1.前言

    水泥是最主要的建筑材料，在國民生活和建設中起著重要的作用。但是傳統(tǒng)的水泥生產方式環(huán)境負荷很高，特別是溫室氣體CO₂影響人類的生活環(huán)境，全球大氣中約有55％CO₂是由水泥生產排放的^[1]。此外，傳統(tǒng)水泥工業(yè)對于資源和能源的大量消耗亦不能適合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的需要?？梢哉f,我國水泥工業(yè)是以資源、能源的過度消耗和環(huán)境的嚴重污染為代價的,因此必須堅持走可持續(xù)的并與環(huán)境協(xié)調發(fā)展的集約化道路,開發(fā)生態(tài)水泥才是水泥工業(yè)健康發(fā)展的正確途徑。

    2. 生態(tài)水泥的概念特征與質量特性

    2.1 生態(tài)水泥的基本概念

    從狹義上講，生態(tài)水泥( Ecological Cement)是指利用城市垃圾焚燒灰和下水道污泥等作為主要原料,經過燒成粉磨形成的的水硬性膠凝材料；而從廣義上講,生態(tài)水泥不是單獨的水泥品種,而是對水泥“健康、環(huán)保、安全”屬性的評價,包括對原料采集、生產過程、施工過程、使用過程和廢棄物處置五大環(huán)節(jié)的分項評價和綜合評價。生態(tài)水泥的基本功能除作為建筑材料的實用性外,還在于維護人體健康、保護環(huán)境。

    2.2 生態(tài)水泥的基本特征

    與傳統(tǒng)水泥相比,生態(tài)水泥可歸納出以下五方面的基本特征:

    (1) 其生產所用原料盡可能少用天然資源,大量使用尾礦、廢渣、垃圾、廢液等廢棄物。

    (2) 生產和使用過程中有利于保護和改造自然環(huán)境、治理污染。

    (3) 可使廢棄物再生資源化并可回收利用。

    (4) 產品設計以改善生活環(huán)境、提高生活質量為宗旨,即產品不僅不危及人體健康,而且應有益于人體健康,產品具有多功能化,如阻燃、防火、調溫、調濕、消聲、防射線等。

    (5) 具有良好的使用性能,滿足各種建設的需要,生態(tài)水泥從材料設計、制備、應用,直至廢棄物處理,全過程都與生態(tài)環(huán)境相協(xié)調,都以促進社會和經濟的可持續(xù)發(fā)展為目標^[2]。

    2.3 生態(tài)水泥的質量特性

    生態(tài)水泥有快硬性和通用性兩種?？煊残陨鷳B(tài)水泥是以富含氧化鋁以及氯化物的焚燒灰為原料燒成的鈣氯鋁酸鹽水泥。主要用于澆注預制構件以及配制水泥砂漿。但是因其含氯量超過1%，則僅限于素混凝土構件或耐氯鋼筋混凝土構件使用。相反，通用性生態(tài)水泥，控制原料中的氯與堿的比例燒成，在燒成過程中氯被灰固化排出，產品含氯量僅0.1％以下,可廣泛用于一切鋼筋混凝土構筑件中，混凝土質量穩(wěn)定、耐久^[3]。

    3.國內生態(tài)水泥的研究重點

    目前，我國生態(tài)水泥主要研究工作主要是集中在廢棄物的處置方法，以及水泥窯用來生產生態(tài)水泥的可行性研究及相關技術改造。

    3.1 廢棄物的處置方法

    生態(tài)水泥可以綜合利用廢棄物，一般的主要包括兩大類：廢棄物水泥原料化和廢棄物水泥的燃料化。一般常用的水泥的代用原料有下水道焚燒灰、造紙焚燒灰、河道污泥、粉煤灰、高爐礦渣、氟化鈣污泥、硅藻土、煤矸石、廢石膏等。新近文獻報道有國內電石生產公司利用電石工業(yè)廢渣和風積沙生產生態(tài)水泥^[4]。而水泥的代用燃料常用的有廢輪胎、廢橡膠、廢塑料、廢油、活性炭污泥、廢白土、造紙污泥、焦炭等。一般而言，氣、液廢棄物的處理比較簡單，生產生態(tài)水泥的技術關鍵是固體廢棄物的利用。

     生態(tài)水泥的生產工藝與普通水泥基本相同，但是由于其使用原燃料的特殊性，使得生態(tài)水泥的生產也有所不同，存在一些技術上的困難，同時也是研究的重點：

    ⑴用于廢棄物的化學成分不穩(wěn)定，離散性大，所以應加強原料的預均化和生料的均化，使廢棄物成分波動在許可的范圍內，從而得到成分均勻、質量穩(wěn)定的入窯生料。此外，作為代用燃料和廢棄物，應注意廢棄物的投入方式、時間、位置，以確保廢棄物完全燃燒^[5]。

