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我國通用硅酸鹽水泥利用混合材的歷史、變遷及問題

更新日期: 2020年07月08日 作者: 肖忠明 來源: 數字水泥網 【字體:
摘要:現將我國通用硅酸鹽水泥利用混合材的歷史、變遷根據前輩的資料進行了回顧,并對水泥行業科學合理利用工業廢渣提出了希望,以供業內同仁參考。


前言:

? ?我國是世界上較早利用工業廢渣作為水泥 混合材料的國家之一,由于混合材料的利用在不同時期解決了水泥供不應求、沸煮安定性等問題并適時進行調整。進入21世紀,我國水泥行業快速發展,水泥總產量突破20億噸并維持在24億噸左右多年。水泥行業的快速發展帶來熟料產能嚴重過剩的同時,也帶來水泥生產用混合材料的緊張或短缺,并在惡性競爭的大背景下導致普遍通用硅酸鹽水泥 的混合材料亂用多用現象,雖能保證水泥強度符合標準規定但帶來水泥混凝土耐久性的隱患。為了規范通用硅酸鹽水泥的生產,新版GB175恢復了“組分出廠檢驗”以及“合格判定”的規定。對于此變化,有的同仁不甚理解,現將我國通用硅酸鹽水泥利用混合材的歷史、變遷根據前輩的資料進行了回顧,并對水泥行業科學合理利用工業廢渣提出了希望,以供業內同仁參考。

一、我國通用硅酸鹽水泥利用混合材料的歷史

建國前夕我國水泥企業僅有20來家,年產90余萬噸,品種單一,水泥企業以自己的經營地為背景采用日、美、英、德等國的標準來生產硅酸鹽水泥。經過解放初期的恢復,1950年我國的水泥產量達到141萬噸,但遠遠不能滿足要求,而且標準的不統一與計劃經濟和蘇聯援建項目的需要不相適應。因此統一水泥標準成為當時的一項急迫任務,1951年國家建材部水泥局召開統一水泥標準會議,決定用蘇聯ΓОСТ310《水泥物理檢驗方法》和ΓОСТ5832《水泥化學分析方法》為基礎統一我國水泥檢驗方法標準,并由中國建筑材料研究院前身---建材部北京綜合研究所和重工業部沈陽東北技術研究室進行研究。在此基礎上于1952年提出了以蘇聯水泥產品標準為藍本的三大水泥標準----即普通硅酸鹽水泥、火山灰質硅酸鹽水泥、礦渣硅酸鹽水泥標準,首次統一了我國水泥產品標準和檢驗方法標準,并開創了我國水泥摻加混合材的歷史,大大促進了我國水泥生產的發展和產量的提高,有效地滿足了建國初期基本建設的急需,到1955年我國水泥產量增加到450萬噸,1960年達到1565萬噸。

二、我國通用硅酸鹽水泥利用混合材料的歷史變遷

水泥中摻加不同品種、不同數量的混合材,奠定了我國通用水泥多品種、多標號的基本結構,從增產、節約二個方面緩解了我國水泥的長期供需矛盾,為我國的社會主義建設作出了重大的貢獻,同時實踐也證明在水泥中摻用混合材是發展的方向。

然而,對于混合材料的利用并不是一成不變的。七十年來我國通用水泥品種中的混合材品種摻量、技術要求和驗收規則都隨著國家的需要和新的研究成果進行了不同程度的調整:

1、普通硅酸鹽水泥

?1) 1977年規定可摻有不超過15%的活性混合材料,同時也可用非活性混合材料來替代其中的活性混合材料,替代的數量最多不超過水泥重量的10 %;

2) 1985年修訂后的普通水泥標準,除以上規定外增加了允許用回轉窯窯灰代替活性混合材的規定,代替的量最大不得超過5%,并不得與非活性混合材料一起來代替,同時規定所指的活性混合材料是指符合相應標準規定的粒化高爐礦渣和火山灰質混合材料;

3) 2007年標準修訂時,將混合材的摻量調整為5%-20%,允許用不超過水泥質量8%且的非活性混合材料代替。

2、礦渣硅酸鹽水泥

1)1952年標準規定為礦渣15%-85%

2)1962年標準改為混合材摻量20%-85%,并允許用不超過混合材總量15%的火山灰質混合材料代替;

3)1977年為保持礦渣水泥性能的一致性,將混合材摻量修訂為20%-70%,其中的礦渣有一部分可由火山灰質混合材料(包括粉煤灰) 來替代,替代的數量不能超過混合材總量的1/3,并不得大于水泥重量的15 %

4)1985年修訂時,基于我國小水泥大量發展、在生產中要用礦渣來改善安定性、造成礦渣供應非常緊張的狀況和中國建材院當時對石灰石、窯灰的研究新成果,標準中允許用不超過10%的石灰石、或8%的回轉窯窯灰代替礦渣,同時石灰石與火山灰質混合材或窯灰與火山灰質混合材料的總量不得大于15 %;

5)1992年修訂時,我國水泥產量已列世界第一并開始脫離計劃經濟、進入市場調節,因此標準限定除礦渣外只能用石灰石、窯灰、粉煤灰和火山灰質混合材料中的一種混合材代替礦渣、代替量不得超過8%,替代后水泥中的礦渣不得少于20%;

