[原創(chuàng)]徐永模：混凝土資源化戰(zhàn)略與可持續(xù)發(fā)展

　　編者按：9月28日，“仕高瑪”2013年混凝土行業(yè)高峰論壇暨第三屆全國(guó)混凝土配合比設(shè)計(jì)與質(zhì)量控制技術(shù)交流會(huì)在珠海隆重召開(kāi)，中國(guó)混凝土與水泥制品協(xié)會(huì)會(huì)長(zhǎng)徐永模作了《混凝土：源化戰(zhàn)略與可持續(xù)發(fā)展》主題報(bào)告，從碳足跡：混凝土的真實(shí)現(xiàn)狀、幾種膠凝材料開(kāi)發(fā)的低碳路線和發(fā)展輔助膠凝材料等三個(gè)方面介紹了混凝土資源化戰(zhàn)略與可持續(xù)發(fā)展情況。

中國(guó)混凝土與水泥制品協(xié)會(huì)會(huì)長(zhǎng)徐永模

　　現(xiàn)今，混凝土可持續(xù)發(fā)展是行業(yè)內(nèi)較為關(guān)注的話題。一直以來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)于混凝土可持續(xù)發(fā)展的技術(shù)路線都沒(méi)有統(tǒng)一，隨著交流的逐漸增多，就可持續(xù)發(fā)展的概念在認(rèn)識(shí)上逐漸也在趨同，但技術(shù)路線卻不同。

　　水泥產(chǎn)業(yè)的低碳化，不同的技術(shù)路線反應(yīng)了不同的產(chǎn)業(yè)發(fā)展的取向。企業(yè)的市場(chǎng)化競(jìng)爭(zhēng)中，資源化是最重要的一個(gè)戰(zhàn)略層面。隨著水泥企業(yè)向下游產(chǎn)業(yè)化的一體化發(fā)展，企業(yè)家深刻的感受到資源化戰(zhàn)略對(duì)提高企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力所發(fā)揮的作用。例如，水泥企業(yè)利用本身的礦山和資本優(yōu)勢(shì)進(jìn)入到混凝土骨料產(chǎn)業(yè)。而今，在國(guó)家對(duì)環(huán)保管理控制很?chē)?yán)格的情況下，資源就是強(qiáng)有力的競(jìng)爭(zhēng)力。對(duì)于混凝土來(lái)講，有一些資源，對(duì)我們降低成本、改善性能和提高競(jìng)爭(zhēng)力是非常關(guān)鍵的?！?

　　一、碳足跡：混凝土真實(shí)現(xiàn)狀　

　　對(duì)于碳足跡的真實(shí)現(xiàn)狀，國(guó)外對(duì)這個(gè)技術(shù)路線提出了比較務(wù)實(shí)的概念。而這里有一個(gè)錯(cuò)誤的概念是，水泥和混凝土是高碳排放材料，因?yàn)椴豢裳h(huán)不是綠色材料，因?yàn)椴荒途檬堑托阅懿牧?，等等。水泥是首?dāng)其沖的話題，而混凝土是低碳材料我們則能夠接受。一種材料生產(chǎn)過(guò)程能耗高則不一定是高碳資源；而是使用過(guò)程是否可循環(huán)，是評(píng)價(jià)一個(gè)材料是否綠色和低碳的一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)。這恰恰是混凝土受到鋼結(jié)構(gòu)以及其他結(jié)構(gòu)材料攻擊的一個(gè)軟肋。所以，要從可循環(huán)的生命周期來(lái)考察和評(píng)價(jià)混凝土是否低碳。

　　有關(guān)數(shù)據(jù)顯示：水泥與混凝土碳排放的總和占人類(lèi)社會(huì)總排放量5%左右，國(guó)內(nèi)大概占7%左右。令人吃驚地是，這5%左右的碳排放提供了全世界生產(chǎn)使用的一半左右的材料，這便是碳排放的代價(jià)。

　　混凝土是環(huán)境友好的低碳材料。如表1、圖1為水泥、混凝土等材料的碳排放量的比較?；炷敛牧鲜敲抗锊牧系哪芎淖畹偷摹臄?shù)據(jù)開(kāi)看：水泥和混凝土行業(yè)材料制造過(guò)程是低碳的。那么材料如何才能可循環(huán)和可持續(xù)的解決其巨大的資源消耗呢？今年，中國(guó)的水泥產(chǎn)量1-8月份-與去年同比增量9%左右。而大量的骨料和其他材料的資源消耗是也巨大的。

