水泥的功過與未來發(fā)展

  水泥之功

  現(xiàn)代波特蘭水泥是在18世紀末19世紀初隨著水硬性石灰實驗的進展而發(fā)展起來的。1796年英國人JosephParker發(fā)現(xiàn)了一種用雜質(zhì)含量大的石灰?guī)r（名為龜背石）燒制成的一種很細的水硬性石灰，因為這種水泥和古羅馬的水泥有著相同的顏色，所以被命名為羅馬水泥。1802年法國人開始大量生產(chǎn)近似于這種水泥的產(chǎn)品。1810年英國開始用石灰石和粘土生產(chǎn)水泥。

  1824年英國泥瓦工JosephAspdin，首先取得了生產(chǎn)波特蘭水泥即硅酸鹽水泥的專利。1850年，DavidO.Sayler發(fā)現(xiàn)水泥巖并在美國的賓夕法尼亞開始用立窯生產(chǎn)這種水泥，這種天然水泥比水泥強度低但高于水硬性石灰。從此膠凝材料進入人工配料的波特蘭水泥階段。

  現(xiàn)代以波特蘭水泥作為膠凝材料的最大特點是強度主要由硅酸鹽熟料四種礦物質(zhì)和石膏水解水化而形成強度。

  這類反應的速度與石灰—火山灰的反應速度相比大大提高，因此可以在較短的時間里形成較高的強度。到了20世紀中葉為了使水泥具有特定的性能，出現(xiàn)了快硬硅酸鹽水泥、硫鋁酸鹽水泥、氟鋁酸鹽水泥、鐵鋁酸鹽水泥等。這些水泥和波特蘭水泥一樣是一類高含鈣水泥，水化產(chǎn)物和波特蘭水泥的水化物仍比較接近，只是水化物的組成和結構有了一些變化。

  應該說水泥與現(xiàn)代建筑緊密相連，沒有水泥，就沒有今天的世界。可以說水泥是一劑靈丹妙藥，它使建筑行業(yè)完成了一次本質(zhì)性的跨躍。今天的大跨度橋梁、海底隧道、高層建筑、水庫大壩都離不開水泥。

  水泥之所以如此重要是因為它有優(yōu)良的膠凝性能。波特蘭水泥具有四大類型礦物，可以在短時間內(nèi)水化形成堅強的石狀結構，且在大氣、水中穩(wěn)定存在。應該說水泥是一種高能量的人造材料。經(jīng)過近兩百年的研究、生產(chǎn)與實踐，水泥技術已經(jīng)相當成熟，是人類改造自然，從事建設的有力武器。中國鐵道科學研究院郭成舉曾賦詩贊譽水泥：“女媧未許補殘?zhí)?，棄置荒丘?shù)萬年；一朝尋來靈丹藥，敢教世界換容顏。”

  水泥之過

  波特蘭水泥的應用到目前為止還不到200年，但一些波特蘭水泥混凝土造成的破壞已經(jīng)相當嚴重。其根本原因與混凝土的微觀結構、水化物的化學穩(wěn)定性和溶解度有關。古代混凝土的水化物的溶解度比現(xiàn)代混凝土的水化物的溶解度小得多。通?，F(xiàn)代混凝土的水化物隨著時間的延長會發(fā)生轉(zhuǎn)化，或溶解于環(huán)境介質(zhì)中，或與環(huán)境介質(zhì)發(fā)生化學反應從而導致混凝土結構劣化。耐久性差不僅僅影響混凝土的使用性、服役年限及安全性，另一方面也會因混凝土的大量廢棄而無法有效處理，造成固體廢棄物污染。

