水泥的快凝问题

快凝早强是碱矿渣水泥的一大特点，不加缓凝组分的碱矿渣水泥的初凝时间一般在30min 以内。碱矿渣水泥要像硅酸盐水泥一样推广应用，就必须将其凝结时间控制在一个合理的范围内。

4．2 碱矿渣水泥的强度波动问题

与硅酸盐水泥相比，碱矿渣水泥的强度具有较大的波动性。碱矿渣水泥的强度对碱和矿渣本身的特性都是敏感的，并且各种交叉因素对碱矿渣水泥强度的发展影响较大。另外，碱矿渣水泥因大量地利用工业副产品或废渣，这些工业副产品或废渣成分和性质波动往往较大，实际生产中难以稳定碱矿渣水泥的质量与性能。

5 结语

设计是基于地质资料及科学的计算成果，经过详细方案比较及经济比较最终确定了防渗墙加土工膜的防渗方案，有较好的效果。方案适用于深厚覆盖层围堰，经济合理，值得推广。