　　所以，不能回避的是：作為單一使用的材料，水泥的能耗和碳排放量很大，而混凝土的資源消耗量也很大。今年，國(guó)家在解決PM2.5問(wèn)題時(shí)，致使北京金隅集團(tuán)被迫關(guān)掉水泥廠，其原因是關(guān)于節(jié)能減排降低的氮氧化物的排放濃度。但這里有一個(gè)概念應(yīng)該明確：雖然標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)的濃度降低了，但氣體排放的的總量卻很大。

　　從節(jié)能的角度來(lái)講，如果采用新型干法水泥技術(shù)，其能耗下降空間大概不超過(guò)2%。但是利用混合材或者輔助性膠凝材料就會(huì)有很大的空間。所以，降低水泥的用量，就是降低了水泥生產(chǎn)過(guò)程中總量的碳排放。

表1

圖1

　　水泥的碳排放中，一部分是來(lái)自水泥熟料生產(chǎn)過(guò)程中的燃料，另一部分是來(lái)自水泥生產(chǎn)當(dāng)中的石灰石的分解。如圖2所示。這兩部分都給水泥和混凝土的低碳化提供了技術(shù)路線。一方面要降低碳酸鈣的含量，減少由原料分解所產(chǎn)生的二氧化碳；另一方面可以采用大量可燃、有熱值的廢棄物來(lái)替代煤炭，從而減少二氧化碳的排放。但是在技術(shù)上，我們無(wú)法可持續(xù)的得到這些廢棄物，因?yàn)槊恳粋€(gè)行業(yè)都在發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)和減少排放，不會(huì)為了滿足水泥一個(gè)行業(yè)的低碳化。

圖2

　　那么，在水泥熟料當(dāng)中是否可以降低石灰石的用量？實(shí)際上，硅酸鹽水泥根本的問(wèn)題是要改變其化學(xué)組成，但這樣會(huì)帶來(lái)其他的問(wèn)題。一旦改變其化學(xué)組成，不僅是組分的變化，而且水泥的性能就會(huì)改變。因此，過(guò)去運(yùn)用硅酸鹽水泥積累的一些工程數(shù)據(jù)是否有效？包括耐久性數(shù)據(jù)等。而新組分水泥是否得到了工程驗(yàn)證？能否能作為結(jié)構(gòu)材料？這些問(wèn)題都將出現(xiàn)。

　　過(guò)去，我國(guó)沒(méi)有走外加劑路線時(shí)，在解決工程上的特殊問(wèn)題時(shí)是利用特種水泥混凝土。當(dāng)時(shí)在制作管樁時(shí)開(kāi)發(fā)了特種水泥，用于解決各種特殊問(wèn)題。實(shí)際工程中發(fā)現(xiàn)：許多特種水泥的水化產(chǎn)物和硅酸鹽水泥是一樣的，在耐久性方面沒(méi)有特殊性。但是對(duì)于工作性和早期強(qiáng)度的發(fā)展差距很大。但這不一定不好，可能還有益！最近，華新水泥在生產(chǎn)根據(jù)水工混凝土的需要開(kāi)發(fā)的高貝利特硅酸鹽水泥系列。如果不把高貝利特水泥當(dāng)做普通水泥，而是把它當(dāng)做一種特殊膠凝材料去與普通硅酸鹽水泥熟料復(fù)配的話，那么從其水化物，到其作結(jié)構(gòu)材料和膠凝材料，以及它的低鈣、熟料等等方面，都可以提供一種技術(shù)路線。

　　從地殼里的巖石構(gòu)成可以看出（圖3），硅質(zhì)材料是含量最大的材料，而鈣質(zhì)材料占的比例很小。上世紀(jì)九十年代，國(guó)內(nèi)在研究水泥工業(yè)不可持續(xù)問(wèn)題時(shí)，主要依據(jù)的是當(dāng)時(shí)的地質(zhì)勘探結(jié)果。研究表明其不支持中國(guó)水泥工業(yè)大規(guī)模的生產(chǎn)，因?yàn)閲?guó)內(nèi)的石灰石礦資源非常有限，30-50年就會(huì)用盡。但是過(guò)去的地質(zhì)勘探很粗糙，均以公路系統(tǒng)外50米進(jìn)行勘探，以這樣的一個(gè)勘探結(jié)果得到的儲(chǔ)量。但是如今公路越來(lái)越多，這導(dǎo)致礦山的儲(chǔ)量遠(yuǎn)比原來(lái)估計(jì)的要高得多。而中國(guó)有眾多的水泥廠，絕大多數(shù)都擁有豐富的礦產(chǎn)資源。所以，低鈣這個(gè)路線可能是水泥混凝土可持續(xù)發(fā)展的一個(gè)方向。

