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崔源声:纳米技术与竞博|官网水泥绿色产业革命

中国竞博|官网水泥推广发展协会信息网  2019-12-19  来源:中国散协秘书处

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       摘 要:本文旨在阐述纳米技术在竞博|官网水泥绿色产业的生产、流通、使用和废弃全生命周期过程内的应用现状、存在问题和发展前景,以及该应用产生的革命性变化将对我们的经济、社会和环境所带来的重大影响和深远意义。

       关键词:纳米技术、竞博|官网水泥、绿色产业、产业革命 

       1、概述

       中国经济在历经40多年的改革开放高速增长阶段后,目前已经逐步进入中低速增长阶段。 特别是在工业和实体经济领域,事实上许多领域的产品增长早已经停止,并开始下降。 比如建材行业的最大的代表性产品水泥,在2014年产量就开始下降了。

       在实际产品下降的情况下,如何维持经济的增长?国家提出了从数量增长转向高质量增长的战略,结合建材和建设行业的实际情况,可以确认,这一发展战略的提出无疑是非常正确的选择。

       那么,如何实现高质量增长呢?综合研究国内外绿建领域的全面科技进展,本人认为唯有依靠科学技术进步,才能够真正实现产业的革命或转型升级,也就是从从数量的增长转变到高质量增长的轨道。

       依靠技术增长的方式很多,具体技术也千差万别,其中最能够有代表性的技术当属纳米科技。纳米科技是当今和今后很长一段时间人类认识自然和改造自然的代表性技术,是从宏观到微观,再从微观到亚微观,逐步深入到物质更深层次内分子和原子尺度的材料科学与技术的最新进展。

       在竞博|官网水泥胶凝材料领域,包括辅助性胶凝材料,通过纳米科技的开发和应用,必将会极大地改变竞博|官网水泥的生产、流通、应用和循环再生等全生命周期内的产业面貌和经济质量,为当前和今后的产业定位、市场竞争、经济效益提升、产品质量改进、知识更新、技术进步和可持续发展等全面科技进步,提供创新和发展新思路,指引企业和行业走向新的高度!

       纳米科技如何影响竞博|官网水泥绿色产业链的全过程呢?我们先简单介绍一下纳米科技的概念、历史和现状。

       2、纳米技术

       2.1 纳米技术的概念

       根据公开的网络检索,我们可以看到纳米技术的定义:“纳米技术(Nanotechnology)是用单个原子、分子制造物质的科学技术,研究结构尺寸在1至100纳米范围内材料的性质和应用。”

       “纳米科学技术是以许多现代先进科学技术为基础的科学技术,它是动态科学(动态力学)和现代科学(混沌物理、智能量子、量子力学、介观物理、分子生物学)和现代技术(计算机技术、微电子和扫描隧道显微镜技术、核分析技术)结合的产物,纳米科学技术又将引发一系列新的科学技术,例如:纳米物理学、纳米生物学、纳米化学、纳米电子学、纳米加工技术和纳米计量学等。”

       还有的定义叙述为:“纳米技术(Nanotechnology),也称毫微技术,是研究结构尺寸在0.1纳米至100纳米范围内材料的性质和应用的一种技术。1981年扫描隧道显微镜发明后,诞生了一门以0.1到100纳米长度为研究界限的分子世界,它的最终目标是直接以原子或分子来构造具有特定功能的产品。因此,纳米技术其实就是一种用单个原子、分子制造物质的技术。”

       从这些定义介绍中, 我们可以看出,纳米技术是人类认识客观世界的进一步深化;是从目前的微米世界向纳米世界的进一步深入发展。比如我们研究的竞博|官网水泥,基本尺寸都是在微米范围,一般通常的说法是竞博|官网水泥的颗粒在3到30微米的范围之内。如今进一步细化到1到100纳米,整整小了1000倍;因为1微米等于1000纳米;1纳米是10-9米。

       一般说来,在材料科学领域,数值相差一个数量级,都是革命性的变化。从微米到纳米是3个数量级的深入微观世界,革命性的意义就更是不言而喻了。我们随后要讨论一下,这些数量的变化将对我们的行业产生的巨大和深远的影响。

