周坤
梅州皇马水泥有限公司 514130
摘要：材料、能源、信息和生物技术是现代文明的四大支柱，材料又是其他技术的基础，材料技术的每一次重大突破，往往可引起其他产业技术的革命。但是当前以性能为基础的材料学研究资源与能源高消耗、环境大污染的特性已无法满足21世纪循环经济发展的要求;环境材料学为材料学的发展提供方向，但是其主要在评价方面的发展没有给材料学的发展提供方法论上的指导。本文在此基础上提出材料过程工程学的概念，旨在当前材料学发展“还原论”指导原则中，加入“整体论”的思想，通过两种方法的结合实现材料科学生产及使用过程的优化与整合。
本文运用理论研究的方法对材料过程工程学的框架体系和水泥混凝土材料过程工程学的内容与方法进行了系统化的研究，并在此基础上以混凝土与水泥生料的一体化设计为实例，运用试验研究的方法对过程工程学在水泥混凝土材料学研究中的的可操作性和效果进行验证。
本文将过程工程学与材料学的具体研究内容相结合，尤其是与水泥混凝土材料相结合，首次开展了水泥混凝土材料过程工程学的研究，为水泥混凝土材料的发展探索出了一个新的研究方法。水泥混凝土材料过程工程学从资源流、能源流、信息流三个方面对其所包含的宏观过程、子过程、单元过程和驻点进行理论性研究，从而形成了一个系统化的材料学研究方法，利用该方法对水泥混凝土材料由原生到被废弃的生命全过程进行资源、能源与信息的评价后，对其过程进行优化或集成，以实现材料工业对自然环境消耗低、污染少和资源的充分利用。
关锐词:水泥混凝土材料;材料过程工程学;水泥生料组分混凝土;混凝土水泥
引言
上个世纪90年代初，环境问题的提出引发了世界各国的材料科学工作者对材料的环境性能的重视，从理论上研究评价材料对环境影响的定量方法和手段，从应用上开发对环境友好的新材料及其制品，开创了环境科学与材料科学的交叉学科环境材料学。环境材料的特征首先是节约能源与资源;其次是减少环境污染;第三是资源容易回收和循环再利用[7-9]。环境材料是对材料概念的一个扩展和外延，在材料使用性能的基础上又赋予了其环境协调的内涵。
20世纪以来资源、能源与环境危机正威胁着当代人乃至后代人的生存，20世纪末期，材料科学工作者借鉴生态循环系统物质内部循环特点提出了“生态环境材料”I21的概念。生态环境材料是指仿照自然界生态过程物质循环的模式来研究和开发材料科学新的发展思路，在环境材料的基础上提出了“资源一生产一消费一再利用”的物质循环模式，将材料工业中独立的生产过程以物质或能源的形式联系起来，建立了物质闭环流动的工业发展模式，为包括材料工业在内的整个过程工业提供了可持续发展的有效途径。
一、水泥混凝土材料学发展历程研究
1.1水泥混凝土材料学发展研究
(1)水泥材料的发展历程(16-19j
水泥(Cement)的发明是在西方文明传统之下的产物，可追溯到古罗马。罗马人通过将石膏与火山灰混合制成水性水泥((Hydraulic Cement)，一些著名的建筑如帕提农(Panthenon)神庙就使用了这种水泥。然而罗马制作水泥的工艺随着罗马帝国的衰弱而丢失了。
1756年，英国人斯米顿口ohn Smeaton)通过实验找到从包含泥土的石灰石中制作石灰的方法，水性水泥再次被使用，这种水泥的主要成分是氧化钙。斯米顿的水泥是天然水泥的先驱。
17%年，英国人杰姆斯.帕克((James Parker)发明了用不纯的石灰石烧成天然水泥，并获得专利。他发明的水泥被称之为罗马水泥，其成分包含氧化钙、二氧化硅和铝等。
1813年，法国人维卡仅icat)用石灰石和粘土的合成物，经锻烧制成了人造水硬性胶结材。他还发明了沿用至今的维卡针，用以测定水泥的凝结时间。
1824年，英国利兹的施工人员约瑟夫.阿斯普丁(Joseph.Aspdin)将石灰石与粘土一起来缎烧，发明了波特兰水泥，即硅酸盐水泥。其成分包含氧化钙、二氧化硅、氧化铝及氧化铁等，前两项占较大比例。阿斯普丁被认为是现代水泥的鼻祖。波特兰水泥的发明开创了现代混凝土的历史。
1.2混凝土技术的发展
