解读美欧水泥标准——兼谈我国水泥现行标准与之差距的我见
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1 前言
1.1 关于水泥术语的翻译
我国在解放前，水泥是泊来品，所以在过去被叫做“洋灰”，上海人音译成“水门汀”（上海话发音为si men ting）。解放后有人把英文中的Portland Cement，根据其硅酸盐的水化凝结硬化的本质，译成沿用至今的硅酸盐水泥，确有巧妙之处。，英文Cement一词来源于拉丁语cēmentum。俄文Цемент、德文Zement、日文セメン─ト，发音都一样，意思也一样，是胶结料或胶粘剂的总称，包括气硬性的（如石灰、石膏、水玻璃等）和水硬性的。笼统译成水泥是不确切的。之所以把Cement译成水泥，可能源于对Portland Cement的误解。英文中的Portland Cement 原意是（硬化后）像波特兰石那样的胶凝材料（或称胶结材），特指一种以硅酸盐为主要组成的水硬性胶凝材料，我国将其译成硅酸盐水泥是正确的，如果没有限制词时，不能随便译成水泥，只有在一篇文章中前面已出现过有限制词时，才可以。例如英文中hydraulic cement才是真正意义的水泥，或直译成水硬性胶凝材料。水泥和水硬性胶凝材料是同义词，但是在中国，水泥一般指的就是硅酸盐类的水泥。实际上，水泥不只是硅酸盐水泥，还有铝酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、氟铝酸盐水泥、磷酸盐水泥、硫酸盐水泥等非硅酸盐的水泥，与Cement互译时，必须有上下文的呼应。有人将hydraulic cement译成“水硬性水泥”并正式发表，甚至一些中文搜索网站、翻译英文标准的网站译成“水凝水泥”，“水工水泥”……，显然没有理解“cement”的原意，犯了“重复”的错误；称作“水泥”，即因其水硬性，加上“水硬性”的限制词，岂不令人费解？
因为只有水硬性胶凝材料才使用混合材，所以有时有人直接简化成blended cement而未用其他限制词，也不会引起误会。
1.2 水泥标准历史沿革的简况
水泥标准属于产品标准，产品标准用于产品的质量管理和出厂合格的检验，以判定产品性质是否达到标称的性质指标以及匀质性和无害性。对水泥物理力学性质，无法检测出真值，用不同的条件和方法所检测的结果是不同的。在水泥标称性质指标中，长期以来，人们最关心的是强度。最早检测强度的是19世纪初法国的L.J.Vicat用冲击法检测水硬性石灰的强度。那时国际上通用硬练法*。1933年瑞士首先采用较大水灰比的软练法**以后，欧美各国陆续改为软练法。前苏联在1926年开始实施的第一个水泥标准是硬练法，直到1962年才改为软练法。
我国在解放前水泥产量很低（1949年只有66万吨），没有自己的或统一的水泥标准，1951年以前，东北地区主要使用日本标准，其他地区一直使用英法美等国的标准，都是软练法，且只有单一的硅酸盐水泥标准。1951年“学苏”时，以苏联ΓОСТ310-41水泥物理检验方法和ΓОСТ5832水泥化学分析方法为基础的硬练法，以300、400、500等整数表示水泥标号，同时开始对制定我国国标进行试验研究，于1956年正式制定了GB175（1963年颁布），在前苏联硬练法的基础上，建立了普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥多品种、多标号体系。20世纪70年代以后，鉴于我国基本建设的需要和硬练法在国际上已被淘汰的形势，经过5年的工作，于1977年修订为软练法，采取325、425、525、625等带25尾数的标号，增加了硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥，建立了五大通用水泥标准体系。1984年因“与国际接轨”，将标准中强度的单位kgf/cm2改为MPa，“标号”改为“强度等级”32.5、42.5、52.5，每个等级均有R型。在2001年4月实施的GB175-99，主要目的是“与ISO接轨”，以GB/T17671-1999取代GB1777-85，一律采用了0.5的水灰比检测水泥物理性质。其中的强度检验方法变化见表1。
众所周知，水泥基材料的强度随水灰比的增大而下降；单轴受压时用相同荷载的强度检测值随受压面的减小而增大。由表1可见，检测强度所用的水灰比从GB175-84的0.46（以当时的火山灰水泥为例）提高到今天的0.5，试件尺寸从25cm2减小到16cm2，标称强度指标从42.5下降到32.5，如果不考虑试件尺寸的影响，这种变化符合逻辑。现在的32.5和GB175-84的32.5相比，因试件水灰比增大，而强度测试值维持不变，同样标称强度的实质强度是提高的。由于普遍使用了高效减水剂，混凝土已经不再依赖于水泥的强度，而水泥界却仍在追求水泥强度的提高，认为“国际上现在通用的基本上是42.5水泥，占比约50%，剩下的50%是标号更高的52.5和62.5水泥”；呼吁“取消32.5水泥标准，提升水泥标准，与国际接轨”……。那么，首先需要讨论的是“什么是水泥标准的高低?”其次需要讨论“如何提升?”如何看待“与国际接轨?”
