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關于我國水泥工業產品結構調整方向及其指導思想的思考與建議 2015-04-27

目前砼早期開裂、耐久性變差的問題突岀而普遍存在,應用高性能混凝土是發展方向。因此,采取得力措施推廣高性能砼及高性能水泥顯得非常迫切與重要。

為推進高性能硅酸鹽水泥開發應用,水泥企業如何主動應對?推廣高性能砼可否理解為推廣高強砼及高標號水泥? 如何提高高標號水泥適應性與競爭力?如何滿足工程用戶個化性、差異化要求?長期以來,水泥工業產品結構調整過多期待或片面強調提高42.5及以上水泥比例,甚至將其作為唯一指標(約占總產量0.7%左右的特種水泥除外),其指導思想是否需要反思、完善乃至修正?如何科學表達或準確描述通用水泥產品結構調整的方向與目標?

結合目前正在編制“十三五”水泥工業規劃與結構調整方案,筆者提出一些思考與建議,拋磚引玉,期望與業內人士交流探討,以進一步厘清水泥工業產品結構調整的方向與指導思想。

目前對水泥及砼質量的認識誤區

水泥膠砂強度高是水泥實物質量一方面的體現,卻不是混凝土質量的唯一保證。部分施工單位與人士誤認為:水泥的早強及28天強度越高,混凝土強度增進越快,其質量越有保證;水泥早強越高,施工周期可以加快與節約成本。水泥企業受片面導向及傳統認識的影響,或為了迎合施工單位的不合理需求,對水泥膠砂強度的追求已遠超出標準要求,早強與高強水泥被視為優質水泥的唯一要求。正是這種對優質水泥的片面認識嚴重誤導著水泥企業,給水泥生產與砼工程帶來了一系列的嚴重問題,熟料中C3S 、C3A過高,水泥細度更細,還增加了能耗及排放。導致更突岀的問題是:高強早強水泥也是造成混凝土溫升大、結構應力增大、早期開裂增多與耐久性變差的主要原因。

由于歷史與體制的原因,水泥和混凝土分屬兩個行業,導致生產者和使用者缺乏充分溝通、了解,以至于互相誤導甚至排斥。突出表現在:過分期待水泥能滿足工程的全部要求或主導混凝土的功能,混凝土一旦出現質量問題,便主觀或潛意識地推斷是水泥質量問題引起的,較少全面系統查找影響混凝土質量的其它原因。

首先,水泥生產和應用雙方要多了解對方的相關知識。水泥是半成品,混凝土及其制品是成品,相關水泥標準所列技術指標要求只是其基本要求與保證,而不是對優質水泥的要求標準。對水泥生產者的要求是,水泥品質的優劣應從其配制現代混凝土的性能要求來衡量。對混凝土制造商的要求是,應提高其技術和管理水平,優化砼配比及原料,強化施工過程控制等。生產方應考慮混凝土綜合性能的要求提供合適及差異化的產品,使用方應根據混凝土工程的特點、環境及施工條件,考慮到不同種類和品種的水泥具有不同的性能和用途,選擇滿足要求的相應產品。不少人士錯誤地理解為高性能水泥就是高標號水泥,繼而錯誤地認為推廣高性能砼就是推廣高標號水泥與高強砼。

高性能混凝土的定義與影響砼耐久性的主要因素

能更好地滿足結構功能要求和施工工藝要求的砼,能最大限度地延長混凝土結構的使用年限。有以下特點:1)高性能砼具有一定的強度和高抗滲能力,但不一定具有高強度,中、低強度亦可。2)具有良好的工作性,砼拌和物應具有較高的流動性,成型過程中不分層、不離析;泵送混凝土、自密實混凝土還具有良好的可泵性、自密實性能。3)高性能砼的使用壽命長,對于一些工程,控制結構設計的不是砼的強度,而是耐久性。砼結構能安全可靠地工作50~100年以上,是高性能砼應用的主要目的。4)具有較高的體積穩定性,即砼硬化早期具有較低的水化熱,硬化后期具有較小的收縮變形。

影響混凝土質量及耐久性的因素很多,首先,從混凝土的制造來分析,主要包括配合比設計、原材料質量、施工工藝及環境條件、制作過程控制條件和后期使用維護管理等。其次,體制的原因,如短期行為嚴重及規劃設計要求低,建筑物的使用與未到使用壽命的拆建, 偷工減料及盲目降低成本,加上監管和信用缺失等方面問題。建設工程各個環節均有相應驗收程序、驗收標準與規范, 將國內建筑質量及耐久性問題簡單地歸咎于水泥質量及32.5水泥是極不客觀的,純屬主觀臆斷。JGJ55-2011《普通混凝土配合比設計規程》強調應滿足耐久性要求是本次修訂內容的重點之一。

