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从高性能混凝土的技术需求谈中国水泥产品结构调整

放大字体  缩小字体 发布日期:2016-04-18  来源:中国混凝土网  作者:张伟 刘丹 李亮
核心提示:论述了水泥产品结构调整的方向,42.5、52.5等级水泥应是中国水泥产品的主流。水泥强度等级的相对提高、熟料中C3S含量的相对增加、细度的相对提高(为了早强)是市场的需求,并不是造成混凝土开裂概率增大的最主要因素。国内混凝土科研与应用技术水平已经很高,关键是如何管控好混凝土的施工与养护质量。阐述了高性能混凝土需要的水泥所应具备的基本性能及中国水泥混凝土工业的强国之路。

【摘要】论述了水泥产品结构调整的方向,42.5、52.5等级水泥应是中国水泥产品的主流。水泥强度等级的相对提高、熟料中C3S含量的相对增加、细度的相对提高(为了早强)是市场的需求,并不是造成混凝土开裂概率增大的最主要因素。国内混凝土科研与应用技术水平已经很高,关键是如何管控好混凝土的施工与养护质量。阐述了高性能混凝土需要的水泥所应具备的基本性能及中国水泥混凝土工业的强国之路。


我国经济发展经历了20多年的高速增长,开始步入增长缓速稳定的新常态。新常态下,经济增长下行,水泥产能过剩加剧,产品需求萎缩,竞争非常激烈,企业利润大幅降低。水泥行业也在从过往的以速度和增量为主导,转向以创新提升、提高资源能源利用率,提高品种质量和效益为发展主旋律的新阶段。针对水泥产品淘汰落后产能、标准创新问题,中国建材联合会乔龙德会长在西北地区水泥市场高层论坛会上强调[1],对取消32.5水泥的工作分为调整税率、扩大范围和取消标准三步实施,即第一步把PC32.5的税收补贴调整到42.5水泥的税收补贴中;第二步要扩大到取消32.5R水泥,从政策上全面取消32.5的税收补贴;第三步在征得国家标委会、住建部同意的基础上,从标准上取消32.5等级水泥。目前,依据通用硅酸盐水泥GB175-2007 ,水泥产品有32.5级、42.5级、52.5级、62.5级四个强度等级,按混合材料的品种和掺量分为硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥和复合硅酸盐水泥六个品种。据笔者预计,32.5等级水泥市场销售量(容量)目前约为全国水泥总产量24亿吨水泥的40%,也就是在10亿吨/年左右。取消32.5等级水泥对混凝土产业特别是高性能混凝土产业有没有影响?当代混凝土结构的普遍裂缝现象与水泥质量到底是怎么样的关系?中国水泥混凝土工业的强国之路在哪里?这些问题都值得我们建材人去深入探讨。


1  明确62.5等级以上水泥没有必要规模化生产


我国东部、中部大中小城市商品预拌混凝土的普及率已经很高,使用的水泥品种主要为P.O42.5等级;高标号商品混凝土及预制构件混凝土C50-C120等级,主要使用52.5等级水泥。从混凝土科学的角度和混凝土减水剂的角度看,42.5等级和52.5等级的水泥已经足够满足国家建设的需要,目前世界上在具体工程上已经实现应用的混凝土标号为C10-C120。2014年,上海建工材料公司成功将C100高强高性能混凝土泵送至上海中心大厦620米新高度,创造了混凝土超高泵送新的世界纪录。同时,中国建筑总公司广州东塔项目部也联合混凝土专家在东塔实验泵送了C120的超高强度绿色多功能混凝土,成功将这种混凝土从首层泵送至东塔塔顶510米的高度;2015年7月,中建一局联合三一重工、清华大学建材研究所等单位依托深圳平安金融中心成功试验了C100高强高性能混凝土可泵送至1000米的高度,这些都标志着上海建工和中国建筑总公司乃至中国的混凝土技术已经达到国际一流水平。无论C100还是C120高性能混凝土,使用52.5等级水泥足够可以胜任,另外还有混凝土掺合料(粉煤灰、矿渣微粉及硅灰)和高效高性能的减水剂(萘系和脂肪族减水剂的减水率可达15%-25%;氨基磺酸盐减水剂减水率可达25%-30%;聚羧酸减水剂的减水率可以达到30%-35%)起重要作用,水泥只是水泥基混凝土的一个重要原料。62.5等级以上水泥有名无大的市场,是必然的客观事实。但为了水泥标准的先进性,建议保留62.5等级水泥品种。


