納米水泥及其生產方法與流程

本發明涉及對波特蘭水泥進行改性的納米水泥生產等水泥技術、組份及根據所提出方法生產出的納米水泥的結構。
背景技術：
：水泥和混凝土的發明是人類的杰出成就，其促進了地球上工業房屋、工程設施及交通公路的建設。如今，幾乎所有的東西都是借助于波特蘭水泥來建造：水泥的年產量突破30億噸，混凝土的年產量突破100億噸，并且持續快速增長：混凝土大壩和道路，碼頭和機場，橋梁，體育場館，電視塔和摩天大樓，每年數十億米的住房。中國、印度、拉美和其他發展中國家的許多新企業每年都在增加成千上萬家水泥廠。*-作者使用術語“納米水泥”的依據是：testingprotocolno.mts115/1/44(pem)，llcmcrosnano確定的改性波特蘭水泥顆粒表面上尺寸為30-100nm的納米殼，并根據俄羅斯聯邦政府于2011年7月7日頒布的第1192-r號法令將這些水泥歸類為b類納米水泥產品。全球水泥工業向以下幾個方向發展：-降低燃料成本和空氣中的co2排放；-提高波特蘭水泥的施工性能和技術性能。全世界大多數水泥企業使用干法和初步脫碳來生產。但是，在生產大量水泥時，即使采用先進的技術，每年也需要燃燒3億噸以上的燃料，同時排放大量的co2：每噸熟料達到850kg，每年將近達到25億噸，或500億立方米以上的氣體。對波特蘭水泥的施工性能和技術性能的改進已經停止，且近幾十年來對其強度的改進也未有很大發展，仍停留在42，5-52，5的水平。現今，全球的水泥廠幾乎在生產相同的產品，其質量取決于等級或級別，包括對施工和技術性 能的一系列要求；主要特點是在養護期已硬化28天(或有變化)的混凝土測試樣品的抗壓和抗彎強度。但是，世界各地的企業都在追求更高級別的混凝土。世界建筑中使用的新混凝土被稱為高性能混凝土(hpc)。這種混凝土的施工和技術性能明顯增加了建筑者建造摩天大樓、橋梁、隧道、水壩、礦山和水下結構的可能性，同時生產高性能和超高性能的混凝土促進了改性混凝土混合物的發展：組分的優化、對填充物質量的更高要求、昂貴的化學添加劑和微硅粉的使用。目前水泥工業所面臨的挑戰是：(例如在俄羅斯)由于每噸水泥會消耗大量的燃料和電力，因此造成生產成本十分高昂。在俄羅斯，2011年每噸熟料的平均燃油消耗率位居世界最高行列-198，2公斤，每噸水泥的電耗為117kw/h。在2011年，當平均加入8，3％的礦物質補充劑時，每噸產品的平均成本達到2600盧布，不包括增值稅和運費/1/。到2011年，俄羅斯水泥廠節能干法的份額上升到20，3％，然而，若要成功戰勝國外供應商，這是不夠的，國外供應商已長期使用干法，且使用多達30-35wt％的省電礦物質補充劑。許多水泥企業面臨的第二個問題是：由于生產設備的劣化和原料采石場的狀況不佳，工廠為了節約燃料等資源(這造成了熟料和電力的不完全消耗、細度低)，從而造成水泥質量不佳(在俄羅斯為250-300m2/kg，而不是全球的350-450m2/kg)。在俄羅斯，研磨下添加到水泥的節能礦物添加劑的體積沒有增加，甚至不斷減少：從2007年的10，6％減少到2011年的8，3％。這是由于兩個因素：第一個是需要運送并干燥礦物添加劑(礦渣和礦灰)，第二個是俄羅斯政府對那些每年生產數億萬噸礦渣和礦灰廢物的生產者的懲罰太輕：鋼鐵廠和chpp繼續將廢物堆放在成千上萬公頃的土地上(傾倒在俄羅斯的礦渣和礦灰超過800億噸)。俄羅斯水泥行業面臨的第三個關鍵問題是對水泥生產的需求在增長。根據去年俄羅斯政府通過的國家發展計劃，經批準的2020戰略計劃預計每年的水泥生產量將從目前的5590萬噸增加到2020年的9720萬噸。因此，為了滿足俄羅斯對房屋和道路建設的批準計劃，需要每年增加500萬噸水泥生產量。并且，在許多現有工廠的原料采石場耗盡、設備劣化及每新生產1噸水泥，新水泥廠 的建設平均需要250-300usd的情況下，這個量也是必要的。