圖3    地球地殼的元素構(gòu)成

　　從水泥水化角度來(lái)講，水泥中最關(guān)鍵的是鈣離子和硅離子。如圖4（右），是礦渣的水化圖，可以看到水化和未水化的礦渣形態(tài)。在30年的時(shí)間里，礦渣水化的程度更高。這是很早發(fā)現(xiàn)的一個(gè)現(xiàn)象。

圖4

　　回到鈣-硅-鋁體系，如圖5。Metakaolin所指的是偏高嶺土。因?yàn)楣杌业馁Y源量很少，若用此替代硅灰，則需要通過(guò)人造的方式，來(lái)生產(chǎn)這樣的高性能的輔助性膠凝材料。而我們?nèi)绾螐倪@個(gè)鈣-硅-鋁體系出發(fā)，去開(kāi)發(fā)能夠?qū)崿F(xiàn)水泥與混凝土低碳的膠凝材料體系呢？　　

　　二、膠凝材料開(kāi)發(fā)的低碳路線

　　國(guó)外專(zhuān)家提出了三種技術(shù)路線：第一，新的熟料化學(xué)體系；第二是增大替代熟料量，第三是無(wú)熟料堿激發(fā)材料。

　　現(xiàn)在，水泥熟料生產(chǎn)中有一個(gè)概念叫系數(shù)。首先從水泥及其礦物來(lái)講，硅酸鹽水泥中所含的熟料主要有四種，即C3S、C2S、C3A、C4AF。高貝利特水泥中主要含有C3S和C3A。那么像鐵鋁酸鹽水泥，以及國(guó)外正在平行研發(fā)的無(wú)水硫酸鈣與C2S為主的混合熟料體系都離不開(kāi)一個(gè)重要的元素鋁。但是地球上鋁元素很少，而國(guó)內(nèi)的鋁礦山都掌握在央企。在利用煉鋁的工藝得到的鋁礬來(lái)制作特種水泥時(shí)，所用的原料都是邊角料。而鋁礬資源也很稀缺和寶貴，通過(guò)利用這樣稀缺的資源去發(fā)展低鈣水泥是不現(xiàn)實(shí)的。

圖5

圖6

　　但如果不從礦物這個(gè)角度，是從化學(xué)元素這個(gè)角度來(lái)考慮的話，視野可能就會(huì)拓寬。含鋁的工業(yè)廢物或者其他的天然礦物很多，例如有的企業(yè)利用高鋁的粉煤灰去做硫鋁酸鹽和高貝利特產(chǎn)品，而最近中材集團(tuán)也要投入規(guī)?；a(chǎn)。那么在第二個(gè)技術(shù)路線中，國(guó)外不熟悉如何開(kāi)發(fā)特種水泥，而中國(guó)則是第一個(gè)實(shí)現(xiàn)工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)的硫鋁酸鹽水泥的國(guó)家，向世界20多個(gè)國(guó)家出口硫鋁鹽水泥熟料。所以，選擇這條路線是很實(shí)際的。

圖7

　　從HOLCIM提供的數(shù)據(jù)看（如圖7），1990年到2011年生產(chǎn)的水泥熟料系數(shù)從開(kāi)始的81.9到現(xiàn)在的70.9。這種水泥一般是42.5及以上的等級(jí)，而我國(guó)的熟料系數(shù)比此大很多，這正是工業(yè)化水泥熟料的標(biāo)準(zhǔn)問(wèn)題。國(guó)外一直在走這條路線，但他們能夠利用的水泥原料和礦物材料都是有限的。水泥熟料中利用量最大的是石灰石。而且實(shí)際上，在歐洲銷(xiāo)量最大的是含石灰石的水泥以及各種混合水泥。國(guó)內(nèi)32.5等級(jí)的水泥中不只摻入了礦渣和粉煤灰等大多數(shù)復(fù)合材料，其運(yùn)用了大量其他的材料。

