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论我国通用水泥产品及等级发展趋势

放大字体  缩小字体 发布日期:2014-09-11  来源:中国混凝土网  作者:湖南省建筑材料行业管理办公室 丁美荣
核心提示:长期以来, 通用水泥产品结构调整过多期待或片面强调提高42.5及以上水泥比例,甚至将其作为唯一指标,其指导思想是否需要反思、完善乃至修正?如何科学表达或准确描述通用水泥产品结构调整方向与目标?作者结合目前正在编制“十三五”水泥工业发展规划与结构调整方案,提出了一些思考与建议,与业内人士交流探讨,以进一步厘清通用水泥产品开发方向与指导思想,促进水泥工业持续健康发展。

目前砼早期开裂、耐久性变差的问题突岀而普遍存在。因此,采取得力措施推广高性能砼及高性能水泥显得非常迫切与重要。为推进高性能硅酸盐水泥开发应用,水泥企业如何主动应对? 推广高性能砼可否理解成推广高强砼及高标号水泥? 如何提高高标号水泥适应性与竞争力?如何满足工程用户个化性、差异化要求?长期以来, 通用水泥产品结构调整过多期待或片面强调提高42.5及以上水泥比例,甚至将其作为唯一指标,其指导思想是否需要反思、完善乃至修正?如何科学表达或准确描述通用水泥产品结构调整方向与目标?作者结合目前正在编制“十三五”水泥工业发展规划与结构调整方案,提出了一些思考与建议,与业内人士交流探讨,以进一步厘清通用水泥产品开发方向与指导思想,促进水泥工业持续健康发展。


1、目前对水泥及砼质量的认识误区


1.1认为早强及28天强度越高水泥质量越好


水泥胶砂强度高是水泥实物质量一方面的体现,却不是混凝土质量的唯一保证。部分施工单位与人士误认为:水泥的早期及28天强度越高,混凝土强度增进越快,其质量越有保证;水泥早强越高,施工周期可以加快与节约成本。水泥企业受片面导向及传统认识的影响,或为了迎合施工单位的不合理需求,对水泥胶砂强度的追求已远超出标准要求,早强与高强被视为优质水泥的唯一要求。正是这种对优质水泥的片面认识严重误导着水泥企业,给水泥生产与砼工程带来了一系列的严重问题,熟料中C3S 、C3A过高,水泥细度更细,不仅增加了能耗及排放。导致更突岀的问题是:高强早强水泥是造成混凝土温升大、结构应力增大、早期开裂增多与耐久性变差的主要原因。


1.2过分期待符合标准要求的水泥产品对混凝土性能的影响


由于历史与体制的原因,水泥和混凝土分属两个行业,导致生产者和使用者缺乏充分沟通、了解,以至于互相误导甚至排斥。突出表现在:过分期待水泥能满足工程的全部要求或主导混凝土的功能,混凝土一旦出现质量问题,便主观或潜意识地推断是水泥质量问题引起的,较少全面系统查找影响混凝土质量的其它原因。


首先,水泥生产和应用双方要多了解对方的相关知识。水泥是半成品,混凝土及其制品是成品,相关水泥标准所列技术指标只是其基本要求与保证,而不是对优质水泥的要求标准。对水泥生产者的要求是,水泥品质的优劣应从其配制现代混凝土的性能要求来衡量。对混凝土制造商的要求是,应提高其技术和管理水平,优化砼配比及原料,强化施工过程控制等。生产方应考虑混凝土综合性能的要求提供合适及差异化的产品,使用方应根据混凝土工程的特点、环境及施工条件,考虑到不同种类和品种的水泥具有不同的性能和用途,选择满足要求的相应产品。不少人士错误地理解为:高性能硅酸盐水泥就是高标号水泥,继而错误地认为推广高性能砼就是推广高强砼与高标号水泥。


