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关于提高水泥适应性与调整水泥砼产品结构的思考

作者:admin来源:中国水泥网 日期:2016-9-1 14:52:47 人气: 标签:

  通用水泥产品结构调整方向与指导思想是:提高以较高C2S、适中C3S、低 C3A矿物组成的高性能硅酸盐熟料及其所配制的各级别水泥的比例,以提高建筑物寿命。水泥工业应大力发展特种水泥,尤其是发展应用面可大为拓展的中、低热硅酸盐水泥。为加快推广高性能混凝土与调整水泥质量等级,关键是推进修订设计规范与完善应用政策措施。为提高水泥产品适应性,应鼓励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。

    0引言

    水泥只能做为原材料用于混凝土,是不可能脱离混凝土而单独存在的产品。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水泥砼及提高水泥产品适应性显得非常迫切与重要。长期以来, 水泥行业几乎将水泥质量与水泥强度、水泥活性与水泥强度等同,为适应现代混凝土技术发展趋势, 是否应当改变掺混合材只是为降低成本的观念?如何准确描述通用硅酸盐水泥开发方向?如何科学表达通用水泥及砼产品结构调整目标?如何提高水泥产品及标准适应性,满足工程用户个化性、差异化要求?提高水泥质量的方向及做法? 水泥企业如何主动应对?水泥标准应当用什么指导思想进行修订?为适应推广高性能水泥砼的要求,推动高性能硅酸盐水泥开发应用,作者提出了一些思考与建议,期望与业内人士探讨,以进一步厘清通用水泥及混凝土产品结构调整方向与指导思想, 促进水泥及砼业持续健康发展,加快推广高性能砼。

    1目前对水泥及砼质量的认识误区

    由于受一些传统观念、从众思维的影响,目前国内不少从业者对有关水泥砼强度、质量与掺和料的使用、现代混凝土技术对水泥质量的要求等方面,仍存在不少认识误区,并根深蒂固,对水泥及混凝土技术进步产生了很大负面影响。例如简单以强度高低作为水泥和混凝土“好”、“差”之分,“抗压强度高的混凝土,其它性能都好”;“早强高的水泥或砼是好的水泥或砼”;“强度第一,外加剂及掺和料已成为配制高性能混凝土必不可缺的重要组分,而不仅仅是降低成本。仍有部分水泥从业者将高性能硅酸盐水泥错误地理解为就是高标号水泥,继而误认为推广高性能砼就是推广高标号水泥与高强砼。目前国內砼搅拌站所用水硬性胶凝材料实质是经二次配料工序制备的,岀厂水泥标号是由熟料掺混合材、石膏配制的。如水泥与砼产业融合或条件具备,最终的砼产品中胶凝材料组分可在水泥厂一次配制。所以说,现阶段仅从利益岀发,不充分考虑应用条件而过分追求或片面推动岀厂水泥高强高标号化是另一个误区。

    水泥是半成品,混凝土及其制品是成品,水泥生产和应用双方要多了解对方的相关知识。水泥产品标准所定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及施工要求来衡量。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。

    2国内外混凝土面临的突岀问题及其影响因素

    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。其主要原因之一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。

    廉慧珍推荐了《我们是否误入了歧途-混凝土开裂观察与思考》,该文系美国学者R.W.burrows在ASTM CO的报告摘要, 其核心观点与论述:“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%”。

    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;提高砼长龄期强度及致密性;改善水泥水化产物的组成。廉慧珍指岀:强度高的水泥不一定配出好的砼,因为品质好的水泥除强度高外,在颗粒级配、泌水性、早期水化热、耐久性等方面也要有好的表现。宋少民提出:如果充分重视混凝土耐久性,配合比设计理念应该实现从“水胶比--强度的关系”转变到“单位体积用水量-耐久性关系”上来。

    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强度低及32.5级水泥应用量大是极不客观的。

    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內容的重点之一。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。

    目前用户重点关注水泥的匀质性、适应性与施工性能。刘娟红提出:应该重新认识混凝土中的粉体材料,不要认为低强度的胶凝材料不好;要从水胶比和强度的关系转化到用水量和耐久性的关系。目前机制砂较多,采用饱和面干的机理来进行配合比设计是比较合理的。高效外加剂和矿物掺和料的应用与发展是现代混凝土科学中最突出的成就。减水剂对改善混凝土的性能等方面起着极其重要的作用,低水胶比可以大幅提升混凝土强度。矿物掺和料的应用意义不仅是节约成本和环保,其更重要的是全面提高混凝土的各项性能。

