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十三五期間特種水泥發展報告

放大字體  縮小字體 發布日期:2021-06-29  來源:中國混凝土網  作者:特種水泥分會
核心提示:特種水泥是指較通用水泥而言具有某些特殊性能或特種功能,以滿足各行業工程建設特殊需求為目的的水泥,被稱為水泥“皇冠上的明珠”。它的誕生大大拓展了水泥產品的應用范圍和層次,是國內重大工程不可或缺的基礎材料。發展特種水泥,也是中國水泥行業推進供給側結構性改革、實現高質量發展目標、培育行業發展新動能、提升行業科技創新水平的重要體現。多品種優質特種水泥的應用助力了國家重大工程建設,為保障工程建設進度和工程質量提供了強有力的支撐。

特種水泥是指較通用水泥而言具有某些特殊性能或特種功能,以滿足各行業工程建設特殊需求為目的的水泥,被稱為水泥“皇冠上的明珠”。它的誕生大大拓展了水泥產品的應用范圍和層次,是國內重大工程不可或缺的基礎材料。發展特種水泥,也是中國水泥行業推進供給側結構性改革、實現高質量發展目標、培育行業發展新動能、提升行業科技創新水平的重要體現。多品種優質特種水泥的應用助力了國家重大工程建設,為保障工程建設進度和工程質量提供了強有力的支撐。


一、十三五期間國家需求與行業政策


根據2016年發布的《國民經濟和社會發展第十三個五年規劃綱要》,全國各部委各區域均提出了相應的“十三五”規劃,如《“十三五”國家科技創新規劃》、《全國海洋經濟“十三五”規劃》、《西部大開發“十三五”規劃》、《“十三五”國家戰略性新興產業發展規劃》、《能源發展“十三五”規劃》、《“十三五”現代綜合交通運輸體系發展規劃》等等。


2017年6月中國水泥協會發布的《水泥工業“十三五”發展規劃》中也明確提出:加快產品升級,延伸水泥產業鏈。主要包括:1)淘汰復合32.5 水泥,鼓勵生產和使用42.5 及以上等級水泥,優先發展特種專用水泥(海洋、港口、核電、道路等工程)。2)推廣無鉻耐火材料、長壽命新型耐火材料、微孔結構高效隔熱材料等。3)加快發展砂石骨料、高性能拌混凝土、預拌砂漿及混凝土制品等產業,延伸水泥產業鏈。


這些政策都引領特種水泥的品種創新,推動特種水泥的高質量發展,對加快推進重大工程項目實施,貫徹落實新發展理念、推進供給側結構性改革,實現特種水泥的穩增長、調結構、補短板具有重要作用。


二、特種水泥的創新及高質量發展


特種水泥的定義,是按照特種水泥的突出性能或者用途進行分類的,因此在市場應用時由于對特種水泥的性能不了解,造成特種水泥應用存在著一定程度的受限。“十三五”規劃涉及了多項重大工程,如:高速鐵路營業里程達到3萬公里,覆蓋80%以上的大城市;新建改建高速公路通車里程約3萬公里;建設川藏鐵路等沿邊鐵路;建成北京新機場,新增民用運輸機場50個以上;改造建設百萬公里農村公路。大力推進上海、天津、大連、廈門等國際航運中心建設;提高港口智能化水平。建設城市群交通圈,新增城市軌道交通運營里程約3000公里。開工建設常規水電6000萬千瓦;核電運行裝機容量達到5800萬千瓦,在建達到3000萬千瓦以上;推動致密油、油砂、深海石油勘探開發和油頁巖綜合開發利用;建設水電基地和大型煤電基地外送電通道。建設引黃入冀補淀、引江濟淮、引漢濟渭、滇中引水、引大濟湟、引綽濟遼等多項重大引調水工程;推進南水北調東中線后續工程建設;建設西藏拉洛、浙江朱溪、福建霍口、黑龍江奮斗、湖南莽山、云南阿崗等大型水庫;建設西江大藤峽、淮河出山店、新疆阿爾塔什等流域控制性樞紐工程;基本完成流域面積3000平方公里及以上的244條重要河流治理。建設50個工業廢棄物綜合利用產業基地,工業污染源全面達標排放。