圖8

　　圖8是各種摻合料的資源儲(chǔ)量和每年用于水泥生產(chǎn)的消耗量統(tǒng)計(jì)。石灰石粉是儲(chǔ)量最大的，煅燒粘土的儲(chǔ)量也很大，但使用量并不多；硅灰基本上已經(jīng)用盡；天然火山灰的資源也有限；高爐礦渣一般是工業(yè)化國(guó)家擁有的資源。粉煤灰含量很多，被利用的卻不到三分之一。從這個(gè)角度來(lái)看，最有可能替代水泥熟料來(lái)用于降碳的就是石灰石粉。

圖9

　　在2003年，歐洲的水泥協(xié)會(huì)做了一項(xiàng)統(tǒng)計(jì)，如圖9。從此結(jié)果看出，消耗量最大的是硅酸鹽復(fù)合水泥，占55%，其他種類(lèi)的水泥比例要小一些。所以，在實(shí)際市場(chǎng)中，混合材這一路線是實(shí)現(xiàn)水泥低碳化的最好、最可行、最能反映市場(chǎng)和被市場(chǎng)接受的路線。因?yàn)橄竦V渣、粉煤灰這些工業(yè)化的副產(chǎn)品其數(shù)量是有限的，而且并不是自然界所擁有的一個(gè)礦物，如果地球上不存在這種工業(yè)副產(chǎn)品了，要采用地方上的一些資源，就會(huì)帶來(lái)一些問(wèn)題。

　　水泥的組分無(wú)法標(biāo)準(zhǔn)化，因?yàn)椴捎酶鞯夭煌N類(lèi)的材料，在復(fù)合水泥這個(gè)概念上來(lái)講，所摻的組分是不明確。但是水泥又是通用型材料和基礎(chǔ)性的原材料，必須標(biāo)準(zhǔn)化。不僅指性能，而且是組分。否則，設(shè)計(jì)人員無(wú)法使用通用全國(guó)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)設(shè)計(jì)。從可持續(xù)發(fā)展和資源有限性和保障性來(lái)講，開(kāi)發(fā)新的礦物材料是必然的趨勢(shì)。

　　在基于科學(xué)及實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上認(rèn)為：煅燒粘土資源使用量較少且未被大規(guī)模采用，但其儲(chǔ)量較大，例如含鋁質(zhì)、硅質(zhì)的高嶺土等材料。以上的材料將是未來(lái)資源開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)，也是保障水泥混凝土低碳可持續(xù)發(fā)展的重點(diǎn)。

　　國(guó)外在研究高嶺土或煅燒粘土這個(gè)技術(shù)路線時(shí)，發(fā)現(xiàn)了水泥中存在著石灰石粉和含鋁活性組分之間協(xié)同效應(yīng)。這種協(xié)同效應(yīng)對(duì)水泥性能影響很大，是個(gè)主導(dǎo)性的反應(yīng)。

圖10

M.Antoniet al, Cement substitution by acombination of metakaolin and limestone, CCR,42(2012)1579-1589

圖11

圖13

　　如圖14-16。在混凝土中加入硅質(zhì)或復(fù)合型膠凝材料摻合料時(shí)，早期為何強(qiáng)度會(huì)降低？過(guò)去經(jīng)驗(yàn)研究認(rèn)為，若摻入粉煤灰或礦渣，對(duì)混凝土的早期強(qiáng)度會(huì)有一些影響。從機(jī)理上研究，認(rèn)為水化、凝結(jié)以及強(qiáng)度發(fā)展是受離子的擴(kuò)散作用控制的。比如利用石膏來(lái)調(diào)節(jié)凝結(jié)時(shí)間，加入石膏的表面會(huì)生成一層硫鋁酸鈣。

圖15

　　現(xiàn)在則證明此概念是錯(cuò)誤的。那么影響早期強(qiáng)度的機(jī)理到底是什么？這里有一個(gè)理論：擴(kuò)散的水化物其擴(kuò)散搭橋的過(guò)程對(duì)早期強(qiáng)度有影響，例如閃凝、膨脹以及早期強(qiáng)度發(fā)展等過(guò)程都與這種水化產(chǎn)物顆粒搭橋、支撐有關(guān)系。硫鋁酸鹽水泥早期是由鈣礬石組成，進(jìn)而逐漸發(fā)展。而從水化狀態(tài)發(fā)現(xiàn)：早期強(qiáng)度低主要是由于搭橋的過(guò)程太慢。所以，在早期的水化產(chǎn)物中，如何提高其早期強(qiáng)度及改變其凝結(jié)時(shí)間，是要通過(guò)其生成的水化產(chǎn)物來(lái)控制的。