    3 国内外通用水泥产品标准及体系、结构对比分析

    绝大多数国家水泥产品标准趋向一致,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。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;欧洲标准化委员会水泥与建筑石灰技术委员会,替代部分熟料。掺两种混合材,即绝大多数是复合水泥,湖南省42.5普通水泥占总产量不到5%。仅32.5级复合水泥其石灰石掺量普遍达10%-20%左右,既降低了成本,又优化了产品部分性能。水泥生产采用双掺或多掺混合材是普遍实际状况,也是发展趋势。但水泥企业应强化执行标准,按标准要求控制混合材质量与掺量,为用户提供准确的混合材品种、掺量等信息。目前绝大多数搅拌站是选购42.5等级水泥可配制砼,其砼中胶凝材料因大量加入掺和料实际将42.5水泥配制成32.5甚至是32.5以下水泥。

    近年来欧美日水泥工业主要采取的减排节能措施:显著减少了普通波特兰水泥产量,降低水泥产品中熟料的比例,目前欧洲波特兰复合水泥约占总产量的65%;应用替代燃、原料与协同处置技术;研发低碳长寿命水泥产品与可再生能源、可持续性、绿色低碳建筑及再生骨料、碳捕获及储存等产业化技术。

    5高性能硅酸盐水泥开发方向

    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天等长龄期平均强度分别约为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、节约电耗、细度变细、碱含量提高、出厂水泥温度提高、过分提高水泥强度和降低成本以及滥用混合材等因素,是影响水泥品质的主要原因。

    因此,建筑工程要重点推广以中低水化热、长龄期强度高为特征的高性能硅酸盐水泥,但现在绝大多数中、低热硅酸盐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工程中,加大开发生产以较高的C2S、适中C3S、低 C3A矿物组成的高性能硅酸盐熟料及其相应制备的各级别水泥, 或在相关工程中突岀推广应用中、低热等特种水泥。降低水泥早期水化速率和减小水泥化学收缩应是通用水泥质量发展方向修正的重要措施之一。

    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 、ASTM C 1157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。其高性能砼工程所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品砼搅拌站釆购硅酸盐水泥自行配制。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,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、应用规范,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,推进应用规范修订与配套政策措施等是解决目前难题的突破口。

    6提高水泥产品及标准适用性

    大力推行采用国际先进水平标准是我国重大技术政策,要求标准的制定与国际接轨。当前在建材标准制修订方面,贯彻执行标准制修订基本原则及国际惯例,如何提高标准的科学性、适用性与广泛参与度及协调统一显得尤为重要,更具现实意义。我国已加入WTO,国际标准都是推荐性的,有关部门与专家指岀我国产品标准制修订仍存在以下问题:受传统行政体制与思想的惯性影响,标准还带有计划经济的色彩,出现了强制性范围偏宽、内容过细、不合理等问题。与国际通行的标准理念、内容差距较大,缺乏包容性,不利于改进、开发产品,适用性较差。另外我国原材料产品标准基本上是生产型标准,产品一般都使用代用质量特性指标,反映产品真正质量的特征指标,在生产过程与产品岀厂中由于较难直接测定及界定,而没有相关技术要求。

    市场需求是引导制定标准的最主要依据之一,产品类标准主要作用与目的:提高产品及服务的适用性,增强可操作性和有效性,促进技术进步、公平贸易与合理利用资源。国际标准化组织出版的《标准化的目的与原理》:“标准是‘协商一致’的结果,只有所有参与者相互协作使社会广泛接受标准并予以实施,该标准才有价值。在制定标准时,要避免大型公司通过联合,形成该行业的事实标准,来制定游戏规则,排挤竞争对手,获取垄断利润,人为设置技术贸易壁垒”。ISO在长远战略计划中提出:“要增强ISO的适应能力,ISO标准要更好地了解市场需求以及加大企业参与力度和更有效地代表用户与其他社会力量,意味着符合标准的产品或服务更容易被市场所接受。任何标准所制订技术要术或条款的实施都取决于相应的技术支撑能力、经济适用性和可操作性。WTO/TBT协定中要求各成员在制定技术法规和标准时要以国际标准为基础,有国际标准但未采用,要向世贸组织做出解释,说明没有采用的原因。”

    目前国內水泥产能过剩实质是熟料产能过剩,是干法线建设过多造成的,与现行水泥产品标准及所设品种、等级、各品种实际份额没有任何关联。在熟料产量一定或熟料产能过剩的情况下,其粉磨加工32.5与42.5水泥比例由市场需求决定,所谓32.5水泥产量大导致产能过剩这一说法颠倒了熟料产能与水泥产能之间的因果关系。我国农村等偏远地区水泥用量约占一半以上,国內约65%左右的水泥用于工程现场拌制砼,加上应用标准规范等因素,是造成我国32.5级水泥占比高的主要原因。由于发达国家基本上是预拌砼,故42.5及以上水泥应用比重大。