這些重大工程項目的建設,面臨許多超常規的工程建設環境和工程規模,例如川藏高鐵沿線地處強紫外線、大溫差、大風干燥、高地應力、高地熱、頻繁凍融、復雜介質等嚴酷的地質和環境條件,是迄今為止人類歷史上最復雜、最具挑戰性的鐵路工程項目,建設安全風險極高,對建設用混凝土的抗裂性、抗凍融及其耐久性提出了極高要求。我國石油采集深度深、難度大、成本高,加之我國復雜至極的地質地貌條件,使得能源采集環境顯得尤為苛刻。每往下挖100米,地溫將升高2℃~3℃,也就是說井深達8882米(塔里木油田輪探1井)時,油井水泥將處于230℃~240℃左右溫度環境下,此外還需要承受高于地面數百倍的壓強。而固井中下灌的油井水泥必須在0℃~240℃這個巨額的溫度區間中保持穩定的壓強、溫度、流動性、黏性以及硬化后的韌性、硬度等一系列復雜的條件。在水泥漿下灌過程中,還需嚴格控制水泥漿凝固時間,也就是說要讓同一種水泥在不同的溫度和壓力條件下按照規定時間實現快速凝固成型,難度可想而知。除了施工時的難度,固井所用的水泥還需維持10~15年使用壽命。后期固井水泥環如果出現裂紋,裂紋受到地下壓強的影響逐步擴大,則極有可能會導致油氣外漏,更嚴重者甚至會造成井噴等惡性事件的發生。海洋混凝土直接面臨海水侵蝕、海風風力帶動的橫向作用力、海浪沖刷、海洋微生物附著等復雜條件,其結構耐久性遭受挑戰,如高氯鹽引起的混凝土內部鋼筋銹蝕、硫酸鹽引起的混凝土膨脹開裂、干濕循環作用下混凝土孔隙增大等問題,對海洋工程結構用混凝土的抗裂性、抗侵蝕、抗沖刷、耐久性提出了極高要求;另一方面,混凝土澆筑量達好幾百立方米,為典型的大體積混凝土,對混凝土的溫控防裂提出極高要求。


這些前所未有的工程難題不僅需要大量的高質量特種水泥,以確保工程的順利進行和工程質量,而且需要特種水泥的品種及性能創新以滿足工程對水泥的綜合全面要求。


三、特種水泥質量的提升


特種水泥的高質量發展,不僅僅是品種及性能創新,還要能夠高水平大規模穩定生產以保證特種水泥產品的高質量。隨著全國水泥行業的生產設備和生產工藝水平的提高,各水泥集團對特種水泥的關注度和重視度的提升,特種水泥的生產規模和生產水平也發生了較大的改進,特別是在“十三五”期間,不僅特種水泥生產企業的單線/單廠的生產規模發生了變化,具備大規模生產能力的特種水泥品種也增加了。


3.1、特種水泥品種的創新


針對國家建設的工程需求,特種水泥行業持續研發創新,開發出多個新品種、新材料和新技術。


1)高強低熱硅酸鹽水泥的制備與應用技術:


解決了C2S穩定活化技術難題,確定了以C2S為主導礦物的低熱硅酸鹽水泥熟料組成。首次開發了其預分解窯制備技術,實現了水泥性能的低熱、高強、高耐久,滿足了高性能混凝土、水工大體積混凝土的技術要求。成果已實現在四川嘉華、華新水泥、葛洲壩水泥、新疆天山、廣西魚峰等國內多家大型水泥企業規模化穩定生產。“十三五”期間成功應用于烏東德和白鶴灘水電站,為國內外首次將低熱硅酸鹽水泥全壩應用于300米級特高拱壩。


