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從高性能混凝土的技術需求談水泥産品結構調整

發布日期:2016-06-04


來源:臨沂大學建築學院    發布時間:2016年04月18日
摘要:

水泥工業通過科技創新、完善産業鏈發展(從礦山骨料-熟料基地-粉磨站-預拌商品混凝土-預制建築混凝土構件-綠色建築),完全可以爲人類環保事業作出更大的貢獻,我國的水泥及混凝土工業也完全可以實現強大之夢、綠色之夢。

   【摘要】論述了水泥産品結構調整的方向,42.5、52.5等級水泥應是中國水泥産品的主流。水泥強度等級的相對提高、熟料中C3S含量的相對增加、細度的相對提高(爲了早強)是市場的需求,並不是造成混凝土開裂概率增大的最主要因素。國內混凝土科研與應用技術水平已經很高,關鍵是如何管控好混凝土的施工與養護質量。闡述了高性能混凝土需要的水泥所應具備的基本性能及中國水泥混凝土工業的強國之路。 

  【關鍵詞】水泥強度等級;水泥品質;混凝土裂縫;結構調整;水泥混凝土強國 
  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 
  我國東部、中部大中小城市商品預拌混凝土的普及率已經很高,使用的水泥品種主要爲P.O42.5等級;高標號商品混凝土及預制構件混凝土C50-C120等級,主要使用52.5等級水泥。從混凝土科學的角度和混凝土減水劑的角度看,42.5等級和52.5等級的水泥已經足夠滿足國家建設的需要,目前世界上在具體工程上已經實現應用的混凝土標號爲C10-C120。2014年,上海建工材料公司成功將C100高強高性能混凝土泵送至上海中心大廈620米新高度,創造了混凝土超高泵送新的世界紀錄。同時,中國建築總公司廣州東塔項目部也聯合混凝土專家在東塔實驗泵送了C120的超高強度綠色多功能混凝土,成功將這種混凝土從首層泵送至東塔塔頂510米的高度;2015年7月,中建一局聯合三一重工、清華大學建材研究所等單位依托深圳平安金融中心成功試驗了C100高強高性能混凝土可泵送至1000米的高度,這些都標志著上海建工和中國建築總公司乃至中國的混凝土技術已經達到國際一流水平。無論C100還是C120高性能混凝土,使用52.5等級水泥足夠可以勝任,另外還有混凝土摻合料(粉煤灰、礦渣微粉及矽灰)和高效高性能的減水劑(萘系和脂肪族減水劑的減水率可達15%-25%;氨基磺酸鹽減水劑減水率可達25%-30%;聚羧酸減水劑的減水率可以達到30%-35%)起重要作用,水泥只是水泥基混凝土的一個重要原料。62.5等級以上水泥有名無大的市場,是必然的客觀事實。但爲了水泥標准的先進性,建議保留62.5等級水泥品種。 
       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等級水泥的市場:農村和中小規模鄉鎮房屋及道路的建設,生産C10-C40等級的現場攪拌混凝土和現場攪拌抹面砂漿和砌築砂漿;城市用建築砂漿,包括預拌砂漿或幹混砂漿;城市或農村小規模的裝飾裝修用水泥。 
  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質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》建筑工业行业産品標准自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 
  如果國家層面一定要取消32.5等級水泥,筆者建議:可以把32.5等級水泥轉變成普通砂漿專用水泥在市場上存在,既然是普通砂漿專用水泥,就必須專用于生産普通砂漿。把普通砂漿專用水泥列爲特種水泥品種。這樣,普通砂漿專用水泥仍然可以大量消納低品位工業廢渣,讓它繼續爲環保産業做貢獻。 
       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 
  張大康高級工程師[2]認爲:中國半個世紀以來,水泥熟料中C3S含量在增加、水泥強度在增加、水泥細度變細、堿含量增加,同時混凝土的開裂也普遍的增加,混凝土耐久性下降。工程實踐中,特別是當代混凝土産生裂縫的原因很多,有變形引起的裂縫,如溫度變化、收縮、膨脹、不均勻沈陷等原因引起的裂縫;有外載作用引起的裂縫;有施工馬虎、養護措施不當和化學作用引起的裂縫等等,本文不再贅述。近20多年來,中國土木工程建設需要的混凝土標號從C20-C40等級提高到了C30-C100等級,中國的摩天大樓數量將穩居世界第一。水泥標號提高是市場的需要,提高水泥標號意味著熟料C3S含量相對增加、水泥早期強度增加、水泥磨得相對更細。水泥是水泥基混凝土的一個重要原材料,並對混凝土抗壓強度起主要作用,水泥基漿體在硬化過程中的化學收縮是其本身特性,水泥細度變細會導致水泥基漿體在早期塑性階段收縮加大、水化反應加速、早期水化熱增大,因此,混凝土裂縫概率增加是必然。《高性能混凝土應用技術指南》指出[3]:矽酸鹽水泥和普通矽酸鹽水泥的比表面積不宜大于350m2/Kg。盡管如此,人類依然可以發揮主觀能動性,控制混凝土裂縫的關鍵還是要依靠人的因素[4]。全國有上百名混凝土科學家,有數萬名混凝土專業工程師,全世界混凝土科研及應用論文已經發表數十萬篇,但是混凝土裂縫問題依然十分普遍。筆者認爲:關鍵的關鍵還是混凝土的施工管控和養護沒有得到足夠的重視,高素質高度責任心的混凝土工人變得越來越屈指可數。這裏列舉出新舊混凝土施工方法的對比。 
