水泥的功過(guò)與未來(lái)發(fā)展

  水泥之功

  現(xiàn)代波特蘭水泥是在18世紀(jì)末19世紀(jì)初隨著水硬性石灰實(shí)驗(yàn)的進(jìn)展而發(fā)展起來(lái)的。1796年英國(guó)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(xì)的水硬性石灰，因?yàn)檫@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(guó)人開(kāi)始大量生產(chǎn)近似于這種水泥的產(chǎn)品。1810年英國(guó)開(kāi)始用石灰石和粘土生產(chǎn)水泥。

  1824年英國(guó)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(guó)的賓夕法尼亞開(kāi)始用立窯生產(chǎn)這種水泥，這種天然水泥比水泥強(qiáng)度低但高于水硬性石灰。從此膠凝材料進(jìn)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(diǎn)是強(qiáng)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(qiáng)度。

  這類反應(yīng)的速度與石灰—火山灰的反應(yīng)速度相比大大提高，因此可以在較短的時(shí)間里形成較高的強(qiáng)度。到了20世紀(jì)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(jié)構(gòu)有了一些變化。

  應(yīng)該說(shuō)水泥與現(xiàn)代建筑緊密相連，沒(méi)有水泥，就沒(méi)有今天的世界?？梢哉f(shuō)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(kù)大壩都離不開(kāi)水泥。

  水泥之所以如此重要是因?yàn)樗袃?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(shí)間內(nèi)水化形成堅(jiān)強(qiáng)的石狀結(jié)構(gòu)，且在大氣、水中穩(wěn)定存在。應(yīng)該說(shuō)水泥是一種高能量的人造材料。經(jīng)過(guò)近兩百年的研究、生產(chǎn)與實(shí)踐，水泥技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，是人類改造自然，從事建設(shè)的有力武器。中國(guó)鐵道科學(xué)研究院郭成舉曾賦詩(shī)贊譽(yù)水泥：“女媧未許補(bǔ)殘?zhí)欤瑮壷没那饠?shù)萬(wàn)年；一朝尋來(lái)靈丹藥，敢教世界換容顏?！?

  水泥之過(guò)

  波特蘭水泥的應(yīng)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(dāng)嚴(yán)重。其根本原因與混凝土的微觀結(jié)構(gòu)、水化物的化學(xué)穩(wěn)定性和溶解度有關(guān)。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(shí)間的延長(zhǎng)會(huì)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(xué)反應(yīng)從而導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)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(huì)因混凝土的大量廢棄而無(wú)法有效處理，造成固體廢棄物污染。

  我國(guó)水泥標(biāo)準(zhǔn)首次發(fā)布于1956年，經(jīng)過(guò)GB175-1956、GB175-1962、GB175-1977、GB175-1985、GB175-1992、GB175-1999、GB175-2007的逐漸代替，最后的結(jié)果：水泥越來(lái)越細(xì)，高強(qiáng)和早強(qiáng)組分越來(lái)越多，水化熱越來(lái)越大，抗裂性越來(lái)越差，抗腐蝕性越來(lái)越差，與高效減水劑相容性變差——混凝土結(jié)構(gòu)耐久性下降。因檢驗(yàn)強(qiáng)度的水灰比增大，減小了摻入礦物摻和料后的強(qiáng)度的優(yōu)勢(shì)。水泥企業(yè)在提高水泥強(qiáng)度的技術(shù)路線上主要采取增加C₃S和C₃A和提高比表面積；技術(shù)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(shè)法在水泥中添加“增強(qiáng)劑”。

  水泥中早強(qiáng)組分越來(lái)越多，細(xì)度又沒(méi)有設(shè)定上限，導(dǎo)致水化熱增大，抗裂性、抗腐蝕性越來(lái)越差。對(duì)于水泥用量較多、強(qiáng)度等級(jí)較高的混凝土，7d后強(qiáng)度增長(zhǎng)率明顯下降。從目前狀況來(lái)看，作為混凝土的主要組分的水泥，已經(jīng)嚴(yán)重影響了混凝土結(jié)構(gòu)抵抗環(huán)境作用的耐久性能。

