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1.概況
傳統水泥的生產工藝是“兩磨一燒”，需要耗費大量的能源，并排放大量的溫室氣體，生產成本高。本技術不需要高溫煅燒，不排放二氧化碳，能耗低，可大幅度降低水泥生產成本，具有巨大的經濟效益和社會效益。主要原料是：石灰石、礦渣、粉煤灰、煤渣、煤矸石、鋼渣、磷渣、石膏、磷石膏、脫硫石膏、少量熟料及微量助磨劑等，不加堿，不含氯離子，絕大多數原材料為工業廢渣。生產32.5等級水泥，熟料摻量僅30%左右;生產42.5等級水泥，熟料摻量僅45%左右;與傳統水泥生產方法相比，生產32.5等級的水泥，水泥成本可下降40～60元/噸;生產42.5等級的水泥，水泥成本可下降80～150元/噸。是一種新型的綠色生態低能耗水泥，所產水泥的所有技術指標均符合國家標準，已在水泥廠生產成功，適應于一般工業與民用建筑、地下工程與防水工程、大體積混凝土工程、道路工程等。
2.基本原理
水泥加水后之所以能夠硬化，產生強度，主要是由于水泥中的礦物(硅酸三鈣、硅酸二鈣、鋁酸三鈣、鐵鋁酸四鈣)可以與水進行化學反應，產生了一系列的水化產物，如C-S-H、鈣礬石、氫氧化鈣、水化鋁酸鈣等。這些水化產物相互搭接，并不斷占據水的空間，使水泥石不斷致密，從而產生了強度，如圖1所示。
因此，根據此原理，只要能夠與水反應，產生穩定的水化產物，同時能夠不斷占據原來水的空間，并使體系達到一定致密度的物質，都可以用于制造水泥。
將石灰石、礦渣、粉煤灰、煤渣、煤矸石、鋼渣、磷渣、石膏、磷石膏、脫硫石膏、少量熟料及微量助磨劑等原料，按一定比例磨成細粉，加水后即可發生一系列反應，生成一系列新的水化產物：水化碳鋁酸鈣、鈣礬石、水化硅酸鈣。這些水化產物也是穩定的礦物，與現有水泥水化后產生的水化產物一樣，也能相互搭接，并不斷占據水的空間，使水泥石不斷致密，產生強度，見圖2所示。其反應方程式如下：
CaO + Al2O3 + CaCO3 +H2O → C3A·3CaCO3·32H2O
CaO + Al2O3 + CaSO4 +H2O → C3A·3CaSO4·32H2O
CaO + SiO2 + H2O → C-S-H
3.水泥性能
(1) 高性能少熟料水泥的組成與物理性能
表1、高性能少熟料水泥的組成與物理性能
(1) 長期強度
按標準方法成型后在標準條件下，水中養護至各齡期測定強度。
表2、標準養護條件下水泥的長期強度
按標準方法成型后在標準條件下，水中養護28天后，放在屋頂露天自然空氣中養護至一定齡期后測定強度。主要考察在空氣中養護的條件下，水泥的長期強度，以及空氣中二氧化碳的影響。
表3、露天自然養護條件下水泥的長期強度
注：養護90天是指標準養護28天后，再養護62天，實際是水中養護28天，露天養護62天，其余類推。
(1) 抗碳化性能
將本技術32.5等級的水泥及華新P.C 32.5復合硅酸鹽水泥，成型脫模后于20℃水中養護26天，然后于60℃烘箱中烘干48小時。4×4×16試塊六面全部不用蠟封，放在碳化箱中進行碳化實驗，CO2濃度控制在20±3%，溫度20±5℃，相對濕度70±5%。測定抗折強度后順便測定碳化深度。測定完抗壓強度后，將半個試塊全部收集起來，粉碎均化后，取50g加70ml蒸餾水攪拌1小時，過濾后測定pH值。
表4、不同品種水泥不同齡期碳化深度及平均斷面pH值
表5、不同品種水泥碳化不同齡期后的強度
本技術生產的水泥抗碳化性能與華新32.5復合水泥相差不大，碳化后各齡期的強度均可不斷增加，而且，但兩者碳化深度也相差不大。
(4) 水泥風化實驗
將本技術生產的不同等級的水泥，按不同的存放條件存放規定的時間后，測定水泥的各齡期強度，結果見表6。
表6. 水泥風化實驗結果
高性能少熟料水泥具有較好的抗風化性能，在三個月保質期內，水泥強度下降不多。
(5) 水泥水化熱
表7、水泥水化熱實驗結果
高性能少熟料水泥的水化熱很低。
(6) 水泥壓蒸安定性
表8、水泥壓蒸安定性實驗結果
(7) 水泥干縮性能
按JC/T 603-1995標準進行水泥砂漿干縮實驗。
表9、水泥干縮實驗結果
高性能少熟料水泥在水中養護出現微膨脹，在空氣中養護出現微收縮，但收縮量低于華新32.5復合水泥，所以高性能少熟料水泥的干縮性能優于同等級的復合水泥。
(8) 抗低溫性能
表10、水泥在低溫環境下的性能
高性能少熟料水泥的低溫性能與復合水泥相當。
(9) 抗凍性能實驗