    因此,建议通过取消32.5等级水泥来“化解产能过剩矛盾”、“提高市场集中度及效益”无任何科学依据且无作用,仅通过修订生产领域产品标准,期望推广42.5水泥的作用及效果很小 。32.5级水泥生产使用量大,恰恰证明现行标准包含此级别是符合并适应生产应用实际需要的。如果某产品标准所定级别及品种等不齐全、不完整,会造成标准实施困难,可操作性差,脱离实际情况,且难以指导生产应用。

    水泥产品标准修订应重点研究现代混凝土及其施工对水泥的性能要求,确定相应技术指标。而不应对生产工艺甚至配比提岀要求已发布,建议该标准并入到GB200中,可与中热水泥品种合并,说明可用于核电工程等大体积工程,在GB200单列核电工程用水泥品种也可。并补充增加:根据供需双方协商可掺加符合GB-1596的粉煤灰和GB/T-18046的矿渣粉,42.5级允许单掺其中一种混合材,掺量小于10%;标准应为供需双方尽可能提供较大自由度。GB175-2007修订建议:保留现有32.5级品种;按产品标准的结构和编写规则等通行要求,将技术要求分为岀厂检验、型式检验两大类。型式检验增加混凝土主要性能指标,并将碱含量、细度、不溶物、氧化镁、氯离子列为型式检验指标,烧失量可列为选择性指标;应控制比表面积的上限。增加使用混合材的种类;检验和验收规则可增加现场取样和判定规则。

    7掺和料更适宜由水泥厂掺加

    国内砼其掺和料组分由二部分构成或掺入,即水泥岀厂前作为混合材与熟料共同粉磨中或分别粉磨后在水泥配制时掺加一部分,国内目前42.5级水泥其混合材平均掺入量约15%,32.5级水泥平均掺入量约34%左右。搅拌站配制砼时再掺入一部分掺和料,目前使用42.5、32.5水泥配制每立方C20~C40砼普遍掺加80~160kg左右矿粉、粉煤灰、石灰石粉等掺和料,约占水泥总质量的20%~60%,以到达降低成本、改善砼施工性能和耐久性等目的。

    廉慧珍极力主张掺和料由水泥厂掺加:国内水泥和混凝土行业的隔离状况所造成的突岀问题之一,目前由搅拌站掺加掺和料有很多弊端。难以用现行工艺搅拌均匀,使本质上的非匀质体更增加了不均匀性。现今掺入掺和料和外加剂的拌和物要求应延长一倍搅拌时间,但目前基本不能做到。石膏对掺和料及水泥熟料有调节凝结时间和激发掺和料活性的作用,砼搅拌站用水泥掺加矿物掺和料时,稀释了水泥中的石膏含量,又不可能对石膏掺量再进行优化。因而影响需水性、变形性以及抗压、抗折强度。发达国家一般采取外加剂分次掺人的方式,国内砼搅拌站一律将外加剂溶入拌和水中一起投人,是使用效果最差的方式。有专家认为,水泥厂只生产纯硅酸盐水泥, 以便于搅拌站调整砼性能,自由度更大,让搅拌站增设掺和料粉磨生产线,把不同掺和料、纯硅酸盐水泥按一定比例混合。但也不能解决一个致命的难题─搅拌站搅拌不均匀,且由于混凝土搅拌站难以控制进厂水泥的来源及品质,难以针对水泥品质及其变化及时调整外加剂类型与掺量。因而,很难从根本上解决水泥与外加剂的相容性问题。徐永模认为 :混凝土的原材料是多元材料组分,其主要性能取决于组分的均化程度。混凝土绿色制造技术的重点是均化,在混凝土设计正确的前提下,性能质量的改善取决于微观结构均化,微观结构的改善取决于组分分布均化,组分分布的改善取决于原料混合均化。

    由于水泥厂生产控制、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,拌和、空气搅拌、倒库等均化设施更完善且可采用共同粉磨方式,取得更好的均化效果,又可随时依据原燃材料、熟料质量、有害成分等随时调整掺和料、水泥熟料、外加剂、石膏甚至砼配比。施工方及搅拌站掺加掺和料相对来讲更难监管,如预拌砼行业中普遍存在着“阴阳配合比”的现象,因为制成混凝土了,较难检测验收。因此,掺和料更适宜由水泥厂掺加。

