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從高性能混凝土的技術需求談水泥產品結構調整

發布日期:2016-06-04


來源:臨沂大學建筑學院    發布時間:2016年04月18日
摘要:

水泥工業通過科技創新、完善產業鏈發展(從礦山骨料-熟料基地-粉磨站-預拌商品混凝土-預制建筑混凝土構件-綠色建筑),完全可以為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】論述了水泥產品結構調整的方向,42.5、52.5等級水泥應是中國水泥產品的主流。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(為了早強)是市場的需求,并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 
  我國經濟發展經歷了20多年的高速增長,開始步入增長緩速穩定的新常態。新常態下,經濟增長下行,水泥產能過剩加劇,產品需求萎縮,競爭非常激烈,企業利潤大幅降低。水泥行業也在從過往的以速度和增量為主導,轉向以創新提升、提高資源能源利用率,提高品種質量和效益為發展主旋律的新階段。針對水泥產品淘汰落后產能、標準創新問題,中國建材聯合會喬龍德會長在西北地區水泥市場高層論壇會上強調[1],對取消32.5水泥的工作分為調整稅率、擴大范圍和取消標準三步實施,即第一步把PC32.5的稅收補貼調整到42.5水泥的稅收補貼中;第二步要擴大到取消32.5R水泥,從政策上全面取消32.5的稅收補貼;第三步在征得國家標委會、住建部同意的基礎上,從標準上取消32.5等級水泥。目前,依據通用硅酸鹽水泥GB175-2007 ,水泥產品有32.5級、42.5級、52.5級、62.5級四個強度等級,按混合材料的品種和摻量分為硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥、礦渣硅酸鹽水泥、火山灰質硅酸鹽水泥、粉煤灰硅酸鹽水泥和復合硅酸鹽水泥六個品種。據筆者預計,32.5等級水泥市場銷售量(容量)目前約為全國水泥總產量24億噸水泥的40%,也就是在10億噸/年左右。取消32.5等級水泥對混凝土產業特別是高性能混凝土產業有沒有影響?當代混凝土結構的普遍裂縫現象與水泥質量到底是怎么樣的關系?中國水泥混凝土工業的強國之路在哪里?這些問題都值得我們建材人去深入探討。 
       1  明確62.5等級以上水泥沒有必要規模化生產 
  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為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為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,中國建筑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筑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、礦渣微粉及硅灰)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。但為了水泥標準的先進性,建議保留62.5等級水泥品種。 
       2  32.5等級水泥的去與留 
       2.1 32.5等級水泥市場在哪里 
  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,生產C10-C40等級的現場攪拌混凝土和現場攪拌抹面砂漿和砌筑砂漿;城市用建筑砂漿,包括預拌砂漿或干混砂漿;城市或農村小規模的裝飾裝修用水泥。 
  大中小城市商品預拌混凝土攪拌站,當然可以使用32.5級水泥來生產C10-C30混凝土,但是在市場經濟高度行業競爭的今天,企業家都是需要算經濟帳的。全國各地原材料包括水泥、砂(河砂及機制砂)、碎石、粉煤灰、礦粉及混凝土外加劑等原料價格差異較大,同一標號混凝土單方成本差異也較大,務必需要使用當地生產的42.5級和32.5級水泥同條件試驗混凝土性能并比較單方混凝土生產成本,根據性價比和混凝土施工性能來確定最佳配合比。同一標號C10-C30混凝土,有的區域使用32.5等級水泥更經濟,有的區域使用42.5等級水泥可能更經濟,即使相差2元/m3的原材料成本也很可觀。使用32.5級水泥生產C10-C30商品混凝土,由于該水泥混合材較多而成份復雜,其與混凝土外加劑的適應性問題更難調整,給商品混凝土生產企業帶來生產質量控制難度的增大和成本上升。一般說來,根據單方混凝土中膠凝材料的多寡,針對C30-C50混凝土,使用42.5等級水泥生產的混凝土單方成本更具有優勢;針對C50-C100混凝土,使用52.5等級水泥生產的混凝土單方成本更具有優勢。經過多地調研,目前國內市場上商品混凝土生產企業很少使用32.5等級水泥來生產商品混凝土。為加快推廣應用高性能混凝土,住房和城鄉建設部和工業和信息化部聯合發文(建標[2014]117號)“住房城鄉建設部工業和信息化部關于推廣應用高性能混凝土的若干意見”,文件要求:“十三五”末,C35及以上強度等級的混凝土占預拌混凝土總量50%以上。這就意謂著32.5等級的水泥今后更沒有在商品混凝土行業存在大量利用的可能性。 
       2.2 取消32.5強度等級的水泥,市場如何應對 
  農村和中小規模鄉鎮的建設,生產C10-C40等級的現場攪拌混凝土和現場攪拌抹面砂漿和砌筑砂漿,42.5等級水泥代替32.5等級水泥的結果是,要么適當減少水泥用量,要么提高了混凝土的強度等級,農村房屋壽命延長,更加堅固,特別是對地震多發地區更加有利。城市砂漿,包括預拌砂漿或干混砂漿的市場,使用42.5等級水泥代替32.5等級水泥,水泥用量可降低,但摻合料(粉煤灰或石粉)用量增加,技術上操作不存在問題。城市或農村小規模的裝飾裝修,42.5等級水泥代替了32.5等級水泥,利弊均有。JG/T486-2015《混凝土用復合摻合料》建筑工業行業產品標準自2016年4月1日起在全國實施,更是為大中小型水泥粉磨站企業提供了難得的發展機遇,混凝土用復合摻合料也可供應給農村城建市場。 
       2.3 建議32.5等級水泥可以轉為普通砂漿(抹面砂漿和砌筑砂漿)專用水泥 
  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,就必須專用于生產普通砂漿。把普通砂漿專用水泥列為特種水泥品種。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,讓它繼續為環保產業做貢獻。 
       3  混凝土摻合料工業的興起 
