水泥的功过与未来发展

    水泥之功

    现代波特兰水泥是在18世纪末19世纪初随着水硬性石灰实验的进展而发展起来的。1796年英国人JosephParker发现了一种用杂质含量大的石灰岩（名为龟背石）烧制成的一种很细的水硬性石灰，因为这种水泥和古罗马的水泥有着相同的颜色，所以被命名为罗马水泥。1802年法国人开始大量生产近似于这种水泥的产品。1810年英国开始用石灰石和粘土生产水泥。

      1824年英国泥瓦工JosephAspdin，首先取得了生产波特兰水泥即硅酸盐水泥的专利。1850年，DavidO.Sayler发现水泥岩并在美国的宾夕法尼亚开始用立窑生产这种水泥，这种天然水泥比水泥强度低但高于水硬性石灰。从此胶凝材料进入人工配料的波特兰水泥阶段。

      现代以波特兰水泥作为胶凝材料的最大特点是强度主要由硅酸盐熟料四种矿物质和石膏水解水化而形成强度。

      这类反应的速度与石灰—火山灰的反应速度相比大大提高，因此可以在较短的时间里形成较高的强度。到了20世纪中叶为了使水泥具有特定的性能，出现了快硬硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、氟铝酸盐水泥、铁铝酸盐水泥等。这些水泥和波特兰水泥一样是一类高含钙水泥，水化产物和波特兰水泥的水化物仍比较接近，只是水化物的组成和结构有了一些变化。

      应该说水泥与现代建筑紧密相连，没有水泥，就没有今天的世界。可以说水泥是一剂灵丹妙药，它使建筑行业完成了一次本质性的跨跃。今天的大跨度桥梁、海底隧道、高层建筑、水库大坝都离不开水泥。

      水泥之所以如此重要是因为它有优良的胶凝性能。波特兰水泥具有四大类型矿物，可以在短时间内水化形成坚强的石状结构，且在大气、水中稳定存在。应该说水泥是一种高能量的人造材料。经过近两百年的研究、生产与实践，水泥技术已经相当成熟，是人类改造自然，从事建设的有力武器。中国铁道科学研究院郭成举曾赋诗赞誉水泥：“女娲未许补残天，弃置荒丘数万年；一朝寻来灵丹药，敢教世界换容颜。”

      水泥之过

      波特兰水泥的应用到目前为止还不到200年，但一些波特兰水泥混凝土造成的破坏已经相当严重。其根本原因与混凝土的微观结构、水化物的化学稳定性和溶解度有关。古代混凝土的水化物的溶解度比现代混凝土的水化物的溶解度小得多。通常现代混凝土的水化物随着时间的延长会发生转化，或溶解于环境介质中，或与环境介质发生化学反应从而导致混凝土结构劣化。耐久性差不仅仅影响混凝土的使用性、服役年限及安全性，另一方面也会因混凝土的大量废弃而无法有效处理，造成固体废弃物污染。

      我国水泥标准首次发布于1956年，经过GB175-1956、GB175-1962、GB175-1977、GB175-1985、GB175-1992、GB175-1999、GB175-2007的逐渐代替，最后的结果：水泥越来越细，高强和早强组分越来越多，水化热越来越大，抗裂性越来越差，抗腐蚀性越来越差，与高效减水剂相容性变差——混凝土结构耐久性下降。因检验强度的水灰比增大，减小了掺入矿物掺和料后的强度的优势。水泥企业在提高水泥强度的技术路线上主要采取增加C3S和C3A和提高比表面积；技术力量薄弱的水泥厂在增加C3S和C3A方面有困难，那么主要依靠提高比表面积和设法在水泥中添加“增强剂”。

      水泥中早强组分越来越多，细度又没有设定上限，导致水化热增大，抗裂性、抗腐蚀性越来越差。对于水泥用量较多、强度等级较高的混凝土，7d后强度增长率明显下降。从目前状况来看，作为混凝土的主要组分的水泥，已经严重影响了混凝土结构抵抗环境作用的耐久性能。

