推动混凝土及新材料产业科学技术创新 为绿色可持续发展蓄能——北京建材总院科学技术创新链发展纪实③

  北京建筑材料科学研究总院有限公司（以下简称“北京建材总院”或“总院”）成立于1959年，隶属于北京金隅集团有限公司，作为金隅集团“1＋N＋X”科学技术创新综合体中的“1”，下设水泥绿色发展研究院、绿色建筑技术研究院、低碳混凝土研究院、智能制造研究院、新材料研究院5个专业研究院，着力打造了水泥及环保产业科学技术创新链、绿色建材及绿色建筑协同科学技术创新链、混凝土及新材料产业科学技术创新链。本刊将分板块介绍北京建材总院围绕绿色低碳转型、固废资源化利用、节能建材方面的突出成果，以分享科学技术创新经验，共谋行业绿色低碳安全高质量发展。

  北京建筑材料科学研究总院有限公司（以下简称“北京建材总院”）混凝土及新材料产业科学技术创新链由低碳混凝土研究院、新材料研究院、天津建材院及河北睿索院组成，围绕固废资源综合利用、绿色低碳胶凝材料、固废基高强轻骨料、功能型外加剂、功能混推动混凝土及新材料产业科技创新为绿色可持续发展蓄能凝土与超高性能混凝土、混凝土生产的全部过程智能监测及性能调控、城市更新修补材料等方向开展研发与成果推广。

  作为金隅集团“1＋N＋X”科学技术创新综合体“1”中的三条科学技术创新链之一，混凝土及新材料产业科学技术创新链近年来紧密围绕金隅集团《科学技术创新攻关三年行动计划（2021—2023）》全力攻关，在混凝土及相关领域开展科学技术创新，其中多项创新工作取得突破，为金隅集团水泥混凝土板块转型升级和绿色可持续发展蓄能助力。

  近年来，北京建材总院依托固废资源化利用与节能建材国家重点实验室，混凝土及新材料产业科学技术创新链承担了“京津冀水源涵养功能区典型固废协同利用”“尾矿制备绿色环保新型建筑材料关键技术与示范”“大宗固废制备绿色建材的环境评价体系研究”“尾矿制备特种功能砂浆及高性能混凝土关键技术探讨研究”“钢渣微粉增值化和规模化综合利用及成套装备关键技术成果转化”等多项国家重点研发计划、“863”课题、北京市及河北省科技计划、金隅集团重点研发项目，重点攻克了尾矿废石制备砂石骨料、钢渣与钒钛矿渣制备矿物掺合料、建筑垃圾制备再生骨料与微粉等技术难题。创新点如下：

  其一，北京建材总院研究团队所开发的铁矿采选联产混凝土砂石骨料技术系统解决了有价金属元素的回收利用、尾矿废石大量堆积、混凝土行业天然砂石消耗量巨大等难题，用科学技术创新守护了绿水青山。铁尾矿砂石骨料混凝土制备和工程应用技术在京津冀已经很成熟并得到大规模使用，年利用尾矿废石1.5亿吨以上，并被成功应用于中国尊、北京城市副中心、北京冬奥场馆、北京大兴国际机场等重点工程，为助力首都建设提供了高性能环保型材料支撑。

  其二，通过在线除铁的钢渣微粉生产的基本工艺技术与装备研发，提出通过钢渣粉多级粉磨和磁选筛分耦合处理工艺，促进渣铁高效分离，提高了粉磨效率和钢渣稳定性，攻克了具有长期稳定性优异且适用于混凝土掺和料的钢渣粉制备技术；所开发的钢渣超细粉立磨设备及工艺系统具有粉磨效率高、电耗低、入料粒度大、成品细度易于调节、设备工艺流程简单、占地面积小、噪音低、扬尘小、维护简便、运行的成本低、耐磨材料消耗少等优点。

  其三，针对钒钛矿渣易磨性差、活性低等特性，开发了机械力－化学激发技术和复合助磨早强外加剂，提升了矿渣粉活性；建立了基于钒钛矿渣成分特性的矿粉性能预测模型，快速设计制备不一样的等级矿粉产品；开发了钒钛矿渣－尾矿复合砂、钒钛矿渣作为水泥生料配料等系列技术。在迁安金隅首钢环保科技有限公司建设了100万吨/年矿渣粉生产线万吨/年钢渣粉生产线，在承德承金环保科技有限公司建设了100万吨/年钒钛矿渣粉生产线，推动金隅－河钢、金隅－首钢上下游产业链开展战略合作，促进钢铁行业和建材行业绿色发展。

