國際水泥與混凝土研究及應(yīng)用最新進展

　2002年10月28日～11月1日第五屆水泥與混凝土國際會議在上海隆重開幕。本次會議共收集論文219篇，其中國外論文70篇，國內(nèi)論文149篇；會議發(fā)表論文193篇，其中國外論文36篇，國內(nèi)論文157篇。10多名國際一流的著名專家學者被聘為本屆國際會議的國際顧問。包括國際顧問，共有14名國內(nèi)外著名專家學者做了特邀主題報告。10月29日～30日，會議按水泥生產(chǎn)技術(shù)和裝備與普通水泥以及膨脹水泥和特種水泥、應(yīng)用基礎(chǔ)和測試技術(shù)、水泥及混凝土制品中工業(yè)廢棄物的利用、混凝土及其制品等4個主題，分4個分會場宣讀和交流論文。
　　

從本次會議學術(shù)交流和成果來看，當前世界水泥與混凝土領(lǐng)域的學術(shù)發(fā)展趨勢是以節(jié)能、降耗、環(huán)保、高性能混凝土和混凝土耐久性為中心，走可持續(xù)發(fā)展的道路。當前水泥與混凝土研究及應(yīng)用領(lǐng)域的重大進展和主攻方向主要表現(xiàn)在以下方面:
　　

1)引入新的理論和方法研究水泥漿體的微觀結(jié)構(gòu)和組成，豐富和完善水泥水化、硬化理論；
　　2)水泥走清潔生產(chǎn)的道路，研制生態(tài)水泥；
　　3)水泥新品種、特種水泥的研究、開發(fā)與應(yīng)用；
　　4)利用城市廢棄混凝土和城市垃圾，生產(chǎn)再生混凝土；
　　5)混凝土多功能、高性能、耐久性等多元化研究；
　　6)工業(yè)廢棄物在水泥生產(chǎn)和混凝土中的無害利用。
　　

目前，世界水泥與混凝土領(lǐng)域出現(xiàn)的新的熱點，集中在先進水泥基材料、廢棄混凝土再生利用、混凝土耐久性及其評價等方面，這些熱點往往與別的學科領(lǐng)域交叉，涉及結(jié)構(gòu)學、力學、建筑學、測試技術(shù)等領(lǐng)域，而這些領(lǐng)域的新發(fā)展，打破了水泥與混凝土研究的傳統(tǒng)思維模式，拓展了水泥與混凝土領(lǐng)域研究的范圍，促進了水泥與混凝土的研究和發(fā)展。

1　水泥生產(chǎn)技術(shù)和裝備與普通水泥、膨脹水泥和特種水泥

　　天津水泥設(shè)計研究院劉志江教授在“水泥機械裝備的發(fā)展趨勢及我們的對策”報告中，用圖表形式展示了我國水泥從1950年到2001年的發(fā)展過程，并從原材料均化技術(shù)、預(yù)分解窯節(jié)能煅燒技術(shù)、節(jié)能粉碎和研磨技術(shù)及裝備、自動控制技術(shù)、環(huán)境保護裝備等角度介紹了NSP生產(chǎn)工藝技術(shù)和裝備在中國的發(fā)展與應(yīng)用，并提出了相應(yīng)的對策，如加強基礎(chǔ)研究、加強工藝技術(shù)和裝備的開發(fā)和應(yīng)用、研制大型國產(chǎn)設(shè)備而加快NSP生產(chǎn)線的建設(shè)、加快生態(tài)工藝設(shè)備和技術(shù)研究，從而實現(xiàn)水泥工業(yè)可持續(xù)發(fā)展。
　　

美國伊利諾依大學J.F.Young教授在“先進水泥基材料”報告中介紹了在低水分下可以保持澆筑性的DSP水泥(即致密的、粒子填充水泥)、可提供較高韌性和強度的大體積纖維增強復(fù)合材料以及利用聚合材料的補充性能的MDF水泥(即活性聚合水泥復(fù)合材料)。J.F.Young教授還從制備工藝、粒子填充、水化化學、孔結(jié)構(gòu)等方面論述了DSP水泥的形成過程，并從力學性能、運輸性能、收縮性等方面著重論述了DSP水泥系統(tǒng)的性能特點。在DSP水泥中加入超塑化劑和硅灰，水灰比可以小于0.25，制備的混凝土抗壓強度可以達到150MPa，其滲透率小于10^-15。報告還介紹了纖維增強復(fù)合材料和MDF水泥的制備工藝及微觀結(jié)構(gòu)。
　　

