【原创】2020年度我国特种水泥生产与应用发展报告
2020年上半年,全球遭遇了新冠肺炎疫情的严峻挑战,国际国内环境发生较大变化。在以习近平同志为核心的党中央坚强领导下,国内疫情防控形势不断向好,各行业复工复产有序推进。水泥行业作为基础设施建设的先行产业早一步实现了复工复产,截止至6月中旬工厂企业已基本全面开工,统计数据显示,68.4%的企业达到正常生产水平八成以上。
1 前言
自1908年铝酸盐水泥发明以来,特种水泥进入高速发展阶段,大量的特种水泥品种被发明并得到应用。在多数发达国家,特种水泥用量占水泥总用量的5-10%。我国特种水泥的研究生产始于上世纪30年代。1932年王涛先生被聘任为启新洋灰公司总技师,从而结束了中国水泥工业一直聘用洋人担任总技师的历史。不久,王涛应母校校长、著名桥梁专家茅以升先生的邀请,着手研究抗海水侵蚀的水泥新品种,用于建设钱塘江大桥的墩基,从而开创了中国特种水泥研究的先河。
20世纪80年代,中国人发明了硫(铁)铝酸盐水泥。这是人类史上水泥品种发展中的又一次重大创新。经过半个多世纪的发展,我国特种水泥技术水平已经跃居世界前列。
2 我国特种水泥行业状况
我国特种水泥目前已经发展成为拥有60多个品种的水泥家族,是世界上特种水泥品种最为齐全,同时生产和应用量最大的国家。截止2020年10月底,我国获得水泥生产许可证且处于有效期的水泥企业有3260余家,具备生产特种水泥的企业240余家(见表1),占全部许可证数量的7.36%,然而仅具备生产特种水泥许可的企业比例仅2.76%,多数企业生产特种水泥的同时还生产通用水泥。其中大坝水泥106家、抗硫酸盐硅酸盐水泥99家,硫(铁)铝酸盐水泥生产企业19家(未包含以特种材料名义生产的企业),铝酸盐水泥生产企业17家(未包含铝酸钙粉生产企业)。
我国具有特种水泥生产许可的企业主要分布于西北、中南、西南地区,尤其西北地区,新疆、青海、宁夏具备特种水泥生产资质的企业占省内企业数量的比重超过30%,而江浙皖及广东这一比例不足3%(见图1)。
表1 2020年10月底特种水泥生产许可企业数量
图1 我国特种水泥生产许可企业的主要分布
2019年全国水泥总产量达23.3亿吨,特种水泥总产量约3000万吨,仅占全国总水泥产量1.3%,这许多工程应当使用特种水泥却没有使用,如海洋工程、道路工程等,从而造成工程质量问题,缩短了工程使用寿命。由此可见,我国水泥工业的特种化程度还远远不够。目前,我国特种水泥生产线(不含特种硅酸盐水泥)大多数是日产1000吨以下,多数生产线为中空窑改造的立同预热器和预分解窑。特种水泥行业整体生产工艺落后,产能低,生产成本高,在水泥工业的节能减排和产业结构调整上还没有发挥应有的作用。
3 硫(铁)铝酸盐水泥
3.1 硫(铁)铝酸盐水泥行业情况
2018年,硫铝酸盐水泥被列入工信部发布的《建材工业鼓励推广应用的技术和产品目录》(2018—2019)。目前国内生产企业采用的窑型有立筒预热器窑、旋风预热器窑和预分解窑。可以采用硅酸盐水泥现用生产工艺设备生产硫(铁)铝酸盐水泥。
我国硫(铁)铝酸盐水泥生产和应用技术已基本成熟,生产企业19家,产能超过500万吨,2019年实际产量约140多万吨。生产厂家主要集中在河北、河南等地区。由于疫情影响,2020年实际产量预计略低于2019年。
3.2 硫(铁)铝酸盐水泥的性能特点
①快凝快硬;
②早强高强;
③水化放热集中,可在低温下水化硬化,抗冻性好;
④水化浆体密实,抗渗性好;
⑤优异的耐腐蚀性能;
⑥碱度低。
此外,硫(铁)铝酸盐水泥制备的混凝土抗碳化能力、抗碱集料反应能力以及抗收缩徐变均非常良好。
3.3 硫(铁)铝酸盐水泥的应用
由于硫(铁)铝酸盐水泥具有上述诸多性能特点,其在工程中有着广泛的应用,很多用途其他材料难以替代。其要应用领域归纳如下:
① 海洋工程领域