    ⑵固體廢棄物中可能含有高濃度的氯和極少量的有毒有害物質，如何分離、出去、封存這些物質是生態(tài)水泥可以實用的關鍵。若原料中氯含量較高，不宜采用預分解窯，宜將原料直接投入回轉窯中煅燒或應對預分解窯采用旁路放風措施。圖1是 2000/76/EC水泥回轉窯排放極限規(guī)程。

     圖1.  2000/76/EC水泥回轉窯排放極限規(guī)程^[6]

    ⑶由于固體廢棄物中常含有重金屬成分，如Ag、Pb、Cu、Cr、As等，為從窯灰中回收這些重金屬，必須在工藝線上增設金屬回收工藝。

                            圖2.生態(tài)水泥窯灰的金屬回收工藝流程^[7]

    3.2 生態(tài)窯的生態(tài)技術改造

    國外在水泥回轉窯處理城市垃圾的技術上已經積累了相當豐富的經驗，使用“拿來主義”，國內在這方面的研究也是如火如荼。但是我國大部分的水泥窯都是立窯，所以根據我國國情，利用現(xiàn)有設備進行生態(tài)技術改造能取得更大的經濟和社會效應。下面就這兩方面的研究進展做一個簡要的介紹：

    3.2.1 水泥回轉窯

    （1）水泥回轉窯處置城市垃圾的可行性分析

    水泥窯可以利用多種廢棄燃料，包括廢機油、廢輪胎和可燃性垃圾等，且在水泥窯處理此類廢棄燃料比一般的焚燒爐更具優(yōu)勢。從處理廢棄物的角度看，要求其焚燒溫度高，焚燒完全，廢棄物有足夠的停留時間；且要求焚燒過程中產生的有毒有害組分不能逸放，避免有害氣體排放造成二次污染。水泥回轉窯的溫度比一般焚燒爐高的多，同時廢棄物在水泥窯內停留的時間比在焚燒爐內長得多，有足量得氧氣，且物料為堿性，可中和酸性氣體。這些都為處理廢棄物提供了十分有利的條件。

    （2）水泥回轉窯生態(tài)水泥的生產工藝

    生態(tài)水泥的生產工藝與普通水泥基本相同,包括生料制備、熟料煅燒和水泥制成、重金屬回收、尾氣排放等工序。其中，生料制備前已述及。生產1t生態(tài)水泥需城市垃圾燒卻灰0.5t,下水道污泥0.3t,用來調整化學成分的天然原料0.3t.經過生料制備、燒成工序,得到熟料0.85t,最后在制成工序摻加石膏0.15t,粉磨后即成生態(tài)水泥。

    ①熟料煅燒

    若生料中含有重金屬及氯,則不宜直接使用懸浮預熱器窯,因為氯化物冷凝可能導致預熱器堵塞,宜將原料直接投入回轉窯中煅燒或對預分解窯采用旁路放風措施。 燒卻灰進的二惡英在高于800°C下完全分解,窯尾廢氣應采用冷卻塔快速冷卻至250°C以下,以防止在250～350°C時二惡英重新生成。 廢氣中氯化物經冷卻塔和分離器冷卻,由收塵器收集. 收集下來粉塵送往金屬回收工藝流程處理。

    ②水泥制成

    煅燒出的熟料摻加1 %(質量分數(shù)) Na₂SO4 ,粉磨至450m²/kg,然后與700m²/kg 的無水石膏混合,使Al₂O₃與SO₃的摩爾比為1.0～1.2。Na₂SO₄控制快硬水泥的凝結時間,而硬石膏用于與C₁₁A₇·CaCl₂ (生態(tài)水泥熟料的一種礦物成分)快速生成鈣礬石,并保持強度穩(wěn)定增長。

    ③重金屬回收

    燒卻灰?guī)нM的重金屬中,大多數(shù)的Cr和Zn在煅燒過程中進入熟料礦物,Pb ,Cu ,Cd 及其它重金屬則以氯化物形式揮發(fā),并被收集在窯灰中。窯灰首先與水混合,然后加入硫酸,在酸性條件下富含鉛的硫酸鹽沉淀析出. 固液分離后,在濾液中加入NaOH和NaSH,控制pH值和氧化-還原電位,富含銅的硫化物沉淀析出,從濾液中分離出來。兩種分別富含鉛和銅的沉淀送至熔爐回收重金屬。

    ④廢氣排放

    廢氣經凈化處理,滿足相關標準后排放。為防止重新生成二惡英,廢氣要快速冷卻至250°C以下。由于SOx ,HCl大都與CaO結合進入熟料,因此廢氣中不含SOx 和HCl^[8]。