硫鋁酸鹽水泥是我國發(fā)明的一種非硅酸鹽體系的新品種水泥。在其問世之初，國外業(yè)內(nèi)專家對之長期穩(wěn)定性和耐久性持懷疑態(tài)度，但隨著其應(yīng)用研究和耐久性研究的不斷進行，該品種水泥日益顯示出其獨特的性能和可靠性。英國阿伯丁大學的F.P.Glasser教授在其“硫鋁酸鹽水泥研究進展”特邀報告中，從水化機理、水泥性能、耐久性等方面論述了當前世界硫鋁酸鹽水泥的研究進展，通過他們自己的研究成果和中國的實踐經(jīng)驗，扭轉(zhuǎn)了以前的懷疑觀點，肯定了硫鋁酸鹽水泥的可行性和可靠性，并對該品種水泥提出了進一步研究的方法。
　　

中國建筑材料科學研究院的隋同波博士，在“高貝利特水泥的強度與孔結(jié)構(gòu)”論文中，介紹了該院在國家“九五”科技攻關(guān)中研制的高貝利特水泥及其性能。該品種水泥熟料中的低鈣礦物貝利特(C₂S)含量大于50%，具有水化熱小、水化溫升低、后期強度增長率高、干縮小、抗化學侵蝕性能及耐磨性好等特點。文中介紹了研究人員采用對比試驗的方法對高貝利特水泥與通用硅酸鹽水泥漿體強度和孔結(jié)構(gòu)進行研究，得到了2種水泥的強度發(fā)展規(guī)律以及強度發(fā)展與孔結(jié)構(gòu)演變的關(guān)系。高貝利特水泥早期抗壓強度(1～7d)相對較低，但后期強度增長率大，28d強度即達到與525號(相當于42.5等級)通用硅酸鹽水泥相當?shù)乃剑掖撕蟾哓惱厮嗟膹姸劝l(fā)展仍保持較高的增長幅度。另外，2種水泥硬化漿體的孔隙率均隨水化的進行而逐漸降低，但對高貝利特水泥而言下降速率更快；水灰比降低，2種水泥硬化漿體的孔隙率均隨之減小，但高貝利特水泥水化漿體的孔隙率降低幅度更大，這些均與2種水泥的強度發(fā)展規(guī)律相吻合；高貝利特水泥硬化漿體的孔分布變化與通用硅酸鹽水泥基本一致。目前，高貝利特水泥已在部分工程中得到應(yīng)用。
　　

中國建筑材料科學研究院的郭隨華博士對高貝利特水泥熟料的微觀結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系進行了一系列研究。他在“高貝利特水泥熟料的結(jié)粒、結(jié)構(gòu)組成和性能關(guān)系研究”一文中論述了，當熟料塊尺寸在5～15mm時，高貝利特水泥的強度最高，這時貝利特礦物晶體呈交叉薄片狀，且雜質(zhì)離子多。
　　

生態(tài)水泥是一種新型的波特蘭水泥。這種水泥的研制，不僅解決了由于耕地面積限制而引起的城市及工業(yè)垃圾處理問題，而且還通過垃圾的循環(huán)利用系統(tǒng)保護了環(huán)境。日本Taiheiyo水泥公司的Hiroshi Hirao先生在“生態(tài)水泥的制備與性能:一種利用城市垃圾焚燒灰所生產(chǎn)的新型波特蘭水泥”一文中，介紹了用城市垃圾焚燒灰取代50%的原材料制備水泥。城市垃圾焚燒灰通常含有不利于水泥的物質(zhì)，如Cl和少部分重金屬。水泥燒結(jié)過程中，重金屬以氯化物的形式蒸發(fā)，并以窯灰的形式被收集在袋式收塵器中。普通生態(tài)水泥的主要成分與普通硅酸鹽水泥相同，因此兩者的物理性能是相似的。生態(tài)水泥中含有20%的C₁₁A₇·CaCl₂，代替了C₃A，它適用于制備混凝土塊、木纖維板和其它不含鋼筋的混凝土制品。2001年4月，日本建立了世界上第一個生產(chǎn)生態(tài)水泥的工廠，并已開始生產(chǎn)；目前，東京正在建立第二個生產(chǎn)生態(tài)水泥的工廠。