  我國水泥標準首次發(fā)布于1956年，經(jīng)過GB175-1956、GB175-1962、GB175-1977、GB175-1985、GB175-1992、GB175-1999、GB175-2007的逐漸代替，最后的結果：水泥越來越細，高強和早強組分越來越多，水化熱越來越大，抗裂性越來越差，抗腐蝕性越來越差，與高效減水劑相容性變差——混凝土結構耐久性下降。因檢驗強度的水灰比增大，減小了摻入礦物摻和料后的強度的優(yōu)勢。水泥企業(yè)在提高水泥強度的技術路線上主要采取增加C₃S和C₃A和提高比表面積；技術力量薄弱的水泥廠在增加C₃S和C₃A方面有困難，那么主要依靠提高比表面積和設法在水泥中添加“增強劑”。

  水泥中早強組分越來越多，細度又沒有設定上限，導致水化熱增大，抗裂性、抗腐蝕性越來越差。對于水泥用量較多、強度等級較高的混凝土，7d后強度增長率明顯下降。從目前狀況來看，作為混凝土的主要組分的水泥，已經(jīng)嚴重影響了混凝土結構抵抗環(huán)境作用的耐久性能。

  水泥是在現(xiàn)代混凝土技術平臺上，沒有與時俱進，仍然不懈追求強度，迷失了正確的發(fā)展方向。其實，水泥沒有過，水泥是純粹人為設計和生產(chǎn)的膠凝材料，如果說水泥有過，也是代人受過。[Page]

  水泥中可能存在的問題

  隨著水泥科技的進步，水泥的各方面性能指標得到了很大的提高，但對混凝土裂縫的產(chǎn)生及耐久性也帶來了不利影響。特別是“高細度、高C₃S含量、高標號”所謂的“三高”水泥對混凝土產(chǎn)生裂縫的不利影響是越來越大。高強和早強的礦物以及過大的比表面積給混凝土帶來的后果已是弊大于利。

  水泥的顆粒級配和細度

  與砂石骨料一樣，水泥粉體也應該有其合理的顆粒級配。粗細顆粒級配恰當?shù)乃?，可獲得最小用水量，并得到良好的流變性能。我國目前大多數(shù)水泥，無顆粒級配可言；水泥磨得越來越細，細顆粒越來越多，水化速度很快，流動度損失加大，且與外加劑相容性越來越差；早期強度發(fā)展很快，開裂敏感性加大，后期強度增長率降低。

  相反，粗磨的水泥需水量越小，與外加劑相容性好，水化熱低，開裂敏感性小；未水化水泥量越大，自愈能力越強，這是粗磨水泥的優(yōu)點。早在50年前著名水泥化學家T.C.Powers就指出過并非水化越充分的水泥漿體強度越高，因為水泥水化物強度和體積穩(wěn)定性都比熟料的低。因此需要有一部分未水化顆粒來保持強度和穩(wěn)定體積。

  水泥礦物組成

  硅酸鹽水泥主要的四種礦物中，C₃A的水化熱和收縮率是其它礦物的數(shù)倍，尤其在7d前；C₃S的水化熱雖然比C₃A的小很多，但在7d天前基本上是C₂S水化熱的5倍，由于目前水泥中的C₃S其含量在熟料中已超過55%，故影響也很大。因此C₃A、C₃S含量較大的早強水泥（特別是C₃A含量大于8%的水泥）容易因早期的溫度收縮、自收縮和干燥收縮而開裂，且與混凝土外加劑的適應性變差，容易使混凝土出現(xiàn)假凝和塑性裂縫。

  因此，從耐久性角度來看，應盡量降低C₃A和C₃S的含量，適當增加C₂S的含量，減小C₃S與C₂S的比率。C₃A不超過6%，C₂S應大于20%。

  水泥中的堿含量

  我國部分水泥廠生產(chǎn)的水泥堿含量超過0.6%，因此稱堿含量低于0.6%水泥為低堿水泥。堿的高低影響了與外加劑的適應性，且導致了混凝土的收縮開裂。水泥中的堿含量應控制在0.6%以下。

  對外加劑相容性較好的水泥堿含量均較低，而適應性較差的水泥堿含量相對較高。所以控制較低且較穩(wěn)定的堿含量，對提高水泥與外加劑的適應性是有意義的，當然也不是越低越好。