許多研究都涉及了用各種無機添加劑和聚合物添加劑來細磨水泥。與此相似，存在相當多的技術方案，其意味著增加水泥顆粒和礦物質填充劑的表面，從而增強它們與用作反應介質的水的相互作用/5/。但是，所有已知的方案都面臨著精細研磨材料的水消耗的急劇增加的情況，從而造成大量不良事件，導致這種使用礦物質和聚合物添加劑的水泥組分的施工性能、技術性能和操作性能出現劣化。也有包含兩個階段的低水粘合材料的制造方法：第一階段是將波特蘭水泥熟料、石膏和一部分礦物質添加劑組成的初始混合物研磨到比表面積為250-350m2/kg，第二階段是將所得材料與增塑劑、緩凝劑和剩余礦物質添加劑再研磨至比表面積為450-600m2/kg(例如，參見ussr發明證書no.1658584,cl.c04b7/52,1988)。該方法使得在研磨粘合材料期間的能量消耗降低而強度保持不變。但是，所述兩階段研磨和多組分水泥組合物的復雜性不能提供始終如一的產品質量。所述方法的原型是與用礦物質添加劑的水泥生產有關的技術，包括：將包含波特蘭水泥熟料、石膏、強塑劑s-3和硅質礦物質補充劑的混合物研磨至比表面積為400-600m2/kg，所述硅質礦物質補充劑在所述組分中的含量為5-28wt％，然后加入硅石添加劑，其量為水泥重量的30-70％，最后將混合物研磨至比表面積為300-390m2/kg(參見俄羅斯專利no.2371402,cl.c04b7/12,2007)。在這種情況下，細石英砂、硅石粘土、高爐礦渣、以及chpp灰用作硅質添加劑。這種方法的缺點是需要實施兩階段水泥研磨，水泥石的抗彎強度較低，比表面積為300-390m2/kg。迄今為止，還未發現細水泥的各種組分(包括低水粘合材料)在俄羅斯和其他國家的水泥工業中有廣泛的應用。國外和俄羅斯研究人員正嘗試獲得用于高強度混凝土的活性水泥。例如，存在由dyckerhoff(德國)研制的超精細組分nanodurcemii/b-s52，5r水泥，不需要添加微硅粉，由波特蘭水泥熟料和粒狀高爐礦渣即可獲得(參見concreteplantjournal,2009,no.9.pp.4-11)。其為具有特殊性 質的優質水泥，滿足了強度形成及抵制惡劣環境的要求。但是，這種水泥需要大量的消耗(每立方米混凝土超過600kg)和特殊的添加劑以獲得混凝土。俄羅斯也研制了水泥的組分和低水粘合材料，包括細磨的波特蘭水泥熟料、硫酸鈣品種、礦物質和聚合物添加劑(例如，參見v.g.batrakov的書籍“modifiedconcrete”，moscow,technoprojekt,1998,pp.593-622)。所要求保護的水泥組分的原型如下所示：包括波特蘭水泥熟料(9-97wt％)、硫酸鈣品種(2-7wt％)、有機脫水劑(0，085-4，0wt％)、活性礦物質添加劑和/或填充劑(水泥重量的5-65％)、研磨至比表面積為400-700m2/kg的硬化加速劑(水泥/加速劑比例為1000:1至100:1)(參見ussr發明證書no.2254668,cl.co4b7/354,1976)。在這種情況下，波特蘭水泥熟料包含以下尺寸的四種組分的顆粒：組分i-0，05-10，0μm，含量為15，3-34，3wt％；組分ii-10，01-30，0μm，含量為37，2-77，4wt％；組分iii-30，01-80，00μm，含量為4，4-19，6wt％；組分iv-80μm以上，含量為0，1-4，8wt％。石膏包含在有機脫水劑中耗盡的尺寸在0，5至15μm范圍內的一種組分的顆粒，有機脫水劑在這些組分中的量為：在組分i中-0，045至1，7wt％，在組分ii中-0，02至2，10wt％，在組分iii中-0，01至0，2wt％。另外，脫水劑以單獨的組分存在，顆粒尺寸為0，3-20，0μm，含量為0，01-0，2wt％。