当前水泥工业若干重大误区及其思考(五)

当前水泥工业若干重大误区及其思考(五)

——顺应现代混凝土要求，精准把握水泥质量及结构调整方向

水泥作为混凝土胶凝材料，对混凝土的性能具有基础性影响，随着两者生产的不断融合和技术的日臻成熟，人们对其性能的融合也有了更加深入的认识。然而，如何科学厘清两者之间的关系，摆脱狭隘的利益束缚，避免关键节点上误入歧途，也是当前从业者面临的严峻问题。目前混凝土早期开裂、耐久性变差的问题普遍存在，不仅造成了巨大的经济损失，而且埋下严重的工程隐患。因此，采取得力措施推广高性能混凝土及高性能水泥显得非常迫切，也关系到减排与可持续发展。应顺应现代混凝土要求，正确认识水泥和混凝土之间的性能关系，引导高性能硅酸盐水泥开发应用，从而改善混凝土性能,推动水泥产业转型升级，促进其与混凝土产业的融合。

1.1 简单认为混凝土的高性能即高强且依赖于高强度水泥来实现

CECS207-2006《高性能混凝土应用技术规程》及住建部工信部建标[2014]117号文等将高性能混凝土定义为：采用常规材料和工艺生产，具有混凝土结构所要求的高耐久性、高工作性和高体积稳定性,满足建设工程特定要求。主要特征“三高”并没有高强度。高性能混凝土是一个概念,强调混凝土的性能或者质量、状态、水平，不同的工程要求不同的强调重点，即特殊性能组合。而高强混凝土强调强度较高，其制作和施工主要围绕高强为目标。

高性能混凝土的制作主要通过优化配合比设计、严格的过程控制和科学的施工管理来实现。配合比设计是混凝土生产和质量控制的“总纲”，而设计高性能混凝土配合比时，将耐久性作为首要的性能指标。混凝土耐久性包括抗渗性、抗冻性、抗化学侵蚀性、抗碳化性和体积稳定性以及碱一集料反应等。结构致密、高强度（非早强）是耐久性得以保障的基础，而低水灰比是混凝土结构致密、高强度的决定因素，高性能混凝土外加剂和掺和料的应用技术是实现低水灰比的前提条件。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。

因此，提高混凝土的强度已不仅限于依赖提高水泥的胶砂强度来实现，通过减少单方用水量来提高混凝土各项性能的空间往往更大。目前提高混凝土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，提高混凝土长龄期强度及致密性，改善水泥水化产物的组成。

当然，制备高性能混凝土时，要求水泥具有较高的后期强度、低需水量、低碱含量、适宜的颗粒级配、较好的外加剂相容性和质量的稳定性。

1.2 将优质水泥等同高强早强水泥

相对于混凝土而言，水泥是半成品。因此，衡量水泥质量的优越，应以满足混凝土性能来考量。混凝土的性能包括工作性能、力学性能和长期耐久性能，要求水泥的性能不单一局限于高强，而且混凝土的力学性能也不再单一依赖于水泥强度。

对水泥胶砂强度的正确理解是：水泥的早期强度是施工的要求，水泥的28d强度是混凝土设计强度的需要，而远龄期强度指标则是混凝土耐久性的需要。但是，部分施工单位认为水泥的早期强度越高，混凝土强度发展得越快，其质量越有保证；而且水泥早期强度越高，施工速度可以加快，成本可大幅度下降。受此影响,水泥企业将水泥的早强与高强当作水泥质量的首要目标，并通过提高熟料配比、增加熟料早强矿物含量和水泥比表面积来实现。

其直接后果是：水泥制造过程浪费资源、增加排放，混凝土制作时工作性能差，混凝土结构温升大、应力增大、早期开裂增多与耐久性变差。对此，廉慧珍教授总结为：能打出好混凝土的水泥才是好水泥，当前水泥质量问题是多方面的，很多问题恰恰是是过度追求早强所致。强度高的水泥不一定配出好的混凝土，因为品质好的水泥除强度高外，在颗粒级配、泌水性、耐久性等方面也要有好的表现。由此可见，适宜的早期强度和较高的后期及远龄期强度是优质水泥重要的指标之一，需水量少、保水性好、与外加剂相容性好是优质水泥满足混凝土工作性能和耐久性能的基本要求。