1.3 对水泥标准和标准水平的理解
产品标准主要适用于规范产品的生产，因此在一定程度上反映标准的质量和产品的质量。标准一般规定的是最低要求，主要保证使用的适用性（物理性质和化学性质的要求）、安全性（无毒无害）和匀质性（质量稳定）。还必须有销售服务的承诺和对用户要求的规定，以规范购销双方的行为。标准（水平）的高低不应指的是指标的高低，而是满足上述要求最低要求的程度（例如有害物质含量的底线）。好的标准应当具有先进性、可操作性而不迁就落后。“水泥标准高低的标准就是水泥强度的高低”的观点显然是错误的。不顾实际工程的需要和工程使用的得失，一概主张提高水泥强度，是脱离实际的，不科学的。
全国水泥标准化委员会颜碧兰等人于2005年发表文章，对中国和欧美水泥标准进行分析说：“中国是世界水泥生产大国，受资源、能源、交通等因素的制约，水泥生产、销售有很强的地域性；同时我国又是能源和资源相对匮乏的国家，水泥大量出口并不应受到鼓励，但鉴于目前国内水泥供过于求的市场状态，许多大企业纷纷瞄准国外市场，在此需要提示水泥企业在制订水泥出口发展战略时，要充分了解相关进口国的政策法规、水泥产品标准及相应的检测方法。”这就是“与国际接轨”的主要目的。这句话的“但”字前后形成了悖论。“国内水泥供过于求的市场状态”表明我国水泥产量过剩，而水泥产量过剩的实质是熟料产能过剩。去产能的目的不仅为了缓解这种状态，更重要的是缓解资源和能源的消耗及其对环境的冲击。我国不仅能源、资源匮乏，而且因过度消耗，已威胁到是否能可持续发展的问题。“许多大企业纷纷瞄准国外市场”意在出口水泥，不仅不能鼓励，还应当禁止。因为卖水泥等同卖资源。为“卖资源”而“与国际接轨”和“并不应受到鼓励”自相矛盾，尽管可能水泥的出口并非大量。十几年前已有台湾朋友告诉我：台湾政府已禁止开采石灰石，不再生产水泥，所用水泥大多从山东购买。这是保护自己资源的措施。而我们竟还有人认为“为了减少水泥在世界流通环节的壁垒，符合全球化发展的趋势，世界各国水泥产品标准从多极化走向统一是必然趋势。”
至于“第33届世界标准日祝词提出：一个标准、一次检验、全球接受”，具体问题具体分析。我国水泥标准起步晚，借鉴一些国外发达国家的经验，必要而且正常，不啻于一种发展的快捷方式。但是因科学技术水平、地理环境和国情的差异，世界各国不可能统一标准，都会有同有异，自有利弊。向国外发达国家学习时，应当深层次地分析，了解人家的指导思想，知其然更要知其所以然。在科学技术进步，生产力发展，因而人们认识水平提高的情况下，标准也有创新问题，我们的先进经验也会有人来借鉴。几年来，已有不少对比我国水泥和国外水泥标准的文章……，其中收集了78个国家和地区水泥标准的资料，对水泥标准中规定的混合材掺量以及化学和物理的技术要求做了详尽的分析对比。其他则多是对比中国和欧美标准，并主要在细节上分析。在这里则从另一视角解读一下欧洲和美国水泥标准的特点，再反过来看看国人对其理解的偏差。
2 美国水泥标准
ASTM C150 Standard Specification for Portland Cement 硅酸盐水泥标准规范*、ASTM Standard Specification for C595 Blended Cement混合水泥标准规范*、ASTM C1157 Standard Specification for Hydraulic Cement水泥标准性能规范*，这是美国三类通用（即非特殊品种）水泥的标准。与其配套的还有20多种用于所规范的水泥诸性质检测方法的标准。美国标准历来有独立的体系，具有鲜明的特色，解读其中的水泥标准即可见一斑。
2.1 美国水泥标准的制订
