碱胶凝材料的哲学基础

张兰芳，岳 瑜

（1.重庆交通大学土木建筑学院，重庆 400074；2.重庆钢铁集团建设工程有限公司，重庆 400084）

自古以来制造新材料一直很受重视。材料是时代发展的基础，是人们用来制造工具和产品的物质，是人类生活和生产的物质基础。人类认识和使用材料的历史，和人类文明同样古老。材料发展的历史从生产力的侧面，反映了人类社会发展的文明史，所以历史学家根据人类使用的主要材料，将人类社会的历史划分为旧石器时代、新石器时代、青铜器时代、铁器时代。材料是科学与工业技术发展的基础，一种新材料的出现，能为社会物质文明带来巨大的变化，给新技术的发展带来划时代的突破。

胶凝材料的发展，有着极为悠久的历史。例如，古埃及的金字塔，我国著名的万里长城以及其它许多宏伟的古建筑，都是用石灰石、石膏作为胶凝材料砌筑而成的。目前在各类建筑中，最常用的建筑胶凝材料是水泥。水泥是建筑工业中使用最广、用量最大的基本材料之一，素有“建筑工业的粮食”之称。当前，世界水泥工业的中心课题仍然是资源、能源和环境保护。

所谓环境负荷一般是指材料在其生产、使用、消费或再生过程中耗用的自然资源数量和能源数量以及向环境体系中排放的各种气、固、液等废弃物的多少。材料环境负荷的急增，将会导致资源、能源的枯竭，同时污染加剧。近年来，研究降低材料的环境负荷，将废弃物进行资源化已成为热门。建材、混凝土、水泥部门也结合环境降负，对不少企业进行了停、关、转、并等，如近些年来重庆就关闭了200多家小型水泥厂，节能、降耗、高付加值、环保也成为时髦语。

目前，碱胶凝材料是引人注目的新型材料之一，其特点为生产工艺简单、原料丰富，能够利用更多的工业废渣，减少对环境污染。

碱矿渣水泥及混凝土的研究和应用已有很多年的历史。碱矿渣水泥首先由乌克兰基辅建筑科技大学于1957年研制成功，是由磨细水淬高炉矿渣和碱组分（碱金属的氢氧化物、可溶性硅酸盐和碳酸盐）组成的一种新型建筑胶凝材料，具有一系列优异的性能，例如早强快硬、高强度、低渗透性，优良的护筋性能、抗冻性及抗化学侵蚀性好等。但是，由于担心其制备的混凝土易出现碱集料反应、收缩大、外加剂少等原因，曾一度使人们对该水泥失去了信心。虽然20世纪80年代中后期以来，有关碱矿渣水泥及其混凝土的研究再次成为国内外的热门课题，但至今为止，人们对碱矿渣混凝土的碱集料反应（AAR）及其外加剂的问题仍具疑虑，因此，一直以来碱矿渣水泥和混凝土都难以推广到工程实践中去。

从对碱胶凝材料的研究结果和开发现状来看，可以认为它将是继硅酸盐水泥和铝酸盐水泥以后的又一新体系胶凝材料。它不仅原料丰富，可以利用众多的工业废渣，还能节约能源，减少环境污染，也有许多优于传统硅酸盐水泥的性能。因此，碱胶凝材料是值得研究和开发的一类新型胶凝材料。

1 碱胶凝材料的制备

目前，为降低生产水泥的环境负荷，主要可以通过以下途径：1）不用或少用水泥熟料或利用高效混合材、掺合料来降低熟料组份含量；2）用天然的或人工的火山灰取代熟料，开发高掺量粉煤灰、沸石、天然火山灰、石粉、硅灰、稻壳灰以及以硫铝酸钙为主的高性能混合材和掺合料；3）以工业废渣、下水道污泥、垃圾灰、废弃的硅酸盐材料（包括废旧的砂浆、混凝土等）、工业石膏、废白土或直接利用火山渣体等代替部份生产水泥的原料来生产水泥，例如日本开发了利用含氯化物的焚烧垃圾灰和下水道脱水污泥为主要原料进行水泥生产的新技术，并生产了普通水泥与特种水泥，该水泥强度高、重金属含量不超标；4）利用可燃垃圾、废橡胶轮胎、废油、再生油、有机废弃物代替部分生产水泥的燃料和原料，以节约能源并进一步改进NSP窑外分解设备来烧制熟料；5）使用流动化床、熟料新型冷却热交换机，选用预破碎设备等，以进一步降低设备的耗能量。

碱胶凝材料利用磨细的高炉矿渣粉、粉煤灰、钢渣、电热磷渣等工业废渣或火山灰等天然矿物为主要原料，用碱化合物或含碱工业废渣、废液为激发剂制备而成。Krivenko［1］将碱胶凝材料分为5类：1）土聚水泥；2）矿渣－碱水泥；3）粉煤灰－碱水泥；4）碱－波特兰水泥；5）碱－铝酸盐水泥，这尽管不是碱胶凝材料的全部，但也包括了这类胶凝材料的大多数。目前研究最多的是碱矿渣水泥和土聚水泥。

碱矿渣水泥是由磨细水淬高炉矿渣粉和碱激发剂组成，其中的矿渣可由粉煤灰、石粉、硅灰等一些其它废弃物代替，而激发剂可用化学品也可以用制碱工业中的含碱废渣、废液等。土聚水泥是碱－碱土组成的古代胶凝材料的复活再生，主要是采用高岭土、碱与碱盐、混合材及外加剂（主要用于调节水泥的凝结时间）为主要原材料，在500～900℃下煅烧而成，其物理化学性能优异，某些力学性能与陶瓷相当，耐腐蚀，耐高温等性能更是超过金属和有机高分子材料，且其生产过程能耗低、污染小。