2)高強中熱核電工程用硅酸鹽水泥的制備及應用


掌握了摻雜微量組分提高熟料礦物C3S活性新方法,實現了水泥的高早強、中等水化熱、干縮小等綜合性能,在5000t/d預分解窯穩定生產。配制的核島筏基混凝土中心最高溫度降低5℃以上,有效解決混凝土高強度和低絕熱溫升之間的矛盾。制定了首個核電工程建設用水泥國家標準GB/T 31545-2015《核電工程用硅酸鹽水泥》。成果已實現在淮海中聯、大連水泥和廣西魚峰等國內10余家大型水泥企業規模化生產。成功應用于陽江、田灣和紅沿河核電站等多個核電工程,提升了核電工程混凝土性能,有效降低了混凝土絕熱溫升,取得良好應用效果。


3)高抗折道路硅酸鹽水泥的制備和應用


揭示了煅燒制度和雜質離子對C4AF礦相及活性的影響機制,優化了高抗折道路硅酸鹽水泥組成及性能,實現水泥抗折強度、耐磨性、干縮等性能協同發展;攻克了高抗折道路硅酸鹽水泥在大型預分解窯穩定制備關鍵技術難題,實現了規模化穩定生產。成果已推廣到華新水泥、中聯水泥、北方水泥、廣西魚峰、河南同力等國內10余家大型水泥企業集團,滿足了我國道路工程建設需要。成功應用于國內10多個道路、機場道面等重點工程建設,包括世界最長的重載高速公路——內蒙準興運煤高速公路、柳州白蓮機場改擴建工程等,為保障我國道路工程建設質量提供重要技術支撐。獲2018年度建材行業技術革新獎一等獎。…


4)固井工程用高耐蝕高韌性水泥的制備及應用


闡明了高溫和應力交變載荷下固井水泥環封隔失效機理,提出高耐蝕高韌性固井水泥石性能評價方法。 形成了固井水泥漿性能調控技術,解決復雜地質條件下固井水泥石強度衰退難題,實現固井水泥環高耐蝕高韌性,為復雜油氣資源安全高效開發提供技術支撐。成果已實現在四川嘉華、葛洲壩水泥和新疆天山等多家大型水泥企業規模化生產。成功應用于華北油田、西南油氣田等多個油氣井固井工程,有效提升了復雜地質條件下固井質量,應用效果良好。


5)海洋工程用高抗蝕復合水泥的制備與應用


通過調整熟料 C3S 和 C3A 含量,優選輔助性膠凝材料及控制其顆粒度、添加功能調節組分,顯著減少了氯離子在水泥漿體中遷移,成功研制出高早強、低水化熱、低收縮、施工性能好的新一代高抗蝕多元復合水泥,滿足了高耐久性海洋工程結構工程現場澆注和大體積混凝土構件制作的需求。已在華潤水泥控股有限公司下屬的昌江分公司和東菀分公司、寧波科環新型建材股份有限公司等企業成功實現了工業化中試與批量生產。在寧波舟山港主通道工程(舟岱跨海大橋)、舟山港寶鋼礦石碼頭二期工程、寧波港北侖山多用途水工工程、廣東深中通道工程(鋼殼沉管預制)等項目中成功應用。


3.2、生產規模的變化


截止到2020年底,全國約有3440家獲證水泥企業(有效生產許可證),其中有250家左右具備特種水泥生產能力的企業,絕大多數特種水泥生產企業可同時從事通用水泥的生產,特種水泥的單條生產線熟料產能最大現在已經提高到5000t/d(窯徑為4.8m),總體年產能已經達到5千萬噸。其中各大水泥集團均布局了特種水泥生產線,如海螺集團、中國建材、天山股份、華新水泥、吉林亞泰、北京金隅、祁連山等,與水泥行業提高行業集中度的趨勢一致。


四、持續建設標準體系


為了支持特種水泥行業持續研發創新和高質量發展,特種水泥的標準體系也進行持續更新,對于創新的特種水泥品種,制訂國家/行業標準,對于已有品種的質量提升,修訂國家/行業標準,完善相應的技術要求及檢測方法。2016年至2020年,累計完成國家標準制訂5項,國家標準修訂4項;完成建材行業標準制訂1項,建材行業標準修訂1項。截止至2020年12月,正在進行國家標準制/修訂3項,建材行業標準制/修訂3項。具體見下表。