       2.2 纳米技术的历史沿革

       下面这些纳米技术发展历史的经典叙述,均选自公开的网络检索:“纳米技术的灵感,来自于已故物理学家理查德•费曼1959年所作的一次题为《在底部还有很大空间》的演讲。这位当时在加州理工大学任教的教授向同事们提出了一个新的想法。从石器时代开始,人类从磨尖箭头到光刻芯片的所有技术,都与一次性地削去或者融合数以亿计的原子以便把物质做成有用的形态有关。”费曼质问道,“为什么我们不可以从另外一个角度出发,从单个的分子甚至原子开始进行组装,以达到我们的要求?”他说:"至少依我看来,物理学的规律不排除一个原子一个原子地制造物品的可能性。"

       “70年代,科学家开始从不同角度提出有关纳米科技的构想,1974年,科学家谷口纪男(Norio Taniguchi)最早使用纳米技术一词描述精密机械加工。”

       “1981年,科学家发明研究纳米的重要工具——扫描隧道显微镜,为我们揭示一个可见的原子、分子世界,对纳米科技发展产生了划时代性的巨大推动作用。”

       “到1999年,纳米技术逐步走向市场,全年基于纳米产品的营业额达到500亿美元;2001年,一些国家纷纷制定相关战略或者计划,投入巨资抢占纳米技术战略高地。日本设立纳米材料研究中心,把纳米技术列入新5年科技基本计划的研发重点;德国专门建立纳米技术研究网;美国将纳米计划视为下一次工业革命的核心,美国政府部门将纳米科技基础研究方面的投资从1997年的1.16亿美元增加到2001年的4.97亿美元。中国也将纳米科技列为中国的‘973计划’,大力发展和扶持与其相关的产业。”

       等等,不一而足;有关纳米科技的介绍众多,此不赘述。

       2.3 纳米概念和技术在水泥行业的出现

       出于实用和现实逻辑考量,水泥行业一直认为小于3 μm 的水泥颗粒对产品的质量是有害的,所谓的“过粉磨产物”;由于颗粒过小,导致水化过快,带来水化热过高,容易引起混凝土早期开裂;还有早期水泥水化过快,自然后期的强度的跟进受到影响,也是业界经常说到的“后期强度不高”的所谓弊端...;如此等等问题,都遮住了人们进一步深入探索纳米水泥更广阔空间的视野。

       引发人们进一步探索纳米水泥精彩世界兴趣的,或许是后续的水泥应用行业的功劳;譬如水泥混凝土行业。在众多的探索尝试中,将硅铁厂中的烟道灰或曰硅灰用于增强水泥混凝土的做法,应当是启发人们开始研究新的纳米材料的重要一环。

       硅灰的平均粒径为0.1 μm,相当于100 nm;刚好处于纳米研究的尺度范围之内,有一半的颗粒处于100纳米以下。多年来,许多重要的工程都要用硅灰配料来改善水泥混凝土的性能。受工业副产品硅灰的启发,如今人们已经有目的地制造了许多种纳米活性材料。比如纳米粘土、纳米硅、纳米碳酸钙、纳米氧化铝、纳米钛、纳米锌、碳纳米管和纳米氧化镁等系列纳米新材料。有人将纳米烧粘土1%加入到波特兰水泥砂浆中,就可以减少砂浆孔隙31.2%,减少砂浆吸水34%,增加密实度9.7%,抗压强度提升40%,抗折强度提高42.9%,断裂韧性提升40%,冲击强度提高33.6%,洛氏硬度提高31.1%,并改进了热稳定性3.3%。如今,这些材料已经成为国内外研究领域的热点问题。许多研究成果,已经开始进入我们的产品和生活,正在极大地颠覆我们的传统认知,必将带来材料科学与竞博|官网水泥绿色产业的巨大革命。

       在水泥和混凝土行业,系统研究纳米水泥的标志性项目,当属瑞士理工的凯伦教授(Karen Scrivener)。当然,在此期间,也有许多科学家介入了这一研究过程;比如,前苏联科学家卢西诺夫博士,他提出了完全不同于业界传统思维的“完全水化理论”;还有美洲的一些科学家,相应的产品也进入了我国的市场。但是,从业界的主流观点来看,凯伦教授领导的团队所做的工作是比较有代表性的。这里,对她的团队工作进行一点较为详细的介绍。