現代混凝土科技與大量而普遍的工程均表明:32.5級水泥完全可配制高性能砼,目前提高砼耐久性及長期性能的主要途徑有:最大限度地降低其水膠比,使用有機外加劑和礦物摻合料,提高砼的長齡期強度及致密性;改善水泥水化產物的組成;其中,通過減少水灰比的方法更為科學和經濟。

因此,在實際應用中,配制高強度等級的砼應選用強度等級高的水泥,配制低強度等級砼,則應選用強度等級低的水泥。選擇保水性較好的水泥,配制砼時有利于減少內部的泌水腔和表面的泌水層,改善混凝土的界面結構與表面硬度,可提高砼的勻質性、強度及耐久性能。目前用戶重點關注是水泥的勻質性、適應性與施工性能,近二十年水泥混凝土技術進步的重要體現之一是高性能外加劑的應用。

目前國內外混凝土面臨的突岀問題

我國著名混凝土學者——清華大學廉慧珍教授最近向業界推薦了《我們是否誤入了歧途-混凝土開裂觀察與思考》(美國學者R.W.burrows在ASTM CO的報告摘要,刊發在《水泥標準化技術通訊》2014.1期),其核心觀點與論述摘要如下:“混凝土開裂情況比50年前更加嚴重。其原因有二種,一是使用的水泥過量,二是波特蘭水泥變得更易開裂。過分強調高強早強與低滲透性的重要性而導致現代砼容易開裂,這根本不是進步;當砼最低強度由21MPa提高到28MPa,橋面開裂概率從11%增加到29%~52%。”

該報告很有針對性,對目前我國水泥工業如何提升產品技術指標與性能, 如何優化并厘清高性能硅酸鹽水泥開發方向等方面,滿足高性能砼的要求,具有重要參考價值,更具現實意義。目前國內混凝土早期開裂、強度倒縮等導致砼耐久性差的問題非常普遍,造成了巨大的經濟及投資損失。其主要原因恰恰是更多地與使用普通水泥等早強高強水泥有關,也是導致砼工程質量問題、糾紛越來越多越嚴重的主要因素。

國內外水泥標準及體系、產品結構對比分析

絕大多數國家的水泥標準已采用ISO標準體系, 我國現行通用水泥標準系非等效采用歐洲標準EN-197,主要內容與其大體一致。EN197-1只包括通用水泥,設置了CEM II波特蘭-復合水泥和CEM V復合水泥,分32.5、42.5、52.5三個等級;同一等級的早強指標相同,28天強度指標與強度等級一致,還規定了強度值上限;EN197-2只包括特種水泥。美國標準按水泥的特性和摻加混合材種類分類命名,通用水泥分別包括在ASTMC150《波特蘭水泥》和ASTMC595《混合水硬性水泥》中;ASTMC1157《水硬性水泥的標準性能規范》規定通用水泥的3d和7d強度分別不得大于20MPa和30MPa,這有利于控制砼早期水化熱和強度發展,減少砼開裂現象。日本JISR5210《波特蘭水泥》涵蓋了絕大部分通用水泥和部分特種水泥。值得關注的是,上述國家并未有“普通硅酸鹽水泥”這一名稱。

水泥組分是水泥品種的基本界定條件,中歐水泥標準規定的混合材品種較多。歐洲標準混合材允許摻量最大,總量最高達80%,而中國、日本、美國均為70%。我國關于組分的測定,與ASTM C1157的一致,由生產者檢測或選擇準確度更高的方法進行。

國內外通用水泥品種發展趨勢與混合材種類、摻量特點分析

國際能源機構(IEA)和水泥工業可持續發展促進委員會(CSI)等擬定的《2050世界水泥工業發展技術路線圖》中,提出了水泥發展最重要的方向是由生產普通波特蘭水泥(OPC)轉向生產混合水泥,其重點是研究采用具有水硬性或膠凝性潛質的各種工業廢料,生產混合水泥,用混合材替代部分熟料。因此,增加混合(復合)水泥產量是發展趨勢。我國己投入大量科技經費,如國家“973”和“863”重點科技計劃,用以研究低熟料用量的高性能水泥與混凝土。摻兩種(含)以上混合材有利于改善顆粒級配、形貌和互補、疊加效應,且有利于選用混合材,降低成本,尤其摻有礦渣類材料的復合水泥, 綜合提升了性能,有利于改善砼工程耐久性, 具有制造過程的經濟性和環保性,具有和易性好的施工性能和水化熱低的優點,是其產銷量高的主要原因。據測算,每增加1%的混合材摻量,噸水泥CO2排放量可減少8kg,每萬噸水泥NOX排放量減少180kg~210kg。