對水泥粒度分布的分析表明了以下事實：研磨水泥熟料時，由于不能將顆粒尺寸調節到所聲明的范圍內，因此在水泥生產方面是不可行的；受保護的水泥顆粒上以自由形式存在的脫水劑的分布在現有各種工業研磨設備中幾乎是不可能的。迄今為止，還沒有水泥廠生產這種水泥。技術實現要素：本發明的目的是改進水泥的施工和技術特性，在添加70wt％的礦物質添加劑時，降低其成本，并相應地降低1，5-2的燃料成本，同時降低每噸水泥的nox、so2和co2的排放量。借助于波特蘭水泥分散顆粒的機械活化，在至少含有60wt％的萘磺酸鈉的聚合改性劑、至少含有30wt％的sio2的硅質礦物質添加劑、及石膏石存在的情況下 形成連續的納米殼，即由鈣離子構造的含有萘磺酸鈉的波特蘭水泥上厚度為20-100nm的膠囊，通過制造納米水泥來實現上述目的；在這種情況下，在球磨機中對波特蘭水泥進行機械活化，并將材料研磨至比表面積為300-900m2/kg，初始組分的比例(wt％)如下：所述目標還可通過權利要求1所述的方法來實現，制備出納米水泥。所提出的方法可創造新的分散復合材料-具有施工和技術性能的納米水泥，其明顯優于那些已知的普通波特蘭水泥。要求保護的技術方案中所述的納米水泥制造參數、組分和結構可實現所述目標。如果未注意到工藝參數，則不能實現上述目標。要求保護的技術方案的本質在于以下事實：在聚合物改性劑和礦物硅石添加劑的存在下，對波特蘭水泥分散顆粒的機械化學活化在波特蘭水泥顆粒上為連續納米殼的形成提供由鈣離子構造的萘磺酸鈉膠囊，使得研磨增強，從而防止材料凝聚，改進水泥細度，得到全新的分散復合粘合材料，即所謂的納米水泥，其具有突出的施工和技術特性，相對于那些波特蘭水泥，其在主要指標-硬化速率、抗壓和抗彎強度方面具有優異性，所述聚合物改性劑至少含有60wt％的萘磺酸鈉的聚合改性劑，所述礦物硅石添加劑至少含有30wt％的sio2。使用jeol，jem-2100透射電子顯微鏡通過對材料樣品的電子顯微鏡研究來證實新分散復合材料-納米水泥的形成。在有代表性的電子顯微鏡圖像圖1-5中使用發明人的定義顯示了納米水泥結構：圖1普通波特蘭水泥的不同顆粒：更圓的微粒(а)和更大的角粒子(b)；圖2具有納米殼的膠囊型波特蘭水泥顆粒的電子顯微鏡圖像。右圖給出了納米殼厚度，圖中給出了比例。樣品–“納米水泥75*”；圖3波特蘭水泥顆粒上的結構化修飾納米殼。納米殼厚度以nm表示。電子顯微鏡圖像。圖中給出了比例。微粒(無納米殼)為石英石顆粒，位于納米水泥顆粒外部。樣品–“納米水泥75”；________________________________________________________________*-此處和其他圖中的“納米水泥”對應波特蘭水泥的含量時，以納米水泥中的wt％表示。圖4-左圖(а)–圖3中示出的直徑為103nm的石英顆粒的x射線衍射圖；樣品–“納米水泥75”；右圖(b)–用厚度為10nm的連續納米殼包裹的波特蘭水泥的細顆粒(80nm)，樣品–“納米水泥90”；圖5-用結構化改性納米殼包裹的波特蘭水泥的大顆粒。圖中示出了比例，樣品–“納米水泥90”；發明人在研究和測試中得到及各項工作中示出的大量試驗數據可證明：在波特蘭水泥的機械活化中，在研磨過程中，由于改性顆粒的組分和結構的接枝和變化，在顆粒表面上形成納米殼；該過程涉及聚合物的官能團與熟料顆粒表面上鈣離子和氧活性部位的相互作用、鈣陽離子的富集及具有以下可能的組分的結構化連續納米殼的形成：c10h7soзcana先進的研究方法可識別試驗中納米水泥中的納米殼(圖2-5)。當所形成的納米水泥納米囊的厚度達到30-60nm且均勻分布在熟料顆粒上時，可實現納米水泥的最佳性能。試驗中測得的納米殼厚度與由殼厚度(d)、聚合改性劑在整個體系中的比例(a)及分散體系的比表面積(ssp)之間的比值計算所得的值具有很好的一致性：d＝а/d·ssp，其中d為聚合改性劑的密度所得的納米水泥的電子顯微鏡圖像(圖2-5)顯示出較輕的結構化聚合物的納米殼有規則地覆蓋了水泥顆粒。