原创徐永模混凝土资源化战略与可持续发展-【新闻】

[原创]徐永模：混凝土资源化战略与可持续发展

9月28日，“仕高玛”2013年混凝土行业高峰论坛暨第三届全国混凝土配合比设计与质量控制技术交流会在珠海隆重召开，中国混凝土与水泥制品协会会长徐永模作了《混凝土：源化战略与可持续发展》主题报告，从碳足迹：混凝土的真实现状、几种胶凝材料开发的低碳路线和发展辅助胶凝材料等三个方面介绍了混凝土资源化战略与可持续发展情况。

编者按：9月28日，“仕高玛”2013年混凝土行业高峰论坛暨第三届全国混凝土配合比设计与质量控制技术交流会在珠海隆重召开，中国混凝土与水泥制品协会会长徐永模作了《混凝土：源化战略与可持续发展》主题报告，从碳足迹：混凝土的真实现状、几种胶凝材料开发的低碳路线和发展辅助胶凝材料等三个方面介绍了混凝土资源化战略与可持续发展情况。

中国混凝土与水泥制品协会会长徐永模

现今，混凝土可持续发展是行业内较为关注的话题。一直以来，国内外对于混凝土可持续发展的技术路线都没有统一，随着交流的逐渐增多，就可持续发展的概念在认识上逐渐也在趋同，但技术路线却不同。

水泥产业的低碳化，不同的技术路线反应了不同的产业发展的取向。企业的市场化竞争中，资源化是最重要的一个战略层面。随着水泥企业向下游产业化的一体化发展，企业家深刻的感受到资源化战略对提高企业的竞争力所发挥的作用。例如，水泥企业利用本身的矿山和资本优势进入到混凝土骨料产业。而今，在国家对环保管理控制很严格的情况下，资源就是强有力的竞争力。对于混凝土来讲，有一些资源，对我们降低成本、改善性能和提高竞争力是非常关键的。

一、碳足迹：混凝土真实现状

对于碳足迹的真实现状，国外对这个技术路线提出了比较务实的概念。而这里有一个错误的概念是，水泥和混凝土是高碳排放材料，因为不可循环不是绿色材料，因为不耐久是低性能材料，等等。水泥是首当其冲的话题，而混凝土是低碳材料我们则能够接受。一种材料生产过程能耗高则不一定是高碳资源；而是使用过程是否可循环，是评价一个材料是否绿色和低碳的一个重要标准。这恰恰是混凝土受到钢结构以及其他结构材料攻击的一个软肋。所以，要从可循环的生命周期来考察和评价混凝土是否低碳。

有关数据显示：水泥与混凝土碳排放的总和占人类社会总排放量5%左右，国内大概占7%左右。令人吃惊地是，这5%左右的碳排放提供了全世界生产使用的一半左右的材料，这便是碳排放的代价。

混凝土是环境友好的低碳材料。如表1、图1为水泥、混凝土等材料的碳排放量的比较。混凝土材料是每公斤材料的能耗最低的。从数据开看：水泥和混凝土行业材料制造过程是低碳的。那么材料如何才能可循环和可持续的解决其巨大的资源消耗呢？今年，中国的水泥产量1-8月份-与去年同比增量9%左右。而大量的骨料和其他材料的资源消耗是也巨大的。

所以，不能回避的是：作为单一使用的材料，水泥的能耗和碳排放量很大，而混凝土的资源消耗量也很大。今年，国家在解决PM2.5问题时，致使北京金隅集团被迫关掉水泥厂，其原因是关于节能减排降低的氮氧化物的排放浓度。但这里有一个概念应该明确：虽然标准内的浓度降低了，但气体排放的的总量却很大。

从节能的角度来讲，如果采用新型干法水泥技术，其能耗下降空间大概不超过2%。但是利用混合材或者辅助性胶凝材料就会有很大的空间。所以，降低水泥的用量，就是降低了水泥生产过程中总量的碳排放。