美国的技术标准并非美国国家标准（技术标准不能由政府决定），而是由非盈利性的公益事业民间团体─美国混凝土学会（American Concrete Institute，ACI）、硅酸盐水泥协会（Portland Cement Association，PCA）和美国实验与材料协会（American Society for Testing and Materials，ASTM）合作研究制定的，有广泛的专家支持和从业人员的关心并参与意见，有严格的科学实验研究依据、数据支持、编制程序和制度的保证。他们很重视世界各国科技的发展，除由其本国专家讨论、审定外，还重视征求其他国家的意见。（关于美国标准的制订，可参见在《谁对工程质量负责？》一文中的介绍。）
2.2 美国水泥标准的特点
与我国的水泥标准对照，最主要的不同之处主要并非在于上述美国水泥标准的规范中对水泥的命名、分类、组成以及化学、物理性质的指标等具体细节，而是制定水泥标准的指导思想。分析标准特点，即可看出其指导思想。
2.2.1 ASTM C150-2016和ASTM C595-2016的特点
这是美国通用的水泥标准。C150是不掺混合材的纯硅酸盐水泥，C595是掺混合材的混合水泥，最新版是2016年修订的。阅读后，感到有以下主要的特点，是过去没有被国人瞩目并提及的。
（1）第一个特点：对标准先进性的重视
ASTM在水泥标准最后，总是申明：“本标准由技术委员会负责在任何时间修订，并必须每五年进行复审，如果没有修订，则或者重新评估，或者收回。”并邀请标准的用户提出修订意见或制定新标准的建议。实际上，从2011版至2016年版，已经出版了2012年版、2013年版、2015年版、2016年版。C595在过去10年间进行了3次较大的修订，水泥品种从16种增加到26种，并包含了三组分水泥品种。在为用户服务的其他方面和C150一样，也体现在条文的始终。相比之下，我国通用水泥标准GB175修订周期最长的一次是1977年修订1962年的标准，达15年之久。最近的修订是2007年，距离1999年修订已过8年。至今，又过了10年，尚未正式修订。
（2）第二个特点：不按强度划分水泥等级
C150按功效或用途对硅酸盐水泥分成10个型号注①（见表2）。C595按混合材种类划分成4个型号注②（见表3）。可见，美国水泥没有等级高低的区分。
注：C150和C595中水泥型号及其代表符号：
① C150：I型─当无任何其他类型水泥所要求的特殊性质时所用的水泥；IA型─有引气要求时的I型水泥；II型─当有中等抗硫酸盐要求时，一般用途的中等抗硫酸盐水泥；IIA型─有引气要求时的II型水泥；II（MH）型─当有中等水化热和中等抗硫酸盐要求时，一般用途的中抗硫酸盐和中热水泥；II（MH）A型─有引气要求时的II（MH）型水泥；III型─当有高早期强度要求时使用的水泥；IIIA型─有引气要求时的III型水泥；IV型─当有低水化热要求时使用的低热水泥；V型─高抗硫酸盐水泥。
② C595：IS型─硅酸盐高炉矿渣水泥；IP型─硅酸盐火山灰水泥；IL型─硅酸盐石灰岩水泥；IT型─三组分混合水泥；根据订货要求，在型号后面加后缀“（X）”表示混合材在允许标准差范围内的百分含量；三组分混合水泥在IT后面加后缀AX（A对矿渣是S，火山灰是P，石灰岩是 L，X为相应的含量）和BY（组分B及其含量）。
③ ASTM水泥标准检测抗压强度的试件为2× 2×2或50mm×50mm×50mm；我国的试件为半块40mm×40mm×160mm，受压面积为40mm×40mm，高度为40mm，但并非立方体式试件，其试验结果和同尺寸立方体试件是不同的。因此二者强度值因尺寸效应而产生的差异更大，不便相比。
