混凝土節(jié)能、降耗、減排的潛力

這里只是指使用硅酸鹽水泥和砂石的混凝土，從單位產(chǎn)量能耗和碳排量，即材料全部生產(chǎn)過程來看，混凝土并非高耗能和高碳排行業(yè)，無論怎樣計(jì)算，混凝土的能耗和CO2排放都非常低，如果不計(jì)原材料，混凝土拌和物的試驗(yàn)、攪拌、運(yùn)輸?shù)雀鳝h(huán)節(jié)的單位電耗和碳排當(dāng)然都更低，幾乎可以忽略，但是為了對(duì)總量的貢獻(xiàn)，進(jìn)一步繼續(xù)挖掘，也還有未盡之潛力，其中絕大部分來自于原料的水泥和砂石。

（一）砂石質(zhì)量仍然是混凝土質(zhì)量的一個(gè)重要障礙

實(shí)際上，注重提高混凝土的質(zhì)量和節(jié)能、降耗、減排是關(guān)聯(lián)的。對(duì)于混凝土拌和物，理想的質(zhì)量是在滿足設(shè)計(jì)的強(qiáng)度和施工性能要求的前提下，使用最低的用水量。用水量低意味著在按強(qiáng)度確定的水膠比下，漿骨比最小，即可得到盡量小的開裂敏感性，滿足混凝土結(jié)構(gòu)耐久性要求，同時(shí)用盡量低的水泥用量，間接達(dá)到降低能耗、資源消耗和CO2排放的目的。據(jù)至今的了解，目前我國混凝土拌和物單方用水量始終居高不下。國外C30混凝土拌和物用水量的先進(jìn)記錄為130kg/m3，我國則一般都在175kg/m3以上，C50混凝土因水膠比較低而在165kg/m3以上。只有個(gè)別做得好的，已做到C30的150kg/m3和C50的147kg/m3。我國混凝土拌和物用水量居高不下的主要原因在于砂石的質(zhì)量。

眾所周知，在母巖選定后，砂石質(zhì)量主要是級(jí)配和粒形。關(guān)于級(jí)配，長久以來，都是在采石場(chǎng)做到符合篩分曲線，卻混合堆放；經(jīng)過銷售時(shí)的裝料、運(yùn)輸，直到進(jìn)攪拌站卸料、堆放，則大小顆粒進(jìn)一步離析，在攪拌站的料堆，更談不到“連續(xù)級(jí)配”。在混凝土拌和物攪拌時(shí)從料堆取料，也就更沒有了級(jí)配。正確的是砂石場(chǎng)對(duì)砂石篩分后分級(jí)儲(chǔ)存，分級(jí)銷售；攪拌站分級(jí)購進(jìn)后，進(jìn)行級(jí)配試驗(yàn)，找到松堆密度最大或空隙率最小的級(jí)配， 在生產(chǎn)時(shí)，分級(jí)上料。前提是粒形要好，否則因針、片狀顆粒會(huì)插入孔中而造成假象。粒形較好的石子達(dá)最優(yōu)級(jí)配時(shí)可做到松堆空隙率不大于40%。歐盟標(biāo)準(zhǔn)的砂石是從最小粒徑0mm（即1mm以下），到最大粒徑一起連續(xù)級(jí)配的，然后按篩分結(jié)果分級(jí)倉儲(chǔ)。分級(jí)范圍按不同最大粒徑來確定[3]。生產(chǎn)石子的下腳料，可做機(jī)制砂的原料，經(jīng)篩分和整形后銷售。攪拌站分級(jí)購買進(jìn)場(chǎng)后，也分級(jí)倉儲(chǔ)。生產(chǎn)拌和物時(shí)，分級(jí)上料。不僅可降低混凝土拌和物用水量，減少水泥用量，還可降低成本；更重要的是可提高混凝土的耐久性，減少因混凝土提前劣化的浪費(fèi)，也是一種節(jié)能、降耗、減排。即使攪拌站沒有要求，負(fù)責(zé)任的優(yōu)秀砂石企業(yè)也應(yīng)當(dāng)堅(jiān)持“培訓(xùn)顧客是銷售的最高境界”[4]的原則，使用戶了解什么是真正的連續(xù)級(jí)配砂石。然而，當(dāng)前絕大部分采石場(chǎng)拒絕增加多個(gè)儲(chǔ)料倉，對(duì)傳統(tǒng)的偽“連續(xù)級(jí)配”銷售方式，不僅不主動(dòng)改變，而且強(qiáng)勢(shì)地逼迫攪拌站接受。買不到合格的砂石， 不僅仍是當(dāng)前提高混凝土質(zhì)量并可持續(xù)發(fā)展的障礙，而且無論砂石行業(yè)還是工程建設(shè)都是對(duì)資源和能源更大的浪費(fèi)。砂石行業(yè)著力于裝備和規(guī)模的發(fā)展，并努力爭(zhēng)取話語權(quán)，近年來逐漸得到國家的重視，使砂石行業(yè)發(fā)生了很大的變化，可喜可賀。但是地位再提高，也還是要服務(wù)于工程，服務(wù)于國家建設(shè)，不能囿于自己企業(yè)的利益，舍不得增加分級(jí)儲(chǔ)存和銷售的成本。這并不是個(gè)技術(shù)問題，首先是理念問題，責(zé)任問題。