自从1824年波特兰水泥获得专利之后，各种水泥混凝土陆续问世。在短短180年间共发生四次变革:
①第一次变革—理论基础时代
1850年，法国人郎波特(Lambot)用钢筋网造了一条小型水泥船，标示了钢筋混凝土(RC)时代的开始，也是RC预制工业的萌芽。
1861年，巴黎花匠蒙耶(Monier)在水泥砂浆花盆中放置铁丝网，制成的花盆薄而强度大并获得专利，其后又陆续获得了梁、板、管等多项专利。蒙耶被称为钢筋混凝土结构的创始人。
此前的钢筋混凝土理论缺乏理论支撑，蒙耶甚至将钢筋放在混凝土板的中央。伽利略、胡克、武尔茨、马里奥特等人对梁在承受重力荷载下所受应力通过试验进行分析，并提出各种假说，这些理论发展成材料力学、结构力学及弹性力学等。
1887年，英国人M·科伦(M Koenen)首发了RC结构计算方法。
1918年，美国人D.A艾布拉姆斯(D.A.Abrams)建立了水灰比(W/C)强度公式。当混凝土充分密实时，其强度与W/C成反比。
1930年，瑞士科学家鲍罗米((Belomey)根据大量试验数据，应用数理统计方法，纳入了水泥强度因素后，提出了混凝土强度与水泥实际强度及W/C之间的关系。
鲍罗米公式中没有考虑水泥的物理化学性质，水泥水化程度、水化时温度、含气量变化及泌水形成的裂缝等因素:此后鲍尔斯(Powers)又确立了混凝土强度增长与胶空比的关系，即以水化水泥浆体积与已水化水泥浆体积加毛细孔体积加气孔体积之和的比值，进一步反映了混凝土强度与毛细孔隙体积的关系。减少孔隙、增加胶空比能够提高混凝土强度是鲍罗米与鲍尔斯公式的一致性。
二、材料过程工程学的研究范畴和方法
2.1材料过程工程学研究基础
(1)材料学:作为材料学的继承和发展，材料过程工程学以材料科学与工程的已有理论和技术为基础，尤其发展利用材料学相图理论和热力学研究成果:
(2)环境材料学评价标准:材料过程工程学研究以实现材料工业与环境的协调发展为目标，因此其研究必然遵守当前环境协调性研究的统一标准，本研究中以当前环境工业中广泛采用的生命周期评价方法作为研究的重要评价指标;
(3)工业生态学:工业生态学是研究工业发展与生态关系的科学，材料工业作为最重要组成部分，必然在其研究范围之列，因此本研究借鉴其系统、整体、发展观思想;
(4)过程工程学:本研究作为过程工程学的重要发展，以其理论为研究基础和重要手段;(5)循环经济3R标准(sy:材料过程工程学的研究课题来源于对“可持续发展”和“循环经济”的国家发展要求，因此本研究以循环经济减量化(Reduce)、再利用(Reuse).再循环((Recycle)的3R标准为理论基础。
2.2材料过程工程学的研究范畴
材料过程工程学研究的范畴为材料生命周期全过程的系统过程，即处理资源一能源一信息流的系统，材料学的研究主要集中于单元过程或某个子系统(单元过程的链状集合或者环状集合)，而当前所研究的系统则有越来越大的趋势。材料过程工程学不仅以某一材料的生命周期全过程的系统过程为研究对象，而且包括与该系统相关的所有过程，甚至可能是中型、大型甚至巨型系统。
2.3材料过程工程学研究方法
材料过程工程学作为过程工程学的一个重要发展，在研究方法上将对其进行继承和发展，以化学工业为基础的过程工程学研究着重开发单元过程和化学反应，以期实现化学研究由实验室成果向化学工业的转换;材料过程工程学作为材料学的发展其目的在于开发新的原材料、新的工艺、新的产品及产品的创新应用来减少材料工业在循环经济及可持续发展条件下在资源与能源消耗和环境污染方面的劣势，因此王立久教授将郭慕孙院士(sy“三传一反十X”的概念发展为材料过程工程学的“三流一评+X”研究方法.具体说来，三流为材料系统工程中的资源流、能源流和信息流:一评为环境影响评价;X则包括那些不一定如“三流一评”那样重要和预计将来会出现的内涵。具体定义为:
(1)资源流
资源流:资源流动是一切单元过程的物理基础，即每一单元过程中从上游物质输入到下游物质输出过程中物质在化学过程中的性质变化及在时间和空间上的物理变化。如物理过程中原材料的简单加工过程、化学反应中的传质分流过程等。
