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混凝土配合比設計與質(zhì)量控制技術(shù)交流會在珠海隆重召開，中國混凝土與水泥制品協(xié)會會長徐永模作了《混凝土：源化戰(zhàn)略與可持續(xù)發(fā)展》主題報告，從碳足跡：混凝土的真實現(xiàn)狀、幾種膠凝材料開發(fā)的低碳路線和發(fā)展輔助膠凝材料等三個方面介紹了混凝土資源化戰(zhàn)略與可持續(xù)發(fā)展情況。

中國混凝土與水泥制品協(xié)會會長徐永模

　　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，國內(nèi)外對于混凝土可持續(xù)發(fā)展的技術(shù)路線都沒有統(tǒng)一，隨著交流的逐漸增多，就可持續(xù)發(fā)展的概念在認識上逐漸也在趨同，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)路線反應了不同的產(chǎn)業(yè)發(fā)展的取向。企業(yè)的市場化競爭中，資源化是最重要的一個戰(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)略對提高企業(yè)的競爭力所發(fā)揮的作用。例如，水泥企業(yè)利用本身的礦山和資本優(yōu)勢進入到混凝土骨料產(chǎn)業(yè)。而今，在國家對環(huán)保管理控制很嚴格的情況下，資源就是強有力的競爭力。對于混凝土來講，有一些資源，對我們降低成本、改善性能和提高競爭力是非常關(guān)鍵的。　

　　一、碳足跡：混凝土真實現(xiàn)狀　

　　對于碳足跡的真實現(xiàn)狀，國外對這個技術(shù)路線提出了比較務實的概念。而這里有一個錯誤的概念是，水泥和混凝土是高碳排放材料，因為不可循環(huán)不是綠色材料，因為不耐久是低性能材料，等等。水泥是首當其沖的話題，而混凝土是低碳材料我們則能夠接受。一種材料生產(chǎn)過程能耗高則不一定是高碳資源；而是使用過程是否可循環(huán)，是評價一個材料是否綠色和低碳的一個重要標準。這恰恰是混凝土受到鋼結(jié)構(gòu)以及其他結(jié)構(gòu)材料攻擊的一個軟肋。所以，要從可循環(huán)的生命周期來考察和評價混凝土是否低碳。

　　有關(guān)數(shù)據(jù)顯示：水泥與混凝土碳排放的總和占人類社會總排放量5%左右，國內(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。

　　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?。從數(shù)據(jù)開看：水泥和混凝土行業(yè)材料制造過程是低碳的。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，國家在解決PM2.5問題時，致使北京金隅集團被迫關(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。但這里有一個概念應該明確：雖然標準內(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2%。但是利用混合材或者輔助性膠凝材料就會有很大的空間。所以，降低水泥的用量，就是降低了水泥生產(chǎn)過程中總量的碳排放。

表1

圖1

　　水泥的碳排放中，一部分是來自水泥熟料生產(chǎn)過程中的燃料，另一部分是來自水泥生產(chǎn)當中的石灰石的分解。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，我們無法可持續(xù)的得到這些廢棄物，因為每一個行業(yè)都在發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟和減少排放，不會為了滿足水泥一個行業(yè)的低碳化。

圖2

　　那么，在水泥熟料當中是否可以降低石灰石的用量？實際上，硅酸鹽水泥根本的問題是要改變其化學組成，但這樣會帶來其他的問題。一旦改變其化學組成，不僅是組分的變化，而且水泥的性能就會改變。因此，過去運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證？能否能作為結(jié)構(gòu)材料？這些問題都將出現(xiàn)。