    现阶段搅拌站应完善拌合、均化条件,增加搅拌时间。鼓励水泥厂按照市场化、专业化协作,生产配制商品砼专用水泥向搅拌站供应。条件具备的地方及集团企业,推行水泥粉磨系统与砼配制线布置在一起,并在管理、质量体糸与运作等方面实现两者真正融合,可直接发送砼或水泥。一体化的连续生产更能有效保证建设工程质量,国外两者一直是一体的,水泥产业延伸与预拌混凝土业融合为一体是发展趋势,以有效提升混凝土质量及竞争力。此外,要通过强化购买方检测验收并加强监管,规范水泥企业掺加混合材行为,满足用户对水泥强度等性能指标的要求。

    7 通用水泥及砼产品结构调整方向与指导思想

    2014年全囯水泥产量24.8亿吨,目前我国预拌混凝土仅占混凝土总量30%左右,C10~C30混凝土占总供应量约75%左右,其中用量最大的C30混凝土约占50%~55%左右,C35及以上砼约占25% 。我国人口基数大,人均收入远低于发达国家,但人均年耗水泥1.775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是主要原因之一。

    高性能砼不是等同于高强砼,推广应用高性能砼并不能简单地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,32.5水泥完全可配制C40甚至更高等级砼和用于结构及高性能砼工程。使用量最大的C30普通混凝土其胶凝材料中水泥熟料占比在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。

    高强混凝土实际应用占比很少,我国目前总体情况来看,最大量的商品混凝土在C30左右。不同地区对混凝土标号的“偏好”取决于当地建筑的层高,有些平均是C25最多,有些则是C30最多或者个别市区C35稍多。因此,目前推广应用高性能砼,一方面要全面提高结构工程用混凝土等级。另一方面,如何把普通型号混凝土的高性能化做好也是重点,对社会的贡献会更大,提高建设工程寿命是最大的节能减排。混凝土产品结构调整的一个重要内容或方向是解决同质化问题,差异化发展战略就是指混凝土企业以国家产业发展战略和市场发展趋势为导向,以提高混凝土产品耐久性为目标,以提高产品质量和功能为重点,向建设工程提供高、中、低端和符合结构件质量要求的高性能混凝土和特种混凝土,向市场提供生产差异化、技术含量高、附加值高的混凝土产品。

    国内42.5及以上水泥比例与预拌砼比例大致等同,农村、城镇等地区使用水泥超过总量一半以上,且绝大部分不是预拌混凝土或现场计量设施等拌制条件不具备,加上混合材粉资源、生产、专用车辆、储存等条件限制,在施工现场不便掺加掺和料, 所用水泥只能由水泥厂直接制备,并提供相应低等级的适用水泥品种,目前绝大部分是32.5复合水泥。因此,我国预拌砼比例低及农村市场供应量大造成了42.5及以上水泥出厂比例低。

    若抛开市场需求因素,如采取行政手段强行推广高标号水泥,极不利于广大农村和城镇市场应用。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,增加了全社会能耗与排放,与现今国内外大力强化节能减排的政策环境也极不相符。从科学发展及环保要求,降低单方砼中的硅酸盐熟料消耗是必然趋势,并有利于改善砼耐久性与长期性能。就单个工程而言,水泥的过量使用对工程质量尤其是开裂也不利,釆取加大资源浪费的办法去推广高标号水泥注定行不通。

    通用水泥产品结构调整的方向与指导思想是: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 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,突岀提高水泥产品适用性,以改善砼抗裂性, 满足配制高性能砼的要求,实现提质延寿减排的目的。大力发展特种水泥、啇品砼专用水泥、砌筑水泥等品种,尤其是应用面可大为拓展的中、低热硅酸盐水泥。

    因此,我国岀厂水泥高强高标号化是渐进式的,仅靠水泥企业推动其作用甚小,应用与市场推动起主导作用。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,必须强化个性化、差异化水泥产品的开发供应,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,水泥企业要尽快采取措施主动应对,要重点开发适应高性能砼要求的硅酸盐水泥、商品砼专用水泥辅以42.5普通水泥并尽快提高其比例。关健须通过应用要求、引导与倒逼, 只有修订设计应用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。

    8结论

    水泥工业应大力发展中、低热硅酸盐水泥、商品砼专用水泥等品种。提高以较高C2S、适中C3S、低 C3A矿物组成的高性能硅酸盐熟料及其所配制的各级别水泥比例,以改善砼开裂,提高建筑物寿命。

     推动混凝土产品结构差异化、个性化并提高其耐久性是发展方向,推进普通型号混凝土的高性能化也应是重点。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,推动应用设计规范等修订与配套政策措施是解决目前难题的突破口。

    水泥厂掺加掺和料并延伸与混凝土搅拌站融合为一体是发展趋势,有利提高建设工程质量和耐久性。推进提高出厂水泥高强高标号化与市场集中度,关健是发展预拌混凝土。

    为提高水泥产品适应性,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,或制订严于国标的企业标准。

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