  其四，研究团队开发了以煤矸石、赤泥、尾矿渣、钢渣、河道淤泥、污水处理厂污泥等大宗工业及城市固废为原材料制备固废基功能型轻骨料技术，制备的固废基轻骨料堆积密度250kg/m3～1150kg/m3，筒压强度0.2MPa～25MPa，可应用于建筑结构用轻骨料混凝土、建筑保温地面、屋面材料、PC构件、建筑隔声吸音材料、大跨度桥梁、道路回填、水处理等环境用吸附材料、农业土壤吸附、土壤保水材料、园林栽植绿化等诸多领域。该技术的研发和应用推动了大宗固废的安全处理处置及资源化利用行业的发展，为金隅集团水泥企业的水泥窑产能置换及企业转型升级提供了可行的途径。

  这些项目的研发和产业化将构建典型水环境高风险型工业固废系统性解决方案，对推动国家可持续发展示范区绿色矿山产业转型发展，建设京津冀水源涵养功能区、环京津宜居宜业典范区发挥重要的推动作用。

  随着我国“双碳”战略的实施，传统水泥产业面临着巨大的资源、能源和环境负荷的挑战。为实现企业的绿色低碳转型，北京建材总院自主研发了高活性贝利特水泥熟料。研究团队以表面化学和量子力学理论为基础，通过优化高温热动力学条件和多维度缺陷设计技术，增加了硅酸二钙矿物的水化活化点，改善了熟料的易磨性。高活性贝利特水泥熟料在河北鼎鑫、平泉冀东1000t/d到4000t/d新型干法水泥回转窑完成了生产线的技术验证，且已具备规模化生产能力。经过“活化”的高贝利特熟料，保持了水化热低、抗裂性好、耐久性好、碳排放低等特点，同时其早期强度与传统硅酸盐熟料接近、后期强度优于传统熟料的水平，非常适合于水工与长跨度结构大体积混凝土工程、超高层钢管混凝土工程、核电工程、道桥交通与机场路面工程等。采用高活性贝利特水泥可以配制强度等级达300MPa的纤维增强超高性能混凝土（FRUHPC）和超耐久混凝土（UHDC），比既有市场产品具有更显著的性能、质量、成本和环保优势，将成为建造可持续绿色低碳基础设施的基础材料。该技术的推广将有利于引领水泥与混凝土行业的绿色发展，助力国家的“双碳”战略目标实现，促进新型胶凝材料产业链转型。

  在CCUS领域，混凝土及新材料产业科学技术创新链开展了捕集CO2矿化原材料和预拌混凝土技术开发，通过对再生骨料、钢渣砂进行矿化处理，再生骨料吸水率值由未矿化的6.5%降低至5.8%，吸水率降低率达到10.8%；钢渣砂细骨料的压蒸粉化率值由未矿化的9.2%降低至4.5%，压蒸粉化率降低率达到51.1%；钢渣和再生骨料混凝土制品CO2封存量均达到20%以上。自主开发了CO2分散加载设备，实现了C40预拌混凝土和C30预先制作的构件混凝土28d力学性能提升10%以上，不仅提升了产品性能，而且实现了固碳效果。

  因环保政策、市场收窄等影响，位于“中国琉璃之乡”琉璃渠的北京明珠琉璃厂在2013年停产，窑火一度熄灭，作为国家级非物质文化遗产的琉璃烧制技艺传承面临断绝风险。在市政府关于“保留琉璃制品古法生产的基本工艺”的工作部署下，金隅集团积极做出响应，展现国企担当，北京建材总院研发团队分析古法琉璃烧造工艺特点，在保留古法工艺的基础上进行古窑复建，为古窑量身定制脱硫、除尘等环保设备，切实达到环保要求；通过研究本地原料特性，对京外原料进行多地采样，实现原料替代，获得适宜皇家琉璃的多源原料产地，在2023年2月实现窑火重燃。当前，研发团队携手故宫博物院在琉璃文创园持续开展环保釉料开发、数字化技术引进、琉璃一体化烧结、琉璃窑炉CO2烟气捕集等方面的研究，以科技赋能琉璃文化传承和发展。

  面对“十四五”时期高水平质量的发展新要求，混凝土及上下游产业链也在应时而变、应势而变，向信息化智能化转型，塑造行业发展新动能新业态。

  针对砂石骨料质量波动大、对混凝土性能和质量控制影响大的问题，北京建材总院开发了利用尾矿生产细骨料高效识别与智能调控技术和装备，结合超声激振、动态检测、智能控制技术，研制了尾矿砂高效识别装置，实现尾矿砂高效识别与模数控制，检验测试周期最低可达30s，耗时是传统检测的新方法的1/30，细度模数准确度达到90%，高效准确，支撑尾矿废石制备机制砂石智能化生产线的建设。