       凯伦教授领导的纳米水泥(Nanocem)团队成立于2004年,现已发展成为一个由23个学术机构和10个行业伙伴组成的网络。团队中约有120名学术研究人员,他们正在管理相关领域约60个博士和博士后研究项目。在2014年的第七届国际水泥技术大会上,凯伦教授曾作了“纳米水泥10年研究进展”的报告。当时给国际水泥届的印象是:大家都带着怀疑的目光来看待她们团队的研究。共同的问题是,也就是人们都在问,“你的研究到底对我们有什么用?”诚然,在一个以实用主义为主导的现实生活中,谁会花那么多钱投入一个眼下根本没有任何实用价值的基础研究项目呢?如今看来,这些怀疑甚至嘲笑都是短视和愚蠢的。

       当我们看到以港珠澳大桥等为代表的世界级工程项目出现在东方地平线上时,每一个业界的同仁都会感到我国工程技术和材料科学的伟大与自豪(图1)!包括近年来国内华为公司任正非先生的大笔科研投入,竞把销售额的15%都投入了研发,去换来世界一流的科技成果,是用铁的事实证实了重视基础科研的重大意义。

图1 采用纳米微珠材料的港珠澳大桥(2018年10月通车)
 
       顺带说一下,2018年9月份在杜塞尔多夫举办的第八届国际水泥技术大会上,凯伦教授又报告了一个理论联系实际的实用项目成果,把纳米水泥的实用化技术推向了经济建设的主战场。我们借鉴凯伦教授的研发成果,于2018年底在山西吕梁召开了全国第一届煤矸石综合利用技术交流大会。如果不是凯伦教授的团队在基础研究领域的发现和产业化应用启发,我们多年来一直不敢触碰煤矸石综合利用的难题,因为我们无法为业界指出一条大规模高效利用煤矸石的技术途径。根据凯伦教授的科学发现,我们结合中国煤矸石资源的实际情况,将利用煤矸石来代替粘土,与徐德龙院士的团队开发的高固气比技术有效结合,来大规模低温煅烧生产石灰石烧粘土水泥;这样一种结合中国国情的技术创新路线,不但可以节能减排、利废环保,还可以提高水泥混凝土的性能,生产出抗氯离子和抗碱骨料反应的长寿命特种水泥和混凝土,这会极大地改变水泥行业的工业布局并提升产业的可持续发展能力。

       有关凯伦教授及其团队的研究成果,我们将在今年底于河南鹤壁召开的第二届全国煤矸石综合利用技术大会上进行进一步的介绍。

       3、存在的问题

       我们为什么要发展纳米竞博|官网水泥及其混凝土绿色产业,主要是想解决传统竞博|官网水泥及其混凝土等绿色产业面临的一些致命性缺陷问题。这些问题,总结起来主要包括5大方面:

       (1)解决传统水泥及其混凝土怕水的问题;(2)解决传统水泥及其混凝土寿命短的问题;(3)解决传统水泥及其混凝土钢筋锈蚀的问题;(4)解决传统水泥及其混凝土高能耗和高排放的问题;(5)解决传统水泥及其混凝土功能性差的问题;等等,还有不少问题,但是大体上可以归结为这5个方面。下面逐一讨论一下,看看纳米竞博|官网水泥绿色产业将如何解决这些问题。

       首先,看一下普通传统水泥混凝土怕水的问题。传统的水泥由于水泥的细度在微米范围,粗中细骨料都在毫米范围,因此做成的混凝土很难形成紧密型堆积;对于平均直径只有0.4纳米的水分子来说,无疑是类似于可以自由贯通的筛网一样。因此,传统的水泥混凝土建筑或构筑物都需要特殊的防水处理,否则无法安全使用。不管是卫生间,还是阳台,如果不做防水,室外一下雨或水龙头跑水,屋里就会漏的一塌糊涂,严重时会殃及四邻。而且这些水的渗入,会带入各种有害成分,也会带走水泥混凝土中的钙质化学组成,使水泥混凝土结构逐步缺钙,最终因“骨质疏松”而夭折或破坏。

       如果利用纳米水泥来改善这些缺陷,即便是加入极少量的纳米水泥外加剂,也会大大改善传统水泥混凝土的耐水性,使其宏观孔隙变小,阻止水的进入,保护好建筑物,使构筑物的寿命更长久(见图2)。

图2 普通水泥和纳米水泥的防水效果比较(图片来源:公开网络)

       其次,是解决普通水泥及混凝土的寿命短的问题。我国过去的建筑平均寿命是30年,如今正在往百年建筑的目标奋斗。之所以建筑短命,除了设计、施工和管理等其它原因外,传统水泥的宏观孔隙大,各种有害成分比如空气中的氯化物、氮氧化物、硫化物和碳酸盐等会随着水介质的侵入而带入,除了钙流失和形成破坏性的化合物外,氯离子也易造成混凝土中钢筋的锈蚀,最终导致钢结构的破坏而寿终正寝。