1.3 肤浅看待混合材（掺合料）对混凝土的作用

混合材（掺合料）作为辅助性胶凝材料，已广泛使用于水泥和混凝土制造过程，其目的不只是降低制造成本、节约资源、减少排放，更重要的在于提高混凝土性能：改善混凝土拌和物的和易性和保水性，降低混凝土结构由于水化放热引起的开裂和徐变，提高混凝土抗渗、抗化学侵蚀等耐久性能，多组分混合材（掺合料）的复合掺入，使得其应用效果叠加。外加剂的普遍使用，改变了混凝土和水泥的依从关系,使得掺合料已成为配制现代混凝土必不可少的重要组分和功能性材料，对改善混凝土的性能方面起着重要作用。基于对混合材（掺合料）的正确认识和科学使用，工程施工单位和管理部门先后制定了混凝土用矿物外加剂、粉煤灰、矿渣微粉、石灰石粉和复合掺合料等产品标准和技术规程，推进了混合材（掺合料）的应用技术。但部分从业者肤浅理解混合材（掺合料）的作用，过分夸大渲染其危害。

导致产生这一认识是源于把“强度”当成了绝对值的思维定势，因为水泥强度是用固定的水灰比检测的，掺合料越多，强度值越低，要保持原有强度值就得提高熟料强度；主观地认为混凝土强度与水泥强度等同，主张高性能及高强混凝土通过采用高标号水泥加骨料而不掺掺和料直接配制等等。

廉慧珍、阎培渝教授认为：目前国内使用量最大的C30混凝土，其胶凝材料中水泥熟料系数在0.5以下，不同强度的水泥很容易通过调整混凝土配比来制备不同标号的混凝土。现代混凝土普遍使用高效减水剂，使其水胶比可以降低到0.5以下，这就是低强度水泥能做高强度混凝土的原因。

1.4 对水泥同质化的茫然认同

按水泥标准产品设置和实际生产技术保障能力评估，我国水泥产品种类齐全，完全能满足不同工程的需要。但是，现实情况是：大量本应使用特性水泥或某些功能突出的通用水泥的工程，却千遍一律地使用性能接近的通用水泥，导致工程使用功能丧失、故障率高、耐久性差、使用寿命短。分析起来，造成这一现象的主要原因有：首先对水泥性能和工程的特殊性缺乏足够的了解，其次，工程应用和验收规范对材料的要求内容不完整，更现实的是基于成本的考量：水泥生产企业开发生产特性水泥或差异化产品，肯定会增加制造成本，理应提高售价,但往往不被工程单位所接受。

解决这一现象的关键在于倒逼使用单位，要修订设计规范、建筑定额、工程预算等配套政策措施，应鼓励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。以提高混凝土产品耐久性为目标，以优化产品质量和功能为重点，从解决混凝土产品结构同质化问题入手，引导混凝土行业向建设工程提供高、中、低端和符合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。

为满足不同品种混凝土的需要，生产方应提高对混凝土应用环境的客观条件和变化的预见性，以提高其对工程的适应性。应根据工程需要生产个性化产品，避免过分强调简单的同质化。

2.1 优质水泥质量指标控制

水泥是影响混凝土性能的重要的基础性因素，对混凝土不同性能的影响程度不一，呈现非连续、非线性的特征。因此，确定优质水泥的性能特征和质量目标，必须以满足混凝土性能要求为目的，正确理解和把握二者之间的相互关系。

从高性能混凝土的工作性能、力学性能和耐久性能角度看，优质水泥性能应体现以下几个特征：较低的需水量和较好的保水性，与外加剂相容性好，较低的水化热，适宜的早期强度和较高的后期及远龄期强度，质量均匀稳定，这些质量指标之间相互关联，无一是通过生产过程直接可控，而是通过控制一些表征指标来间接实施。