党的“十八大”和“十九大”都提出了建设海洋强国战略。硫(铁)铝酸盐水泥具有很好的抗硫酸盐侵蚀性能,适用于海洋工程。硅酸盐水泥结构在海水中浸泡,强度会降低,掺抗硫酸盐腐蚀剂后,会有较大程度的缓解,但仍然会降低,特别是在浪溅区硫酸盐腐蚀尤为严重,工程建设完几个月后就开始出现腐蚀,许多工程都需要在混凝土表面涂刷防腐层,并且使用过程中需不断的维护,增加了工程建设成本。而硫(铁)铝酸盐水泥结构在海水中会越来越致密,强度不降反而增长,具有先天的抗海水侵蚀性能。这对提高我国海洋建筑结构的使用年限、节约社会资源具有重要的意义。19世纪80年代,使用高铁的硫(铁)铝酸盐水泥已经在天津、青岛港工程,福建东山岛南门海堤修复等工程中使用,使用效果很好。
② 低温施工工程领域
硫(铁)铝酸盐水泥具有很好抗冻性能,适用于冬季施工和负温施工工程。普通水泥混凝土掺加防冻剂可以在(0~-25)℃下不结冰,但无法硬化,而硫(铁)铝酸盐水泥混凝土可以在负温下正常硬化。硫(铁)铝酸盐水泥在我国南极考察站长城站和中山站建设、哈大高速铁路冬季施工等工程中发挥了关键性作用。使用硫(铁)铝酸盐水泥在冬季施工建成的国家海洋局大楼、北京香山饭店、长城饭店等工程至今使用完好。
③ 快速施工工程领域
硫(铁)铝酸盐水泥具有很好的早强性能,适用于抢修抢建工程。硫(铁)铝酸盐水泥可以根据使用需要调整凝结硬化时间,使其能够在数分钟到数小时内达到需要的强度。十分适合城市道路、高速公路、机场等工程的快速抢修以及救灾抢险、军用抢建等领域,极大的缩短封道、抢修抢建时间,具有很好的社会经济效益。
使用硫(铁)铝酸盐水泥制成的快速抢修材料已在首都机场等民用机场及军用机场的滑行道、停机坪的抢修、抢修中发挥了重要作用;使用硫(铁)铝酸盐水泥制成的超高强灌浆材料应用于高速铁路盆式橡胶支座的灌浆,1~2小时即可达到设计强度,从而极大的提高架桥速度,为我国的高速铁路建设发挥了重要的作用。
④ 仿古艺术建筑工程领域
硫(铁)铝酸盐水泥具有水化液相碱度低及色彩可调的特性,适用于现代及仿古艺术建筑、景观和雕塑等工程。硫(铁)铝酸盐水泥水化液相碱度低,对玻璃纤维腐蚀小,特别适用于玻璃纤维增强混凝土及制品。同时具有颜色浅的特性,可以通过调整彩色矿物的含量(微量),直接生产出白色、彩色水泥。硫(铁)铝酸盐水泥已成功应用于南京青奥会、上海迪士尼、西安大明宫等现代艺术、仿古艺术建筑及景观、雕塑工程中,对弘扬中国历史文化具有重要的作用。
3.4 硫(铁)铝酸盐水泥产业存在的问题
制约我国硫(铁)铝酸盐水泥发展的原因在于没有国家专项政策和科研经费的支持,理论研究和应用技术研究基本停滞;应用标准缺失,市场拓展很慢;生产企业没有管理和引导,企业规模小,生产工艺普遍落后;没有话语权,国家及行业政策制定时没有考虑到硫(铁)铝酸盐水泥的行业特点,绝大多数都是按照普通水泥标准来制定等问题,导致硫(铁)铝酸盐水泥受到普通水泥淘汰落后产能和装备的影响严重。
4 铝酸盐水泥
4.1 铝酸盐水泥行业情况
目前铝酸盐水泥及铝酸钙粉企业主要集中在铝矾土矿资源相对丰富的地区。全国生产企业共计17家,产能约120万吨。其中,河南9家,贵州4家,山西1家,天津1家,湖南1家,江苏1家。铝酸盐水泥全国市场销售量,近三年的平均值为:46.3万吨。
4.2 铝酸盐水泥特性
① 耐火材料不可缺少的粘结剂
② 铝酸盐水泥凝结硬化速度快
③ 抗腐蚀性能
④ 水泥行业高端产品。
4.3铝酸盐水泥产业存在的问题
目前,世界已探明铝矾土资源的国家49个,但拥有一水铝石(耐火材料生产所需的优质原料)的只有我国和圭亚那。其他国家均为三水铝石(氧化铝生产所需的优质原料)。我国铝矾土资源主要分布在山西、河南、贵州和广西等省区。目前我国的铝矾土资源主体矿块绝大部分配置给氧化铝行业,铝酸盐行业多年来只能在小矿体群采的小企业中收购。而在群采群挖过程中,浪费现象十分严重。
