國(guó)際水泥與混凝土研究及應(yīng)用最新進(jìn)展

　2002年10月28日～11月1日第五屆水泥與混凝土國(guó)際會(huì)議在上海隆重開(kāi)幕。本次會(huì)議共收集論文219篇，其中國(guó)外論文70篇，國(guó)內(nèi)論文149篇；會(huì)議發(fā)表論文193篇，其中國(guó)外論文36篇，國(guó)內(nèi)論文157篇。10多名國(guó)際一流的著名專(zhuān)家學(xué)者被聘為本屆國(guó)際會(huì)議的國(guó)際顧問(wèn)。包括國(guó)際顧問(wèn)，共有14名國(guó)內(nèi)外著名專(zhuān)家學(xué)者做了特邀主題報(bào)告。10月29日～30日，會(huì)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(cè)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(gè)主題，分4個(gè)分會(huì)場(chǎng)宣讀和交流論文。
　　

從本次會(huì)議學(xué)術(shù)交流和成果來(lái)看，當(dāng)前世界水泥與混凝土領(lǐng)域的學(xué)術(shù)發(fā)展趨勢(shì)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(dāng)前水泥與混凝土研究及應(yīng)用領(lǐng)域的重大進(jìn)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(kāi)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(wú)害利用。
　　

目前，世界水泥與混凝土領(lǐng)域出現(xiàn)的新的熱點(diǎn)，集中在先進(jìn)水泥基材料、廢棄混凝土再生利用、混凝土耐久性及其評(píng)價(jià)等方面，這些熱點(diǎn)往往與別的學(xué)科領(lǐng)域交叉，涉及結(jié)構(gòu)學(xué)、力學(xué)、建筑學(xué)、測(cè)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(jìn)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(jì)研究院劉志江教授在“水泥機(jī)械裝備的發(fā)展趨勢(shì)及我們的對(duì)策”報(bào)告中，用圖表形式展示了我國(guó)水泥從1950年到2001年的發(fā)展過(guò)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(dòng)控制技術(shù)、環(huán)境保護(hù)裝備等角度介紹了NSP生產(chǎn)工藝技術(shù)和裝備在中國(guó)的發(fā)展與應(yīng)用，并提出了相應(yīng)的對(duì)策，如加強(qiáng)基礎(chǔ)研究、加強(qiáng)工藝技術(shù)和裝備的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用、研制大型國(guó)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(shí)現(xiàn)水泥工業(yè)可持續(xù)發(fā)展。
　　

美國(guó)伊利諾依大學(xué)J.F.Young教授在“先進(jìn)水泥基材料”報(bào)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(qiáng)度的大體積纖維增強(qiáng)復(fù)合材料以及利用聚合材料的補(bǔ)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(xué)、孔結(jié)構(gòu)等方面論述了DSP水泥的形成過(guò)程，并從力學(xué)性能、運(yùn)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(diǎn)。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(qiáng)度可以達(dá)到150MPa，其滲透率小于10^-15。報(bào)告還介紹了纖維增強(qiáng)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(guó)發(fā)明的一種非硅酸鹽體系的新品種水泥。在其問(wèn)世之初，國(guó)外業(yè)內(nèi)專(zhuān)家對(duì)之長(zhǎng)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(jìn)行，該品種水泥日益顯示出其獨(dú)特的性能和可靠性。英國(guó)阿伯丁大學(xué)的F.P.Glasser教授在其“硫鋁酸鹽水泥研究進(jìn)展”特邀報(bào)告中，從水化機(jī)理、水泥性能、耐久性等方面論述了當(dāng)前世界硫鋁酸鹽水泥的研究進(jìn)展，通過(guò)他們自己的研究成果和中國(guó)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，扭轉(zhuǎn)了以前的懷疑觀點(diǎn)，肯定了硫鋁酸鹽水泥的可行性和可靠性，并對(duì)該品種水泥提出了進(jìn)一步研究的方法。
　　