不同资源流动过程的环境评价可以看作是以资源为变量的环境评价过程，不同资源变量的计算结果差异，即反映了不同资源流动过程的环境影响差异。如，在混凝土浇注过程中，相同数量的木模和钢模单位使用次数的资源消耗是不同的，这是可以通过环境
影响评价来进行定量比较的。
资源流动过程研究内容主要为:
①原材料使用效率的提高，包括原材料加工过程边、角、废料的合理化利用，该过程不仅减少了加工单元过程对自然界的输出，而且减少了可利用资源的再输入。
②在保证产品质量的前提下，减少不可再生物质的输入，增加工业副产物的输入。
工业副产物的利用不仅可以节约现有资源及能源、减少废弃物处理过程，而且其在前次单元过程中的反应基本已完成其大部分环境输出过程，减少再生产过程中的有害质t输出。
③从材料周期全过程设计资源流的流程，即在材料输入之时即考虑到其在输出时可能具有的资源化特征。
(2)能源流
能源流:同资源流一样，能源流也是单元过程的物理基础，每一单元过程都存在能源的输入和转化。材料过程工程中能源流既包括化学工艺中传热、换热等过程，也包括材料科学中简单的物理加工工艺中因能量转化而对能源的利用和消耗.根据热力学第一定律，能量是守恒的。既然能量是守恒的，为什么会产生能源危机?因为燃料具有的做功能力在这种情况下绝大部分未加利用而损失掉了。反之如果首先将燃料具有的的能量通过热机系统转化为功，然后再将该功通过热泵系统转化为采暖所需的热量，则从理论上讲，1千卡燃烧热可以转化为约12千卡的低温采暖热。由此可见，只有功才是真正有价值的能量形式。因此无论从能量本来的定义出发，还是从合理使用能源的观点出发，都应该以功作为能量的量度。由于有效能就是物系相对于一定环境的最大做功能力，显然只有采用有效能作为衡量的量度才是真正合理的。正因如此，很多学者都阐述、建议和推荐这种量度。 能源的流动特性在于其流动过程中的降阶和不可再生性。针对此特性，对能源流动的研究方向为能源利用效率的提高:
①开发新的高效、可再生能源。太阳能、风能、水能、生物能将是未来能源的主要发展方向，该领域不属于材料科学的研究范畴，但是作为循环经济的重要组成部分，材料工业应优先考虑使用高效、可再生能源。
②防止能量的无偿降阶。用高温热源去加热低温物料，将高压蒸汽节流降温、降压使用或者由于保温不良造成的热损失(冷损失)等情况均属能量无偿降阶现象，要尽量避免。
③改进材料生产工艺设备，采用最佳推动力工艺方案，提高能源的使用效率;提高材料自身性能，提高其在使用过程中的能源利用率。
④合理组织能量梯次利用，遵循先用功后用热的原则，热量利用也要按其能级高低回收使用:高温热源加热高温物料、低温热源加热低温物料，从而达到较高的能量利用率。
⑤对材料的生产及使用过程进行优化、整合，提高单位过程的能源利用效率，避免能源的重复输入:材料设计阶段应考虑其在生产及使用全过程中的能源消耗及利用效率。原因就在于能量守恒的同时也是降阶的，也就是说一切能源用到最后就成为废热传递给了环境，所以虽然它在数量上仍然存在着，但是质量上己经降阶到无用了。因此，用什么样的尺度来衡量物质具有的能量，是一切能量问题的基础.众所周知，通常所谓的能量，不管它是由温度、压力、浓度及其他位势差造成的，统统都是根据热力学第一定律及热化学来计量的，可是实际上掩盖了很多不合理的用能现象。例如由嫌料直接提供诸如采暖、热水等所需的低温热量，即使燃料的燃烧热全部被利用，也是一种极大的浪费。
三、水泥混凝土材料过程工程学研究
水泥混凝土工业作为典型的过程工业，具有过程工业的一切特征:使用原料主要为自然资源、生产过程主要是连续生产、原料中的物质在生产过程中经过了物理和化学变化、产量的增加主要靠扩大工业生产规模来达到。作为社会发展的基础产业，其最大的弊端是资源与能源消耗量大、污染严重，治理又比较困难。实现过程工业可持续发展的必由之路是发展新的生态设计及绿色生产过程，从根本上改变传统过程工业高投入、低产出的工业模式。本章基于第2章所述的材料过程工程学理论，对水泥混凝土材料全过程进行研究，以期开发水泥混凝土工业的生态设计及绿色生产过程，实现水泥混凝土材料的闭路循环和可持续及生态化发展。