      水泥是在现代混凝土技术平台上，没有与时俱进，仍然不懈追求强度，迷失了正确的发展方向。其实，水泥没有过，水泥是纯粹人为设计和生产的胶凝材料，如果说水泥有过，也是代人受过。

      水泥中可能存在的问题

      随着水泥科技的进步，水泥的各方面性能指标得到了很大的提高，但对混凝土裂缝的产生及耐久性也带来了不利影响。特别是“高细度、高C3S含量、高标号”所谓的“三高”水泥对混凝土产生裂缝的不利影响是越来越大。高强和早强的矿物以及过大的比表面积给混凝土带来的后果已是弊大于利。

      水泥的颗粒级配和细度

      与砂石骨料一样，水泥粉体也应该有其合理的颗粒级配。粗细颗粒级配恰当的水泥，可获得最小用水量，并得到良好的流变性能。我国目前大多数水泥，无颗粒级配可言；水泥磨得越来越细，细颗粒越来越多，水化速度很快，流动度损失加大，且与外加剂相容性越来越差；早期强度发展很快，开裂敏感性加大，后期强度增长率降低。

      相反，粗磨的水泥需水量越小，与外加剂相容性好，水化热低，开裂敏感性小；未水化水泥量越大，自愈能力越强，这是粗磨水泥的优点。早在50年前着名水泥化学家T.C.Powers就指出过并非水化越充分的水泥浆体强度越高，因为水泥水化物强度和体积稳定性都比熟料的低。因此需要有一部分未水化颗粒来保持强度和稳定体积。

      水泥矿物组成

      硅酸盐水泥主要的四种矿物中，C3A的水化热和收缩率是其它矿物的数倍，尤其在7d前；C3S的水化热虽然比C3A的小很多，但在7d天前基本上是C2S水化热的5倍，由于目前水泥中的C3S其含量在熟料中已超过55%，故影响也很大。因此C3A、C3S含量较大的早强水泥（特别是C3A含量大于8%的水泥）容易因早期的温度收缩、自收缩和干燥收缩而开裂，且与混凝土外加剂的适应性变差，容易使混凝土出现假凝和塑性裂缝。

      因此，从耐久性角度来看，应尽量降低C3A和C3S的含量，适当增加C2S的含量，减小C3S与C2S的比率。C3A不超过6%，C2S应大于20%。

      水泥中的碱含量

      我国部分水泥厂生产的水泥碱含量超过0.6%，因此称碱含量低于0.6%水泥为低碱水泥。碱的高低影响了与外加剂的适应性，且导致了混凝土的收缩开裂。水泥中的碱含量应控制在0.6%以下。

      对外加剂相容性较好的水泥碱含量均较低，而适应性较差的水泥碱含量相对较高。所以控制较低且较稳定的碱含量，对提高水泥与外加剂的适应性是有意义的，当然也不是越低越好。

      水泥中的石膏

      传统上，在实际生产中，石膏在水泥中只起调节凝结时间的作用，一般只按符合水泥所需凝结时间的最小掺量加入。实际上，水泥中石膏含量应该与水泥中的C3A、细度和碱含量等因素相匹配，且调整到最佳水平。石膏在水泥中的作用不仅是调节凝结时间，而且对水泥的标准稠度用水量、流动性损失、减水剂相容性、强度和收缩都有影响。水泥中的C3A和碱含量越多，水泥越细，SO3最佳含量就宜越大。

      我国优质石膏储量不多，从节约资源和利用工业废料角度出发，水泥工业仍应使用硬石膏、磷石膏和脱硫石膏，不同的石膏种类其溶解速度差异很大。其中的有害成分可能导致水泥凝结时间异常，与高效减水剂相容性变差。因此，在使用工业副产石膏时应考虑这些问题，调整石膏的掺量。

      水泥产业该何去何从

      由于可持续发展战略和混凝土结构耐久性的要求，矿物掺和料在混凝土中的掺用已日益普遍。人们对矿物掺和料的认识和使用技术水平正在提高。而在满足性能要求的前提下，大城市商品混凝土已普遍掺用较大掺量的矿物掺和料。