2  32.5等级水泥的去与留


2.1 32.5等级水泥市场在哪里


32.5等级水泥的市场:农村和中小规模乡镇房屋及道路的建设,生产C10-C40等级的现场搅拌混凝土和现场搅拌抹面砂浆和砌筑砂浆;城市用建筑砂浆,包括预拌砂浆或干混砂浆;城市或农村小规模的装饰装修用水泥。


大中小城市商品预拌混凝土搅拌站,当然可以使用32.5级水泥来生产C10-C30混凝土,但是在市场经济高度行业竞争的今天,企业家都是需要算经济帐的。全国各地原材料包括水泥、砂(河砂及机制砂)、碎石、粉煤灰、矿粉及混凝土外加剂等原料价格差异较大,同一标号混凝土单方成本差异也较大,务必需要使用当地生产的42.5级和32.5级水泥同条件试验混凝土性能并比较单方混凝土生产成本,根据性价比和混凝土施工性能来确定最佳配合比。同一标号C10-C30混凝土,有的区域使用32.5等级水泥更经济,有的区域使用42.5等级水泥可能更经济,即使相差2元/m3的原材料成本也很可观。使用32.5级水泥生产C10-C30商品混凝土,由于该水泥混合材较多而成份复杂,其与混凝土外加剂的适应性问题更难调整,给商品混凝土生产企业带来生产质量控制难度的增大和成本上升。一般说来,根据单方混凝土中胶凝材料的多寡,针对C30-C50混凝土,使用42.5等级水泥生产的混凝土单方成本更具有优势;针对C50-C100混凝土,使用52.5等级水泥生产的混凝土单方成本更具有优势。经过多地调研,目前国内市场上商品混凝土生产企业很少使用32.5等级水泥来生产商品混凝土。为加快推广应用高性能混凝土,住房和城乡建设部和工业和信息化部联合发文(建标[2014]117号)“住房城乡建设部工业和信息化部关于推广应用高性能混凝土的若干意见”,文件要求:“十三五”末,C35及以上强度等级的混凝土占预拌混凝土总量50%以上。这就意谓着32.5等级的水泥今后更没有在商品混凝土行业存在大量利用的可能性。


2.2 取消32.5强度等级的水泥,市场如何应对


农村和中小规模乡镇的建设,生产C10-C40等级的现场搅拌混凝土和现场搅拌抹面砂浆和砌筑砂浆,42.5等级水泥代替32.5等级水泥的结果是,要么适当减少水泥用量,要么提高了混凝土的强度等级,农村房屋寿命延长,更加坚固,特别是对地震多发地区更加有利。城市砂浆,包括预拌砂浆或干混砂浆的市场,使用42.5等级水泥代替32.5等级水泥,水泥用量可降低,但掺合料(粉煤灰或石粉)用量增加,技术上操作不存在问题。城市或农村小规模的装饰装修,42.5等级水泥代替了32.5等级水泥,利弊均有。JG/T486-2015《混凝土用复合掺合料》建筑工业行业产品标准自2016年4月1日起在全国实施,更是为大中小型水泥粉磨站企业提供了难得的发展机遇,混凝土用复合掺合料也可供应给农村城建市场。


2.3 建议32.5等级水泥可以转为普通砂浆(抹面砂浆和砌筑砂浆)专用水泥


如果国家层面一定要取消32.5等级水泥,笔者建议:可以把32.5等级水泥转变成普通砂浆专用水泥在市场上存在,既然是普通砂浆专用水泥,就必须专用于生产普通砂浆。把普通砂浆专用水泥列为特种水泥品种。这样,普通砂浆专用水泥仍然可以大量消纳低品位工业废渣,让它继续为环保产业做贡献。


3  混凝土掺合料工业的兴起


高性能混凝土最主要的特点之一是混凝土掺合料成为必需组分。用于水泥和混凝土中的粉煤灰GB/T1596-2005、用于水泥和混凝土中的粒化高炉矿渣粉GB/T18046-2008、石灰石粉在混凝土中应用技术规程JGJ/T 318-2014、用于水泥和混凝土中的粒化电炉磷渣粉GB/T 26751-2011、用于水泥和混凝土中的钢渣粉GB/T 20491-2006、 用于水泥和混凝土中的锂渣粉YB/T 4230-2010及混凝土用复合掺合料JG/T486-2015等国家或行业标准为混凝土掺合料工业提供了机遇,混凝土掺合料的生产,仍然是建材工业中的大中小水泥粉磨站来生产,来供应市场。混凝土掺合料实际上已经是资源型产业,前途光明。