5 白水泥
5.1 白水泥性能特点及应用
白色水泥包括白色硅酸盐水泥、白色铝酸盐水泥、白色硫铝酸盐水泥等,白度是白水泥最核心的性能指标。国家标准GB/T2015-2005中采用亨特白度值来表征白水泥的白度,亨特白度的表示方法如下:
国标GB/T2015-2005规定白水泥白度值不低于87。不同国家白水泥白度值如表2所示。
表2不同国家白水泥的白度
白水泥主要用于装饰用途,如腻子、装饰水泥板、水磨石板、饰面板、预制混凝土幕墙、各种仿木、仿石等结构以及调制成彩色水泥进行地面、墙面、道路、广场等工程中。近年来,随着人们生活水平的提高,对于景观装饰的需求量大增,白水泥需求量有增加的趋势。
5.2 白水泥国内市场情况
目前我国取得白水泥生产许可证的水泥企业有37家,总生产能力近700万吨/年。全球大约26%的白水泥产量位于中国。
我国白水泥的发展与水泥工业的腾飞几乎同步。1984年全国白水泥产量仅为20万吨,产生方式全部都是小型干法中空窑;1993年,全国白水泥产量增加至250万吨,生产窑型出现了一批带立筒预热器和旋风预热器的干法生产线;到了2012年,全国白水泥生产产能已达到600多万吨,1000t/d以上干法生产线生产能力占总产能的1/3。近年来随着水泥行业淘汰落后产能政策的实施,一大批小型生产线陆续关停,大型新型干法逐渐成为白水泥生产的主流方式。
6 结论
① 特种水泥在我国占比较小,如硫(铁)铝酸盐水泥和铝酸盐水泥产能分别为每年100多万吨和接近100万吨,生产线规模大多较小。特种水泥企业生产规模虽然远不如普通水泥企业,但部分特种水泥企业的技术水平(如研发实验室与装备、环保设施、技术人员队伍等)远高于普通水泥企业。特种水泥产品如硫(铁)铝酸盐水泥、耐火水泥、纯铝酸钙水泥等都是水泥中的高端产品,产品的技术含量、价值都是普通水泥难以企及的。
② 硫(铁)铝酸盐水泥的市场具有很大开发潜力,其社会经济价值还远远没有挖掘出来。铝酸盐水泥在高温耐火领域具有不可替代的作用,在国防工程发挥了重要作用,并且还具有较好的开发前景。白水泥全球需求量增长旺盛,国内外白水泥生产线朝着大型化方向发展。
③ 特种水泥在低温甚至是负温施工工程、海洋工程、军事工程、耐火工程、快速施工工程、建筑文化工程等领域发挥着关键性基础原材料的作用,对国家极地战略、海洋战略、文化战略以及发展航空航天及军事技术有着重要支撑作用,特种水泥产业值得国家重视和鼓励。
④ 特种水泥具有广阔的市场空间,市场需求量随着其应用推广将进一步增加,特种水泥国际市场竞争压力没有或较小。
⑤ 国家从根本上是鼓励和支持特种水泥产业发展的。但在现行政策制定以及政策执行中,往往未将特种水泥与普通水泥分开考虑,导致出台政策未考虑到特种水泥行业的特殊性,对其发展造成了巨大冲击和不利的影响。
7 建议
① 特种水泥作为水泥工业中技术含量和附加值较高的产品,在国民经济建设的诸多领域起着关键基础材料的作用。然而特种水泥由于自身特点,存在着许多与普通水泥不一样的情况,在监管引导层面上不应按普通水泥进行。目前尚无专门引导特种水泥产业发展产业政策,建议相关政府部门适时出台政策引导特种水泥产业发展。
② 考虑特种水泥的现实情况,相关部门在制定政策时宜将普通水泥和特种水泥区分开来,对于特种水泥采用能耗、排放、利废等相关参数指标进行限制和引导,不宜按普通水泥情况以生产线种类及设备规模加以限制。
③ 建议国家相关部门如工信部、科技部、发改委、交通部、国家海洋局等结合国家重大发展战略需求加强对特种水泥研究与开发的支持力度,尤其是对于我国自主创造的硫(铁)铝酸盐水泥研发与推广的支持力度,攻克特种水泥应用中的技术问题并阐明其机理,使其能在国家相关发展战略中做出更大贡献。
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