6)2007年標準修訂時,根據礦渣摻量修訂為A、B型,允許用不超過水泥質量8%的活性混合材料或非活性混合材料代替。

3、火山灰質硅酸鹽水泥(包括粉煤灰硅酸鹽水泥)

1)1985年的標準規定,火山灰質混合材料的摻量為20%-50%,允許用不超過混合材總量1/3的礦渣代替火山灰質混合材料,替代后水泥中的火山灰質混合材料不得少于20%;

2)1992年標準修訂時取消了允許替代的規定。

三、通用硅酸鹽水泥對混合材料的要求

1、保持通用水泥個性的要求

在通用水泥的混合材中,礦渣、火山灰和粉煤灰三種傳統材料經過了幾十年的研究、生產和使用實踐,證明在不失硅酸鹽水泥特性的前提下形成了各自鮮明的個性,被社會所接受。

2、健康衛生的要求

隨著我國經濟的發展,人民生活水平的提高,人們對居住環境所用材料的環保性能越來越重視,如板材中的甲醛,國家制定了嚴格的標準要求,進行監督檢測。

對于水泥而言,雖然我國沒有規定對人體有害物質的限量,但如果混合材使用不當,會引入對人體有害的物質,如放射性物質、重金屬等,引起皮膚疾病,甚至癌癥。因此,從人體健康的角度,水泥中的混合材不可能包羅萬象什么都可以使用。

3、通用水泥質量穩定的要求

通用水泥質量的穩定,除了可檢測的技術指標的穩定外,就是水泥耐久性的保證及穩定。要達到此目的,在硅酸鹽水泥熟料穩定的前提下,就需要混合材質量的穩定。因此,作為通用水泥的混合材,要求量大、面廣,保證混合材的質量穩定和大范圍內水泥性能的穩定。

4、保證工程安全性的要求

通用硅酸鹽水泥是當今世界上最大宗的人造工程材料,我國水泥產量占了世界產量的60%多,連續8年維持在21億多噸。由這些水泥建設了大量的基礎設施,關乎著人民的生命財產安全,因此通用硅酸鹽水泥的體積安定性是工程安全性的基礎。

四、要正確了解混合材的作用

1、降低水泥生產成本

眾所周知,使用混合材能降低水泥生產成本。但這不能成為我國純硅酸鹽水泥生產量少而其他摻加混合材水泥生產量多的主要原因。

2、調節水泥性能

硅酸鹽水泥作為傳統材料存在了100多年還方興未艾,是由于硅酸鹽水化產物的穩定性。但由于Ca(OH)2、鈣礬石等水化產物的存在,硅酸鹽水泥的抗侵蝕性能、干縮性能等都需要采取措施進行調節或改善。同時在商品混凝土發展的今天,由于對施工性能要求的提高,還需要對水泥施工性能進行調節。根據歷來的研究表明,在水泥性能調節措施中最經濟、最有效的方法就是使用混合材來調節水泥的性能,如使用火山灰質混合材可提高水泥的抗滲性和抗淡水溶析性能,使用礦渣可提高水泥的耐熱性、抗凍性、與減水劑的適應性等,利用原料的易磨性不同調節水泥的顆粒組成,改善水泥的工作性。

3、水泥分類的作用以及耐久性保證作用

我國的水泥產品分類是按用途和礦物組成進行大的分類,而通用硅酸鹽水泥則是通過性能來細分,并通過混合材的品種和摻量來實現。也就是說,混合材品種和摻量是界定通用水泥品種的前提,也是水泥性能、特別是耐久性的保證。同時,由于各品種水泥性能上的差異,也基本給出了不同品種水泥的適用范圍。

曾有多人根據我國熟料質量、粉磨裝備和技術的提高等因素提出“放寬混合材料上限”的建議。此建議是基于水泥強度的提高原因,但忽略了水泥性能、特別是耐久性的劣化。因水泥、混凝土的耐久性眾多,這里以碳化深度為例,了解混合材摻量對耐久性的影響。從圖中結果可見:當礦渣摻量達到65%、粉煤灰和火山灰摻量達到40%時,膠砂試體已經完全碳化。


五、水泥組分的監督管理

鑒于水泥組分的重要性,國際上各國對水泥組分都比較重視。

1、我歷來對水泥組分的管理及規定

?1)在行政管理上

1979年3月由建材部計劃司發布的《水泥工業主要統計指標計算方法》第14條規定計算每噸水泥的混合材消耗量方法,除要求按全部水泥計算外,還要按不同品種、標號分別計算……大中型企業要按月上報建材部;

1983年發布的《大中型水泥企業質量管理規程》第22條“..入磨物料的配比要有計量測試手段,禁止使用盤庫結果反推倒算的方法代替日常的計量控制..”;

1989年該規程修訂后改為《旋窯水泥企業質量管理規程》,其第27條“..熟料和各種混合材料的配比要有計量測試手段。禁止使用盤庫結果倒算法代替日常的計量控制。.出磨水泥質量波動范圍……混合材摻加量±2%(每班至少檢測1~2次),合格率大于60%。”;