4  现代混凝土的普遍裂缝现象与水泥质量的关系


张大康高级工程师[2]认为:中国半个世纪以来,水泥熟料中C3S含量在增加、水泥强度在增加、水泥细度变细、碱含量增加,同时混凝土的开裂也普遍的增加,混凝土耐久性下降。工程实践中,特别是当代混凝土产生裂缝的原因很多,有变形引起的裂缝,如温度变化、收缩、膨胀、不均匀沉陷等原因引起的裂缝;有外载作用引起的裂缝;有施工马虎、养护措施不当和化学作用引起的裂缝等等,本文不再赘述。近20多年来,中国土木工程建设需要的混凝土标号从C20-C40等级提高到了C30-C100等级,中国的摩天大楼数量将稳居世界第一。水泥标号提高是市场的需要,提高水泥标号意味着熟料C3S含量相对增加、水泥早期强度增加、水泥磨得相对更细。水泥是水泥基混凝土的一个重要原材料,并对混凝土抗压强度起主要作用,水泥基浆体在硬化过程中的化学收缩是其本身特性,水泥细度变细会导致水泥基浆体在早期塑性阶段收缩加大、水化反应加速、早期水化热增大,因此,混凝土裂缝概率增加是必然。《高性能混凝土应用技术指南》指出[3]:硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥的比表面积不宜大于350m2/Kg。尽管如此,人类依然可以发挥主观能动性,控制混凝土裂缝的关键还是要依靠人的因素[4]。全国有上百名混凝土科学家,有数万名混凝土专业工程师,全世界混凝土科研及应用论文已经发表数十万篇,但是混凝土裂缝问题依然十分普遍。笔者认为:关键的关键还是混凝土的施工管控和养护没有得到足够的重视,高素质高度责任心的混凝土工人变得越来越屈指可数。这里列举出新旧混凝土施工方法的对比。


旧建筑施工方法:混凝土现场搅拌,人工半机械化搬运,混凝土砂率相对低,混凝土坍落度较小,一般入模坍落度30-90mm,施工仔细认真,混凝土很少有裂缝,结构耐久。


新建筑施工方法:商品预拌混凝土,机械化运输,混凝土泵送施工,混凝土砂率高,水泥基浆体丰富,混凝土坍落度大,一般入模坍落度160-220mm,施工快,混凝土抹面工序操作马虎,养护差,裂缝多,混凝土裂缝现象已经司空见惯。


问题的症结:混凝土科研与应用技术进步很快,关键是混凝土的施工管控与养护作业跟不上,建筑工人素质跟不上,责任心缺乏。需要强调,普通型泵送混凝土入模板施工的黄金坍落度为140-160mm,如钢筋特别密集,可减小碎石粒径,适当增加坍落度到180-200mm。入模坍落度从140mm到220mm,特别是混凝土的现浇墙板,混凝土收缩裂缝出现的概率可从30%提高到90%。混凝土面层的裂缝,通过混凝土终凝前多次抹面、及时塑料布覆盖、终凝后的保湿养护充分,完全可以大幅度降低混凝土开裂的概率。混凝土墙板的裂缝,可以通过降低入模坍落度,混凝土中加入聚丙烯纤维,降低施工速度,加强振捣,及早浇水保湿养护等办法来降低开裂概率。


提高钢筋混凝土结构耐久性的关键是减少结构混凝土裂缝,减少混凝土裂缝的关键是在混凝土施工和养护上多下功夫,提高工人责任心比什么都重要。混凝土不可能是十全十美的材料,从原材料到配合比设计,从搅拌运输到泵送施工,从振捣抹面作业到保湿养护,每一步都要操心、用心、精心,才可以切实减少混凝土开裂,最后再通过混凝土的裂缝修补措施,从而提高钢筋混凝土结构的耐久性。