  舊建築施工方法:混凝土現場攪拌,人工半機械化搬運,混凝土砂率相對低,混凝土坍落度較小,一般入模坍落度30-90mm,施工仔細認真,混凝土很少有裂縫,結構耐久。 
  新建築施工方法:商品預拌混凝土,機械化運輸,混凝土泵送施工,混凝土砂率高,水泥基漿體豐富,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馬虎,養護差,裂縫多,混凝土裂縫現象已經司空見慣。 
  問題的症結:混凝土科研與應用技術進步很快,關鍵是混凝土的施工管控與養護作業跟不上,建築工人素質跟不上,責任心缺乏。需要強調,普通型泵送混凝土入模板施工的黃金坍落度爲140-160mm,如鋼筋特別密集,可減小碎石粒徑,適當增加坍落度到180-200mm。入模坍落度從140mm到220mm,特別是混凝土的現澆牆板,混凝土收縮裂縫出現的概率可從30%提高到90%。混凝土面層的裂縫,通過混凝土終凝前多次抹面、及時塑料布覆蓋、終凝後的保濕養護充分,完全可以大幅度降低混凝土開裂的概率。混凝土牆板的裂縫,可以通過降低入模坍落度,混凝土中加入聚丙烯纖維,降低施工速度,加強振搗,及早澆水保濕養護等辦法來降低開裂概率。 
  提高鋼筋混凝土結構耐久性的關鍵是減少結構混凝土裂縫,減少混凝土裂縫的關鍵是在混凝土施工和養護上多下功夫,提高工人責任心比什麽都重要。混凝土不可能是十全十美的材料,從原材料到配合比設計,從攪拌運輸到泵送施工,從振搗抹面作業到保濕養護,每一步都要操心、用心、精心,才可以切實減少混凝土開裂,最後再通過混凝土的裂縫修補措施,從而提高鋼筋混凝土結構的耐久性。 
  中央城市工作會議提出力爭10年左右的時間“裝配式建築占新建建築比例達到30%”,裝配式建築是指把傳統建造方式中的大量現場作業工作轉移到工廠進行,在工廠加工制作好建築用構件和配件(如樓板、牆板、樓梯、陽台等),運輸到建築施工現場,通過可靠的連接方式在現場裝配安裝而成的建築。大力發展裝配式建築,爲混凝土預制構件企業的發展提供良好的機遇,混凝土構件工廠化預制,更是要求混凝土要盡量早強高強快凝,加快模板周轉周期,也要求我們水泥産品一定要在42.5等級以上,由于這種施工方式的混凝土坍落度相對較小,也有利于減少混凝土構件裂縫概率。 
       5  高性能混凝土需要什么样的水泥 
  20多年來,隨著預拌混凝土産業的興起,高性能混凝土在我國的工業與民用建築、水利大壩、鐵路、高速公路橋梁、海洋工程、核電站工程等領域得到了廣泛的應用。高性能混凝土需要的水泥所應具備的基本性能應如下: 
  (1)水泥的標准稠度用水量盡量小,一般控制在25%-28%之間; 
  (2)水泥品質穩定,強度波動小,水泥早後期強度增長穩定; 
  (3)水泥助磨劑摻量參照國外同類産品,一般控制在0.1%及以下,對混凝土外加劑的作用和影響小; 
  (4)水泥標號應在42.5等級、52.5等級; 
  (5)不建議使用礦渣矽酸鹽水泥,特別是高爐礦渣作爲混合材和熟料一起粉磨生産的礦渣水泥,由于其中礦渣粒度粗,造成混凝土容易泌水,嚴重時混凝土容易離析,不利于混凝土的施工和質量。支持符合國家或行業標准的礦渣微粉做混凝土摻合料,在生産高性能混凝土時摻入,用以提高混凝土耐久性及降低混凝土成本; 
  (6)水泥細度不宜超過350m2/Kg; 
  (7)混合材品種及用量要滿足國家標准要求,水泥粉體顔色均勻穩定。 
  (8)部分高性能混凝土需要特種水泥,如核電站用水泥、海工用水泥、大壩用水泥及早強快硬的硫鋁酸鹽水泥等。 
       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應用、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。水泥工業通過科技創新、完善産業鏈發展(從礦山骨料-熟料基地-粉磨站-預拌商品混凝土-預制建築混凝土構件-綠色建築),完全可以爲人類環保事業作出更大的貢獻,我國的水泥及混凝土工業也完全可以實現強大之夢、綠色之夢。 
       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]張大康。對半個世紀水泥質量發展道路的反思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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