  在原材料质量管控方面，开发了砂石骨料进场在线分钟以内整车砂含水率、细度模数、颗粒级配及含泥量/石粉含量的全套自动化检验，提高了原材料运输时效，降低了人工劳动强度，确保了原材料质量稳定。在混凝土质量管控方面，开发了新拌混凝土坍落度在线测评技术，通过对混凝土运输车搅拌罐内的混凝土图像特征做多元化的分析，基于深度学习的算法设计并开发相应的软硬件设备，实现了实时自动检验测试混凝土坍落度，有效解决了混凝土出厂后到施工前的在途质量监管缺失问题。该技术在北京金隅混凝土西北旺站、金盏站、恒坤站进行了应用示范，运行稳定，效果良好，对促进混凝土企业强化全过程生产质量管控及搅拌站智能化升级具备极其重大意义。

  超高层建筑常被视为国家经济和科学技术实力的体现，超高层建筑的发展促进了泵送混凝土实施工程技术的发展，泵送高度和混凝土强度慢慢的升高。混凝土及新材料产业科学技术创新链联合金隅混凝土、金隅节能科技等单位协作，完成了高强高性能混凝土从选材、配合比设计开发、实际生产期间配合比优化调整以及施工应用过程技术控制措施，并开展了C80、C130混凝土模拟垂直高度880米盘管实验，项目成果在天津周大福金融中心（高530米）、中钢天津响螺湾、南京环球世贸中心、天津平泰大厦等多项超高层建设工程中应用，取得了显著的经济和社会效益。该项技术提高了超高层建筑混凝土工程的实施工程质量及施工效率，在基础建材行业具有指导和引领作用。

  混凝土耐久性能的优劣往往会决定着工程结构的服役行为和寿命，针对高盐极端环境下混凝土服役寿命减少的难题，开发了高盐服役环境高耐久混凝土技术，制备出抗高盐环境的LDHs功能型矿物外加剂，兼顾混凝土的力学性能及工作性能的“外阻＋内吸”高耐久混凝土的材料设计的具体方案，满足硫酸盐、氯化物环境/非物理性腐蚀环境下100年混凝土设计的基本要求，建立了海工混凝土侵蚀损伤模型，提出了“侵蚀溶液＋快冻法”的混凝土耐久性加速评价方法，项目成果可用于新建工程辅助设计，保证工程混凝土安全服役，又可用于既有工程混凝土安全评估，提供维护、修复决策建议，延长工程使用年数的限制。该项技术在天津生态城临海新城北堤防浪墙、闸墩等工程应用近4万立方米。

  针对混凝土工程服役过程开裂问题，微胶囊自修复生态混凝土技术在减少混凝土开裂的同时对裂缝做修复。裂缝产生后，混凝土试块在短期内抗渗性修复率超过85%，超声波速恢复率达100%。结合超声波、声发射等技术解决了混凝土结构内部开裂情况及自修复效果难以量化的难题，经实验证实微胶囊自修复技术可有效提升混凝土结构的服役安全性与耐久性，实现建设工程全生命周期减少碳排放的目的。

  为提升水泥基材料性能，研究团队运用分子结构设计合成原理，研发聚羧酸减水剂接枝氧化石墨烯材料的制备技术，用于解决氧化石墨烯在水泥基材料中应用存在的“增粘增稠”的问题，该技术有效提升了氧化石墨烯改性水泥基材料的工作性和力学性能，掺加接枝氧化石墨烯的水泥净浆流动性提升大于50%，屈服应力和塑性黏度下降50%，28d抗住压力的强度提升13%，后续对氧化石墨烯种类、接枝率、接枝工艺进行逐步优化，预期力学性能提升大于20%。纳米碳酸钙在水泥水化阶段能够更好的起到早期晶核剂的作用，在水泥基材料中加入适量纳米碳酸钙，混凝土3d强度可提升18%，界面过渡区硬化体由平面结构转变为空间结构，改善了水泥基材料的强度和耐久性。

  未来，混凝土及新材料产业科学技术创新链作为集团开展共性、关键性、前瞻性重大科研项目攻关的主力军、金隅集团自主知识产权科学技术创新成果的策源地的重要组成部分，将进一步明确定位和发展目标，围绕新材料产业、“双碳”战略和数智化转型持续发力，突出创新驱动，打造长期价值创造的关键引擎，增强助力集团水泥混凝土板块发展的支撑效能，做实做强“1＋N＋X”科学技术创新综合体，持续加强与行业高校、科研院所和企业的交流合作，逐步扩大“政产学研用金服”的科技生态圈，为构建全方位的金隅科学技术创新体系，为集团高水平发展贡献力量。

  《中国建材》杂志始创于1957年，是由中国建筑材料联合会主管主办的、建材行业唯一国内外公开发行的国家级综合性月刊，中文核心期刊、中国期刊方阵双效期刊，大16开本，彩色精印，每月初出版。

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