電子顯微鏡研究中發現的納米顆粒上的厚度為30-100nm的更透明的緣殼是指密度明顯低于密度約為3g/cm3的熟料礦物和玻璃相的物質。這是密度約為 1g/cm3的結構化聚合改性劑。用電子顯微鏡觀察到的尺寸約為100nm的一些微粒(圖3)為添加到所研究的“納米水泥90”中的石英砂粒，其量為10wt％；由于石英顆粒表面的正電荷缺乏域，因此結構化的聚合改性劑納米殼不能被固定在那里。在改性過程中，在萘磺酸鈉存在的情況下通過機械化學處理在水泥顆粒上形成納米殼可以說明納米水泥具有相當高的施工和技術性能。因此，本發明通過將普通的波特蘭水泥顆粒進行機械活化并納米包裹，改性形成納米水泥，可創造新型分散復合材料，所述納米水泥具有以下特征：顆粒中存在連續的厚度約為幾十納米的納米結構化聚合物殼。具體實施方式通過以下方式來制造納米水泥。在至少含有60wt％的萘磺酸鈣的聚合物改性劑、至少含有30wt％sio2的硅質礦物質補充劑、及石膏石存在的情況下，在球磨機中將波特蘭水泥研磨(20-60分鐘)至比表面積為300-900m2/kg。該方法可提供節能研磨，并對混合物中的組分進行深機械化學活化，從而在波特蘭水泥顆粒上形成由鈣陽離子構化的厚度為20-100nm的聚合納米殼。為了創建所提出的方案，可使用天然原料作為硅質添加劑，例如石英砂粒和巖石，以及工業廢棄物，例如爐渣、煤灰、各種礦石的尾渣等，也就是，至少含有30wt％sio2的材料。對于用于所提出的納米水泥組分中的聚合添加劑，目前俄羅斯和其他國家的企業生產各種含有不同量的萘磺酸鈉添加劑。例如，ojscpolyplast向市場供應的添加劑產品，如polyplastsp-1、polyplastlux、polyplastpremium、polyplastsp-4、superplastpm等。這些添加劑還包括日本生產的mighty增塑劑和中國生產的fdn增塑劑。為實現所提出發明的目標，需要使用至少含有60wt％的萘磺酸鈉的聚合添加劑。所要求保護的技術方案的示例性生產通過兩個系列的工業生產及使用不同性能的設備測試納米水泥來說明所要求保護的納米水泥的示例性生產：測試系列i，實施例1-6：使用由staryoskolplant生產的м500d0波特蘭水泥、含有69wt％萘 磺酸鈉的s-3聚合改性劑(ojscpolyplast)、根據不同量(0，3-1，0wt％)的天然石膏石加入1，0-2，0wt％的改性劑、以及加入含有94wt％sio2的來自ramenskoe儲藏(莫斯科地區)的石英砂粒(30-90wt％)，在尺寸為1，8x7，2m的球磨機中以5t/h進行生產(表1)；測試系列ii，實施例7-9：使用波特蘭水泥熟料，加入含有67wt％的萘磺酸鈉的fdn–05聚合改性劑(0，6-1，0wt％)(中國)，并加入5-6wt％的石膏石及不同量的礦渣、熔巖石、板巖和建筑砂，在尺寸為2，9x11m的球磨機中以50t/h進行生產(表3-9)。系列i(實施例1-6)：實施例1，將波特蘭水泥、石英砂、聚合改性劑和石膏按照表1中所示比例裝入球磨機中以生產“納米水泥90”。將上述材料的混合物在球磨機中保持30-40分鐘。倒出，然后估算納米殼的比表面積和厚度。表2中示出了“納米水泥90”的施工和技術性能以及燃料成本和co2排放數據。實施例2-6，其他納米水泥的生產：根據表1，在每種情況下通過改變實施例1中混合物的組分的比例來生產納米水泥75、納米水泥55、納米水泥45、納米水泥35和納米水泥30。根據以下方式來測試納米水泥的物理機械性能：1.按照gost30744-2001cements測定標準稠度、凝固時間、比表面積和穩固性。使用多分級砂(統一用en196)測試，無任何變化。2.按照gost30744-2001cements測定強度特性(特別是水泥壓縮強度等級)。