      目前，水泥行业部分高层决策人物不断聚集力量提出解决水泥过剩产能的战略途径是取消低等级水泥。前不久水泥高层在杭州举行的圆桌会议上建议保留GB175水泥标准中不掺或掺不超过5%混合材的硅酸盐I型和II型水泥品种。（含62.5(R)、52.5(R)、42.5(R)三个等级）；取消GB175水泥标准中的普通硅酸盐水泥、复合硅酸盐水泥等品种（含42.5(R)、32.5(R)两个等级）。水泥产业到底该何去何从？对混凝土产业的影响是什么？后果是什么？

      取消低等级水泥，生产硅酸盐水泥

      在我国使用较多的是普通硅酸盐水泥，而硅酸盐水泥用的很少。在欧洲标准中水泥品种很多，但主流产品与我国普通硅酸盐水泥相似。目前国内水泥界高层人士希望取消复合32.5水泥，认为这是解决我国水泥产能过剩，提高水泥质量，走向水泥强国的重要战略方向。

      生产纯硅酸盐水泥，如果作为我国水泥发展的一个方向，可以克服以下问题。

     （1）我国从50年代以来在普通硅酸盐中一直允许掺入15%的混合材，并在2008年的通用水泥标准中允许掺入20%的混合料。但近20年来，随着高性能减水剂的大规模使用以及商品混凝土的迅速发展，混凝土中掺入矿物细掺料越来越多，掺量高达30%~40%以上。但混凝土工作者往往不是太注意水泥中已掺混合材的种类和数量。不标明水泥混合材的品种和数量，对于混凝土制备和生产存在一个黑障区。通称为普通硅酸盐水泥对混凝土工作者的使用和保证混凝土的施工性能和硬化性能都是不利的。

     （2）近年来，石灰石粉用作混凝土掺和料也越来越多，掺量可达到20%～25%。我国水泥标准中规定普通硅酸盐水泥可掺入10%以下的非活性混合材，也就是可以掺入10%的石灰石粉。这在一般使用的环境中问题不大，但近年来的研究证明有石灰石粉存在的情况下，当混凝土用于低温潮湿且有硫酸盐的环境中，可生成碳硫硅钙石，导致混凝土结构破坏。水泥标准允许普通硅酸盐水泥中加入大量混合料以提高水泥产量，又强制厂家向用户说明这些混合料到底是煤矸石粉、石灰石粉或建筑垃圾，当我们把掺10%石灰石粉的水泥称为“普通硅酸盐水泥”使用时，在特定低温硫酸盐环境中混凝土结构就增大了受侵蚀的风险。

     （3）近年来水泥厂只要强度合格，将多掺混合材作为获取利润的一种手段。有的水泥厂甚至将混合材掺量达到了30%以上的水泥仍以普通硅酸盐水泥出售，如在这种情况下，再在混凝土公司掺入30%或更多的磨细掺和料，如果水胶比降低的幅度不够大，那么必然造成混凝土工程质量低劣，碳化、钢筋锈蚀导致混凝土结构的过早劣化等问题。

      如果今后水泥厂生产硅酸盐水泥，对于混凝土生产环节而言水泥组成清晰明了，技术人员可以依据混凝土工程要求选择和确定胶凝材料的组成成分和比例，这是有利的方面。

      当然水泥厂生产硅酸盐水泥也有负面的影响。矿物细掺料和外加剂已成为现代混凝土的所必需的组分。在混凝土公司掺入大量不同品种的矿物掺合料带来了以下问题：

     （1）会导致在混凝土搅拌站掺加更多的掺合料，对混凝土企业技术人员的业务能力要求更高，而我国混凝土企业一线技术力量比较弱，专业水平较低这是事实。错误的技术方案导致混凝土工程质量事故的风险会进一步加大。

     （2）搅拌的匀质性问题。预拌混凝土厂不可能对复杂组分的胶凝材料进行预均化。大多数搅拌站设定的搅拌时间为30秒，针对复杂组分和较低水胶比的混凝土30秒的搅拌时间对于保证混凝土拌合物匀质性是远不够的。