由表2可见以下特点：
① 只有高早强水泥Ⅲ型/ⅢA型要求1天强度（低限分别为12MP、10MPa）和3天强度低限（低限分别为24MPa、19MPa）而无7天和28天强度的限值。
② 对3天强度，除Ⅲ型/ⅢA型（高早强）和Ⅳ型（不要求）外的型号，低限只是8MPa～12MPa，远低于我国各标号水泥的3天抗压强度低限。
③ 对7天抗压强度规定的低限，Ⅰ型硅酸盐水泥只有19MPa，其余除高早强型Ⅲ型/ⅢA外，都不超过17MPa，还不如我国水泥的3天强度值要求高。
④ 当有水化热要求时，3天和7天强度低限更低：3天，中热引气和非引气分别为7MPa和6MPa；7天分别为12MPa和9MPa；低热水泥无3天要求，7天为5MPa。这是国人大多不能理解的。
⑤ 只对Ⅳ型和Ⅴ型规定28天抗压强度的低限（分别为17MPa和21MPa），对其他各型号硅酸盐水泥都不做规定。
由表3可见，ASTM C595-2016 混合水泥标准中对强度指标的规定比C595-2013做了较大修订，简化了各型号混合水泥因组成的变化造成的很复杂的规定，体现了对混合材在水泥中作用规律理解的科学性：①活性混合材对水泥强度的贡献随水灰比的降低而增大的幅度大于硅酸盐水泥的，用0.5水灰比成型检测的结果必然很低；②活性混合材对水泥强度的贡献会随水灰比的下降和龄期的增长而持续大幅度地提高。
分析美国水泥标准具有此特点可能的原因：①评价水泥强度的合格性在传统上以28天为准，则所得到的是28天以前的水泥强度（对“现在”水泥的强度，只有28天后才能知道）；对于稳定的水泥产品，其标称强度呈对数曲线发展，则可按3天和7天强度大体推测出28天强度而提前认证，避免28天以后的“马后炮”；②现代混凝土强度和用0.5水灰比的小试件检测的水泥砂浆强度没有定量的相关性，只是用于对产品质量的相对比较；③“……也许28天强度未必是最重要的，也许其他龄期的强度控制设计才是最重要的；”对不同的用户，除强度之外的其他性质可能更为重要。早期强度低的混凝土，具有长期增长的持续型和增长率，有利于混凝土的耐久性。
（3）第三个特点：充分尊重用户的知情权、选择权和要求
提供充分的便利条件供用户选择和检查。例如，化学组成和物理性质除规定标准限值外，都另提供可选的限值。摘录C150表4和C595表3中可选的强度指标见表4、表5。从中可见，仍然有很大的余地，符合“标准指标是最低要求而低限不能太高、高限不能太低”的原则。C150只规定I和II、IA和IIA以及II（MH）、II（MH）A的28天强度为可选项，C595则列出对各型号混合水泥性质要求中的各龄期强度可选择指标。
表 4 摘录ASTM C150-2016表4水泥物理性质要求的可选限值A
表 5 摘录ASTM C595-2016表3特殊性质的混合水泥物理性质要求A
有专门条文规定制造商应当满足用户要求、用户拒收的权利，当用户提出要求时应以书面形式提供的信息和证明，以及用户要求提供的测试报告。除此之外，在其他条文中，到处可见“如果用户要求……”“当用户要求……”等字样。
标准中的注释、脚注、表中的脚注和说明都很详尽，是可操作的。总之，这样的标准很人性化，充分考虑到生产者的使用和用户需要。
2.2.2. ASTM C1157-2011的特点
ASTM C1157Standard Performance Specification for Hydraulic Cement（水泥的标准性能规范）始于1992年，目前已修订至2012年。该标准突破了水泥标准的传统模式，很好地克服了标准滞后的缺点，解除了标准对技术创新的束缚，是具有特色的新型规范，是ASTM的一次创新。其特点如下：