2 碱胶凝材料与可持续发展

可持续发展（Sustainable Development）一词中的持续性（Sustain）来自拉丁语sustenere，原意是“维持下去”，包含了维持、供养的含义，主要是针对资源与环境而言，可理解为保持或延长资源的生产使用性和资源基础的完整性，即解决迫在眉睫、非解决不可的经济、社会发展中与环境不协调的矛盾，否则，人类社会在不久的将来将难以维持，因此，可持续发展已成为世界各国共识的发展战略思想，其思想深入人心。

人与自然的协调发展是历史与逻辑相统一的必然，人是导致生态危机的根源，同时，人与自然的协调也是社会可持续发展的前提和手段，现如今，人类已经进入到必须把自己作为自然界的一员和把自然界当作人类的朋友并与之协调发展的时代，而资源是可持续性发展中的一个重要因素［2］。

2010年，世界水泥年总产量33亿t，其中中国18.82亿t，占57%。众所周知，传统水泥生产时，原生资源、能源消耗大，废气、粉尘的排放量大，全球大气中55%的CO2是由水泥生产排放的，其对温室效应的“贡献”极大。表1为生产1吨水泥熟料资源消耗及污染物排放情况。

从表1可看出，降低水泥生产时的环境负荷、减少其对环境的污染是极其重要的，而研制开发环保型的生态水泥，是降低环境负荷的主要途径。

表1 生产1t水泥熟料资源消耗及污染物排放

研究表明，在制作碱胶凝材料时，矿渣不仅可以用粒化高炉渣、有色金属矿渣，还可以用钢渣、铜渣、铁渣、煤渣、粉煤灰、火山灰、烧粘土等等，而碱组分既可用成品碱：如纯碱、碳酸钠（钾）、氟化钠、水玻璃等，也可以用含碱工业副产品：如碱浮渣、偏硅酸钠等等，还可以用工业生产中的含碱废料，如金属加工和机械制造，化学、医药、造纸、食品、水泥等工业部门某些产品的废料。这些含碱工业副产品或废料根据其品质有的需要经过适当加工后使用，有的可直接用作碱矿渣水泥的激发剂。由此可见，碱矿渣水泥的原料广泛易取，且由废料组成，实现了环境与人类的协调。

此外，碱胶凝材料生产工艺简单，能耗少，生产成本低。据报道，每吨600号的碱矿渣水泥的能耗为55 kg标准燃料和56度电，而同样标号的硅酸盐水泥却要345kg标准燃料和更多的电。由此可见，碱矿渣水泥的能耗大大低于硅酸盐水泥的能耗。同时，还可以利用不同组分研制有特殊用途的碱矿渣水泥，如：快硬碱矿渣水泥、耐热碱矿渣水泥、无收缩碱矿渣水泥、堵塞用碱矿渣水泥等。

另外，由碱胶凝材料制备的混凝土的成本也比硅酸盐水泥混凝土的成本低得多，这是由于这些胶结材的主要原料为工业副产物或工业废料，资源丰富、价格低廉，且这种混凝土的制造工艺十分简单，无须高温煅烧熟料，煤耗要降低66%～86%，电耗要降低50%。此外，该类混凝土还能降低环境负荷和对生态的破坏，能够实现可持续发展，因此，这种低能耗、低成本的生态型混凝土的开发有重大的、直接的经济利益，可为国家节约大量短缺的资源和能源。

3 结 语

中国作为最大的发展中国家和环境大国，是国际环境合作中的一个重要力量。由于中国人口众多，人均资源少，生态环境脆弱，地区经济发展不平衡，实施可持续发展战略还面临相当大的困难和压力。这就要求我们大家共同努力，将目光放得远一点，以一个更长的时间作为参考的坐标，这样才能将问题看得更清楚、更明白，才能更好地实现可持续发展。

材料是基础，只有研制出先进的、高功能的对社会可持续发展有益而又为人们所认可的新材料，才能为高技术的发展作好充分的准备。无论是从技术、经济还是环境的角度来看，代替传统水泥的物料在未来的建筑工业中都将起着举足轻重的作用，而且正如Swamy所说的“无论从经济技术或生态的观点，在今后的建筑工业中寻找硅酸盐水泥的替代物势在必行。”而碱胶凝材料正是这种替代品。

［1］ Krivenko P.Alkaline Cements：Terminology Classification，Aspects of Durability［C］//Justnes H.Proceedings of the 10th International Congress on the Chemistry of Cement，Gothenburg，Sweden，Amarkai and Congrex Göteborg，Gothenburg，Sweden，1997.

［2］ 吕家云.科技哲学与可持续发展［J］.巢湖学院物理系：人文社会科学版，2002（1）.

［3］ 沈满洪.科学技术与可持续性发展［J］.科学技术与辩证法，1997，14（5）：4－10.

［4］ 杨胜多.碱激发胶凝材料发展趋势［J］.科技信息，2010（17）.

［5］ 黄 赞.碱激发胶凝材料的研究进展［J］.水泥，2011（2）.

［6］ 孔德玉，张俊芝.碱激发胶凝材料及混凝土研究进展［J］.2009.

［7］ 杨南如.碱胶凝材料形成的物理化学基础［J］.硅酸盐学报，1996，24（4）：4.

［8］ 唐明述.水泥混凝土与可持续发展［J］.中国有色金属学报，2004.

［9］ 陈 怡.中国水泥行业可持续发展分析［J］.黄石理工学院学报：人文社会科学版，2011，6.

［10］中国水泥工业的历史和发展［J］.中国水泥，2002，9.