  水泥是在現(xiàn)代混凝土技術(shù)平臺(tái)上，沒(méi)有與時(shí)俱進(jìn)，仍然不懈追求強(qiáng)度，迷失了正確的發(fā)展方向。其實(shí)，水泥沒(méi)有過(guò)，水泥是純粹人為設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的膠凝材料，如果說(shuō)水泥有過(guò)，也是代人受過(guò)。[Page]

  水泥中可能存在的問(wèn)題

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

  水泥的顆粒級(jí)配和細(xì)度

  與砂石骨料一樣，水泥粉體也應(yīng)該有其合理的顆粒級(jí)配。粗細(xì)顆粒級(jí)配恰當(dāng)?shù)乃?，可獲得最小用水量，并得到良好的流變性能。我國(guó)目前大多數(shù)水泥，無(wú)顆粒級(jí)配可言；水泥磨得越來(lái)越細(xì)，細(xì)顆粒越來(lái)越多，水化速度很快，流動(dòng)度損失加大，且與外加劑相容性越來(lái)越差；早期強(qiáng)度發(fā)展很快，開(kāi)裂敏感性加大，后期強(qiáng)度增長(zhǎng)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(kāi)裂敏感性??；未水化水泥量越大，自愈能力越強(qiáng)，這是粗磨水泥的優(yōu)點(diǎn)。早在50年前著名水泥化學(xué)家T.C.Powers就指出過(guò)并非水化越充分的水泥漿體強(qiáng)度越高，因?yàn)樗嗨飶?qiáng)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(lái)保持強(qiáng)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(guò)55%，故影響也很大。因此C₃A、C₃S含量較大的早強(qiáng)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(kāi)裂，且與混凝土外加劑的適應(yīng)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(lái)看，應(yīng)盡量降低C₃A和C₃S的含量，適當(dāng)增加C₂S的含量，減小C₃S與C₂S的比率。C₃A不超過(guò)6%，C₂S應(yīng)大于20%。

  水泥中的堿含量

  我國(guó)部分水泥廠生產(chǎn)的水泥堿含量超過(guò)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(yīng)性，且導(dǎo)致了混凝土的收縮開(kāi)裂。水泥中的堿含量應(yīng)控制在0.6%以下。

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

  水泥中的石膏

  傳統(tǒng)上，在實(shí)際生產(chǎn)中，石膏在水泥中只起調(diào)節(jié)凝結(jié)時(shí)間的作用，一般只按符合水泥所需凝結(jié)時(shí)間的最小摻量加入。實(shí)際上，水泥中石膏含量應(yīng)該與水泥中的C₃A、細(xì)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(jié)時(shí)間，而且對(duì)水泥的標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、流動(dòng)性損失、減水劑相容性、強(qiáng)度和收縮都有影響。水泥中的C₃A和堿含量越多，水泥越細(xì)，SO₃最佳含量就宜越大。

  我國(guó)優(yōu)質(zhì)石膏儲(chǔ)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(yīng)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(dǎo)致水泥凝結(jié)時(shí)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(shí)應(yīng)考慮這些問(wèn)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(jié)構(gòu)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(duì)礦物摻和料的認(rèn)識(shí)和使用技術(shù)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(guò)剩產(chǎn)能的戰(zhàn)略途徑是取消低等級(jí)水泥。前不久水泥高層在杭州舉行的圓桌會(huì)議上建議保留GB175水泥標(biāo)準(zhǔn)中不摻或摻不超過(guò)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(gè)等級(jí)）；取消GB175水泥標(biāo)準(zhǔn)中的普通硅酸鹽水泥、復(fù)合硅酸鹽水泥等品種（含42.5(R)、32.5(R)兩個(gè)等級(jí)）。水泥產(chǎn)業(yè)到底該何去何從？對(duì)混凝土產(chǎn)業(yè)的影響是什么？后果是什么？