從混凝土供貨方的責(zé)任來說，也存在對(duì)原材料未能堅(jiān)持要求的問題，同時(shí)也不愿為增加料倉而增加成本，寧舍質(zhì)量不舍財(cái)。

（二）水泥的潛力

1997年我國水泥產(chǎn)量為5.1億t。按制成水泥所用混合材平均為30%計(jì)，從低估計(jì)熟料約3.5億t。當(dāng)時(shí)吳中偉院士認(rèn)為[5]，按照當(dāng)時(shí)的速度發(fā)展，預(yù)計(jì)2010年我國水泥產(chǎn)量可能超過8億t，屆時(shí)地球大氣層將因我國的水泥生產(chǎn)而增加CO2積累量可接近75億t之多。他說，出路是不再增加熟料產(chǎn)量，保留在3億t上下比較合理，配以平均為50% 的混合材，既能滿足對(duì)水泥產(chǎn)量的需求，又可大大減少煅燒熟料的能耗及其所造成的CO2排放量，又能在新型干法窯節(jié)能的基礎(chǔ)上更加減少能源的消耗，還可因工業(yè)廢料的使用而有利于環(huán)境保護(hù)。然而，實(shí)際上2010年我國水泥產(chǎn)量總計(jì)為18.68億t，比吳中偉院士當(dāng)年預(yù)計(jì)的8億t多了10億t，2014年達(dá)到頂峰為24.76億t。在為“去產(chǎn)能”而取消32.5水泥之后的2019年，水泥行業(yè)消耗的混合材減少了很多，而水泥產(chǎn)量達(dá)到了23.77億t，水泥產(chǎn)能過剩的本質(zhì)是熟料過剩。說明熟料產(chǎn)量至少并未減少。水泥界為了“去產(chǎn)能”而取消了32.5水泥，當(dāng)前在市場(chǎng)上銷售的主要是P·I（硅酸鹽水泥）、P·II（摻不大于5%的混合材）和普通水泥（摻不大于20%的混合材），那么這23.77 億t水泥中排放CO2的熟料基本上可占到80%，當(dāng)年CO2排放量即約可達(dá)20億t以上。這筆賬是水泥行業(yè)的，如果在計(jì)算混凝土碳排量時(shí)又將其計(jì)入，則總排放量就重復(fù)地計(jì)算得出了令人誤解的總量。水泥節(jié)能、降耗、減排是混凝土供求雙方的責(zé)任，應(yīng)當(dāng)各自從工藝、技術(shù)和管理上解決；原材料供應(yīng)方的不力，不能由使用方承擔(dān)?；炷磷杂衅渥陨響?yīng)承擔(dān)的責(zé)任。

