贝壳在硅酸盐水泥中的应用前景

贝壳在硅酸盐水泥中的应用前景

邝朝羲

河源市质量计量监督检测所

水泥英文cement，由拉丁文caementum发展而来，是碎石及片石的意思。水泥的历史最早可追溯到古罗马人在建筑中使用的石灰与火山灰的混合物，这种混合物与现代的石灰火山灰水泥很相似。用它胶结碎石制成的混凝土，硬化后不但强度较高，而且还能抵抗淡水或含盐水的侵蚀。长期以来，它作为一种重要的胶凝材料广泛应用于建筑工程。在人们日常生活中，硅酸盐水泥作为主要建筑材料：厂房住宅、居家装饰，道路桥梁、机场码头、国防工程，几乎所有能见到的基础性建筑都不能缺少水泥的参与。水泥这产品在我们日常生活并不起眼，它既不像电子科技产品那样炫丽，也不像汽车等交通工具一样让我们真切的感觉到它们身影，但这东西真的是无处不在，触手可及。建筑粘合、铺贴、浇铸，哪个环节少了它？可以说没有水泥就没有今天的现代化建筑，人们还生活在土坯墙、茅草房或砖木瓦房中。世界也少了相互联系沟通的道路、桥梁。缺少码头、机场、客站这些基本设施，又哪来今天精彩纷呈的世界？

水泥从首次发现使用到今天经历了以下阶段：

1756年，英国工程师J.斯米顿在研究某些石灰在水中硬化的特性时发现：要获得水硬性石灰，必须采用含有粘土的石灰石来烧制；用于水下建筑的砌筑砂浆，最理想的成分是由水硬性石灰和火山灰配成。这个重要的发现为近代水泥的研制和发展奠定了理论基础。

1796年，英国人J.帕克用泥灰岩烧制出了一种水泥，外观呈棕色，很像古罗马时代的石灰和火山灰混合物，命名为罗马水泥。因为它是采用天然泥灰岩作原料，不经配料直接烧制而成的，故又名天然水泥。具有良好的水硬性和快凝特性，特别适用于与水接触的工程。

1813年，法国的土木技师毕加发现了石灰和粘土按三比一混合制成的水泥性能最好。

1824年，英国建筑工人J.阿斯普丁取得了波特兰水泥的专利权。他用石灰石和粘土为原料，按一定比例配合后，在类似于烧石灰的立窑内煅烧成熟料，再经磨细制成水泥。因水泥硬化后的颜色与英格兰岛上波特兰地方用于建筑的石头相似，被命名为波特兰水泥。它具有优良的建筑性能，在水泥史上具有划时代意义。

讫今止水泥的生产工艺已经相当成熟，市场出现了各种特殊性能用途的水泥。我们知道生产水泥的主要原料是石灰石（CaCO3），而石灰石通常蕴藏于矿山中，需要开采，一般情况下是露天开采。在露天条件下，先将覆盖在矿体上的土岩剥掉，同时开挖堑沟，修建运输道路，然后建设工作面进行开采。现大型的水泥生产企业也有直接通过传送带将爆破出来的石灰石输送到生料粉磨站，配好料磨粉传输到窑里高温煅烧。生产过程中既破坏森林，影响生态，而且爆破、开挖堑沟，开路运输也消耗大量能源。我们只有一个地球，共顶一片蓝天。爱护自然，保护环境，减少碳排放的观念已深入人心。我们是否应该考虑另想它法取代传统的石灰石获取方法？当然，为了建设美好家园，人们不能放弃水泥的使用，但我们可以减少生产水泥过程中的环境污染和破坏，可以适当的减少能源损耗。石灰石是含石灰岩的矿山中开采而来的，天然石灰岩的形成时间长达亿万年，是海洋生物珊瑚、硅藻、贝壳和其它生物骨骼残骸的沉淀堆积。随着地壳的运动，海底火山的频发，浸没在海洋的陆地浮出，海水进入洼地，这些沉淀堆积与岩浆历经长年风化、搬运、压固、成胶、结晶、脱水等一系列复杂的生化反应形成今天的石灰岩。