表1

图1

水泥的碳排放中，一部分是来自水泥熟料生产过程中的燃料，另一部分是来自水泥生产当中的石灰石的分解。如图2所示。这两部分都给水泥和混凝土的低碳化提供了技术路线。一方面要降低碳酸钙的含量，减少由原料分解所产生的二氧化碳；另一方面可以采用大量可燃、有热值的废弃物来替代煤炭，从而减少二氧化碳的排放。但是在技术上，我们无法可持续的得到这些废弃物，因为每一个行业都在发展循环经济和减少排放，不会为了满足水泥一个行业的低碳化。

图2

那么，在水泥熟料当中是否可以降低石灰石的用量？实际上，硅酸盐水泥根本的问题是要改变其化学组成，但这样会带来其他的问题。一旦改变其化学组成，不仅是组分的变化，而且水泥的性能就会改变。因此，过去运用硅酸盐水泥积累的一些工程数据是否有效？包括耐久性数据等。而新组分水泥是否得到了工程验证？能否能作为结构材料？这些问题都将出现。

过去，我国没有走外加剂路线时，在解决工程上的特殊问题时是利用特种水泥混凝土。当时在制作管桩时开发了特种水泥，用于解决各种特殊问题。实际工程中发现：许多特种水泥的水化产物和硅酸盐水泥是一样的，在耐久性方面没有特殊性。但是对于工作性和早期强度的发展差距很大。但这不一定不好，可能还有益！最近，华新水泥在生产根据水工混凝土的需要开发的高贝利特硅酸盐水泥系列。如果不把高贝利特水泥当做普通水泥，而是把它当做一种特殊胶凝材料去与普通硅酸盐水泥熟料复配的话，那么从其水化物，到其作结构材料和胶凝材料，以及它的低钙、熟料等等方面，都可以提供一种技术路线。

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从地壳里的岩石构成可以看出（图3），硅质材料是含量最大的材料，而钙质材料占的比例很小。上世纪九十年代，国内在研究水泥工业不可持续问题时，主要依据的是当时的地质勘探结果。研究表明其不支持中国水泥工业大规模的生产，因为国内的石灰石矿资源非常有限，30-50年就会用尽。但是过去的地质勘探很粗糙，均以公路系统外50米进行勘探，以这样的一个勘探结果得到的储量。但是如今公路越来越多，这导致矿山的储量远比原来估计的要高得多。而中国有众多的水泥厂，绝大多数都拥有丰富的矿产资源。所以，低钙这个路线可能是水泥混凝土可持续发展的一个方向。

图3 地球地壳的元素构成

从水泥水化角度来讲，水泥中最关键的是钙离子和硅离子。如图4（右），是矿渣的水化图，可以看到水化和未水化的矿渣形态。在30年的时间里，矿渣水化的程度更高。这是很早发现的一个现象。

图4

回到钙-硅-铝体系，如图5。Metakaolin所指的是偏高岭土。因为硅灰的资源量很少，若用此替代硅灰，则需要通过人造的方式，来生产这样的高性能的辅助性胶凝材料。而我们如何从这个钙-硅-铝体系出发，去开发能够实现水泥与混凝土低碳的胶凝材料体系呢？

二、胶凝材料开发的低碳路线

国外专家提出了三种技术路线：第一，新的熟料化学体系；第二是增大替代熟料量，第三是无熟料碱激发材料。

现在，水泥熟料生产中有一个概念叫系数。首先从水泥及其矿物来讲，硅酸盐水泥中所含的熟料主要有四种，即C3S、C2S、C3A、C4AF。高贝利特水泥中主要含有C3S和C3A。那么像铁铝酸盐水泥，以及国外正在平行研发的无水硫酸钙与C2S为主的混合熟料体系都离不开一个重要的元素铝。但是地球上铝元素很少，而国内的铝矿山都掌握在央企。在利用炼铝的工艺得到的铝矾来制作特种水泥时，所用的原料都是边角料。而铝矾资源也很稀缺和宝贵，通过利用这样稀缺的资源去发展低钙水泥是不现实的。