（1）创新性：涵盖C150和C595中所有一般用途和特殊用途的水泥，只规定对其性能的要求，而未限制水泥的成份或组成。脱离传统对成分指令性的限制，代之以水泥的性能。例如在C150中，用限制Ⅱ型或Ⅴ型水泥中的C3A来控制硫酸盐的侵蚀性，而在C1157中，则用C1012砂浆棒法试验，即可保证MS或HS水泥的抗硫酸盐性。不用化学分析，而是用试验室试验预测性能。标准全文只一张表格，即“物理性质要求”，没有化学成分的规定，但是为了生产和信息的需要，仍列有要求进行化学成分分析的条文。
（2）水泥的分类：根据用途，将水泥分为通用型（GU）、早强型（HE）、中抗硫酸盐侵蚀型（MS）、高抗硫酸盐侵蚀型（HS）、中热型（MH）、低热型（LH）等六个型号。对与抗碱－硅酸活性骨料反应性（R选项）和引气水泥（A选项），提供了可选择的要求。
（3）和其他标准的关系：C1157中所有水泥的限值制都与C150和C595中的要求相似，所不同的是不包括引气水泥的要求。含气量和细度作为信息而报告，并没有规定限值。
（4）默认的最低强度要求：作为物理性质要求之一，对强度的规定是该规范独特之处的一个实例。表6所示为默认的最低强度。
因不把强度做为第一强制性指标，故可避免厂家采取不恰当的手段去追求表观的高强，而可配合C150和C595尽力满足其他物理性质的要求；同时也给用户以更宽的选择余地。
表 6 ASTM C 1157默认的最低强度（ASTM C 109），MPa（psi）
3 欧洲水泥标准EN 197-1:2011的特点
EN 197-1 Cement. Composition，Specifications and Conformity Criteriafor Common Cements（水泥：通用（硅酸盐）水泥的组分、技术要求和合格准则）是欧洲主要的水泥标准，是由33个欧洲国家组成的欧洲标准委员会制定、发布的。在英国实施的欧洲水泥标准是BS EN 197-1。按照英国标准惯例，在其前言中声明：“本出版物（指本标准）无意涵盖合同中所有必需的条文，用户有责任正确地应用之”，“遵照英国标准不能免除其法律责任”。
特点之一：水泥品种众多，详尽分类详细
BSEN197-1:2011《水泥－第1部分：通用（硅酸盐）水泥的组分、技术要求和合格准则》是欧洲主要水泥标准，按混合材种类与掺量共设CEMⅠ～Ⅴ五个类型11个品种系列、27个产品（见表7）：其中五个类型，CEMⅠ是硅酸盐水泥，允许掺入不超过5%的混合材，其他不同类型和品种中混合材掺量分别从6%～95%。CEMⅡ是熟料含量为65%以上的混合材硅酸盐水泥，以6类、9种混合材（其中火山灰、粉煤灰、石灰岩粉各2种）分别加上代表混合材名称的后缀，再包括掺两种以上混合材的复合硅酸盐水泥共11个品种系列；CEMⅢ、CEMⅣ和CEMⅤ由于混合材掺量远大于CEMⅡ中的高限，分别不冠以“硅酸盐”而直接以混合材名称命名水泥。各品种以掺量和分品种再分成A和B或A、B、C，共形成27个产品。具体见表7。
表 7 EN 197-1标准中27个通用水泥品种的组分a
特点之二：划分水泥强度等级（32.5、42.5和52.5），但并非用做水泥的“等级”
每个强度等级有三种早期强度之分（见表8）。表8中，针对不同品种水泥，对各强度等级的早期强度有较宽的低限值，28天强度既有低限也有高限。
表 8 EN 197-1:2011对强度的要求
欧洲水泥标准强度的试验按EN196-1（Methods of testing cement - Part 1: Determination of strength）进行。试验使用半块40mm×40mm×160mm的试件，受压面面积为40mm×40mm，高度为40 mm，检测用水灰比为0.5。我国现行GB17671水泥胶砂强度检验方法就采用此方法。