GB175對各等級品種水泥規定了基本相同的技術要求,以湖南省為例,粉煤灰、煅燒煤矸石(含石煤渣、爐渣)、冶煉廢渣、石灰石四大類基本能涵蓋絕大多數混合材品種。單摻一種混合材的粉煤灰、火山灰質及礦渣水泥(礦渣水泥允許用不超過8%的其它混合材代替),由于其性能限制及用戶習慣、混合材選用局限與市場不接受等原因,生產礦渣水泥也很不經濟, 所以上述三個品種國內產銷量極少。目前國內42.5、32.5水泥基本上是雙摻或多摻(2種以上)混合材,僅32.5級水泥其石灰石摻量普遍達10%~22%左右,既優化了產品性能,又降低了成本。水泥生產采用雙摻或多摻混合材既是普遍狀況,也是發展趨勢;眾所周知,所有產品都有系列、等級,以滿足用戶需求,避免產品質量的過剩或不足。各水泥品種、等級產品及比例是市場需求選擇及我國國情決定的,如果標準所定級別及品種等不齊全、不完整與混合材摻加品種、摻量規定脫離實際生產應用狀況,會造成標準可操作性差,實施困難,難以指導生產應用,且對生產應用帶來巨大負面影響。水泥企業尤其小企業亂摻混合材現象將更嚴重。因此,水泥企業應嚴格執行標準并強化監管,按要求控制混合材質量,為用戶提供準確的混合材品種、摻量等信息。

高性能硅酸鹽水泥開發方向與提高通用水泥適應性的措施

水泥是很特殊的半成品,現行標準是以3天和28天強度判定水泥等級標號;以P.O42.5為例,其90天、180天、360天等長齡期強度平均值分別為60、65及67MPa,而高C2S、低 C3A組成為特征的高性能水泥對應的長齡期強度分別可達68、76及80MPa甚至更高。從絕大多數建(構)筑物及高性能砼的最終目標要求岀發,砼工程期望降低其水膠比,長齡期強度高,改進水泥熟料礦物組成及較低的水化熱等性能,適中或較低的3天強度、適當的28天強度。

因此,建筑工程要重點推廣以中、低熱硅酸鹽水泥為特征的高性能熟料及高性能砼技術,但現在絕大多數中、低熱水泥僅在水電工程使用。為提高水泥特別是高標號水泥的適應性及競爭力,目前要在建筑工程尤其是大體積、結抅工程中,加大推廣以較高的C2S、適中的C3S、低 C3A礦物組成的高性能硅酸鹽熟料及其相應制備的高性能水泥, 或在相關工程中突岀推廣應用中、低熱硅酸鹽水泥等特種水泥。

建議在GB175中增列低水化熱、長齡期強度高的相應品種,或參考EN 標準,增加部分通用水泥品種的水化熱指標要求;強化差異化、個性化品種的生產供應。其高性能砼工程用水泥可由水泥企業依據用戶要求配制,也可由有條件的工程用戶及商混站釆購純硅水泥自行配制。有關權威專家指岀:我國標準與國際通行的標準理念差距較大,部分強制性條款范圍偏寬,內容過細,缺乏包容性與足夠自由度,不利于企業根據市場需求改進、開發產品或協啇補充條款;不能很好地引導技術進步,可操作性差,造成使用者不便,難以貫徹實施。

因此,為滿足建筑工程對長齡期強度高、低水化熱等高性能水泥或個性化的要求,提高水泥適應性與競爭力,鼓勵并且今后應大力推行通過供需雙方協商標準規定以外的技術要求指標,作為補充條款,并在采購合同中明確,或制訂嚴于國標、行標的企業標準。

但目前面臨的主要問題是:水泥企業若開發生產改進了部分性能或滿足高性能砼工程所用的水泥,肯定會增加部分成本,即要提高售價,而工程單位往往因此不愿接受。因此,不僅要修訂設計規范,同時要修訂建筑定額、預算等。由于是用戶選擇材料及質量等級,推進應用規范與配套政策等修訂是解決目前難題的突破口。

通用水泥產品結構調整指導思想的思考

高性能砼不是等同于高強砼,其科學定義也強調這點;推廣應用高性能砼并不能理解成推廣高強砼與高標號水泥,高性能砼不一定具有高強度。目前國內C40(含)以下砼約占全部砼的9%~95%左右,32.5水泥完全可配制C40(含以下)砼和用于結構工程。我國農村、城鎮等水泥用量約占一半以上,國內約60%~65%左右的水泥用于工程現場拌砼,加上應用標準等因素,是造成我國32.5級水泥占比高的主要原因。由于發達國家基本上是預拌砼,故42.5等高標號水泥應用比重大。僅通過修訂生產領域標準,推廣高水泥的作用及效果甚小。

