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

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