     （3）现代混凝土胶凝材料中SO3不足。在水泥标准中硅酸盐水泥中SO3不得超过3.5%，矿渣水泥中SO3最大掺量可达4%。目前的掺合料（特别是粉煤灰）中SO3含量一般都较低，磨细矿渣粉中可能有石膏掺入共磨，而矿物掺和料的活性需要CaO和SO3激发。因此混凝土中使用大掺量矿物掺和料会稀释水泥中的SO3，掺量越大，SO3越不足，造成混凝土早期强度低、凝结缓慢、收缩大。

      以上是技术层面的利弊分析，必须说明的是取消复合32.5水泥，发展硅酸盐水泥的战略思路和想法中有以下观点是错误的：

     （1）认为复合32.5水泥是劣质水泥，国内外标准中都有32.5等级的水泥，标准中不会为劣质产品定指标。

     （2）认为高强度等级水泥是高质量水泥。水泥的优质和劣质不能以强度高低区分，尤其对于现代混凝土。水泥和胶凝材料的活性以在相应水胶比范围内满足混凝土强度要求为宜，过高的活性和强度可能对和易性和体积稳定性不利，所以说高强度等级的水泥对混凝土而言可能效果不好。

     （3）水泥标准提升没有异议，但关键并不是取消低等级水泥，一味提高水泥强度等级，而是使水泥更适应现代混凝土工程的需求，例如水泥标准应该提出匀质稳定性、与外加剂相容性、开裂敏感性、长期强度稳定增长等方面的要求。

     （4）在减水剂技术不断进展的技术条件下，水胶比显着降低，对于混凝土需求而言，水泥的强度已经不低了，P.O42.5水泥可以配制C70混凝土。即便生产C100混凝土，P.O52.5水泥也已经足够。一味提高水泥等级的做法没有市场需求。

      水泥企业生产绿色胶凝材料

      水泥行业在充分理解现代混凝土需求的基础上，除生产通用水泥以外，在水泥企业生产平台上，依据混凝土需求，将所有混凝土中的粉体作为一个整体开发和生产绿色胶凝材料，符合混凝土产业可持续发展的战略，对混凝土质量也有利。

      在绿色胶凝材料的制备方面主要是将水泥熟料、活性混合材、非活性混合材以及石膏合理组合，形成系列产品。最终制成在低水胶比下可以形成稳定致密的水泥石结构、合适的强度、优异的耐久性和早、中、后期强度协调发展的低钙、低环境负荷的绿色胶凝材料。对提高我国水泥综合性能指标、降低水泥生产成本、消除环境污染源，均具有极为重要的现实意义和深远影响。

      当然如果水泥行业选择前一种发展模式，只生产硅酸盐水泥，混凝土中水泥的比例将进一步下降，必将催生一个新的产业，这就是复合胶凝材料产业。许多有实力的混凝土企业集团会建设胶凝材料粉磨车间，在粉磨和均化过程中根据混凝土工程对胶凝材料的需要合理匹配熟料、活性掺合料、非活性掺合料以及石膏等组成，并使粉体级配优化。当然从事这项工作的也可能是专业胶凝材料生产企业。这样，在水泥标准之外，需要制定复合胶凝材料系列标准。因为有市场需求，这个过程势不可挡。

      我们相信水泥行业的决策者发展理念是先进的，但仍然是站在水泥角度去思考问题，没有以混凝土为中心去思考问题。如果问：凭什么让水泥界精英以混凝土为中心去思考问题？笔者的回答是是为了更好的发展水泥行业，更好的谋划建材这盘棋今后二十年到底怎么下。过去商品混凝土刚刚起步时建材行业就失去了一次大发展的机遇，让商品混凝土这块“肥肉”很大程度上让给了建工行业。当前，商品混凝土又在迅速回归建材，因为本来就是建材。混凝土产业在新常态下势必转型升级，大浪淘沙。如果水泥行业不去谋划、抓住这个机会，在这个群雄逐鹿，英雄辈出的年代，自然会有企业脱颖而出，形成企业集团。我们的期望当然是水泥产业有宏图大志，围绕混凝土这个大产业，延伸产业链，实现利润、社会责任的企业目标。必须将创新性新技术作为企业发展的强大引擎，具备高端产品的开发和生产能力，引领行业发展。