文獻(xiàn)[1]介紹了水泥節(jié)能、減碳排的3個(gè)途徑：（1）使用代用燃料或生物質(zhì)燃料；（2）減少熟料，代之以輔助性膠凝材料（Supplementary Cementitious Materials, SCMs） 生產(chǎn)混合水泥；（3）改造熟料礦物組成。

以上（1）和（2）這兩種在歐洲都是已經(jīng)在使用而行之有效的傳統(tǒng)模式。在我國，對(duì)燃料，也在尋找代用品， 但是這個(gè)方法會(huì)增加較高成本，不利于水泥的大量應(yīng)用；關(guān)于混合材的使用，歐美水泥標(biāo)準(zhǔn)給予了很大的空間[6]，而在我國，由于使用統(tǒng)一的水膠比檢測(cè)不同水泥的強(qiáng)度，使混合材在水泥中潛在的作用不得發(fā)揮[7]，使水泥早期的標(biāo)稱強(qiáng)度低，再加上對(duì)摻混合材后的碳化問題理解有誤，水泥企業(yè)正在放棄使用混合材。目前為了追求高強(qiáng)，雖然在水泥標(biāo)準(zhǔn)中仍保留有混合水泥，但主流的主要水泥集團(tuán)實(shí)際上已無生產(chǎn)，而且為提高標(biāo)稱強(qiáng)度，將檢測(cè)細(xì)度的80μm篩改為45μm篩，篩余量只設(shè)上限不設(shè)下限，不僅增大了能耗，而且增加了對(duì)保證混凝土質(zhì)量很不利的因素。

對(duì)于（3），我國也有人在做類似這方面的研究，但是都不敢放棄C3S和C3A。文獻(xiàn)[1]給出了一個(gè)新理念─改變硅酸鹽熟料組成，取消C3S和C3A，代之以高活性C2S。

在傳統(tǒng)硅酸鹽水泥熟料主要4種礦物中，其碳足跡的順序是：C4AF＜C2S＜C3A＜C3S。由圖3可見，在較低溫度下燒成的硅酸鹽熟料中只有C2S，溫度升高至出現(xiàn)熔融液，把一部分C2S轉(zhuǎn)變成C3S，則需要補(bǔ)充石灰石，石灰石分解會(huì)生成44kg/t的CO2；所消耗燃料會(huì)排出28kg/t的CO2；C2S與CaO生成阿利特所消耗的燃料排放25kg/t的CO2。最后生成C3S+C2S的硅酸鹽熟料，其排放的CO2總量增加13.6%；反過來，如果留下C2S，放棄C3S，則可以減少12% CO2的排放。但是代價(jià)是降低早期強(qiáng)度，使混合材的摻用受到限制。為了克服這個(gè)問題，文獻(xiàn)[1]報(bào)道了一個(gè)熟料的新品種─貝利特-硫鋁酸鈣-鐵相（Belite-Calcium Sulfoaluminate-Ferrite，縮寫為BC AF）熟料。該熟料中以活性C2S取代C3S和C3A。以無水硫鋁酸鈣C4A3提高早期強(qiáng)度是通過加入硫酸鈣在和熟料共同粉磨成水泥水化后實(shí)現(xiàn)的，可以達(dá)到與硅酸鹽水泥熟料相同的早期強(qiáng)度， 而CO2排放量卻可顯著地減少31%。