使用多分級砂(統一用en196)按照以下變化進行測試：由dinen015-3在振動臺根據錐流量選擇混合水的量(hagerman表)。在這種情況下，錐流量值應為140-160mm。如果錐流量的上限值超過特定值，溶液中的水重量組分會減小，如果小于下限值，那么溶液中的水重量組分會增加。按照gost30744-2001(無需改動)選擇水和水泥的比例后形成樣品，也就是桿。按照現有的gost標準對納米水泥的認證測試證明其完全符合tu-5733-067-66331738-2012civilconstructionnanocement.technicalprovisions.nanocements的要求，保持了標準凝固時間，不同于較大表面積的 標準波特蘭水泥，同時保持了穩固性，并且明顯低于水泥漿的標準稠度(平均為17-20％，而不是標準波特蘭水泥的26-27％)。在這樣低的需水量下，砂-水泥混合物的特征是具有很高的流動性(納米水泥所有組分的錐流量均為145-153mm，而初始波特蘭水泥為115mm，表2)。關于基本指標：硬化速率、抗壓和抗彎強度，所有納米水泥組分的施工和技術性能均優于初始的典型波特蘭水泥m500d0，因此水泥等級可升為k72，5-k82，5。在正常條件下，在硬化的初期基于納米水泥的水泥石的強烈強度形成是特別重要的。例如，僅含有55wt％的改性波特蘭水泥的納米水泥55在硬化2天后顯示抗壓強度為49，3mpa，抗彎強度為6，3mpa，以及硬化28天后，抗壓強度為77，5mpa，抗彎強度為8，2mpa。所述納米水泥組分的施工和技術性能優于具有相似組分的原型，所述原型的抗壓強度為61，4mpa，抗彎強度為6，7mpa(表2)。由于這種低熟料水泥中的波特蘭水泥熟料的含量減少到30wt％，同時保持了普通水泥的施工和技術性能，因此世界上最先研制的低熟料納米水泥技術可將每噸水泥的燃料成本和co2排放量大幅降低1，5-2倍(表2)。生產納米水泥的混合物組分(測試系列i，實施例1-6)表1在生產線上安裝u5tm-2003型滾碎機作為輔助設備，其生產能力高達150t/h，驅動功率為400kw；安裝尺寸為2，9×11m的三室管式球磨機作為主要的研磨設備，其生產能力為50t/h，驅動功率為1,200kw，滾筒轉速是19，0rpm。所有的混合物組分，包括塊狀波特蘭水泥熟料和礦物質添加劑(最大直徑300毫米)未經預干燥即被供給到研磨設備(壓輥)。輥之間的間隙約為40mm。用壓輥將組分預研磨至0÷25mm的大小并在混合器中通過強制混合對混合物均化后，將由中國生產的干fdn-05聚合改性劑(萘磺酸鈉含量為67wt％)加入初始混合物。含有以下成分的混合物被納入測試技術線：波特蘭水泥熟料，火山石，煤渣，建筑用砂，石膏和fdn-05聚合改性劑。表3示出了初始原料成分的化學組成，而表4示出了用于生產根據實施例7-9的納米水泥的混合物的成分。在1小時40分鐘內按比例均勻添加實施例7-9中的聚合改性劑。從各個實施例中取出11個樣品。第一個樣品是在開始供應材料后20分鐘取出，隨后每隔15分鐘取樣。該工廠的產能通過水泥組分的供應來設置，達到50t/h的普通常規標準。根據測試結果，用壓輥進行預研磨后，60-79wt％的材料已經是粉末，觀察到15-20wt％為5-7mm大小的粗水泥，而研磨器中的一小部分(10-15wt％)為15-25mm大小的顆粒。表3用于制備納米水泥的初始組分的化學組成這些材料已在第一軋機室被集中粉碎，總比能耗(占壓輥和球磨機)達到30-35kwh/t水泥，其顯著小于需要生產所提出發明的原型的能耗(達到50-60kwh/t水泥)。測試使我們能夠找出fdn-05聚合改性劑對使用礦物質添加劑研磨水泥的顯著影響：由于細水泥顆粒的納米包裹且可防止它們的凝聚，因此改性劑增強了研磨性能并顯著提高了水泥細度，從而提供比表面較高的納米水泥(表5)。