3.1水泥混凝土材料过程基研究
（1）过程基分析
过程基是材料在当时技术条件下，以社会最通用的技术构成的该种材料生命周期全过程的系统。过程基研究的目标是在该工业系统内部形成完善的数据库系统，以备后续研究的参考和改进，该数据库系统不仅包括过程基驻点、单元过程、子过程及系统过程的技术参数，同时包括在该技术参数下的资源与能源的输入和输出参数。水泥混凝土材料工业的过程基是一个完整的工业系统过程，包括从原材料的开采、加工、使用直到废弃。图3.1为水泥混凝土生命周期全过程的示意图，即为当前水泥混凝土材料过程工程研究的过程基。其中地球、原材料〔包括用于生产水泥的石灰石、粘土、石青，用于加工混凝土骨料的天然砂、石，用于生产混凝土添加剂的其他原料及能源)、水泥和骨料、混凝土、人居环境、废弃物为水泥混凝土材料系统的基本驻点，任意两驻点之间通过一系列单元过程实现资源、能源和信息的传递。其中地球是该过程的关键驻点，资源与能源来源于地球，在使用后又降级以废弃物的形式回归地球，可持续发展与循环经济在水泥混凝土材料科学的理想应用，是尽量削弱地球在材料生命周期过程中的地位，实现水泥混凝土材料一次输入后的自身封闭循环(如图3.2所示)，而地球在一次输入后则仅是作为人类生存及材料循环的一个载体。
驻点是人类生存所需获得的产品，而驻点间一系列的单元过程则构成了由上级驻点向下级驻点转变的生产工艺或流程，任意两驻点及其间由若干单元过程构成的生产工艺构成了水泥混凝土材料工业的最小子系统。地球一原材料、原材料一水泥、原材料一骨料、水泥和骨料一混凝土、混凝土一人居环境、人居环境~废弃物、废弃物一地球的实现过程为水泥混凝土材料过程系统的最小子过程。每一子过程通过若干连续的单元过程实现，每个单元过程又是由若干设备所组成。每一个最小子过程中上级驻点为资源输入，下级驻点为资源输出，中间的单元过程均具有能源输入及有效产品和废弃物形式的能源输出。图3.3为水泥混凝土材料生命周期过程中的子过程示意图。
如图3.3所示为水泥混凝土材料子过程示意图，其中每一个方框代表一单元过程，每一单元过程除了具有箭头方向所指的资源的流动外，都具有能源的输入和输出，以原材料一水泥子过程的“缎烧”单元过程为例，其资源与能源的输入和输出如图3.4所示，子过程或单元过程研究的目的在于通过对如图3.4所反映的信息进行研究，从而确定过程的改进或优化，提高其资源与能源利用效率，进而实现其过程的绿色化。上述两个或多个相邻最小子过程构成中级子过程，水泥混凝土材料自存在以来其研究主要集中在上述子过程的实现和改进，目标是获得使用性能更优的输出产品。
结束语
本论文将过程工程学与材料科学的具体研究相结合，进行了材料过程工程学这一材料学研究方法的探索，并将其具体应用到水泥混凝土材料研究中，最后以水泥混凝土材料内部循环这一系统过程的实现为实例，证明了材料过程工程学方法的适用性和水泥生料组分混凝土与混凝土水泥实现完全内部循环的可实现性。在研究过程中得到如下结论:
材料过程工程学是基于材料学、环境材料学、过程工程学、系统工程学和生态学等相关理论，对材料由原生到被废弃的生命周期全过程及其相关过程进行优化或集成，以实现其对自然环境消耗低、污染少和充分利用不可再生资源的工艺和各种工程问题进行研究的方法;材料过程工程学的基本概念包括宏观过程、子过程、单元过程和驻点;通过对上述基本概念的研究可以得到材料工业优化与整合的切入点，实现材料工业的生态化和可持续发展。
参考文献：
[1]王天民.生态环境材料。天津:天津大学出版社，2012.09
[2]吴善淦.生态建材与环保.北京:化学工业出版社.2013.07
[3]周廉.材料科学与工程手册.北京:化学工业出版社.2016.08
论文作者:周坤
论文发表刊物:《防护工程》2018年第18期
论文发表时间:2018/11/8
标签：过程论文; 材料论文; 水泥论文; 混凝土论文; 工程学论文; 能源论文; 资源论文; 《防护工程》2018年第18期论文;