　　過去，我國沒有走外加劑路線時，在解決工程上的特殊問題時是利用特種水泥混凝土。當時在制作管樁時開發(fā)了特種水泥，用于解決各種特殊問題。實際工程中發(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，在耐久性方面沒有特殊性。但是對于工作性和早期強度的發(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做普通水泥，而是把它當做一種特殊膠凝材料去與普通硅酸鹽水泥熟料復配的話，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。上世紀九十年代，國內(nèi)在研究水泥工業(yè)不可持續(xù)問題時，主要依據(jù)的是當時的地質(zhì)勘探結(jié)果。研究表明其不支持中國水泥工業(yè)大規(guī)模的生產(chǎn)，因為國內(nèi)的石灰石礦資源非常有限，30-50年就會用盡。但是過去的地質(zhì)勘探很粗糙，均以公路系統(tǒng)外50米進行勘探，以這樣的一個勘探結(jié)果得到的儲量。但是如今公路越來越多，這導致礦山的儲量遠比原來估計的要高得多。而中國有眾多的水泥廠，絕大多數(shù)都擁有豐富的礦產(chǎn)資源。所以，低鈣這個路線可能是水泥混凝土可持續(xù)發(fā)展的一個方向。

圖3    地球地殼的元素構(gòu)成

　　從水泥水化角度來講，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年的時間里，礦渣水化的程度更高。這是很早發(fā)現(xiàn)的一個現(xiàn)象。

圖4

　　回到鈣-硅-鋁體系，如圖5。Metakaolin所指的是偏高嶺土。因為硅灰的資源量很少，若用此替代硅灰，則需要通過人造的方式，來生產(chǎn)這樣的高性能的輔助性膠凝材料。而我們?nèi)绾螐倪@個鈣-硅-鋁體系出發(fā)，去開發(fā)能夠?qū)崿F(xiàn)水泥與混凝土低碳的膠凝材料體系呢？　　

　　二、膠凝材料開發(fā)的低碳路線

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

　　現(xiàn)在，水泥熟料生產(chǎn)中有一個概念叫系數(shù)。首先從水泥及其礦物來講，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，以及國外正在平行研發(fā)的無水硫酸鈣與C2S為主的混合熟料體系都離不開一個重要的元素鋁。但是地球上鋁元素很少，而國內(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制作特種水泥時，所用的原料都是邊角料。而鋁礬資源也很稀缺和寶貴，通過利用這樣稀缺的資源去發(fā)展低鈣水泥是不現(xiàn)實的。

圖5

圖6

　　但如果不從礦物這個角度，是從化學元素這個角度來考慮的話，視野可能就會拓寬。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，而最近中材集團也要投入規(guī)?；a(chǎn)。那么在第二個技術(shù)路線中，國外不熟悉如何開發(fā)特種水泥，而中國則是第一個實現(xiàn)工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)的硫鋁酸鹽水泥的國家，向世界20多個國家出口硫鋁鹽水泥熟料。所以，選擇這條路線是很實際的。

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，而我國的熟料系數(shù)比此大很多，這正是工業(yè)化水泥熟料的標準問題。國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。而且實際上，在歐洲銷量最大的是含石灰石的水泥以及各種混合水泥。國內(nèi)32.5等級的水泥中不只摻入了礦渣和粉煤灰等大多數(shù)復合材料，其運用了大量其他的材料。

圖8

　　圖8是各種摻合料的資源儲量和每年用于水泥生產(chǎn)的消耗量統(tǒng)計。石灰石粉是儲量最大的，煅燒粘土的儲量也很大，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。從這個角度來看，最有可能替代水泥熟料來用于降碳的就是石灰石粉。

圖9

　　在2003年，歐洲的水泥協(xié)會做了一項統(tǒng)計，如圖9。從此結(jié)果看出，消耗量最大的是硅酸鹽復合水泥，占55%，其他種類的水泥比例要小一些。所以，在實際市場中，混合材這一路線是實現(xiàn)水泥低碳化的最好、最可行、最能反映市場和被市場接受的路線。因為像礦渣、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，就會帶來一些問題。