表4實施例7-9中生產納米水泥的初始混合物的組分*爐渣/砂的比例為3:2；**爐渣/砂的比例為5:2。因此，以50m/h的固定研磨線性能，加入0，5-1wt％水泥量的添加劑并增加所供應的火山石的量可顯著提高水泥的細度。根據由測試系列i中含有1wt％聚合改性劑的實施例7所生產的納米水泥的各個樣品分級所得到的數據分析，研磨器中該材料的外觀造成水泥顆粒分布轉移到更分散的數值區域，也就是改進了研磨能力(表6)。表5含有不同礦物質添加劑的納米水泥樣品的比表面積和平均粒度樣品*s，m2/kgd，μm1-35484，131-65564，071-95184，372-37303，102-67832，892-96913，273-37922，863-69362，423-97712，93通用水泥(無改性劑)4626，60*從現在起，樣品名稱如下：第一個數字是組分編號，而第二個數字是樣品編號根據測試結果，聚合改性劑的存在有助于礦物質添加劑對水泥進行更精細的研磨，這主要是由于研磨30-80μm大小的顆粒(表5，圖7)。圖7示出了納米水泥粒徑與礦物質添加劑的曲線：實施例7-1-納米水泥包含63wt％的波特蘭水泥熟料和1，0wt％的聚合改性劑；實施例8-2-納米水泥包含40wt％的波特蘭水泥熟料和0，8wt％聚合改性劑；以及實施例9-3-納米水泥包含33wt％的波特蘭水泥熟料和0，6wt％的聚合改性劑。根據測試結果，聚合改性劑的存在有助于礦物質添加劑對水泥進行更精細的研磨，這主要是由于研磨30-80μm大小的顆粒(表5，圖7)。水泥粒度分布(表6)的數據分析，尤其是，圖7的曲線圖中表明了由于火山巖含量增加因此該水泥細度顯著提高的事實。由于降低了孔隙度指數且改進了水泥顆粒分散，因此堆積密度隨研磨器中改性劑濃度的增加及供應期的增加而增加。所得到的納米水泥中選定樣品的水泥漿的需水量和凝固時間取決于熟料含量和改性劑濃度(表8)。由水泥-砂混合物制得的樣品的強度特性取決于水泥中的熟料含量、聚合改性劑的濃度、以及水-水泥比例(表9)。所得到的納米水泥的性能特點在水泥行業史上是最好的。表6批量生產納米水泥樣品的分散和粒度*(測試系列ii)*使用la-950激光粒度測定計(horiba，日本)進行測量表7納米水泥的堆積密度(實施例7)*從供應聚合改性劑開始所獲得的結果證明了機械化學處理技術對生產低熟料納米水泥具有顯著的效果，這使得它可以將熟料含量減少至30-40wt％，同時確保水泥具有足夠高的水硬性，盡管火山石和煤渣有過多水分。值得注意的是，含有33wt％熟料的水泥基石的抗彎強度達到了12-13mpa的高值，且與低熟料水泥中高度分散的火山石的含量增加有關(表9)。表8納米水泥的需水量和凝固時間對混凝土中納米水泥的研究使人們有可能確定足以形成高品質水泥石的用于添加到納米水泥的不同產地的硅質礦物質添加劑的最佳類型和用量，只要它們至少含有30wt％sio2即可。表9正常固化水泥的強度測試工業實用性使用史上最低成本的波特蘭水泥(每立方米混凝土150kg)的納米水泥可生產高強度、具有耐水性和抗凍性的混凝土(表10)。在這種情況下，納米水泥必須具備在長期儲存后而不會喪失活性的成熟特性。最近對混凝土中使用新鮮納米水泥和儲存一年的納米水泥的測試結果如表10所示。表10由儲存時間不同的納米水泥制得的混凝土的特性加入一定量的硅質礦物質補充劑后，納米水泥的成本會成比例的降低，因此所估算的納米水泥的生產成本表明納米水泥生產具有相當大的經濟優勢(表11)。表11基于沃斯科洛斯基水泥廠的波特蘭水泥所制得的不同級別的低熟料納米水泥的經濟效益，拉法格集團公司2154rub/t(2011年的數據)備注：數據為建筑中最常用的水泥級別的生產成本數據納米水泥和基于納米水泥的混凝土的應用數據表明它們幾乎在所有的指標中均大大優于波特蘭水泥：生產和應用具有高經濟效益時的硬化速率、等級強度、耐水性、抗凍性及耐久性/8-11/。