表2為典型的硅酸鹽水泥熟料（Por t land Cement Clinker）、BC AF熟料、理論上的貝利特熟料理論能量和CO2的對(duì)比。

用石灰石和黏土為原料制作水硬性膠凝材料的歷史，在1824年英國J.Aspdin申請(qǐng)硅酸鹽水泥專利至少28年之前就已經(jīng)開始。經(jīng)歷了200多年的應(yīng)用和發(fā)展，歷來被追求的就是高CS、高強(qiáng)、低能耗。由于工藝的不斷進(jìn)步，近100年來，硅酸鹽水泥得到了很大的發(fā)展。圖4為上世紀(jì)西方水泥的變化。近年來，我國水泥的相應(yīng)變化與此大體一致，如下：常用水灰比（應(yīng)為混凝土的）0.30～0.5；養(yǎng)護(hù)（大多數(shù)工民建）0～3天，重要工程3～7天；水泥細(xì)度（比表面積m2/kg）350～400；C3S（%） 57～60%；SO3含量（%）0～2.5。這樣的演變，卻使硅酸鹽水泥越來越不好用，混凝土因而耐久性不可靠。更與節(jié)能、降耗相悖。

如今新型干法窯已使C3S含量達(dá)到極致，強(qiáng)度也隨之達(dá)到極致，能耗也低到極致，卻沒有帶來混凝土質(zhì)量的提高，反而因產(chǎn)量大而成為耗能和排碳的大戶?？磥砀镄滤嗍炝辖M成已成必要。然而，任何事物均利弊兼有， 對(duì)不同使用條件也得失并存。BC AF水泥的應(yīng)用亦必然如此，故此尚需對(duì)其物化性質(zhì)及其機(jī)理，尤其是長期性質(zhì)，進(jìn)行系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究，但在原理上，前途看好。

四

混凝土的出路才是水泥的出路

經(jīng)過漫長發(fā)展的道路，至今發(fā)達(dá)國家水泥和混凝土的關(guān)系是相適應(yīng)的，即水泥是為混凝土服務(wù)的。舉例來看，美國的ACI是混凝土（包括材料和施工應(yīng)用）的引領(lǐng)者，是美國唯一具有權(quán)威性的混凝土行業(yè)協(xié)會(huì)，PCA（波特蘭水泥協(xié)會(huì)）與ACI合作的實(shí)例是協(xié)助制定混凝土有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)─ACI各專業(yè)委員會(huì)原則上每三年提供一篇技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀報(bào)告，由PCA編成標(biāo)準(zhǔn)條文，交由ASTM組織專家討論、修改、審定成文并出版；PCA所成立的施工技術(shù)實(shí)驗(yàn)室（Construction Technology Lab, CTL），也做混凝土實(shí)驗(yàn)研究，如防火混凝土；又如原新加坡雙龍水泥公司的中心實(shí)驗(yàn)室在賣水泥時(shí)，向用戶提供混凝土試配結(jié)果和有關(guān)軟件。

再單說混凝土。我國從20世紀(jì)90年代才開始發(fā)展預(yù)拌混凝土，至今未形成產(chǎn)業(yè)，大多數(shù)攪拌站尚處于作坊式狀態(tài)?？傮w產(chǎn)能過剩，造成買方市場(chǎng)。面對(duì)原材料供應(yīng)方，是用戶；面對(duì)混凝土拌和物的需求方，對(duì)方是用戶，但是無論在誰面前都不得不低頭。因?yàn)榈貌坏皆牧系闹С趾褪┕し降呐浜?，混凝土質(zhì)量很難保證。在目前人們只認(rèn)強(qiáng)度和坍落度的狀態(tài)下，順利過關(guān)的試塊即可為“合格”，卻往往不知檢測(cè)的是什么試塊。造成這樣的狀態(tài)，混凝土方面自身的原因是技術(shù)水平低下，觀念落后，有的甚至對(duì)水泥和混凝土的基本知識(shí)都很欠缺。例如水泥廠常因遇到一些無理要求而增加對(duì)用戶不滿，例如要求“水泥富裕強(qiáng)度要高，水化熱要低，不要磨得太細(xì)”，殊不知，水泥的高強(qiáng)靠的就是磨細(xì)。

前幾年，有些水泥集團(tuán)為了解決銷售渠道問題，紛紛并購攪拌站，但是混凝土“版塊”仍然獨(dú)立核算。對(duì)水泥企業(yè)來說，這種并購不僅沒形成產(chǎn)業(yè)鏈，反而成為“食之無味，棄之不得”的負(fù)擔(dān)。