圖16

圖17

　　綜上，首先，硅酸鹽水泥對(duì)環(huán)境影響已經(jīng)很低，要想進(jìn)一步改進(jìn)不容易，能耗已經(jīng)降到接近極限。其次，摻SCM是最可行的低碳措施；第三，我們現(xiàn)在大量使用的，特別是工業(yè)廢物，因?yàn)橘Y源有限，不可能長(zhǎng)期持續(xù)發(fā)展；第四個(gè)煅燒粘土（與石灰石粉）是下一個(gè)發(fā)展，這種鈣和鋁的協(xié)同體系，是下一個(gè)發(fā)展的新的方向，這種新的礦物摻合料的發(fā)展，將會(huì)打破水泥或膠凝材料的多樣化和地方化，意識(shí)到水泥有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的問(wèn)題，主要還是用于混凝土，對(duì)于混凝土而言，要從資源化的角度來(lái)考慮，混凝土可持續(xù)發(fā)展。最重要的是，我們對(duì)于更多的、新型的可利用礦物材料的理解還不夠，需要進(jìn)一步的加強(qiáng)研究?！　?

　　三、發(fā)展SCMs，為什么不用于水泥？　

　　如今，許多水泥企業(yè)都在發(fā)展混凝土，如何走好每一步是制勝的關(guān)鍵。例如，前一次修訂水泥標(biāo)準(zhǔn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，P.O32.5水泥中，混合材平均摻量為28%, 最大為48%。實(shí)際強(qiáng)度等級(jí)和其它性能質(zhì)量要求不一致的問(wèn)題嚴(yán)重。調(diào)查表明：P.O 32.5水泥3天強(qiáng)度最小值13.2 MPa，最大值26.0，極差在13 MPa左右；28天強(qiáng)度，最小值29.8 MPa，最大值54.0 MPa，極差在24MP左右。因此決定取消P.O 32.5水泥品種。

　　實(shí)際上，混凝土發(fā)展對(duì)水泥標(biāo)準(zhǔn)的要求反映在五個(gè)方面，首先是要反映水泥與外加劑的相容性；其次是混合材品種和性能標(biāo)準(zhǔn)化，再者是混合材組成與摻量透明化和所反映水泥需水性與水化特性；最后是將來(lái)水泥是否需要高性能和高強(qiáng)化。

　　這里有一個(gè)非常重要的政策信息，即國(guó)家鼓勵(lì)少生產(chǎn)水泥。那么在混凝土生產(chǎn)過(guò)程中就會(huì)需要高等級(jí)的水泥。然而在水泥產(chǎn)能?chē)?yán)重過(guò)剩的情況下，為化解這一局面的政策措施，很可能就會(huì)調(diào)整水泥資源綜合利用的稅率，即只要廢棄物利用達(dá)到30%以上，就有資格享受政策稅即征即退。但是發(fā)改委近日通過(guò)政策導(dǎo)向，會(huì)把資源綜合利用的稅收政策導(dǎo)向生產(chǎn)高性能、高強(qiáng)度等級(jí)的水泥，壓制生產(chǎn)低強(qiáng)度等級(jí)的水泥。

　　從中外水泥品種混合材摻量標(biāo)準(zhǔn)比較來(lái)看（如表2），對(duì)于硅酸鹽水泥來(lái)說(shuō)，歐洲和德國(guó)對(duì)于摻量已明確給出，而其他幾個(gè)國(guó)家?guī)缀醪挥?。他們都顧慮一個(gè)問(wèn)題，就是混合材的摻量和水泥標(biāo)準(zhǔn)性很雜亂無(wú)章。

表2

　　發(fā)展混凝土的資源戰(zhàn)略，一定要認(rèn)知這幾個(gè)必然。首先是材料產(chǎn)品碳排放評(píng)價(jià)；第二，現(xiàn)用資源枯竭的必然趨勢(shì)。礦渣、鋼鐵作為第一大過(guò)剩產(chǎn)能被國(guó)家調(diào)控，水泥產(chǎn)業(yè)緊跟其后；第三，提高企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力?；炷连F(xiàn)在競(jìng)爭(zhēng)的是如何降低成本，所以礦物材料是非常重要的一個(gè)技術(shù)措施。最重要的是，在發(fā)展低碳混凝土中，要走中國(guó)特色之路，各種新材料的開(kāi)發(fā)一定要適合中國(guó)的國(guó)情?！?

　　本文根據(jù)所做報(bào)告的演示和錄音編輯而成，未經(jīng)本人審閱。