正常情況下硬化初期納米水泥的強烈強度的形成是特別重要的。例如，僅含有55wt％的波特蘭水泥的納米水泥55的特點是正常硬化2天后，抗壓強度為49，0mpa，抗彎強度為6，3mpa，正常硬化28天后，抗壓強度為77，5mpa，抗彎強度為8，2mpa。納米水泥中磨細的硅質礦物質添加劑的作用是很重要的。已知的是，硬化波特蘭水泥含有兩種水合礦物質：偏硅酸鈣和氫氧化鈣。普通水泥的水合相的比例如下(wt％)：-偏硅酸鈣-85，-氫氧化鈣-15氫氧化鈣的含量似乎不高，但是它的存在顯著降低了施工和技術性能及強度，這是由于氫氧化鈣(如氫氧鈣石)的層狀晶體結構，其連接不佳的層造成水泥石存在缺陷。目前世界上使用的普通混凝土混合物中形成水泥的建筑用砂和水的特征是存在很大顆粒的硅石和硅質材料：大多數顆粒的尺寸在300至1000μm范圍內，因此減緩了砂粒表面(不超過50-70m2)上偏硅酸鹽的形成，在水與平均粒度為5-20μm的精細水泥顆粒的相互作用下，波特蘭水泥的比表面積達到300m2/kg(俄羅斯)和400m2/kg(國外)。用于形成水泥石的最初反應物組分和最終反應物組分的數據的化學反應簡化形式：3cao·si02+3h2o+sio2＝2(cao·sio2·h2o)+ca(oh)2在現代的波特蘭水泥基混凝土中，水泥-水-砂體系中組分之間的化學相互作用需要很長時間(年)。盡管砂/水泥比例通常達到2:1，但是由于400-600μm 的大顆粒具有很小的化學惰性砂粒反應表面(40-50m2/kg)，因此在石英粒與水泥粒(分散為10-20μm)之間接觸的未開發區域，相互作用繼續進行。這是許多國家的科學家決定加入微硅粉、研磨的硅石(以及煤灰、爐渣和火山灰巖)來改進細填料的活性，從而強化水泥石形成的原因。但是，形成這樣的混合物需要使用很貴的化學添加劑，其可降低使用研磨好的細填料的水泥的耗水量，同時保持混凝土混合物的充分的流動性。相反，納米水泥及其類似物-低水粘合材料、低水水泥等的特點是需水量低，通常，由于材料顆粒中的納米殼而不需要使用任何化學添加劑。納米水泥基混凝土和砂漿混合物具有高流動性和可塑性，可有效地形成。在基于低熟料納米水泥(根據所提出的發明，納米水泥中的熟料含量可減少到30wt％)的混凝土中，水泥顆粒和砂之間的反應連連加速，這是由于它們的尺寸幾乎相同，且在形成偏硅酸鹽而積極消耗的體系中，水量減少，固體顆粒的平均比表面積約為500m2/kg，其尺寸達到2至幾十微米。在已研制的低熟料納米水泥中，水泥水化伴隨著氫氧化鈣的結合，這是由于按照以下反應，它在硬化水泥漿中形成了主要的混凝土產品，比如更強和更耐用的偏硅酸鈣：ca(oh)2+sio2＝cao·sio2·h2o對低熟料納米水泥基水泥石的研究如下，早在正常條件下的硬化初期，氫氧化鈣就有效地結合成偏硅酸鈣。因此，正常條件下在不同的硬化期，基于普通波特蘭水泥和低熟料納米水泥(組分分別含有75、55和45wt％的熟料，粘合材料的余量為(例如)用水泥細磨的石英砂)的水泥石中的氫氧化鈣含量如下，wt％：納米水泥基混凝土的特點是水泥石強度大大增加，甚至在混凝土混合物中水泥量達到史上最低的情況下，同時水泥石和混凝土的基本指標得到改進：強度、耐水性和耐寒性/2,6,8,10/。低熟料納米水泥可使用不合格的原料來生產優質混凝土，這是因為強度和其他特性不依賴于粗填料顆粒或細填料顆粒的具體特征，但是依賴于由低熟料納米水泥組分直接形成的水泥石：具有相似尺寸的納米殼和石英砂顆粒的水泥顆粒。納米水泥基水泥石的高密度可確保在含有粗或細填料顆粒的水泥石與鋼筋結構的邊界處的緊密接觸區域，并說明該水泥石的最高耐水性幾乎不依賴于有助于其耐久性的環境的質量交換。