我國人口基數大,人均收入遠低于發達國家,但2013年總產量24.14億噸,人均年耗水泥1.775噸(按可比水泥產量計,折算成42.5普通水泥,2013年可比總產量為21.87億噸,人均年耗水泥也達1.61噸),遠超發達國家高速發展時期人均年耗700kg左右的水平,除了大規模建設因素外,不科學、不合理地使用造成浪費也是原因之一。

我國通用水泥工業產品結構調整方向與指導思想:應重點圍繞提高高性能硅酸鹽熟料及其相應制備的各級別水泥(包括32.5級)的比例,符合或盡可能滿足低水膠比、長齡期強度高和低水化熱等要求,即滿足或盡量滿足配制高性能砼的要求,以達到改善砼開裂與耐久性,提高建(構)筑物使用期限,實現提質延壽減排的目的。廣大農村、城鎮由于大多數水泥砼是現場拌制,所用水泥只能由水泥廠直接制備,故大多數是32.5等級。因此,預計今后很長時期水泥消費結構中32.5級水泥仍會占很大比重,但會逐年下降。因其用量大尤其部分大體積與結構工程,同樣應關注并提高其適應性,改善耐久性,滿足或部分滿足配制高性砼的需要,提高建筑物壽命。由于涉及面廣,必須推動差異化水泥產品的開發,改造優化水泥廠工藝條件及儲存、均化、配制等設施,針對不同用戶要求,配制相應要求的水泥產品,并研究制訂配套政策、措施加以推進。

另一方面,城市應是推廣高性能砼的重點,水泥工業要盡快采取措施主動應對,相應水泥企業要重點開發適應高性能砼要求的硅酸鹽水泥輔以42.5普通水泥并盡快提高其比例。關健是通過應用要求、引導與倒逼, 只有修訂設計規范和提高預拌砼等級及比例,才能有效調整提高水泥質量等級與推廣高性能砼。

摻合料摻加方法的分析探討

目前使用P.O 42.5配制每立方C30、C40砼普遍摻加100kg~160kg左右礦粉、粉煤灰、石灰石粉等摻合料(混合材粉),以到達降低成本、改善砼施工性能和耐久性等目的,也可在水泥生產過程中實現。使用量最大的C30普通混凝土中水泥熟料占比在0.5以下,不同強度的水泥很容易通過調整砼配比來制備不同標號的砼。

摻加摻合料有水泥廠、施工方兩種方法(工序),各有利弊;水泥廠生產控制、管理體系等條件更完善,可確保配比更均勻,顆粒級配更合理,質量更有保障,結合我國國情與建材行業管理優勢,很多專家認為將量大面廣的混合材粉甚至部分外加劑更適宜在水泥廠摻加。通過強化購買方檢測驗收并加強監管, 滿足用戶對水泥強度等質量指標要求。但商混站及工程方摻加最大好處是:便于調整砼性能,自由度更大,條件較好的商混站及工程現場也完全滿足控制要求。因此,可根據用戶要求與條件確定摻合料的摻入方式。但對于使用水泥超過總量一半的農村、城鎮等,由于現場計量等設施及混合材粉資源、生產、專用車輛、儲存等條件限制,就很難實施。若拋開市場需求因素,假如采取行政手段推廣高標號水泥,極不利于廣大農村和城鎮市場應用。由于不便摻加摻合料,除將造成極大浪費外,引發的工程質量尤其是耐久性問題只會加劇,能耗肯定會非正常增加,對節能減排帶來很大負面影響。施工方超量摻加或不便摻加摻合料更難監管,因為制成混凝土了,較難檢測驗收,濫摻現象會更嚴重。因此,要正確引導施工方合理地選擇和使用水泥, 嚴格規范其摻加摻合料行為。

總而言之,水泥工業應大力發展特種水泥,尤其是應用面可大為拓展的中、低熱硅酸鹽水泥。通用水泥產品結構調整方向與指導思想:提高以較高C2S、適中C3S、低 C3A礦物組成的高性能熟料及其所配制的各級別水泥(包括32.5級)比例,以改善砼開裂,提高建筑物壽命。

推廣高性能砼并不能簡單地理解成推廣高標號水泥。為加快推廣高性能砼與調整水泥質量等級,目前應以城市作為重點,推進應用設計規范等修訂與配套政策措施是解決目前難題的突破口。

為提高水泥產品適應性,應大力推行供需雙方協商標準規定以外的技術要求指標,作為補充條款,或制訂嚴于國標的企業標準。

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