2、高性能混凝土的定义与影响砼耐久性的主要因素


2.1高性能混凝土的科学定义


能更好地满足结构功能要求和施工工艺要求的砼,能最大限度地延长混凝土结构的使用年限。有以下特点:1)高性能砼具有一定的强度和高抗渗能力,但不一定具有高强度,中、低强度亦可。2)具有良好的工作性,砼拌和物应具有较高的流动性,成型过程中不分层、不离析 ;泵送混凝土、自密实混凝土还具有良好的可泵性、自密实性能。3)高性能砼的使用寿命长,对于一些工程,控制结构设计的不是砼的强度,而是耐久性。砼结构能安全可靠地工作50~100年以上,是高性能砼应用的主要目的。4)具有较高的体积稳定性,即砼硬化早期具有较低的水化热,硬化后期具有较小的收缩变形。


2.2影响混凝土耐久性的主要因素与措施


影响混凝土质量及耐久性的因素很多,首先,从混凝土的制造来分析,主要包括配合比设计、原材料质量、施工工艺及环境条件、制作过程控制条件和后期使用维护管理等。其次,体制的原因,如短期行为严重及规划设计要求低,建筑物的使用与未到使用寿命的拆建, 偷工减料及盲目降低成本,加上监管和信用缺失等方面问题。建设工程各个环节均有相应验收程序、验收标准与规范, 将国内建筑质量及耐久性问题简单地归咎于水泥质量及32.5水泥是极不客观的,纯属主观臆断。JGJ55-2011《普通混凝土配合比设计规程》强调应满足耐久性要求是本次修订内容的重点之一。


现代混凝土科技与大量而普遍的工程均表明:32.5级水泥完全可配制高性能砼,目前提高砼耐久性及长期性能的主要途径有:最大限度地降低其水胶比;使用有机外加剂和矿物掺合料;提高砼的长龄期强度及致密性;改善水泥水化产物的组成;其中,通过减少水灰比的方法更为科学和经济。


因此,在实际应用中,配制高强度等级的砼应选用强度等级高的水泥,配制低强度等级砼,则应选用强度等级低的水泥。选择保水性较好的水泥,配制砼时有利于减少内部的泌水腔和表面的泌水层,改善混凝土的界面结构与表面硬度,可提高砼的匀质性、强度及耐久性能。目前用户重点关注是水泥的匀质性、适应性与施工性能,近二十年水泥混凝土技术进步的重要体现之一是高性能外加剂的应用。


3、目前国内外混凝土面临的突岀问题


我国着名混凝土学者—清华大学廉慧珍教授最近向业界推荐了《我们是否误入了歧途—混凝土开裂观察与思考》(美国学者R.W.burrows在ASTM CO的报告摘要,刊发在《水泥标准化技术通讯》2014.1期),其核心观点与论述摘要如下:“混凝土开裂情况比50年前更加严重。其原因有二种,一是使用的水泥过量,二是波特兰水泥变得更易开裂。过分强调高强早强与低渗透性的重要性而导致现代砼容易开裂,这根本不是进步。当砼最低强度由21MPa提高到28MPa,桥面开裂概率从11%增加到29%~52%。”


该报告很有针对性,对目前我国水泥工业如何提升产品技术指标与性能, 如何优化并厘清通用硅酸盐水泥开发方向等方面,满足高性能砼的要求,具有重要参考价值,更具现实意义。目前国内混凝土早期开裂、强度倒缩等导致砼耐久性差的问题非常普遍,造成了巨大的经济及投资损失。其主要原因恰恰是更多地与使用普通水泥等早强高强水泥有关,也是导致砼工程质量问题、纠纷越来越多越严重的主要因素。