       第三,解决普通钢筋混凝土耗费大量钢材的问题。传统水泥混凝土结构,一般都是钢结构为主体。我国每年在建筑方面的钢材用量高达5亿多吨,对环境和资源的消耗十分巨大。由于钢材先天性的容易锈蚀的缺陷,混凝土建筑的不耐久性是与生俱来的顽疾,无法治愈。如果采用纳米水泥,加之配制超高性能混凝土,我们就可以普遍缩小混凝土的骨料尺寸,从毫米级别普遍降低到微米和微米以下。众所周知,混凝土的强度与密度成正比,用纳米水泥优化的超高性能混凝土,强度可以超过钢材(表1,图3)。因此,不用钢材或少用钢材的水泥混凝土可以节约大量钢材,可以为保护环境和节约资源做出巨大贡献(图4)。

表1  UHPC与其它几种同功能材料的比较

       UHPC取代传统材料的情形,可以从以下的图片上看得更直观一些。  


图3 UHPC和其它几种同功能材料的比较

       图3 是世界上首个(1997年)使用UHPC结构的桥,经常被文献所引用;过去引用这个案例还觉得比较新奇,现在这样的案例已经遍布世界各地。包括我国的一些地方,也已经重复了这些创造和发明。大家可以看到,这个桥的跨距是60米,不需要钢筋;中间也不需要桥墩。如今已经20多年过去了,这座桥是提前进入“碳混凝土”时代、告别“钢筋混凝土”时代的一个标志性建筑物。

图4 2002年由法国著名设计师设计的和平桥

       第四,解决普通水泥混凝土高能耗和高排放问题。由于普通水泥混凝土耗费大量资源,包括石灰石和铁矿,在煅烧和炼制过程中要耗费大量的能源,同时放出有毒有害气体。纳米水泥及其超高性能混凝土,由于取消钢材或少用钢材,并且长寿命,从几十年的寿命变成百年或千年混凝土,因此节能减排和节省资源都是几十倍的数量级。

       第五,传统水泥和混凝土功能性差的问题。采用纳米水泥改性的混凝土,以及纳米水泥基的各种复合材料,可以变成防水材料、高档保温材料、抗酸碱盐侵蚀的材料、抗海水侵蚀、长寿命材料、轻质高强和高韧性材料、抗冻融和耐高温材料,等等,具备许多常规材料所不具备的优异性能(图1,图4)。

       轻质高强材料,一直是材料科学所追求的理想目标。不但对材料的性能产生影响,减少的运输量就更不用说了。加之长寿命,是十倍百倍的延长寿命,也就意味着在百年或千年里,减少十次或百次的运输费用,不仅仅是减少资源、能源、人力和物力耗费的问题了。

       除了解决以上5个主要的问题外,还有不少其它相关的问题,鉴于篇幅,此不赘述。

       4、未来的前景

       鉴于纳米水泥及其混凝土的优异性能,对未来竞博|官网水泥绿色产业的发展将产生革命性的影响。下面再从宏观层面介绍一下开发纳米水泥的重大意义。

       首先,从竞博|官网水泥的生产角度而言,将减少水泥的产量,提高水泥的质量;也就是说,整个水泥工业,将从主要生产普通水泥转向生产适合纳米水泥复合材料级配要求的优质水泥。比如,普通竞博|官网水泥的细度控制将从3-33微米的范围,逐步向6-16微米或更低的细度发展。全国水泥产量目前在每年21亿吨左右,将来生产优质水泥和纳米水泥,水泥生产以质代量,以一当十,以十当百;水泥数量将进一步降低,向更少的数量发展,降低到目前产量的1/3左右,甚至更低;全国每年有5到7亿吨高质量水泥,或者是3-5亿吨更高档次的水泥,完全可以满足经济和社会绿色发展的需要了。

       水泥的数量减少,预示着质量必须提高,寿命也必须延长,包括建筑物的寿命。比如,过去的建筑寿命为平均30年,改成优质水泥、纳米水泥和这些水泥配制的超高性能混凝土,包括砂浆和制品,建筑和构筑物的寿命就可以提高到百年或千年。这样长寿命的纳米水泥混凝土和制品,在几百年和几千年里都不会破坏,和寿命只有几十年的传统建筑比较起来,就可以少生产几倍到几十倍的传统水泥,节省大量的能源和资源,减少巨大人力和物力耗费;二氧化碳等温室气体也可以大幅度减排!