2　應(yīng)用基礎(chǔ)和測試技術(shù)

　　德國Bauhaus大學的J.Stark教授在“關(guān)于測定普通波特蘭水泥早期水化的新方法”報告中，論述了利用傳統(tǒng)的電子顯微鏡觀察結(jié)構(gòu)組成形貌時的局限性，提出了一種新的帶場射槍的環(huán)境掃描電子顯微鏡(ESEM-FEG)測試技術(shù)，這種技術(shù)可以觀察到微米和毫微米結(jié)構(gòu)，這就使觀察諸如波特蘭水泥等復(fù)雜多相系統(tǒng)的水化過程成為可能。J.Stark教授還描述了利用這種新方法觀察到的普通波特蘭水泥水化過程中的相的變化情況。多孔材料的孔體積和尺寸通常是用壓汞法測定的，但是壓汞法卻無法測定孔的形狀和位置，而這2個參數(shù)對混凝土來說是非常重要的。日本東京技術(shù)學院結(jié)構(gòu)工程研究中心的Kiyofumi Kurumisawa先生在“硬化水泥漿體早期孔結(jié)構(gòu)變化的景象分析”論文中提出了壓鎵法測定孔的形狀和位置。將鎵注入混凝土的孔中，通過電子探針顯微分析技術(shù)(EPMA)可以得到孔形狀和位置的景象。這種方法被用于得到和分析早期的硬化水泥漿體孔結(jié)構(gòu)景象。通過景象分析，可以觀察到大尺寸的孔及養(yǎng)護期間孔結(jié)構(gòu)的變化。結(jié)果表明，硬化水泥漿體的孔結(jié)構(gòu)隨著齡期的增加而劇烈變化。
　　

日本東京技術(shù)學院的Masaki Daimon教授在“含接枝聚乙烯氧化物的Comb型超塑化劑的分散機理”報告中，從分子結(jié)構(gòu)、被吸收的聚合物數(shù)量、CaCO₃粒子中俘獲的水分等方面論述了Comb型超塑化劑的接枝鏈長度和分散機理，以及其對石灰石粉末懸浮物的流動性的影響。通過使用具有較短接枝鏈長度的Comb型聚合物可以改善高濃度懸浮物的流動性。
　　

日本Kitakyushu大學的Fukushima Toshio先生在“短纖維增強水泥復(fù)合材料的資源再生與材料生態(tài)化”一文中闡述了短切纖維增強水泥復(fù)合材料(FRC)的資源再生與生態(tài)材料化設(shè)計的基本思路，根據(jù)結(jié)構(gòu)、耐久性、防火及生態(tài)平衡的要求為FRC設(shè)計一個產(chǎn)品、選擇和評估的系統(tǒng)，并試圖建立設(shè)計和預(yù)測動力學特征的專家系統(tǒng)。通過對瀝青型短切碳纖維增強水泥復(fù)合材料(Pitch-CFRC)的試驗研究，并通過有效利用循環(huán)的、未被使用的資源(如碾碎的廢棄FRC粉末和生態(tài)水泥代替膠結(jié)料及循環(huán)的砂子)，作者發(fā)現(xiàn)這些Pitch-CFRC材料性能與普通CERC相似，或甚至優(yōu)于后者。作者將這一技術(shù)稱為混凝土生態(tài)技術(shù)。為完成這個具體設(shè)想，作者認為需建立合理的性能評價方法以及不同數(shù)據(jù)的積累。
　　