1996年上述規程修改為《水泥企業質量管理規程》,在過程質量控制指標一覽表中第7項,“出磨水泥”要求中,混合材摻入量指標為“K±2.0%,合格率≮80%,頻次為4小時一次”。

2)在產品標準規定上

在2007版以前的通用硅酸鹽水泥產品標準中,都將“水泥組分”列為出廠檢驗項目之一。2007版標準修訂時,鑒于社會對組分測定方法的質疑、在取消嚴重違標生產的普通32.5、32.5R強度等級水泥后,取消了水泥組分出廠檢驗的要求。

鑒于大部分水泥企業的“遵標”實際情況,在此次的GB175標準修訂時,恢復了水泥組分出廠檢驗的要求并作為合格判定的指標之一,同時明確GB/T12960《水泥組分的定量測定》為標準方法(修改采用ENV 196-4《水泥試驗方法—組分的定量測定》),以規范水泥的生產、實現通用硅酸鹽水泥產品的標準化。

?2、國際上對水泥組分的規定

1)美國

(1)水泥產品標識明確標注出水泥用混合材以及混合材摻量;

(2)檢驗報告中明示水泥組分;

(3)ASTM C150在附錄中給出了石灰石的測定方法,其他的混合材沒有給定測定方法。

2)歐洲

(1)水泥組分測定方法“由水泥企業自選”;

(2)水泥企業自行進行水泥組分的測定(據悉按照ENV 196-4《水泥試驗方法—組分的定量測定》進行);

(3)通過第三方的認證保證水泥組分符合標準要求。

五、工業廢渣在水泥行業的科學合理利用是水泥行業可持續發展的需要

?1、低碳經濟是水泥工業發展的必由之路

自2012年起,我國水泥生產總量一直維持在24億噸的水平,且短期內沒有大幅降低的勢頭。為此,我國每年約消耗石灰石16億噸、粘土4億噸、標煤1.63億噸,排放二氧化碳約13.6億噸。而水泥工業這種傳統的發展和生產模式,使得資源、能源都難以為續,對生態環境也造成了極為不利的影響。

20141112日,在北京APEC峰會期間,中美雙方在北京共同發表《中美氣候變化聯合聲明》,《聲明》中,中國宣示氣候減排目標:計劃2030年左右CO2排放達到峰值且將努力早日達峰,并計劃到2030年非化石能源占一次能源消費比重提高到20%左右。因此氣候目標倒逼改革,水泥行業首當其沖,低碳經濟是水泥工業發展的必由之路。

而實現水泥行業的節能減排、綠色生產,除了技術改造、采用新技術外,綜合利用工業廢渣是最簡單易行的途徑。為此:

——工信部2010年下發《關于水泥工業節能減排的指導意見》 (第 [2010]582 號),要求到十二五末全國水泥生產平均可比熟料綜合能耗小于 114kg標準煤、水泥綜合能耗小于93kg標準煤以及鼓勵資源綜合利用、完善循環經濟發展模式 。

——2011年11月8日,工信部公布了《建材工業“十二五”發展規劃》,其中的一個目標為“綜合利廢總量提高20%”。

2、水泥行業綜合利用工業廢渣應科學合理

對于水泥工業而言,走可持續發展之路、實現低碳經濟,有如下幾個途徑:一是利用工業廢渣用作水泥混合材;二是生產優質熟料,提高水泥強度,降低水泥在混凝土中的使用量;三、用作水泥原料,配料使用。

但目前我國大部分水泥企業基本采納了第一方案,使水泥行業成為一個大垃圾筒,任何東西都往里裝。而這些水泥企業選擇混合材的標準只有兩個:水泥強度不降低、生產成本低。所以有的水泥企業則為了降低成本也樂此不疲,由此導致混合材的違標使用。而有的排渣企業為了降低環保壓力,不考慮廢渣的無害化處理也選擇無成本處理、甚至有收益的“水泥混合材”這一途徑。

在國際上,通用水泥標準中允許使用的混合材主要只有礦渣、粉煤灰和火山灰三種。同時在這些國家,各種工業廢渣多用于水泥原料,而非混合材,見表1。此表雖然給出的2000年左右的數據,但我國水泥行業利用工業廢渣作為二次原料的狀況并沒有大的改觀,變化較大的僅是水泥窯協同處理垃圾,這是由于理由工業廢渣配料增加了配料的復雜性和生料的不穩定性,以及窯操的改變和難度的增加。

表1 ? 一些國家水泥行業利廢情況對比

國別

年份

水泥產量

萬t

廢渣產量

萬t

利用量

萬t

水泥工業綜合利用量

二次原料

混合材

二次燃料

總量

萬t

噸水泥用量kg/t

總量

萬t

噸水泥用量kg/t

總量

萬t

噸水泥用量kg/t

中國

2003

86300

100428

56040

6000

70

23500

275

10

0.01

德國

2001

3000

18000

6000

420

140

480

160

127

43

日本

2001

7910

45000

17000

2056

260

712

90

48

6

美國

2003

8650

62000

9700

430

50

520

60

96

11

?

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