  水泥中的石膏

  傳統(tǒng)上，在實際生產(chǎn)中，石膏在水泥中只起調(diào)節(jié)凝結時間的作用，一般只按符合水泥所需凝結時間的最小摻量加入。實際上，水泥中石膏含量應該與水泥中的C₃A、細度和堿含量等因素相匹配，且調(diào)整到最佳水平。石膏在水泥中的作用不僅是調(diào)節(jié)凝結時間，而且對水泥的標準稠度用水量、流動性損失、減水劑相容性、強度和收縮都有影響。水泥中的C₃A和堿含量越多，水泥越細，SO₃最佳含量就宜越大。

  我國優(yōu)質(zhì)石膏儲量不多，從節(jié)約資源和利用工業(yè)廢料角度出發(fā)，水泥工業(yè)仍應使用硬石膏、磷石膏和脫硫石膏，不同的石膏種類其溶解速度差異很大。其中的有害成分可能導致水泥凝結時間異常，與高效減水劑相容性變差。因此，在使用工業(yè)副產(chǎn)石膏時應考慮這些問題，調(diào)整石膏的摻量。

  水泥產(chǎn)業(yè)該何去何從

  由于可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略和混凝土結構耐久性的要求，礦物摻和料在混凝土中的摻用已日益普遍。人們對礦物摻和料的認識和使用技術水平正在提高。而在滿足性能要求的前提下，大城市商品混凝土已普遍摻用較大摻量的礦物摻和料。

  目前，水泥行業(yè)部分高層決策人物不斷聚集力量提出解決水泥過剩產(chǎn)能的戰(zhàn)略途徑是取消低等級水泥。前不久水泥高層在杭州舉行的圓桌會議上建議保留GB175水泥標準中不摻或摻不超過5%混合材的硅酸鹽I型和II型水泥品種。（含62.5(R)、52.5(R)、42.5(R)三個等級）；取消GB175水泥標準中的普通硅酸鹽水泥、復合硅酸鹽水泥等品種（含42.5(R)、32.5(R)兩個等級）。水泥產(chǎn)業(yè)到底該何去何從？對混凝土產(chǎn)業(yè)的影響是什么？后果是什么？

  取消低等級水泥，生產(chǎn)硅酸鹽水泥

  在我國使用較多的是普通硅酸鹽水泥，而硅酸鹽水泥用的很少。在歐洲標準中水泥品種很多，但主流產(chǎn)品與我國普通硅酸鹽水泥相似。目前國內(nèi)水泥界高層人士希望取消復合32.5水泥，認為這是解決我國水泥產(chǎn)能過剩，提高水泥質(zhì)量，走向水泥強國的重要戰(zhàn)略方向。

  生產(chǎn)純硅酸鹽水泥，如果作為我國水泥發(fā)展的一個方向，可以克服以下問題。

  （1）我國從50年代以來在普通硅酸鹽中一直允許摻入15%的混合材，并在2008年的通用水泥標準中允許摻入20%的混合料。但近20年來，隨著高性能減水劑的大規(guī)模使用以及商品混凝土的迅速發(fā)展，混凝土中摻入礦物細摻料越來越多，摻量高達30%~40%以上。但混凝土工作者往往不是太注意水泥中已摻混合材的種類和數(shù)量。不標明水泥混合材的品種和數(shù)量，對于混凝土制備和生產(chǎn)存在一個黑障區(qū)。通稱為普通硅酸鹽水泥對混凝土工作者的使用和保證混凝土的施工性能和硬化性能都是不利的。