1）需水性和保水性

需水量少、保水性好的水泥，拌制的混凝土工作性能好，内外结构致密，耐久性好。改善需水性和保水性主要从几方面入手：适当降低熟料中C3A含量和水泥中的碱含量；保持熟料烧成时良好的烧成气氛和冷却效果；采用工业副产品石膏时，适当掺加部分二水石膏；选用性能互补的混合材复合掺配，尽量减少需水量大的火山灰性材料；保持合理的细度和粒度分布，避免过粉磨现象；降低水泥制成和使用温度，保持良好的冷却和陈化效果。

2）与外加剂的相容性

水泥与外加剂具有良好相容性的具体表现为：饱和掺入量低；饱和掺量时具有较大的流动性、经时损失小；没有离析和泌水现象。与影响水泥需水量的因素大体相似，和水泥与外加剂相容性有关的指标有：熟料矿物组成包括C3A含量及活性、碱含量、f-CaO含量、硫碱比；熟料烧成温度、烧成速度和冷却速度；水泥比面积、粒度分布和颗粒形貌；石膏和混合材的种类、形态和掺量；水泥粉磨温度、冷却速度、陈化时间和使用温度。

3）水化热

水化热特别是早期水化热是引起混凝土开裂的一个主要原因。水泥的水化热首先取决于熟料中的C3A 和C3S含量，两者均为早强快凝、高水化放热矿物，C3A还具有体积变化大的特点；其次与水泥过细、碱含量、混合材料掺量有关。过多的细熟料颗粒会加速水泥的早期水化速率，提高水泥的早期水化热，增加收缩开裂危险。

4）力学性能

虽然水泥胶砂强度与混凝土强度不再是简单的线性关系，但他们之间存在正向的对应关系，所以配制不同强度等级的混凝土，应使用对应强度等级的水泥，以确保混凝土的工作性能和耐久性能。早期强度过高时，易造成混凝土早期收缩开裂，而较高的长期强度对保证混凝土的耐久性有利，因而保持适宜的早期强度、持续增长的后期强度是水泥强度的控制目标。其首要措施是改善熟料的矿物组成，应适当降低C3A和C3S含量，增加C2S含量；其次是改善水泥粒度的分布、减低颗粒堆积的空隙率，可以提高密实度、保持后期水化；适当增加石膏掺量、掺加矿渣等混合材是保持水泥后期强度增长的有效手段。

5）均匀稳定性

目前的水泥质量评价体系里，往往仅局限于用水泥的28d抗压强度的标准偏差或变异系数来衡量水泥质量的稳定性，其评价方法简单、评价效果脱离实际，反映了混凝土和水泥行业过去以强度为核心的管理观念。不难理解，所有影响混凝土性能的水泥性能指标都应该具有稳定性的要求，而这些性能中多数与水泥28d抗压强度并不存在相关性，但对混凝土的匀质性产生影响，而混凝土质量的均匀稳定是其工作性能、力学性能和耐久性能的基础保障。因此，从保证混凝土性能的角度考虑，水泥稳定性应该包含所有与混凝土性能相关的重要质量指标。水泥的均匀稳定性主要通过稳定生产工艺和加强均化等技术和管理措施来实施。

2.2 完善水泥标准体系

1）目前水泥标准需完善的方向

标准制定的主要原则是适应市场需求，并引导产品和服务的发展方向，拓宽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。

从标准组成的基本框架来看，我国现行水泥标准体系完备，修改采用了国外先进国家标准，对满足建设需求，提高水泥和混凝土质量发挥了重要作用。但是，我国产品标准仍存在以下问题：强制性范围偏宽、内容过细、不合理等；缺乏包容性，不利于改进、开发产品,适用性较差，如标准对生产工艺和原料甚至配比提岀要求(定义、分类等除外)；反映产品真正质量的特征指标（如水泥需水性、保水性、与外加剂的相容性等）没有直接测定及界定要求。

与法律的强制性不同，通用产品标准应更多由供需双方协商采用，其最关健是对最终产品性能提出技术要求，关注水泥产品对混凝土性能的要求。而不应过多地限定生产工艺、原料和配比、验收规则等内容，相关生产工艺及原料要求可以通过能耗、环保、安全等通用标准或技术法规提岀；应推行和鼓励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。