贝壳主要成份是碳酸钙，从前人们常用作装饰品，或用于填埋沟壑平整土地。在中国古代，有一种叫做“蜃灰”的石灰材料被应用于建筑领域，蜃灰是用牡蛎壳或蛤壳烧制的，蜃灰在性能上比石灰要优越。在《天工开物》和《温州府志》这些著作中都有提到蜃灰，《天工开物》记载道：“凡温、台、闽、广海滨、石不堪灰者，则天生蛎虫豪以代之。”蛎虫豪即是牡蛎，蜃灰取自海中的牡蛎煅烧而成，因而在沿海地带用的比较多，牡蛎是贝类生物，贝壳的主要成分是碳酸钙，用牡蛎壳煅烧而成的蜃灰也是最初的一种“水泥”。除此，贝壳的用途鲜有记载。其实，这并非水泥，只是它与粘土混合使用作为建筑粘合剂具备现代水泥物性。今天，我们用贝壳替代石灰石与粘土、少许混合材料制作水泥是有充份依据的，为此我们进行了一些尝试性的试验进行验证。

一、化学反应原理：

CaCO3+Al2O3+SiO2→3CaO·SiO2+2CaO·SiO2+3CaO·Al2O3

二、硅酸盐水泥生料

1、贝壳冲洗、去除表面泥灰污垢、微生物和氯离子等。

2、沥、烘干贝壳初步粉碎至Φ15mm左右，与粘土按3：1左右，混合其它添加剂用磨球粉磨至100~200目。

三、生成硅酸盐水泥熟料

1、将生料投入温度可达1400~1500℃的高温旋转炉煅烧制成水泥熟料

2、生成烧结块初步碎粉，加入相应比例熟石膏、助磨剂，用球磨至300至400目

四、放置

进行水泥安定性试验，检测合格包装成成品水泥入库

我们将贝壳做成的硅酸盐水泥按上述工艺依据GB175-2007进行检测，与常见的复合硅酸盐水泥进行了对比，结果见图1、图2、图3、图4

三天期抗折强度图1

三天期抗压强度图2

二十八天期抗折强度图3

二十八期抗压强度图4

从上表中看出，贝壳硅酸盐水泥强度性能可以达到GB175-2007中复合硅酸盐水泥标准，三天期及二十八期平均强度都非常接近但略低于复合硅酸盐水泥。我们有理由相信，通过工程技术人员不断努力，持续的改进工艺，寻找最佳的配方工艺，以贝壳为原料的硅酸盐水泥性能完全可以媲美现有的复合硅酸盐水泥。

天然石灰石作为生产水泥的主要原材料存在含石灰岩的山体中，开采这些原料需要破坏植被，爆破山体、开路运输，耗费大量能源人力，也给环境带来破坏。随着可开采矿区的减少和生态环境保护区设立的增加，生产水泥的原材料成本也在加大，但人类不能因为保护环境而放弃现有的居住条件。新生的基础性环保建筑替代材料还未形成气候，持续建设美好家园不能停止，仍离不开钢材、水泥、沙石等原材料。陆地上现有可供开采石灰石的资源日渐减少，而废弃建筑材料的回收利用目前也没能在技术上再造石灰石，虽然这一领域有广大的利用空间，但由于其工艺相当复杂，投入与产出性价比不佳致几无人关注，人们更多的关心金属、电子、高分子材料和循环重复利用。所以，贝类作为极常见的海洋生物资源，资源丰富，除了食用价值外，其贝壳用作石灰石替代品，制作水泥或其它需要石灰石为原料的建筑材料应用前景是很大的，这也符合现代国家提倡的绿色、低碳可持续发展政策。毕竟，贝壳这种生物从幼体到成熟时间较短，其获取的便利性和时效远非亿万年才能形成的石灰岩可比拟的。