EN197-1:2011是目前查到的欧洲水泥标准的最新版本，并没看到“国际上现在通用的基本上是42.5水泥，占比约50%，剩下的50%是标号更高的52.5和62.5水泥”。
特点之三：详细、严格、规范、
欧洲水泥标准的优势是对水泥生产、检验和质量管理有明确而详细的规定和独立认证的要求。例如在与EN 197配套的各试验方法标准中，对试验仪器及其使用和实验步骤的描述细致到了不厌其烦的程度，任何人只要照着做即可。例如在EN 196-1（水泥检验方法－第1部分：强度的测定）中，不仅对试验结果报告的表达作了详细规定，而且还规定了评估抗压强度试验方法精确性的“短期重复性”（变异系数≯2.0%）和“长期（可长达1年）重复性”（变异系数≯3.5%），表示再现性的变异系数为不≯4.0%。（我国只有短期重复性和再现性要求，变异系数分别为1～3%和6%）。
因此欧盟标准甚至也被许多非欧洲国家所采用，并被普遍用于国际水泥贸易。
4 结束语
（1）以上主要解读的是美国和欧洲通用水泥的标准，只是其标准制定者对“通用”有各自的理解：美国的通用水泥除无特殊要求的一般水泥外，还包括抗硫酸盐、低热等要求的水泥，通用水泥之外，还有十几种特殊用途的水泥，各有其标准；欧洲标准则将抗硫酸盐、低热、引气等水泥列入特种水泥。从水泥分类来看，美国标准着重水泥的特性，欧洲标准则注重水泥的组成，但是特点都具有很大的包容性。美国标准所体现的更大的包容性甚至达到在C1157中不做组分的规定，只规定性能要求。可谓最先进的水泥标准。
（2）“由于试验方法和所要求的性质不同，ASTM和其他国家的水泥标准之间没有当量换算的关系”，例如，美国用边长50mm的立方体试件，而欧洲用40mm× 40mm×160mm的试件，在40mm×160mm的半块面上施压，受压面用一种专用夹具的承压板控制成40mm×40mm。与真正单轴受压的边长40mm立方体试件相比，其内部应力状况是不同的。二者之间并非简单的“尺寸效应”关系。因只用来评价自家水泥的相对本征特性而并非真值，故成了各自一种合理的存在，没有必要谁和谁接轨。水泥的标称强度对混凝土的配制也就没有什么重要意义了。这就是美国水泥标准把强度下限定得很低的原因。
（3）水泥因原材料不能提纯而成为人工材料中最复杂的体系；全世界各个国家所处地理环境差别很大，都有各自的国情，像水泥这种地方性很强的复杂体系，不宜而且也没有必要制定统一的产品标准，但是制定标准的指导思想、作为支撑的科学技术是可以也应当借鉴的。随着科学技术的发展和人类认知水平的进步，标准也是有水平问题的，也需要创新。思维方法和观念的转变比技术更重要，是有普遍意义的。
（4）任何事物都不会是完美的，美国水泥标准和欧洲水泥标准也有各自的优缺点。在吸取国外标准中先进性的经验以外，是否应更多一些结合我国国情的研究和创新？例如美国标准中技术要求的指标没有上下限；而限定指标的上下限对生产控制和用户判断产品的匀质性都是直观且方便的；再如无论欧美标准，还是我国标准，显然对水泥中石膏的作用还只限于调节凝结时间，并未见控制其质量的条文，实际上石膏对水泥的影响远不止凝结时间的问题，对水泥的生产和质量会有不小的影响；再如，也未见有条文涉及与外加剂相容性的检验，等等。在我国实际情况下，这些都是存在而应考虑的问题。
以上拙见，希望能抛砖引玉，引起广泛的讨论，以促进我国水泥标准水平和混凝土质量的提高。
转自：《混凝土世界》2017.05 总95期
作者：廉慧珍 韩建国 师海霞
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