中國(guó)建筑材料科學(xué)研究院的隋同波博士，在“高貝利特水泥的強(qiáng)度與孔結(jié)構(gòu)”論文中，介紹了該院在國(guó)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(qiáng)度增長(zhǎng)率高、干縮小、抗化學(xué)侵蝕性能及耐磨性好等特點(diǎn)。文中介紹了研究人員采用對(duì)比試驗(yàn)的方法對(duì)高貝利特水泥與通用硅酸鹽水泥漿體強(qiáng)度和孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，得到了2種水泥的強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律以及強(qiáng)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(qiáng)度(1～7d)相對(duì)較低，但后期強(qiáng)度增長(zhǎng)率大，28d強(qiáng)度即達(dá)到與525號(hào)(相當(dāng)于42.5等級(jí))通用硅酸鹽水泥相當(dāng)?shù)乃?，且此后高貝利特水泥的?qiáng)度發(fā)展仍保持較高的增長(zhǎng)幅度。另外，2種水泥硬化漿體的孔隙率均隨水化的進(jìn)行而逐漸降低，但對(duì)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(qiáng)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(guó)建筑材料科學(xué)研究院的郭隨華博士對(duì)高貝利特水泥熟料的微觀結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系進(jìn)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(dāng)熟料塊尺寸在5～15mm時(shí)，高貝利特水泥的強(qiáng)度最高，這時(shí)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(wèn)題，而且還通過(guò)垃圾的循環(huán)利用系統(tǒng)保護(hù)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(guò)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(gè)生產(chǎn)生態(tài)水泥的工廠，并已開(kāi)始生產(chǎn)；目前，東京正在建立第二個(gè)生產(chǎn)生態(tài)水泥的工廠。

2　應(yīng)用基礎(chǔ)和測(cè)試技術(shù)

　　德國(guó)Bauhaus大學(xué)的J.Stark教授在“關(guān)于測(cè)定普通波特蘭水泥早期水化的新方法”報(bào)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(shí)的局限性，提出了一種新的帶場(chǎng)射槍的環(huán)境掃描電子顯微鏡(ESEM-FEG)測(cè)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(guò)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(guò)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(cè)定的，但是壓汞法卻無(wú)法測(cè)定孔的形狀和位置，而這2個(gè)參數(shù)對(duì)混凝土來(lái)說(shuō)是非常重要的。日本東京技術(shù)學(xué)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(cè)定孔的形狀和位置。將鎵注入混凝土的孔中，通過(guò)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(guò)景象分析，可以觀察到大尺寸的孔及養(yǎng)護(hù)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(xué)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(jī)理”報(bào)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(zhǎng)度和分散機(jī)理，以及其對(duì)石灰石粉末懸浮物的流動(dòng)性的影響。通過(guò)使用具有較短接枝鏈長(zhǎng)度的Comb型聚合物可以改善高濃度懸浮物的流動(dòng)性。
　　

日本Kitakyushu大學(xué)的Fukushima Toshio先生在“短纖維增強(qiáng)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(qiáng)水泥復(fù)合材料(FRC)的資源再生與生態(tài)材料化設(shè)計(jì)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(jì)一個(gè)產(chǎn)品、選擇和評(píng)估的系統(tǒng)，并試圖建立設(shè)計(jì)和預(yù)測(cè)動(dòng)力學(xué)特征的專(zhuān)家系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)瀝青型短切碳纖維增強(qiáng)水泥復(fù)合材料(Pitch-CFRC)的試驗(yàn)研究，并通過(guò)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(chēng)為混凝土生態(tài)技術(shù)。為完成這個(gè)具體設(shè)想，作者認(rèn)為需建立合理的性能評(píng)價(jià)方法以及不同數(shù)據(jù)的積累。
　　

中國(guó)建筑材料科學(xué)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(wèn)題而導(dǎo)致過(guò)度緩凝的分析”一文中認(rèn)為，大壩混凝土所用的中熱硅酸鹽水泥中，如果SO₃含量過(guò)低，混凝土?xí)霈F(xiàn)過(guò)度緩凝現(xiàn)象。通過(guò)對(duì)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(xué)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(kāi)始凝結(jié)，AFt的形成并不會(huì)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(yán)重影響C₃S水化過(guò)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(gè)人口非常密集的國(guó)家，可用來(lái)進(jìn)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(jìn)展。日本東京Aichi技術(shù)學(xué)院的Shigeyoshi Nagataki教授在“混凝土循環(huán)集料利用的評(píng)價(jià)”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(lái)自建筑業(yè)，而建筑業(yè)的廢棄物中，有41%來(lái)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(dá)100%。隨著混凝土廢棄物的增加，以及道路建設(shè)項(xiàng)目的減少，在未來(lái)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(lái)，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(guò)改型的傳統(tǒng)破碎機(jī)循環(huán)(改進(jìn)后的顎式破碎機(jī)、沖擊式破碎機(jī)、偏心回轉(zhuǎn)破碎機(jī))；2)通過(guò)帶篩分器(根據(jù)密度進(jìn)行篩分)的磨機(jī)式破碎機(jī)循環(huán)；3)通過(guò)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(jī)、沖擊式破碎機(jī)破碎后為一級(jí)破碎水平的破碎混凝土，再經(jīng)改進(jìn)后的顎式破碎機(jī)破碎為二級(jí)破碎水平的破碎混凝土，再一次由顎式破碎機(jī)破碎，成為三級(jí)破碎水平的破碎混凝土。試驗(yàn)結(jié)果表明，由高強(qiáng)或中等強(qiáng)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(duì)低強(qiáng)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(duì)其強(qiáng)度稍有影響。
　　