成型一批4×4×16標準試體，標準養護28天后，分為兩組，一組繼續標準養護，另一組進行凍融實驗。采用慢凍法，將養護了28天的試體從水中取出，用布擦去表面的水，稱重。然后放入冰箱冷凍室中，試塊之間要有間距，應架空。冷凍室溫度控制在-15℃～-20℃，白天放入冰箱，傍晚取出放入20℃的溫水中解凍，每天凍融循環1次，共凍融25次后取出稱重并計算失重率，測定強度，對比試樣一直標準養護至相同齡期一起破型測定，進行強度對比。
表11、水泥抗凍性對比實驗結果
高性能少熟料水泥的抗凍性比復合水泥稍好。
(10) 水泥與減水劑相容性實驗
按JC/T 1083-2008《水泥與減水劑相容性試驗方法》標準進行試驗。同時檢驗減水劑對水泥泌水量的影響。
不同水泥在不同減水劑及建議摻量下的靜漿流動度經時損失率
注：基準水泥配比為：熟料95%，石膏5%。SLH-997為改進型聚羧酸減水劑;FDN-9000是以β-萘磺酸鹽甲醛縮合物為主要成分并復合了緩凝、保塑及其它多種表面活性組份的緩凝減水劑。
以上實驗結果可知：
鋼渣水泥與SLH-997改進型聚羧酸減水劑的相容性較好，同基準水泥相差不大。
鋼渣水泥與奈系減水劑的相容性，好于基準水泥。
鋼渣水泥與FDN-9000萘磺酸鹽甲醛縮合物緩凝減水劑的相容性不太好，不如基準水泥。
鋼渣水泥與聯合聚羧酸減水劑的相容性不太好，不如基準水泥。
(11) 耐高溫性能
將試樣養護至28天，然后在65℃下烘干1天并測定強度，在不同的溫度下，煅燒1小時測其強度。
表14、不同溫度下水泥的強度
高性能少熟料水泥的耐高溫性能與復合水泥相當。
(12) 水泥砂漿表面起砂性能實驗
將水泥與GB標準砂(老標準砂)按1：3的比例，水灰比0.5，在小攪拌機(做凝結時間用)中攪拌均勻，用做圓試模成型，表面用直尺水平略向上傾斜刮平，然后放在標準養護箱中，在20℃，相對濕度900%的條件下，養護7天后，于60℃溫度下烘干2天，每個試樣成4個試模，分成兩組，每組2個，一組用于標準養護條件下的起砂性能檢測，另一組用于碳化條件下的起砂性能。
標準養護條件下的起砂性能檢測：將兩個試塊稱重并記錄，用塑料刷手工在試塊表面刷100下(用力要均勻)，然后再稱重，計算重量損失，以此判斷起砂性能好壞。
碳化條件下的起砂性能檢測：將兩個試塊放置在碳化箱中，進行碳化，CO2濃度控制在20±3%，溫度20±5℃，相對濕度70±5%。碳化7天后，試塊稱重并記錄，用塑料刷手工在試塊表面刷100下(用力要均勻)，然后再稱重，計算重量損失，以此判斷碳化后起砂性能好壞。
表15、水泥表面起砂性能實驗結果
本技術32.5水泥的起砂性能不及硅酸鹽52.5水泥，但比復合32.5水泥好。
(13) 抗硫酸鹽性能實驗
采用40mm×40mm×160mm標準試塊, 每個試樣分兩組，一組采用正常成型(水泥中不加Na2SO4)并在標準條件下(清水)養護。另一組水泥中外加1.5%Na2SO4成型，養護1天脫模后，直接放入質量濃度為3%的Na2SO4 溶液中養護至規定齡期取出測定強度，兩個月更換一次浸泡溶液。
在實驗齡期內，高性能少熟料水泥和復合水泥在硫酸鹽環境中，強度基本上不下降，都具有較好的抗硫酸鹽性能。
(14) 混凝土試配
實驗原料：
鋼渣粉：用寶鋼鋼渣破碎烘干后粉磨而得。
礦渣粉：直接使用上海寶鋼送來的立磨礦渣粉，比重2.90，測定比表面積439.1 m2/kg。
粉煤灰：直接使用武漢陽羅電廠取來的粉煤灰，比重 2.29，測定比表面積405.0 m2/kg。
石子：武漢市場上購買，石子粒徑5～25mm。
砂：武漢市場上購買，砂子細度模數2.0。
鋼渣42.5水泥：采用寶鋼原料實驗室制備而得，其中熟料摻量45%左右。
普通42.5水泥：采用市購42.5普通水泥，其中熟料摻量80%。
鋼渣32.5水泥：采用寶鋼原料實驗室制備而得，其中熟料摻量30%左右。
SLH-997：為一改進型聚羧酸減水劑，采用寶鋼混凝土攪拌站送來的樣品，液體。
表12、混凝土配合比及強度
(15) 水泥水化產物
將本技術生產的32.5水泥加24%水攪拌成凈漿，在標準條件下養護3天，用電子顯微鏡和XRD檢驗其水化產物，見圖3和圖4所示。實驗表明，在水泥的水化產物中，形成了大量針狀的鈣礬石、水化碳鋁酸鈣和無定型的水化硅酸鈣礦物。
圖3. 高性能少熟料水泥水化3天的SEM照片
圖4 高性能少熟料水泥水化3天的XRD分析
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