4、国内外水泥标准及体系、产品结构对比分析


绝大多数国家的水泥标准已采用ISO标准体系, 我国现行通用水泥标准系非等效采用欧洲标准EN-197,主要内容与其大体一致。EN197-1只包括通用水泥,设置了CEM II波特兰-复合水泥和CEM V复合水泥,分32.5、42.5、52.5三个等级;同一等级的早强指标相同,28天强度指标与强度等级一致,还规定了强度值上限;EN197-2只包括特种水泥。欧洲标准化委员会水泥与建筑石灰技术委员会(CEN/TC51)与国际标准化组织水泥技术委员会(ISO/TC74)秘书处系一套班子二块牌子。美国标准按水泥的特性和掺加混合材种类分类命名,通用水泥分别包括在ASTMC150《波特兰水泥》和ASTMC595《混合水硬性水泥》中;ASTMC1157《水硬性水泥的标准性能规范》规定通用水泥的3d和7d强度分别不得大于20 MPa和30MPa,这有利于控制砼早期水化热和强度发展,减少砼开裂现象。日本JISR5210《波特兰水泥》涵盖了绝大部分通用水泥和部分特种水泥。值得关注的是,上述国家并未有“普通硅酸盐水泥”这一名称。


水泥组分是水泥品种的基本界定条件,中欧水泥标准规定的混合材品种较多。欧洲标准混合材允许掺量最大,总量最高达80%,而中国、日本、美国均为70%。我国关于组分的测定,与ASTM C1157的一致,由生产者检测或选择准确度更高的方法进行。


5、国内外通用水泥品种发展趋势与混合材种类、掺量特点分析


国际能源机构(IEA)和水泥工业可持续发展促进委员会(CSI)等拟定的《2050世界水泥工业发展技术路线图》中,提出了通用水泥发展最重要的方向是由生产普通波特兰水泥(OPC)转向生产混合(复合)水泥,其重点是研究采用具有水硬性或胶凝性潜质的各种工业废料,生产混合水泥,用混合材替代部分熟料。因此,增加混合(复合)水泥产量是发展趋势。我国己投入大量科技经费,如国家“973”和“863”重点科技计划,用以研究低熟料用量的高性能水泥与混凝土。掺两种(含)以上混合材有利于改善颗粒级配、形貌和互补、叠加效应,且有利于选用混合材,降低成本,尤其掺有矿渣类材料的复合水泥, 综合提升了性能,有利于改善砼工程耐久性, 具有制造过程的经济性和环保性,具有和易性好的施工性能和水化热低的优点,是其产销量高的主要原因。据测算,每增加1%的混合材掺量,吨水泥CO2排放量可减少8kg,每万吨水泥NOX排放量减少180-210 kg。


GB175对各等级品种水泥规定了基本相同的技术要求,以湖南省为例,粉煤灰、煅烧煤矸石(含石煤渣、炉渣)、冶炼废渣、石灰石四大类基本能涵盖绝大多数混合材品种。单掺一种混合材的粉煤灰、火山灰质及矿渣水泥(矿渣水泥允许用不超过8%的其它混合材代替),由于其性能限制及用户习惯、混合材选用局限与市场不接受等原因,生产矿渣水泥也很不经济, 所以上述三个品种国内产销量极少,湖南省基本上没有。目前国内42.5、32.5水泥基本上是双掺或多掺(2种以上)混合材,仅32.5级水泥其石灰石掺量普遍达10%-22%左右,既优化了产品性能,又降低了成本。水泥生产采用双掺或多掺混合材(即复合水泥)既是普遍状况,也是发展趋势;众所周知,所有产品都有系列、等级,以满足用户需求,避免产品质量的过剩或不足。各水泥品种、等级产品及比例是市场需求选择及我国国情决定的,如果标准所定级别及品种等不齐全、不完整与混合材掺加品种、掺量规定脱离实际生产应用状况,会造成标准可操作性差,实施困难,难以指导生产应用,且对生产应用带来巨大负面影响,水泥企业尤其小企业乱掺混合材现象将更严重。水泥企业必须严格执行标准并强化监管,按要求控制混合材质量,为用户提供准确的混合材品种、掺量等信息。