图5

图6

但如果不从矿物这个角度，是从化学元素这个角度来考虑的话，视野可能就会拓宽。含铝的工业废物或者其他的天然矿物很多，例如有的企业利用高铝的粉煤灰去做硫铝酸盐和高贝利特产品，而最近中材集团也要投入规模化生产。那么在第二个技术路线中，国外不熟悉如何开发特种水泥，而中国则是第一个实现工业化规模生产的硫铝酸盐水泥的国家，向世界20多个国家出口硫铝盐水泥熟料。所以，选择这条路线是很实际的。

图7

从HOLCIM提供的数据看（如图7），1990年到2011年生产的水泥熟料系数从开始的81.9到现在的70.9。这种水泥一般是42.5及以上的等级，而我国的熟料系数比此大很多，这正是工业化水泥熟料的标准问题。国外一直在走这条路线，但他们能够利用的水泥原料和矿物材料都是有限的。水泥熟料中利用量最大的是石灰石。而且实际上，在欧洲销量最大的是含石灰石的水泥以及各种混合水泥。国内32.5等级的水泥中不只掺入了矿渣和粉煤灰等大多数复合材料，其运用了大量其他的材料。

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图8

图8是各种掺合料的资源储量和每年用于水泥生产的消耗量统计。石灰石粉是储量最大的，煅烧粘土的储量也很大，但使用量并不多；硅灰基本上已经用尽；天然火山灰的资源也有限；高炉矿渣一般是工业化国家拥有的资源。粉煤灰含量很多，被利用的却不到三分之一。从这个角度来看，最有可能替代水泥熟料来用于降碳的就是石灰石粉。

图9

在2003年，欧洲的水泥协会做了一项统计，如图9。从此结果看出，消耗量最大的是硅酸盐复合水泥，占55%，其他种类的水泥比例要小一些。所以，在实际市场中，混合材这一路线是实现水泥低碳化的最好、最可行、最能反映市场和被市场接受的路线。因为像矿渣、粉煤灰这些工业化的副产品其数量是有限的，而且并不是自然界所拥有的一个矿物，如果地球上不存在这种工业副产品了，要采用地方上的一些资源，就会带来一些问题。

水泥的组分无法标准化，因为采用各地不同种类的材料，在复合水泥这个概念上来讲，所掺的组分是不明确。但是水泥又是通用型材料和基础性的原材料，必须标准化。不仅指性能，而且是组分。否则，设计人员无法使用通用全国的设计标准来设计。从可持续发展和资源有限性和保障性来讲，开发新的矿物材料是必然的趋势。

在基于科学及实验研究的基础上认为：煅烧粘土资源使用量较少且未被大规模采用，但其储量较大，例如含铝质、硅质的高岭土等材料。以上的材料将是未来资源开发的重点，也是保障水泥混凝土低碳可持续发展的重点。

国外在研究高岭土或煅烧粘土这个技术路线时，发现了水泥中存在着石灰石粉和含铝活性组分之间协同效应。这种协同效应对水泥性能影响很大，是个主导性的反应。

图10

图10表示五组材料的组分掺量，根据OPC硅酸盐水泥做对比。从图11可以看出，掺metakaolin的混合材料7d和28d强度基本上高于OPC硅酸盐水泥10%-20%，而3d强度仅为OPC硅酸盐水泥的70%；而石灰石粉和metakaolin复掺取代水泥量60%时，其各时期强度均比OPC硅酸盐水泥低。从图12的强度比较来看，当metakaolin掺量为45%时其28d强度最高，而当metakaolin与石灰石复掺的掺量为45%时的强度也很高。所以，这种材料有很大的挖掘空间的。 图13为该文章所做的分析结果。

M.Antoniet al, Cement substitution by acombination of metakaolin and limestone, CCR,42(2012)1579-1589