  取消低等級(jí)水泥，生產(chǎn)硅酸鹽水泥

  在我國(guó)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(biāo)準(zhǔn)中水泥品種很多，但主流產(chǎn)品與我國(guó)普通硅酸鹽水泥相似。目前國(guó)內(nèi)水泥界高層人士希望取消復(fù)合32.5水泥，認(rèn)為這是解決我國(guó)水泥產(chǎn)能過(guò)剩，提高水泥質(zhì)量，走向水泥強(qiáng)國(guó)的重要戰(zhàn)略方向。

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

  （1）我國(guó)從50年代以來(lái)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(biāo)準(zhǔn)中允許摻入20%的混合料。但近20年來(lái)，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(xì)摻料越來(lái)越多，摻量高達(dá)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(biāo)明水泥混合材的品種和數(shù)量，對(duì)于混凝土制備和生產(chǎn)存在一個(gè)黑障區(qū)。通稱為普通硅酸鹽水泥對(duì)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(lái)，石灰石粉用作混凝土摻和料也越來(lái)越多，摻量可達(dá)到20%～25%。我國(guó)水泥標(biāo)準(zhǔn)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(wèn)題不大，但近年來(lái)的研究證明有石灰石粉存在的情況下，當(dāng)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(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)破壞。水泥標(biāo)準(zhǔn)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(qiáng)制廠家向用戶說(shuō)明這些混合料到底是煤矸石粉、石灰石粉或建筑垃圾，當(dāng)我們把摻10%石灰石粉的水泥稱為“普通硅酸鹽水泥”使用時(shí)，在特定低溫硫酸鹽環(huán)境中混凝土結(jié)構(gòu)就增大了受侵蝕的風(fēng)險(xiǎn)。

[Page]   （3）近年來(lái)水泥廠只要強(qiáng)度合格，將多摻混合材作為獲取利潤(rùn)的一種手段。有的水泥廠甚至將混合材摻量達(dá)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(xì)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(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)的過(guò)早劣化等問(wèn)題。

  如果今后水泥廠生產(chǎn)硅酸鹽水泥，對(duì)于混凝土生產(chǎn)環(huán)節(jié)而言水泥組成清晰明了，技術(shù)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(dāng)然水泥廠生產(chǎn)硅酸鹽水泥也有負(fù)面的影響。礦物細(xì)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(lái)了以下問(wèn)題：

  （1）會(huì)導(dǎo)致在混凝土攪拌站摻加更多的摻合料，對(duì)混凝土企業(yè)技術(shù)人員的業(yè)務(wù)能力要求更高，而我國(guó)混凝土企業(yè)一線技術(shù)力量比較弱，專業(yè)水平較低這是事實(shí)。錯(cuò)誤的技術(shù)方案導(dǎo)致混凝土工程質(zhì)量事故的風(fēng)險(xiǎn)會(huì)進(jìn)一步加大。

  （2）攪拌的勻質(zhì)性問(wèn)題。預(yù)拌混凝土廠不可能對(duì)復(fù)雜組分的膠凝材料進(jìn)行預(yù)均化。大多數(shù)攪拌站設(shè)定的攪拌時(shí)間為30秒，針對(duì)復(fù)雜組分和較低水膠比的混凝土30秒的攪拌時(shí)間對(duì)于保證混凝土拌合物勻質(zhì)性是遠(yuǎn)不夠的。

  （3）現(xiàn)代混凝土膠凝材料中SO₃不足。在水泥標(biāo)準(zhǔn)中硅酸鹽水泥中SO₃不得超過(guò)3.5%，礦渣水泥中SO₃最大摻量可達(dá)4%。目前的摻合料（特別是粉煤灰）中SO₃含量一般都較低，磨細(xì)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(huì)稀釋水泥中的SO₃，摻量越大，SO₃越不足，造成混凝土早期強(qiáng)度低、凝結(jié)緩慢、收縮大。