中央城市工作会议提出力争10年左右的时间“装配式建筑占新建建筑比例达到30%”,装配式建筑是指把传统建造方式中的大量现场作业工作转移到工厂进行,在工厂加工制作好建筑用构件和配件(如楼板、墙板、楼梯、阳台等),运输到建筑施工现场,通过可靠的连接方式在现场装配安装而成的建筑。大力发展装配式建筑,为混凝土预制构件企业的发展提供良好的机遇,混凝土构件工厂化预制,更是要求混凝土要尽量早强高强快凝,加快模板周转周期,也要求我们水泥产品一定要在42.5等级以上,由于这种施工方式的混凝土坍落度相对较小,也有利于减少混凝土构件裂缝概率。


5  高性能混凝土需要什么样的水泥


20多年来,随着预拌混凝土产业的兴起,高性能混凝土在我国的工业与民用建筑、水利大坝、铁路、高速公路桥梁、海洋工程、核电站工程等领域得到了广泛的应用。高性能混凝土需要的水泥所应具备的基本性能应如下:


(1)水泥的标准稠度用水量尽量小,一般控制在25%-28%之间;


(2)水泥品质稳定,强度波动小,水泥早后期强度增长稳定;


(3)水泥助磨剂掺量参照国外同类产品,一般控制在0.1%及以下,对混凝土外加剂的作用和影响小;


(4)水泥标号应在42.5等级、52.5等级;


(5)不建议使用矿渣硅酸盐水泥,特别是高炉矿渣作为混合材和熟料一起粉磨生产的矿渣水泥,由于其中矿渣粒度粗,造成混凝土容易泌水,严重时混凝土容易离析,不利于混凝土的施工和质量。支持符合国家或行业标准的矿渣微粉做混凝土掺合料,在生产高性能混凝土时掺入,用以提高混凝土耐久性及降低混凝土成本;


(6)水泥细度不宜超过350m2/Kg;


(7)混合材品种及用量要满足国家标准要求,水泥粉体颜色均匀稳定。


(8)部分高性能混凝土需要特种水泥,如核电站用水泥、海工用水泥、大坝用水泥及早强快硬的硫铝酸盐水泥等。


6  中国水泥混凝土工业的强国之路


水泥产业是典型的传统制造业,目前国内还有3000家左右的水泥生产企业,面临转型和升级的重要任务。落后就要被淘汰,强者才可以生存于市场,这是市场竞争的规律。当前水泥年产24亿吨左右,行业大而不强,又面临资源、能源、环境的巨大压力。国家工信部作为行业主管部门,要鼓励、支持大水泥集团公司加快企业兼并重组的步伐,除西藏及少数偏远地区外,对于2500T/d以下的各类干法窑各地区要因地制宜制定淘汰时间表。国家质监和环境保护部门严格执法,坚决执行最新颁布的GB4915-2013《水泥工业大气污染物排放标准》和GB16780-2012《水泥单位产品能源消耗限额》标准,坚决关停淘汰一批落后产能。水泥工业首先治理好粉尘污染问题,然后考虑废气的脱硝、脱硫,最后考虑CO2的扑捉、收集、净化、回收利用;加大力度研究建筑废弃物的回收利用、特种水泥研究及应用、特种混凝土研究及工程应用、水泥窑热能回收高效利用及混凝土修补材料等。水泥及混凝土工业,理应是环境友好型企业,不仅不应造成环境污染,通过处置消纳工业废渣、废弃危险品、城市生活垃圾、污泥等社会公益行为,成为环保产业中的重要成员。希望我国有社会作为和影响力的大水泥集团公司加强自己企业的科技创新,从装备一流、工艺先进、智能化控制、环保突出、高效节能到绿色发展等领域赶超世界先进水平。水泥工业通过科技创新、完善产业链发展(从矿山骨料-熟料基地-粉磨站-预拌商品混凝土-预制建筑混凝土构件-绿色建筑),完全可以为人类环保事业作出更大的贡献,我国的水泥及混凝土工业也完全可以实现强大之梦、绿色之梦。


参考文献:


[1] 《乔龙德:坚持长期健康发展和近期稳定行业效益相结合》.中国水泥协会.2015.06.01


[2]张大康。对半个世纪水泥质量发展道路的反思Ⅰ[J].水泥.2015.05


[3]建设部标准定额司,工信部原材料司编。 高性能混凝土应用技术指南[M].中国建筑工业出版社。2015年1月.


[4]张伟 ,徐世君 ,崔玉理. 混凝土裂缝控制的关键因素是人[J].商品混凝土.2014.07.

 
 
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