  （2）近年來，石灰石粉用作混凝土摻和料也越來越多，摻量可達到20%～25%。我國水泥標準中規(guī)定普通硅酸鹽水泥可摻入10%以下的非活性混合材，也就是可以摻入10%的石灰石粉。這在一般使用的環(huán)境中問題不大，但近年來的研究證明有石灰石粉存在的情況下，當混凝土用于低溫潮濕且有硫酸鹽的環(huán)境中，可生成碳硫硅鈣石，導致混凝土結構破壞。水泥標準允許普通硅酸鹽水泥中加入大量混合料以提高水泥產(chǎn)量，又強制廠家向用戶說明這些混合料到底是煤矸石粉、石灰石粉或建筑垃圾，當我們把摻10%石灰石粉的水泥稱為“普通硅酸鹽水泥”使用時，在特定低溫硫酸鹽環(huán)境中混凝土結構就增大了受侵蝕的風險。

[Page]   （3）近年來水泥廠只要強度合格，將多摻混合材作為獲取利潤的一種手段。有的水泥廠甚至將混合材摻量達到了30%以上的水泥仍以普通硅酸鹽水泥出售，如在這種情況下，再在混凝土公司摻入30%或更多的磨細摻和料，如果水膠比降低的幅度不夠大，那么必然造成混凝土工程質(zhì)量低劣，碳化、鋼筋銹蝕導致混凝土結構的過早劣化等問題。

  如果今后水泥廠生產(chǎn)硅酸鹽水泥，對于混凝土生產(chǎn)環(huán)節(jié)而言水泥組成清晰明了，技術人員可以依據(jù)混凝土工程要求選擇和確定膠凝材料的組成成分和比例，這是有利的方面。

  當然水泥廠生產(chǎn)硅酸鹽水泥也有負面的影響。礦物細摻料和外加劑已成為現(xiàn)代混凝土的所必需的組分。在混凝土公司摻入大量不同品種的礦物摻合料帶來了以下問題：

  （1）會導致在混凝土攪拌站摻加更多的摻合料，對混凝土企業(yè)技術人員的業(yè)務能力要求更高，而我國混凝土企業(yè)一線技術力量比較弱，專業(yè)水平較低這是事實。錯誤的技術方案導致混凝土工程質(zhì)量事故的風險會進一步加大。

  （2）攪拌的勻質(zhì)性問題。預拌混凝土廠不可能對復雜組分的膠凝材料進行預均化。大多數(shù)攪拌站設定的攪拌時間為30秒，針對復雜組分和較低水膠比的混凝土30秒的攪拌時間對于保證混凝土拌合物勻質(zhì)性是遠不夠的。

  （3）現(xiàn)代混凝土膠凝材料中SO₃不足。在水泥標準中硅酸鹽水泥中SO₃不得超過3.5%，礦渣水泥中SO₃最大摻量可達4%。目前的摻合料（特別是粉煤灰）中SO₃含量一般都較低，磨細礦渣粉中可能有石膏摻入共磨，而礦物摻和料的活性需要CaO和SO₃激發(fā)。因此混凝土中使用大摻量礦物摻和料會稀釋水泥中的SO₃，摻量越大，SO₃越不足，造成混凝土早期強度低、凝結緩慢、收縮大。

  以上是技術層面的利弊分析，必須說明的是取消復合32.5水泥，發(fā)展硅酸鹽水泥的戰(zhàn)略思路和想法中有以下觀點是錯誤的：

  （1）認為復合32.5水泥是劣質(zhì)水泥，國內(nèi)外標準中都有32.5等級的水泥，標準中不會為劣質(zhì)產(chǎn)品定指標。

  （2）認為高強度等級水泥是高質(zhì)量水泥。水泥的優(yōu)質(zhì)和劣質(zhì)不能以強度高低區(qū)分，尤其對于現(xiàn)代混凝土。水泥和膠凝材料的活性以在相應水膠比范圍內(nèi)滿足混凝土強度要求為宜，過高的活性和強度可能對和易性和體積穩(wěn)定性不利，所以說高強度等級的水泥對混凝土而言可能效果不好。