  以上是技術(shù)層面的利弊分析，必須說(shuō)明的是取消復(fù)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(diǎn)是錯(cuò)誤的：

  （1）認(rèn)為復(fù)合32.5水泥是劣質(zhì)水泥，國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)中都有32.5等級(jí)的水泥，標(biāo)準(zhǔn)中不會(huì)為劣質(zhì)產(chǎn)品定指標(biāo)。

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

  （3）水泥標(biāo)準(zhǔn)提升沒(méi)有異議，但關(guān)鍵并不是取消低等級(jí)水泥，一味提高水泥強(qiáng)度等級(jí)，而是使水泥更適應(yīng)現(xiàn)代混凝土工程的需求，例如水泥標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該提出勻質(zhì)穩(wěn)定性、與外加劑相容性、開(kāi)裂敏感性、長(zhǎng)期強(qiáng)度穩(wěn)定增長(zhǎng)等方面的要求。

  （4）在減水劑技術(shù)不斷進(jìn)展的技術(shù)條件下，水膠比顯著降低，對(duì)于混凝土需求而言，水泥的強(qiáng)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(jí)的做法沒(méi)有市場(chǎng)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(chǔ)上，除生產(chǎn)通用水泥以外，在水泥企業(yè)生產(chǎn)平臺(tái)上，依據(jù)混凝土需求，將所有混凝土中的粉體作為一個(gè)整體開(kāi)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(duì)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(jié)構(gòu)、合適的強(qiáng)度、優(yōu)異的耐久性和早、中、后期強(qiáng)度協(xié)調(diào)發(fā)展的低鈣、低環(huán)境負(fù)荷的綠色膠凝材料。對(duì)提高我國(guó)水泥綜合性能指標(biāo)、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(shí)意義和深遠(yuǎn)影響。

  當(dāng)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(jìn)一步下降，必將催生一個(gè)新的產(chǎn)業(yè)，這就是復(fù)合膠凝材料產(chǎn)業(yè)。許多有實(shí)力的混凝土企業(yè)集團(tuán)會(huì)建設(shè)膠凝材料粉磨車間，在粉磨和均化過(guò)程中根據(jù)混凝土工程對(duì)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(jí)配優(yōu)化。當(dāng)然從事這項(xiàng)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(biāo)準(zhǔn)之外，需要制定復(fù)合膠凝材料系列標(biāo)準(zhǔn)。因?yàn)橛惺袌?chǎng)需求，這個(gè)過(guò)程勢(shì)不可擋。

  我們相信水泥行業(yè)的決策者發(fā)展理念是先進(jìn)的，但仍然是站在水泥角度去思考問(wèn)題，沒(méi)有以混凝土為中心去思考問(wèn)題。如果問(wèn)：憑什么讓水泥界精英以混凝土為中心去思考問(wèn)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(guò)去商品混凝土剛剛起步時(shí)建材行業(yè)就失去了一次大發(fā)展的機(jī)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(dāng)前，商品混凝土又在迅速回歸建材，因?yàn)楸緛?lái)就是建材。混凝土產(chǎn)業(yè)在新常態(tài)下勢(shì)必轉(zhuǎn)型升級(jí)，大浪淘沙。如果水泥行業(yè)不去謀劃、抓住這個(gè)機(jī)會(huì)，在這個(gè)群雄逐鹿，英雄輩出的年代，自然會(huì)有企業(yè)脫穎而出，形成企業(yè)集團(tuán)。我們的期望當(dāng)然是水泥產(chǎn)業(yè)有宏圖大志，圍繞混凝土這個(gè)大產(chǎn)業(yè)，延伸產(chǎn)業(yè)鏈，實(shí)現(xiàn)利潤(rùn)、社會(huì)責(zé)任的企業(yè)目標(biāo)。必須將創(chuàng)新性新技術(shù)作為企業(yè)發(fā)展的強(qiáng)大引擎，具備高端產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)能力，引領(lǐng)行業(yè)發(fā)展。