对于完善标准技术条款的内容，张大康主张提高混凝土耐久性对水泥的质量要求，水泥质量改进技术路线应突出降低水泥早期水化速率和减少水泥化学收缩，提高混凝土耐久性的水泥生产的技术措施。因此，提高我国水泥产品及标准的适用性、开放包容性对推广高性能混凝土有很大作用与意义。

2）完善水泥产品的技术要求

毋容置疑，衡量水泥产品技术要求是否完善和合理，首先应检视其能否满足混凝土的性能要求，从此角度出发，现有通用水泥标准必须完善以下相关内容：

第一，建议参考EN标准和美国水泥标准ASTM，强化差异化、个性化品种的生产供应，增列低水化热、低干缩和远龄期强度高的相应品种，扩大混合材应用范围。高性能混凝土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品混凝土站釆购纯硅酸盐水泥自行配制。

第二，增加高强度等级（42.5以上）水泥的需水量、保水性、与外加剂的相容性等要求。

第三，对需水量、凝结时间、强度等指标的均匀性作出要求，可以对其上、下限提出限制。

第四，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。将碱含量、不溶物、氧化镁、氯离子、六价铬和放射性列为型式检验指标，将需水量、保水性、安定性、凝结时间、与外加剂的相容性、强度和三氧化硫等指标列为出厂检验，比表面积、烧失量可列为选择性指标。

第五，增加储存时间、储存条件和使用环境(如温度)等使用说明。

目前市场需求清晰表明：磨细的石灰石粉、煅烧煤矸石粉等混合材细粉供应销售量急剧增加，混合材粉转移到混凝土搅拌站，掺加的数量正在大幅提高。掺合料主要来自于加工企业，，未必就一定能预知水泥生产企业、掺合料供应商和搅拌站三者之中，谁更自律。至于化解产能过剩与供给侧改革，关键是去熟料产能，延长停窑时间与淘汰低效、无竞争力的日产3000吨及以下生产线。

在确保掺合料质量符合标准的情况下，与水泥中掺入混合材相比，从混凝土搅拌站掺入掺合料，虽然可方便地控制混凝土的组分及性能，但存在的缺点是：难以实现工艺搅拌均匀，使本质上的非匀质体更增加了不均匀性，而延长搅拌时间势必影响产量和效率；稀释了水泥中的石膏含量，削弱了石膏的缓凝和增强效果。而需要强调的是，品质的均匀稳定是实现优质的前提条件。显然，将掺合料从搅拌站加入的比较优势完全可以通过规范水泥生产企业的行为、履行告知义务来实现，而克服搅拌站掺入掺合料其缺点则实属不易。

综上所述，水泥产品质量和结构的调整，应以提高混凝土耐久性、满足优质混凝土为目标，实现最低的排放和最大地利用资源，可以突出关注以下几方面：

4.1.重点围绕提高高性能硅酸盐熟料的应用比例，相应制备的各级别水泥符合或尽可能满足低水胶比、远龄期强度高和低水化热等要求,满足配制高性能混凝土的要求,以达到改善混凝土开裂与耐久性,提高建构筑物使用期限，实现提质延寿减排的目的。多年以来过分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,其指导思想应当反思和修正，产品结构调整必须以效益为中心，适应市场需要，满足工程要求。

4.2.重点开发适应高性能混凝土要求的专用硅酸盐水泥，强化个性化、差异化水泥的开发生产。为提高水泥产品适应性，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，或制订严于国标、行标的企业标准，建议在GB175中增列低水化热、高远龄期强度的适应高性能混凝土要求的相应品种；或参考EN标准，增加部分通用水泥品种的水化热指标要求。

4.3.为加快推广高性能混凝土与调整水泥质量等级，推进应用设计规范修订，提高预拌混凝土等级及比例,才能有效调整提高水泥质量等级与推广高性能混凝土。完善修订建筑预算、定额等配套政策措施是解决目前难题的突破口。

4.4.制作混凝土时，应从根本上减少水泥熟料用量，更多地利用多种工业废料。意味着减少温室气体的排放，减少资源和能源的消耗，促进人类社会的可持续发展。混合材应主要从水泥生产过程中掺加，以更有利于工程质量。