換一種思維方法可以發(fā)現(xiàn)，以上種種現(xiàn)狀存在的原因就是在新形勢(shì)下，水泥-混凝土-施工分離的生產(chǎn)關(guān)系出了問題，正在阻礙生產(chǎn)力的發(fā)展！

生產(chǎn)關(guān)系的內(nèi)涵一是資本的占有制，二是利潤的分配制。在生產(chǎn)力發(fā)展伊始，生產(chǎn)關(guān)系對(duì)生產(chǎn)力起促進(jìn)作用；生產(chǎn)力繼續(xù)發(fā)展到一定程度，生產(chǎn)關(guān)系就會(huì)阻礙生產(chǎn)力的發(fā)展，必須進(jìn)行改革和突破，才能進(jìn)一步解放生產(chǎn)力。水泥和混凝土生產(chǎn)關(guān)系改革的方法就是把混凝土當(dāng)成自己一部分的車間，統(tǒng)籌、管理與核算。水泥廠的粉磨車間做成按混凝土需要的水泥制成車間，避免在攪拌站使用采購的水泥時(shí)因混合材的不明而存在的弊端，把后續(xù)配制混凝土的摻和料作為水泥混合材在水泥生產(chǎn)時(shí)摻加得以發(fā)揮其潛力；把攪拌站做成混凝土拌和物試配與制備車間，專心于混凝土拌和物的試配，用好骨料和水：（1）以分級(jí)入倉的骨料做連續(xù)級(jí)配的實(shí)驗(yàn)；（2）按混凝土拌和物配合比設(shè)計(jì)原則確定最優(yōu)的配合比；（3）按保證拌和物勻質(zhì)性的目標(biāo)優(yōu)化攪拌工藝，做好拌和物制備的過程控制。此外，水泥企業(yè)的礦山可以同時(shí)建立骨料加工車間，用低品位石灰石生產(chǎn)人工砂石，做好分級(jí)供應(yīng)。最后成立一個(gè)混凝土拌和物成型工藝的技術(shù)隊(duì)伍承包建設(shè)工程中的混凝土施工，避免混凝土拌和物購銷雙方屢屢不止的糾紛，保證混凝土最終產(chǎn)品的質(zhì)量。

改變生產(chǎn)關(guān)系首先要轉(zhuǎn)變思維方法和觀念，把混凝土納入水泥工藝流程原有體系后，會(huì)改變混凝土的社會(huì)地位，成為一個(gè)完整產(chǎn)業(yè)的一份子，融入混凝土結(jié)構(gòu)工程原材料的整個(gè)體系。勢(shì)必有利于社會(huì)節(jié)能、降耗、減排，降低成本，提高建設(shè)工程質(zhì)量。

生產(chǎn)關(guān)系的改革是最高層次的改革，當(dāng)形成了各種利益集團(tuán)之后，生產(chǎn)關(guān)系的改革必然會(huì)觸及某些既得利益者的利益，這是以獲取最大利益為目的的資本本性所致。最廣大人民的利益才是最高利益，除此之外沒有不可觸及的利益。另一方面，因傳統(tǒng)思維的主導(dǎo)，歷史上任何的重大變革都會(huì)遇到強(qiáng)烈的阻力，而且從理論到實(shí)踐必然會(huì)有差距，需要假以時(shí)日，具體問題具體進(jìn)行分析研究和試行。

期望這樣從原材料到最終產(chǎn)品完整體系的實(shí)現(xiàn)，能使水泥、混凝土走出當(dāng)前的瓶頸，能夠從根本上、盡最大可能地使我國土木建設(shè)工程質(zhì)量有更大的提高，有更明顯的節(jié)能、降耗、減排效果，健康地可持續(xù)發(fā)展。

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文章名稱：《混凝土是不是高能耗和高碳排放產(chǎn)業(yè)？(下)》

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