图11

图12

图13

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如图14-16。在混凝土中加入硅质或复合型胶凝材料掺合料时，早期为何强度会降低？过去经验研究认为，若掺入粉煤灰或矿渣，对混凝土的早期强度会有一些影响。从机理上研究，认为水化、凝结以及强度发展是受离子的扩散作用控制的。比如利用石膏来调节凝结时间，加入石膏的表面会生成一层硫铝酸钙。

图14

图15

现在则证明此概念是错误的。那么影响早期强度的机理到底是什么？这里有一个理论：扩散的水化物其扩散搭桥的过程对早期强度有影响，例如闪凝、膨胀以及早期强度发展等过程都与这种水化产物颗粒搭桥、支撑有关系。硫铝酸盐水泥早期是由钙矾石组成，进而逐渐发展。而从水化状态发现：早期强度低主要是由于搭桥的过程太慢。所以，在早期的水化产物中，如何提高其早期强度及改变其凝结时间，是要通过其生成的水化产物来控制的。

图16

图17

综上，首先，硅酸盐水泥对环境影响已经很低，要想进一步改进不容易，能耗已经降到接近极限。其次，掺SCM是最可行的低碳措施；第三，我们现在大量使用的，特别是工业废物，因为资源有限，不可能长期持续发展；第四个煅烧粘土（与石灰石粉）是下一个发展，这种钙和铝的协同体系，是下一个发展的新的方向，这种新的矿物掺合料的发展，将会打破水泥或胶凝材料的多样化和地方化，意识到水泥有一个标准的问题，主要还是用于混凝土，对于混凝土而言，要从资源化的角度来考虑，混凝土可持续发展。最重要的是，我们对于更多的、新型的可利用矿物材料的理解还不够，需要进一步的加强研究。

三、发展SCMs，为什么不用于水泥？

如今，许多水泥企业都在发展混凝土，如何走好每一步是制胜的关键。例如，前一次修订水泥标准时发现，P.O32.5水泥中，混合材平均掺量为28%, 最大为48%。实际强度等级和其它性能质量要求不一致的问题严重。调查表明：P.O 32.5水泥3天强度最小值13.2 MPa，最大值26.0，极差在13 MPa左右；28天强度，最小值29.8 MPa，最大值54.0 MPa，极差在24MP左右。因此决定取消P.O 32.5水泥品种。

实际上，混凝土发展对水泥标准的要求反映在五个方面，首先是要反映水泥与外加剂的相容性；其次是混合材品种和性能标准化，再者是混合材组成与掺量透明化和所反映水泥需水性与水化特性；最后是将来水泥是否需要高性能和高强化。

这里有一个非常重要的政策信息，即国家鼓励少生产水泥。那么在混凝土生产过程中就会需要高等级的水泥。然而在水泥产能严重过剩的情况下，为化解这一局面的政策措施，很可能就会调整水泥资源综合利用的税率，即只要废弃物利用达到30%以上，就有资格享受政策税即征即退。但是发改委近日通过政策导向，会把资源综合利用的税收政策导向生产高性能、高强度等级的水泥，压制生产低强度等级的水泥。

从中外水泥品种混合材掺量标准比较来看（如表2），对于硅酸盐水泥来说，欧洲和德国对于掺量已明确给出，而其他几个国家几乎不用。他们都顾虑一个问题，就是混合材的掺量和水泥标准性很杂乱无章。

表2

发展混凝土的资源战略，一定要认知这几个必然。首先是材料产品碳排放评价；第二，现用资源枯竭的必然趋势。矿渣、钢铁作为第一大过剩产能被国家调控，水泥产业紧跟其后；第三，提高企业竞争力。混凝土现在竞争的是如何降低成本，所以矿物材料是非常重要的一个技术措施。最重要的是，在发展低碳混凝土中，要走中国特色之路，各种新材料的开发一定要适合中国的国情。

本文根据所做报告的演示和录音编辑而成，未经本人审阅。

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