6、高性能硅酸盐水泥开发方向与提高通用水泥适应性的措施


水泥是很特殊的半成品,现行标准是以3天和28天强度判定水泥等级标号;以P.O 42.5为例,其90天、180天、360天等长龄期强度平均值分别约为60、65及67MPa,而高C2S、低 C3A组成为特征的高性能水泥对应的长龄期强度分别可达68、76及80MPa甚至更高。从绝大多数建(构)筑物及高性能砼的最终目标要求岀发,砼工程期望降低其水胶比,长龄期强度高,改进水泥熟料矿物组成及较低的水化热等性能,适中或较低的3天强度、适当的28天强度。


因此,建筑工程要重点推广以中、低热硅酸盐水泥为特征的高性能硅酸盐熟料及高性能砼技术,但现在绝大多数中、低热水泥仅在水电工程使用。为提高水泥特别是高标号水泥的适应性及竞争力,目前要在建筑工程尤其是大体积、结抅工程中,加大推广以较高的C2S、适中的C3S、低 C3A矿物组成的高性能硅酸盐熟料及其相应制备的并满足用户要求各级别水泥, 或在相关工程中突岀推广应用中、低热硅酸盐水泥等特种水泥。


建议在GB175中增列低水化热、长龄期强度高的相应品种,或参考EN 标准,增加部分通用水泥品种的水化热指标要求;强化差异化、个性化品种的生产供应。其高性能砼工程用水泥可由水泥企业依据用户要求配制,也可由有条件的工程用户及商砼站釆购纯硅水泥自行配制。有关权威专家指岀:我国标准与国际通行的标准理念差距较大,部分强制性条款范围偏宽,内容过细,缺乏包容性与足够自由度,不利于企业根据市场需求改进、开发产品或协啇补充条款;不能很好地引导技术进步,可操作性差,造成使用者不便,难以贯彻实施。


因此,为满足建筑工程对长龄期强度高、低水化热等高性能水泥或个性化的要求,提高水泥适应性与竞争力,鼓励并且今后应大力推行通过供需双方协商标准规定以外的技术要求指标,作为补充条款,并在采购合同中明确,或制订严于国标、行标的企业标准。


但目前面临的主要问题是:水泥企业若开发生产改进了部分性能或满足高性能砼工程所用的水泥,肯定会增加部分成本,即要提高售价,而工程单位往往因此不愿接受。因此,不仅要修订设计规范,同时要修订建筑定额、预算等。由于是用户选择材料及质量等级,推进应用规范与配套政策等修订是解决目前难题的突破口。


7、掺合料掺加方法的分析探讨


目前使用P.O 42.5配制每立方C30、C40砼普遍掺加100-160kg左右矿粉、粉煤灰、石灰石粉等掺合料(混合材粉),以到达降低成本、改善砼施工性能和耐久性等目的,也可在水泥生产过程中实现。使用量最大的C30普通混凝土中水泥熟料占比在0.5以下,不同强度的水泥很容易通过调整砼配比来制备不同标号的砼。


掺加掺合料有水泥厂、施工方两种方法(工序),各有利弊;水泥厂生产控制、管理体系等条件更完善,可确保配比更均匀,颗粒级配更合理,质量更有保障,结合我国国情与建材行业管理优势,很多专家认为将量大面广的混合材粉甚至部分外加剂更适宜在水泥厂掺加。通过强化购买方检测验收并加强监管, 满足用户对水泥强度等质量指标要求。但商砼站及工程方掺加最大好处是:便于调整砼性能,自由度更大,条件较好的商混站及工程现场也完全满足控制要求。因此,可根据用户要求与条件确定掺合料的掺入方式。但对于使用水泥超过总量一半的农村、城镇等,由于现场计量等设施及混合材粉资源、生产、专用车辆、储存等条件限制,就很难实施。若抛开市场需求因素,假如采取行政手段推广高标号水泥,极不利于广大农村和城镇市场应用。由于不便掺加掺合料,除将造成极大浪费外,引发的工程质量尤其是耐久性问题只会加剧,能耗肯定会非正常增加,对节能减排带来很大负面影响。施工方超量掺加或不便掺加掺合料更难监管,因为制成混凝土了,较难检测验收,滥掺现象会更严重。因此,要正确引导施工方合理地选择和使用水泥, 严格规范其掺加掺合料行为。