  （3）水泥標準提升沒有異議，但關鍵并不是取消低等級水泥，一味提高水泥強度等級，而是使水泥更適應現(xiàn)代混凝土工程的需求，例如水泥標準應該提出勻質(zhì)穩(wěn)定性、與外加劑相容性、開裂敏感性、長期強度穩(wěn)定增長等方面的要求。

  （4）在減水劑技術不斷進展的技術條件下，水膠比顯著降低，對于混凝土需求而言，水泥的強度已經(jīng)不低了，P.O42.5水泥可以配制C70混凝土。即便生產(chǎn)C100混凝土，P.O52.5水泥也已經(jīng)足夠。一味提高水泥等級的做法沒有市場需求。

  水泥企業(yè)生產(chǎn)綠色膠凝材料

  水泥行業(yè)在充分理解現(xiàn)代混凝土需求的基礎上，除生產(chǎn)通用水泥以外，在水泥企業(yè)生產(chǎn)平臺上，依據(jù)混凝土需求，將所有混凝土中的粉體作為一個整體開發(fā)和生產(chǎn)綠色膠凝材料，符合混凝土產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略，對混凝土質(zhì)量也有利。

  在綠色膠凝材料的制備方面主要是將水泥熟料、活性混合材、非活性混合材以及石膏合理組合，形成系列產(chǎn)品。最終制成在低水膠比下可以形成穩(wěn)定致密的水泥石結構、合適的強度、優(yōu)異的耐久性和早、中、后期強度協(xié)調(diào)發(fā)展的低鈣、低環(huán)境負荷的綠色膠凝材料。對提高我國水泥綜合性能指標、降低水泥生產(chǎn)成本、消除環(huán)境污染源，均具有極為重要的現(xiàn)實意義和深遠影響。

  當然如果水泥行業(yè)選擇前一種發(fā)展模式，只生產(chǎn)硅酸鹽水泥，混凝土中水泥的比例將進一步下降，必將催生一個新的產(chǎn)業(yè)，這就是復合膠凝材料產(chǎn)業(yè)。許多有實力的混凝土企業(yè)集團會建設膠凝材料粉磨車間，在粉磨和均化過程中根據(jù)混凝土工程對膠凝材料的需要合理匹配熟料、活性摻合料、非活性摻合料以及石膏等組成，并使粉體級配優(yōu)化。當然從事這項工作的也可能是專業(yè)膠凝材料生產(chǎn)企業(yè)。這樣，在水泥標準之外，需要制定復合膠凝材料系列標準。因為有市場需求，這個過程勢不可擋。

  我們相信水泥行業(yè)的決策者發(fā)展理念是先進的，但仍然是站在水泥角度去思考問題，沒有以混凝土為中心去思考問題。如果問：憑什么讓水泥界精英以混凝土為中心去思考問題？筆者的回答是是為了更好的發(fā)展水泥行業(yè)，更好的謀劃建材這盤棋今后二十年到底怎么下。過去商品混凝土剛剛起步時建材行業(yè)就失去了一次大發(fā)展的機遇，讓商品混凝土這塊“肥肉”很大程度上讓給了建工行業(yè)。當前，商品混凝土又在迅速回歸建材，因為本來就是建材?；炷廉a(chǎn)業(yè)在新常態(tài)下勢必轉(zhuǎn)型升級，大浪淘沙。如果水泥行業(yè)不去謀劃、抓住這個機會，在這個群雄逐鹿，英雄輩出的年代，自然會有企業(yè)脫穎而出，形成企業(yè)集團。我們的期望當然是水泥產(chǎn)業(yè)有宏圖大志，圍繞混凝土這個大產(chǎn)業(yè)，延伸產(chǎn)業(yè)鏈，實現(xiàn)利潤、社會責任的企業(yè)目標。必須將創(chuàng)新性新技術作為企業(yè)發(fā)展的強大引擎，具備高端產(chǎn)品的開發(fā)和生產(chǎn)能力，引領行業(yè)發(fā)展。