納米水泥完美的施工和技術特性使其有可能被用作通用水泥：通用水泥、易硬化水泥、用于道路和水利工程的水泥、耐硫酸鹽水泥、張力和膨脹水泥、裝飾水泥、油井水泥和低溫用水泥、石棉水泥制品用水泥、干施工和維修混合物用水泥、高滲透粘合方案用水泥、改善地面和地基用水泥等等。納米水泥無需固化即可被用來生產廣泛應用的b40級混凝土，以及b100級以上的高強和超強混凝土、各種不同的鋼筋混凝土產品，還可用來生產當今常見的結構特殊的混凝土及其他混凝土，其具有快速硬化、耐水、耐鹽、持久等特點。使用低熟料納米水泥具有以下優勢：-生產每噸水泥的燃料消耗降低40-60kg；-提高水泥質量并降低25-30％的水泥成本；-無需建造熟料燃燒區，僅發展研磨區，任何水泥廠的生產均提高(如果需要)1，5-1，7倍；-在混凝土廠創建緊湊型生產線，從而將波特蘭水泥熟料改性為低熟料納米水泥；-將水泥廠產生的熱量、nox、so2和co2排放降低30-40％；-將可能的水泥儲存期由2個月(國際標準和俄羅斯標準)增加至一年或更長；-降低低熟料納米水泥的生產成本；-減少非金屬材料的運輸費用，并在混凝土生產中有效利用本地原料。所研制的用于混凝土生產的納米水泥使以下成為可能：-提高混凝土和鋼筋混凝土制品的質量和耐久性；-在預制特定質量的鋼筋混凝土制品的生產中可使波特蘭水泥單位消耗量降低兩倍(平均)；-在水泥和混凝土生產中有效使用不合標準的巖石、砂、爐渣、煤灰和廢石；-不對產品應用蒸汽濕熱處理；-對低熟料納米水泥的經濟效益的實際評價如下，根據產品范圍，每立方米水泥可節省500-1500盧布。本發明可解決俄羅斯和其他國家水泥工業發展的上述三個問題。本項目的實施可使俄羅斯在2020年的水泥生產的實際量增加到根據俄羅斯聯邦政府批準的2020戰略的1億噸，不需要建造帶有熟料燃燒線的新水泥廠，因此節省了燃料燃燒成本，由于將轉向生產高質量的低熟料納米水泥的現有企業的研磨區的功率的擴大和提高，因此不會釋放nox、so2和co2，這將有助于俄羅斯的環境改善，所述納米水泥需添加大量(多達50-70wt％)硅質砂、各種天然石、以及爐渣和煤灰。參考文獻：1.guzv.a.,zharkov.i.,kabanova.a.,vysotskye.v.2011年俄羅斯水泥工業//期刊.水泥及其應用,2012年,第12期,pp.28-32。2.thomasdeuse.frommikrodurtonanodurtechnology.超高性能混凝土生產中標準水泥的應用//期刊.混凝土機械,2009年,第3期,pp.4-11。3.kravchenkoi.v.,kuznetsovat.v.,vlasovm.t.,yudovichb.e.專用水泥的化學與技術–m.stroyizdat,1979,208p。4.bikbaum.ya.水泥生產中的納米技術.–m.:俄羅斯統一電力(ojsc)莫斯科材料科學與節能科技研究院,2008年,768p。5.bikbaum.ya.分散材料納米膠囊現象探索//j.vestnikraen,物理學,2012,v.12,no.3,pp.27-35。6.bikbaum.ya.,vysotskyd.v.,tikhomirovi.v.,納米水泥:性能與前景//期刊.建筑材料,21世紀設備與技術.混凝土技術.2011,第11-12期,pp.20-24。7.bikbaum.ya.納米水泥是預制混凝土機械實現有效現代化的基礎//期刊.水泥制品與建筑.2012.no.1.pp.38-42。8.afanasyevav.f.納米水泥基混凝土測試結果.//期刊.建筑材料,21世紀設備與技術.混凝土技術.2012,第9-10期,pp.16-17。9.bikbaum.ya.新型水泥與混凝土材料.分散材料納米膠囊現象探索//期刊.混凝土制品與建筑.2012.第4期.pp.64-72。10.bikbaum.ya.俄羅斯水泥工業發展，何去何從？//期刊.建筑圈2012,第11(109)期,pp.30-34。當前第1頁12