    3.2.2 水泥立窯

    我國已經有成功地把小立窯改造成煅燒粗放型垃圾焚燒爐的先例，城市垃圾可以不分類，直接進入立窯煅燒，經過高溫煅燒，燒成鐵塊，除鐵后，剩下塊狀的熟料，加入水泥等制成建材產品。據測算，利用消化能力很強的立窯水泥設備，再加上后續(xù)處理的高技術，一個普通立窯水泥企業(yè)一年可以燒掉5～10萬t城市垃圾。我國已發(fā)明了垃圾造水泥的專利技術，并進入使用階段，開始了規(guī)模化生產。城市垃圾經過分選后，除金屬外的無機物如石子、玻璃、陶瓷片、砂子、混凝土塊等都可以用作燒制水泥的原料。通過分析，由廚房垃圾、紙張、塑料、纖維、皮革、橡膠、陶瓷等雜物組成的城市垃圾，經過焚燒后的成分與水泥生產用的普通粘土質原料組成基本相同，稍加處理后即可替代部分粘土原料。焚燒后的垃圾渣作為原料配入水泥生料中經過高溫焚燒后，有害物質被分解或化合成無害物質^[9]。我國立窯水泥工業(yè)無論是技術水平還是經濟指標，都已達到或超過了國外的先進水平，通過技術改造和創(chuàng)新，完全有條件走走生態(tài)環(huán)境材料產業(yè)之路。

    4.國外生態(tài)水泥發(fā)展的新動態(tài)

    4.1 　麥特考林水泥

    過去,有人稱之為土聚水泥或堿激發(fā)火山灰膠凝材料(Pyrament) 。它以含高嶺石的粘土為原料,經較低溫度(500～900 ℃) 煅燒的偏高嶺土,有較高的火山灰活性,經堿激發(fā)成為優(yōu)異的膠凝材料。根據礦物特征筆者稱其為麥特考林水泥(Metakaolin Cement)。該水泥具有早期強度高的特點(20 ℃ 4h 達15～20MPa) ,具有較強的耐腐蝕性和良好的耐久性,5 %酸性條件下其強度損失僅為硅酸鹽水泥的1/ 13 ,壽命可達千年以上。麥特考林水泥將成為繼硅酸鹽水泥系列、鋁酸鹽水泥系列、硫鋁酸鹽水泥系列之后的第四系列水泥,其應用領域之廣泛不可估量,并將以真正的生態(tài)水泥而著稱。

    4.2　速硬生態(tài)水泥

    速硬生態(tài)水泥是在熟料礦物成分中加入適量氯離子而形成的速硬水泥,它與噴射水泥(日本一種快硬水泥) 的速硬成分相似,均由于氯離子化合成氯鋁酸鈣,具有早期強度高的特點。但是,若氯離子含量達到1 %時,則僅適用于素混凝土^[9]。

    4.3 能吸收CO₂的生態(tài)水泥

    澳大利亞生態(tài)技術公司最近宣布開發(fā)成功一種能吸收CO₂的新一代生態(tài)水泥，其主要成分為廢料、粉煤灰、普通水泥和氧化鎂。該公式聲稱，如果生態(tài)水泥能代替世界所產16.5億t普通水泥的80％，將會有15億t的CO₂被吸收。每生產1t普通水泥，就釋放出1t CO₂與之相比，生態(tài)水泥制成的砌塊等產品是CO₂的中和物，甚至當這種砌塊與有機廢料纖維相結合時，它們還是CO₂的吸收物。同時，該公司證明，生態(tài)水泥更能耐硫酸鹽，氯化物和其它腐蝕性化學物質的侵蝕，完全可以在強度上與普通水泥媲美^[10]。

    5.小結

    綜上所述, 生態(tài)水泥也是改善生態(tài)環(huán)境和生活環(huán)境的重要建筑材料。發(fā)展生態(tài)水泥，是解決我國水泥工業(yè)節(jié)能和節(jié)約資源以實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑, 同時也是我國水泥工業(yè)尤其是大都市水泥工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的一個重要環(huán)節(jié)。這是功在當代，利在千秋的大事，應引起我國水泥工業(yè)中科研、設計、生產等各部門高度的關注，也應得到各級人大和政府及有關部門的高度重視，制定、健全相關的法規(guī)，并給予政策上的支持，使生態(tài)水泥的研究和開發(fā)在我國迅速地得到重視和發(fā)展。

    參考文獻

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    [4]朱福印. 利用電石工業(yè)廢渣和風積沙生產生態(tài)水泥.水泥,2002,（9）:10～11

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    [8]施惠生,袁玲. 生態(tài)水泥的研究與進展. 建筑材料學報，2003，6（2）：166～172

    [9]任國亮，趙遠翔，何英明.日本生態(tài)水泥，建筑技術開發(fā)，2003，30（4）：100～101

    [10]新型建材.2003, (1):48