  高性能混凝土最主要的特點之一是混凝土摻合料成為必需組分。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爐礦渣粉GB/T18046-2008、石灰石粉在混凝土中應用技術規程JGJ/T 318-2014、用于水泥和混凝土中的粒化電爐磷渣粉GB/T 26751-2011、用于水泥和混凝土中的鋼渣粉GB/T 20491-2006、 用于水泥和混凝土中的鋰渣粉YB/T 4230-2010及混凝土用復合摻合料JG/T486-2015等國家或行業標準為混凝土摻合料工業提供了機遇,混凝土摻合料的生產,仍然是建材工業中的大中小水泥粉磨站來生產,來供應市場。混凝土摻合料實際上已經是資源型產業,前途光明。 
       4  現代混凝土的普遍裂縫現象與水泥質量的關系 
  張大康高級工程師[2]認為: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,特別是當代混凝土產生裂縫的原因很多,有變形引起的裂縫,如溫度變化、收縮、膨脹、不均勻沉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,并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]:硅酸鹽水泥和普通硅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。筆者認為: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。這里列舉出新舊混凝土施工方法的對比。 
  舊建筑施工方法: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。 
  新建筑施工方法: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。 
  問題的癥結: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,建筑工人素質跟不上,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為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墻板,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、終凝后的保濕養護充分,完全可以大幅度降低混凝土開裂的概率。混凝土墻板的裂縫,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么都重要。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,最后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“裝配式建筑占新建建筑比例達到30%”,裝配式建筑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筑用構件和配件(如樓板、墻板、樓梯、陽臺等),運輸到建筑施工現場,通過可靠的連接方式在現場裝配安裝而成的建筑。大力發展裝配式建筑,為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,也要求我們水泥產品一定要在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樣的水泥 
  20多年來,隨著預拌混凝土產業的興起,高性能混凝土在我國的工業與民用建筑、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)水泥的標準稠度用水量盡量小,一般控制在25%-28%之間; 
  (2)水泥品質穩定,強度波動小,水泥早后期強度增長穩定; 
  (3)水泥助磨劑摻量參照國外同類產品,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)不建議使用礦渣硅酸鹽水泥,特別是高爐礦渣作為混合材和熟料一起粉磨生產的礦渣水泥,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準的礦渣微粉做混凝土摻合料,在生產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準要求,水泥粉體顏色均勻穩定。 
  (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  中國水泥混凝土工業的強國之路 
  水泥產業是典型的傳統制造業,目前國內還有3000家左右的水泥生產企業,面臨轉型和升級的重要任務。落后就要被淘汰,強者才可以生存于市場,這是市場競爭的規律。當前水泥年產24億噸左右,行業大而不強,又面臨資源、能源、環境的巨大壓力。國家工信部作為行業主管部門,要鼓勵、支持大水泥集團公司加快企業兼并重組的步伐,除西藏及少數偏遠地區外,對于2500T/d以下的各類干法窯各地區要因地制宜制定淘汰時間表。國家質監和環境保護部門嚴格執法,堅決執行最新頒布的GB4915-2013《水泥工業大氣污染物排放標準》和GB16780-2012《水泥單位產品能源消耗限額》標準,堅決關停淘汰一批落后產能。水泥工業首先治理好粉塵污染問題,然后考慮廢氣的脫硝、脫硫,最后考慮CO2的撲捉、收集、凈化、回收利用;加大力度研究建筑廢棄物的回收利用、特種水泥研究及應用、特種混凝土研究及工程應用、水泥窯熱能回收高效利用及混凝土修補材料等。水泥及混凝土工業,理應是環境友好型企業,不僅不應造成環境污染,通過處置消納工業廢渣、廢棄危險品、城市生活垃圾、污泥等社會公益行為,成為環保產業中的重要成員。希望我國有社會作為和影響力的大水泥集團公司加強自己企業的科技創新,從裝備一流、工藝先進、智能化控制、環保突出、高效節能到綠色發展等領域趕超世界先進水平。水泥工業通過科技創新、完善產業鏈發展(從礦山骨料-熟料基地-粉磨站-預拌商品混凝土-預制建筑混凝土構件-綠色建筑),完全可以為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。 
       參考文獻: 
  [1] 《喬龍德:堅持長期健康發展和近期穩定行業效益相結合》.中國水泥協會.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]建設部標準定額司,工信部原材料司編。 高性能混凝土應用技術指南[M].中國建筑工業出版社。2015年1月. 
  [4]張偉 ,徐世君 ,崔玉理. 混凝土裂縫控制的關鍵因素是人[J].商品混凝土.2014.07. 
  






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