意大利Ancona大學(xué)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?；厥盏乃槭晒I(yè)破碎廠提供，在這個(gè)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(lái)制備混凝土。測(cè)試這些混凝土的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度，結(jié)果表明，適當(dāng)降低水灰比，可以制備強(qiáng)度等級(jí)與基準(zhǔn)混凝土(由天然骨料制備)適當(dāng)?shù)幕炷?。作者還分析了這些混凝土的經(jīng)濟(jì)效益及環(huán)境效益，從而評(píng)估了這些混凝土的生態(tài)平衡價(jià)值。
　　

日本Tokushima大學(xué)李保群先生對(duì)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(lèi)型、廢棄混凝土的強(qiáng)度，以及熱處理溫度對(duì)物理性能及通過(guò)熱處理和擦磨法回收粗骨料和細(xì)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(dāng)熱處理溫度很高時(shí)，熱處理溫度和原始粗骨料類(lèi)型對(duì)回收粗骨料的混凝土的重要性能(如絕對(duì)干燥密度、水吸收率)影響很大，而廢棄混凝土的強(qiáng)度影響較?。欢鴮?duì)于回收細(xì)骨料混凝土性能，熱處理溫度和原始粗骨料類(lèi)型影響很小，廢棄混凝土的強(qiáng)度影響相對(duì)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(dá)到混凝土碎砂的JIS標(biāo)準(zhǔn)。然而，各種回收細(xì)骨料質(zhì)量都很低，且它們的絕對(duì)干燥密度和水吸收率都不能達(dá)到混凝土碎砂的JIS標(biāo)準(zhǔn)。

4　混凝土及其制品

　　姚燕教授總結(jié)了我國(guó)多年在混凝土耐久性方面的研究成果，在“中國(guó)混凝土材料耐久性研究的新進(jìn)展”報(bào)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(cè)與修補(bǔ)技術(shù)、高性能混凝土和新型膠凝材料、混凝土安全性專(zhuān)家系統(tǒng)、高性能混凝土的耐久性設(shè)計(jì)等8個(gè)方面論述了中國(guó)混凝土耐久性研究的新進(jìn)展，取得的大批研究和應(yīng)用成果水平已達(dá)到國(guó)際水平，部分已達(dá)國(guó)際先進(jìn)水平；并指出我國(guó)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(kù)、估算混凝土使用壽命及定性定量功能設(shè)計(jì)。
　　

中國(guó)長(zhǎng)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(bào)告中介紹了三峽大壩混凝土的特征，即大體積和高密實(shí)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(jì)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(jìn)展的合理管理、最高混凝土溫度的控制、水冷卻、流動(dòng)水養(yǎng)護(hù)、表面保護(hù)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(cè)標(biāo)準(zhǔn)、對(duì)供應(yīng)的材料進(jìn)行質(zhì)量控制、在施工過(guò)程中采用新的質(zhì)量控制方法。
　　

2000年，日本頒布實(shí)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(duì)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(xué)的Ohama Yoshihiki教授在其“日本聚合物混凝土的最新進(jìn)展”報(bào)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(jìn)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(lèi)中。這種可持續(xù)的聚合物混凝土復(fù)合材料近年來(lái)在日本得到極大的重視和發(fā)展。這種復(fù)合材料是修補(bǔ)系統(tǒng)，它是用改性砂漿來(lái)修補(bǔ):增強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)、具有自修補(bǔ)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。