　　水泥的組分無法標準化，因為采用各地不同種類的材料，在復合水泥這個概念上來講，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，必須標準化。不僅指性能，而且是組分。否則，設計人員無法使用通用全國的設計標準來設計。從可持續(xù)發(fā)展和資源有限性和保障性來講，開發(fā)新的礦物材料是必然的趨勢。

　　在基于科學及實驗研究的基礎(chǔ)上認為：煅燒粘土資源使用量較少且未被大規(guī)模采用，但其儲量較大，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資源開發(fā)的重點，也是保障水泥混凝土低碳可持續(xù)發(fā)展的重點。

　　國外在研究高嶺土或煅燒粘土這個技術(shù)路線時，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。這種協(xié)同效應對水泥性能影響很大，是個主導性的反應。

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)或復合型膠凝材料摻合料時，早期為何強度會降低？過去經(jīng)驗研究認為，若摻入粉煤灰或礦渣，對混凝土的早期強度會有一些影響。從機理上研究，認為水化、凝結(jié)以及強度發(fā)展是受離子的擴散作用控制的。比如利用石膏來調(diào)節(jié)凝結(jié)時間，加入石膏的表面會生成一層硫鋁酸鈣。

圖15

　　現(xiàn)在則證明此概念是錯誤的。那么影響早期強度的機理到底是什么？這里有一個理論：擴散的水化物其擴散搭橋的過程對早期強度有影響，例如閃凝、膨脹以及早期強度發(fā)展等過程都與這種水化產(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，進而逐漸發(fā)展。而從水化狀態(tài)發(fā)現(xiàn)：早期強度低主要是由于搭橋的過程太慢。所以，在早期的水化產(chǎn)物中，如何提高其早期強度及改變其凝結(jié)時間，是要通過其生成的水化產(chǎn)物來控制的。

圖16

圖17

　　綜上，首先，硅酸鹽水泥對環(huán)境影響已經(jīng)很低，要想進一步改進不容易，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，因為資源有限，不可能長期持續(xù)發(fā)展；第四個煅燒粘土（與石灰石粉）是下一個發(fā)展，這種鈣和鋁的協(xié)同體系，是下一個發(fā)展的新的方向，這種新的礦物摻合料的發(fā)展，將會打破水泥或膠凝材料的多樣化和地方化，意識到水泥有一個標準的問題，主要還是用于混凝土，對于混凝土而言，要從資源化的角度來考慮，混凝土可持續(xù)發(fā)展。最重要的是，我們對于更多的、新型的可利用礦物材料的理解還不夠，需要進一步的加強研究?！　?

　　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，前一次修訂水泥標準時發(fā)現(xiàn)，P.O32.5水泥中，混合材平均摻量為28%, 最大為48%。實際強度等級和其它性能質(zhì)量要求不一致的問題嚴重。調(diào)查表明：P.O 32.5水泥3天強度最小值13.2 MPa，最大值26.0，極差在13 MPa左右；28天強度，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。

　　實際上，混凝土發(fā)展對水泥標準的要求反映在五個方面，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準化，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；最后是將來水泥是否需要高性能和高強化。

　　這里有一個非常重要的政策信息，即國家鼓勵少生產(chǎn)水泥。那么在混凝土生產(chǎn)過程中就會需要高等級的水泥。然而在水泥產(chǎn)能嚴重過剩的情況下，為化解這一局面的政策措施，很可能就會調(diào)整水泥資源綜合利用的稅率，即只要廢棄物利用達到30%以上，就有資格享受政策稅即征即退。但是發(fā)改委近日通過政策導向，會把資源綜合利用的稅收政策導向生產(chǎn)高性能、高強度等級的水泥，壓制生產(chǎn)低強度等級的水泥。

　　從中外水泥品種混合材摻量標準比較來看（如表2），對于硅酸鹽水泥來說，歐洲和德國對于摻量已明確給出，而其他幾個國家?guī)缀醪挥?。他們都顧慮一個問題，就是混合材的摻量和水泥標準性很雜亂無章。

表2

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

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