中國建筑材料科學研究院陳益民教授在“大壩混凝土因水泥與外加劑的適應(yīng)性問題而導(dǎo)致過度緩凝的分析”一文中認為，大壩混凝土所用的中熱硅酸鹽水泥中，如果SO₃含量過低，混凝土會出現(xiàn)過度緩凝現(xiàn)象。通過對SO₃含量的不同水泥水化產(chǎn)物的研究和分析，發(fā)現(xiàn)這是由于水泥組成與化學外加劑不相適應(yīng)所造成的。通?；炷潦窃贑a(OH)₂形成后才開始凝結(jié)，AFt的形成并不會引起混凝土凝結(jié)。如果水泥中的SO₃含量很低，再加入由PNS和木素磺化鹽制備的高效減水劑，將嚴重影響C₃S水化過程中Ca(OH)₂的形成。

3　水泥及混凝土制品中工業(yè)廢棄物的利用

　　日本是個人口非常密集的國家，可用來進行建筑施工的面積僅為8%，因此，日本政府和水泥混凝土領(lǐng)域的研究人員在城市廢棄混凝土再生利用和工業(yè)垃圾等方面投入了大量資金和精力，取得了很多突破性進展。日本東京Aichi技術(shù)學院的Shigeyoshi Nagataki教授在“混凝土循環(huán)集料利用的評價”一文中介紹，日本每年產(chǎn)生4億t的工業(yè)廢棄物，其中19%來自建筑業(yè)，而建筑業(yè)的廢棄物中，有41%來自水泥混凝土。目前，日本的城市廢棄混凝土作為混凝土集料被利用制備道路基礎(chǔ)材料，利用率幾乎達100%。隨著混凝土廢棄物的增加，以及道路建設(shè)項目的減少，在未來10年中，日本將發(fā)展有效的循環(huán)利用技術(shù)，再利用這些廢棄物作為循環(huán)集料用于混凝土中，或在水泥生產(chǎn)中作為環(huán)境友好型的替代物替代石灰石。自70年代以來，日本發(fā)展應(yīng)用了許多已為人知的、商業(yè)化的循環(huán)技術(shù)，主要有:1)通過改型的傳統(tǒng)破碎機循環(huán)(改進后的顎式破碎機、沖擊式破碎機、偏心回轉(zhuǎn)破碎機)；2)通過帶篩分器(根據(jù)密度進行篩分)的磨機式破碎機循環(huán)；3)通過加熱和摩擦的辦法循環(huán)。Shigeyoshi Nagataki教授在論文中介紹，原始混凝土由普通硅酸鹽水泥、河砂、破碎的石子以及引氣劑和減水劑制成；被循環(huán)的集料由混凝土塊經(jīng)顎式破碎機、沖擊式破碎機破碎后為一級破碎水平的破碎混凝土，再經(jīng)改進后的顎式破碎機破碎為二級破碎水平的破碎混凝土，再一次由顎式破碎機破碎，成為三級破碎水平的破碎混凝土。試驗結(jié)果表明，由高強或中等強度的原始混凝土作為集料制成的循環(huán)混凝土不受破碎混凝土的破碎水平的影響，而對低強度原始混凝土制成的循環(huán)混凝土，破碎混凝土的破碎水平對其強度稍有影響。
　　

意大利Ancona大學的Corialdesi Valerria先生在“碎石處理以制備建筑再生骨料混凝土”一文中，論述了從建筑毀損廢棄物中回收碎石，并將這些碎石作為混凝土的骨料的可行性。回收的碎石由工業(yè)破碎廠提供，在這個破碎廠，建筑毀損廢棄物的片塊被合理處理。用它們完全代替天然骨料來制備混凝土。測試這些混凝土的抗折強度和抗壓強度，結(jié)果表明，適當降低水灰比，可以制備強度等級與基準混凝土(由天然骨料制備)適當?shù)幕炷?。作者還分析了這些混凝土的經(jīng)濟效益及環(huán)境效益，從而評估了這些混凝土的生態(tài)平衡價值。
　　