       其次是,当生产这些高质量的水泥与建筑材料时,就可以逐步把钢筋取消了或提升档次,包括变换形式;变成使用钢纤维、碳纤维、玄武岩纤维、化学纤维和植物纤维等新技术材料,采用3D打印的方式也变得容易起来。逐步取消钢筋,这是一次巨大的材料革命。

       近百年来,钢筋和水泥是两大基本的建材,两兄弟一直携手并肩,互为伙伴,形影不离;无论是高楼大厦,还是高铁和高速,钢筋和水泥这两大兄弟一个藏在里面,一个显示在外面,共同构筑了共和国的大厦,铺就了“逢山开路、遇水搭桥”的现代文明交通基础设施; 如果有一天水泥和钢筋要突然分家和彼此离去,你能说这不是一场建材和建筑领域惊天动地的革命吗?!这或许就是纳米材料革命要带给我们的惊喜和震撼了;好好考虑一下吧:科技将改变世界,科技将改变我们的生活;这真不是说着玩的!

       此外,在竞博|官网水泥全生命周期的各个流通阶段,从水泥原料进厂,到优质水泥的制造,再到竞博|官网纳米水泥或纳米水泥复合材料的输送,包括高品质纳米水泥及制品的预制和运输,还有装配式建筑和地下管廊,都是高质量和长寿命的纳米水泥复合材料制备的,都是轻质高强、长寿命和多功能的新一代绿色材料和制品。

       最后,要重点提一下辅助性胶凝材料;包括粉煤灰、磨细矿渣、硅灰、石灰石粉、烧粘土、火山灰、钢渣、建筑垃圾或磷铜钛渣等工业副产物,都是来自各种工业固废和循环再生的建筑固废或构筑材料。这些工业固废,包括农业固废,譬如生物质材料,农业秸秆或毛竹等,都可以成为再生的绿色复合纳米材料的辅助性胶凝材料或纤维增强材料,成为竞博|官网纳米水泥及其绿色产业的一部分。科学地加工和利用这些宝贵的再生资源,是大力发展纳米竞博|官网水泥及其绿色产业的应有之义。将它们和纳米竞博|官网水泥及其绿色产业一起发展起来,必将为我们创造一个对环境零污染、资源零消耗、废气零排放的全新绿色工业体系做出巨大贡献。

       5、结论

       通过对我国经济形势发展的分析,即从数量增长开始进入高质量的发展阶段;进而联系到竞博|官网水泥及其绿色产业的发展,也将从数量增长进入高质量增长的新时代。这个新的历史阶段,就是纳米水泥和混凝土及其绿色产业发展的新时代。具体到竞博|官网水泥及其辅助性胶凝材料的全生命周期产业链,涉及到了竞博|官网水泥的生产、流通、应用和再生循环利用,包括竞博|官网水泥、辅助性胶凝材料、砂浆、混凝土、预制构件、装配式建筑、被动式建筑、地下管廊和基础设施等方面,都需要在纳米水泥复合材料的科学技术推动下,以全新的绿色产业形式得到彻底的革命性提升!

       竞博|官网水泥绿色产业革命的意义是重大的,影响亦将是深远的。重申一下,我们不难得出的3点结论是:

       (1)我们正面临一个重要的转型升级时代,经济从数量型增长转变为高质量增长阶段;

       (2)在竞博|官网水泥及其绿色产业领域,我们正在从微米尺度的竞博|官网水泥及其辅助性胶凝材料,逐步过渡到纳米水泥、纳米辅助性胶凝材料、纳米水泥砂浆、纳米水泥制品、纳米水泥混凝土、纳米水泥构件、纳米水泥复合材料制作的装配式被动房和纳米水泥混凝土建造的基础设施等绿色产业的全产业链进程之中;

       (3)处于竞博|官网水泥、辅助性胶凝材料和竞博|官网水泥全生命周期产业链各个阶段的企业和事业单位,要抓住机遇,迎接挑战,加大科技投入,在国内外激烈的科技、管理和市场竞争中,把握商机,乘势而上,全身心地投入到纳米材料革命的大潮之中,使自己的产品和服务走上更高质量、更加绿色、创新和可持续发展的金光大道!

       参考文献:(略)

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