8、通用水泥产品及等级发展趋势


高性能砼不等同于高强砼,其科学定义也强调这点;推广应用高性能砼并不能理解成推广高强砼与高标号水泥,高性能砼不一定具有高强度。目前国内C40(含)以下砼约占全部砼的9-95%左右,32.5水泥完全可配制C40(含以下)砼和用于结构工程。我国农村、城镇等水泥用量约占一半以上,国内约60%-65%左右的水泥用于工程现场拌砼,加上应用标准等因素,是造成我国32.5级水泥占比高的主要原因。近几年有大企业针讨国内42.5水泥占比低的原因及对策,提岀了一些思考与建议。由于发达国家基本上是预拌砼,故42.5等高标号水泥应用比重大。仅通过修订生产领域标准,推广高标号水泥的作用及效果甚小。


我国人口基数大,人均收入远低于发达国家,但2013年总产量24.14亿吨,人均年耗水泥1.775吨(按可比水泥产量计,折算成42.5普通水泥,2013年可比总产量为21.87亿吨,人均年耗水泥也达1.61吨),远超发达国家高速发展时期人均年耗700kg左右的水平,除了大规模建设因素外,不科学、不合理地使用造成浪费也是原因之一。


目前特种水泥约占国内水泥总产量0.7%左右,我国今后除应大力发展特种水泥外,如何提升通用硅酸盐水泥性能,满足并适应推广高性能砼的要求,也非常重要。因此,通用水泥工业产品结构调整指导思想要相应完善修订,其通用水泥产品发展趋势及开发方向:重点围绕提高高性能硅酸盐熟料及其相应制备的各级别水泥(包括32.5级)的比例,符合或尽可能满足低水胶比、长龄期强度高和低水化热等要求,即满足或尽量满足配制高性能砼的要求,以达到改善砼开裂与耐久性,提高建(构)筑物使用期限,实现提质延寿减排的目的。


广大农村、城镇由于大多数水泥砼是现场拌制,所用水泥只能由水泥厂直接制备,故大多数是32.5等级。因此,预计今后很长时期水泥消费结构中32.5级水泥仍会占很大比重,但会逐年下降。因其用量大尤其部分大体积与结构工程,同样应关注并提高其适应性,改善耐久性,满足或部分满足配制高性砼的需要,提高建筑物寿命。由于涉及面广,必须推动差异化水泥产品的开发,改造优化水泥厂工艺条件及储存、均化、配制等设施,针对不同用户要求,配制相应要求的水泥产品,并研究制订配套政策、措施加以推进。


另一方面,城市应是推广高性能砼的重点,水泥工业要尽快采取措施主动应对,相应水泥企业要重点开发适应高性能砼要求的硅酸盐水泥辅以42.5普通水泥并尽快提高其比例。关健是通过应用要求、引导与倒逼, 只有修订设计规范和提高预拌砼等级及比例,才能有效调整提高水泥质量等级与推广高性能砼。


9、结语


1水泥工业应大力发展特种水泥,尤其是应用面可大为拓展的中、低热硅酸盐水泥。通用水泥产品发展趋势与指导思想:提高以较高C2S、适中C3S、低 C3A矿物组成的通用硅酸盐水泥熟料及其所配制的各级别水泥(包括32.5级)比例,满足配制高性能砼的要求,以改善砼开裂,提高建筑物寿命。


2推广高性能砼并不能简单地理解成推广高标号水泥。为加快推广高性能砼与调整水泥质量等级,目前应以城市作为重点,加快推进应用设计规范等修订与完善配套政策等措施。


3为提高水泥产品适应性,应大力推行供需双方协商标准规定以外的技术要求指标,作为补充条款,或制订严于国标的企业标准。


 
 
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