日本Tokushima大學李保群先生對如何從廢棄混凝土中回收骨料提出了2種方法。他在“利用熱處理及擦磨法從廢棄混凝土中回收骨料”一文中揭示了原始粗骨料類型、廢棄混凝土的強度，以及熱處理溫度對物理性能及通過熱處理和擦磨法回收粗骨料和細骨料的回收百分率的影響，并論述了這些回收骨料的可利用性。研究結(jié)果表明，當熱處理溫度很高時，熱處理溫度和原始粗骨料類型對回收粗骨料的混凝土的重要性能(如絕對干燥密度、水吸收率)影響很大，而廢棄混凝土的強度影響較??；而對于回收細骨料混凝土性能，熱處理溫度和原始粗骨料類型影響很小，廢棄混凝土的強度影響相對較大。熱處理溫度越高，回收粗骨料的質(zhì)量越好；而500℃溫度下處理的回收粗骨料的質(zhì)量幾乎達到混凝土碎砂的JIS標準。然而，各種回收細骨料質(zhì)量都很低，且它們的絕對干燥密度和水吸收率都不能達到混凝土碎砂的JIS標準。

4　混凝土及其制品

　　姚燕教授總結(jié)了我國多年在混凝土耐久性方面的研究成果，在“中國混凝土材料耐久性研究的新進展”報告中，從堿-集料反應(yīng)、混凝土抗凍性、混凝土抗?jié)B性和耐鋼筋銹蝕、混凝土高溫性能、混凝土裂縫的檢測與修補技術(shù)、高性能混凝土和新型膠凝材料、混凝土安全性專家系統(tǒng)、高性能混凝土的耐久性設(shè)計等8個方面論述了中國混凝土耐久性研究的新進展，取得的大批研究和應(yīng)用成果水平已達到國際水平，部分已達國際先進水平；并指出我國今后混凝土耐久性研究的發(fā)展方向，即提高混凝土性能、建立混凝土耐久性數(shù)據(jù)庫、估算混凝土使用壽命及定性定量功能設(shè)計。
　　

中國長江三峽工程總公司曹廣景總經(jīng)理在“三峽工程混凝土施工技術(shù)”報告中介紹了三峽大壩混凝土的特征，即大體積和高密實性、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、混凝土溫度控制困難、耐久性極高要求、特殊部位要求特殊混凝土等，并介紹了為確保三峽工程質(zhì)量而采取的大量的新技術(shù)，這些技術(shù)有:1)混凝土的設(shè)計方案，如選擇最佳原材料、使用高效減水劑、在所有混凝土中使用引氣劑等；2)混凝土施工方案；3)混凝土溫度控制技術(shù)，如混凝土預(yù)冷卻、壩體接頭和砌塊的合理配比、施工程序和進展的合理管理、最高混凝土溫度的控制、水冷卻、流動水養(yǎng)護、表面保護等；4)混凝土質(zhì)量保證措施，如質(zhì)量監(jiān)督和質(zhì)量管理系統(tǒng)、質(zhì)量檢測標準、對供應(yīng)的材料進行質(zhì)量控制、在施工過程中采用新的質(zhì)量控制方法。
　　

2000年，日本頒布實施了若干條關(guān)于循環(huán)和再利用不同工業(yè)廢棄物的法律，對日本工業(yè)的不同領(lǐng)域提出了可持續(xù)的或生態(tài)材料的要求。日本Nihon大學的Ohama Yoshihiki教授在其“日本聚合物混凝土的最新進展”報告中，介紹了日本可持續(xù)的混凝土聚合物復(fù)合材料的研究和發(fā)展的最新進展，改性聚合物混凝土(砂漿)、聚合物混凝土(砂漿)及聚合物浸透混凝土(砂漿)被列入可持續(xù)的建筑材料類中。這種可持續(xù)的聚合物混凝土復(fù)合材料近年來在日本得到極大的重視和發(fā)展。這種復(fù)合材料是修補系統(tǒng)，它是用改性砂漿來修補:增強混凝土結(jié)構(gòu)、具有自修補功能的改性環(huán)氧型砂漿和混凝土、可滲透的改性聚合物混凝土、用改性聚合物砂漿制備的有液體隔膜的防水系統(tǒng)、人造大理石或木制品等等。