標準號及名稱

標準類別

制訂/修訂

完成情況

發布時間

實施時間

GB/T 3183-2017 《砌筑水泥》

國家標準

修訂

完成

2017-12-29

2018-11-01

GB/T 2105-2017 《白色硅酸鹽水泥》

國家標準

修訂

完成

2017-10-14

2018-09-01

GB/T 13693-2017 《道路硅酸鹽水泥》

國家標準

修訂

完成

2017-11-01

2018-09-01

GB/T 200-2017《中熱硅酸鹽水泥、低熱硅酸鹽水泥》

國家標準

修訂

完成

2017-12-29

2018-11-01

GB/T34189-2017《免壓蒸管樁硅酸鹽水泥》

國家標準

制訂

完成

2017-09-07

2018-08-01

GB/T37125-2018《硫鋁酸鹽水泥熟料》

國家標準

制訂

完成

2018-12-28

2019-11-1

GB/T 35161-2017《超細硅酸鹽水泥》

國家標準

制訂

完成

2017-12-29

2018-11-01

GB/T 35162-2017 《道路基層用緩凝硅酸鹽水泥》

國家標準

制訂

完成

2017-12-29

2018-11-01

GB/T39712-2020《快速施工用海洋硫鋁酸鹽水泥》

國家標準

制訂

完成

2020-12-24

2021-11-01

JC/T933-2019《快硬高鐵硫鋁酸鹽水泥》

建材行業標準

修訂

完成

2019-12-14

2020-07-01

《白色硫鋁酸鹽水泥》

建材行業標準

制訂

2019年完成

未發布

 

GB/T 748《抗硫酸鹽硅酸鹽水泥》

國家標準

修訂

進行中

 

 

GB/T《低熱礦渣硅酸鹽水泥》

國家標準

制訂

進行中

 

 

GB/T 13590《鋼渣硅酸鹽水泥》

國家標準

修訂

進行中

 

 

JC/T《磷酸鎂水泥》

建材行業標準

制訂

進行中

 

 

JC/T109《硫鋁酸鈣改性硅酸鹽水泥》

建材行業標準

修訂

進行中

 

 

JC/T《石膏礦渣水泥》

建材行業標準

制訂

進行中

 

 


五、碳中和碳排放與低碳特種水泥品種


水泥生產過程中CO2排放源主要有:1)原料中碳酸鹽分解;2)燃料的燃燒;3)各工藝設備的電力消耗。通用硅酸鹽水泥生產中排放的CO2約有60%來自于碳酸鹽分解,約有40%來自于燃料燃燒和電耗。通用硅酸鹽水泥熟料中C3S礦物含量一般在60%左右,而由于C3S燒成溫度較高,且配料中碳酸鈣比例較大,因此生產時能耗較高,CO2及NOx的排放量也較大。因此,要實現水泥的低碳生產,可采用以下兩種技術途徑:一是降低能源消耗產生的CO2量,即在通用硅酸鹽水泥體系及其礦物組成范圍內,通過調控原材料的易燒性和易磨性,改進生產工藝及裝備水平,降低水泥生產過程的能源消耗;二是降低碳酸鹽分解產生的CO2量,即突破現有硅酸鹽水泥熟料礦物體系及其礦物組成范圍的限制,降低高鈣礦物含量而提高低鈣礦物含量或引入其他低鈣礦物組分,研究開發新的低碳水泥體系。目前,水泥行業在第一種途徑上已取得了良好進展,系列節能減排技術得到大規模普及利用,在現有技術條件下,依靠工藝技術及裝備水平改造進一步實現節能減排難度已很大,而低碳水泥品種的研發成為當今水泥材料科學領域的熱點。


低碳特種水泥產品主要包括:1)高貝利特硅酸鹽水泥(低熱硅酸鹽水泥,簡稱“低熱水泥”);2)硫鋁(鐵)酸鹽水泥;3)熟料系數較低且具備特定性能的硅酸鹽水泥,即硅酸鹽水泥熟料,通過摻加實現特定性能材料制得的特種硅酸鹽水泥,混合材料的摻加量最高可達70%,如道路基層用緩凝硅酸鹽水泥、海工硅酸鹽水泥、低熱微膨脹水泥等。


六、“十四五”期間特種水泥行業挑戰與機遇并存


“十四五”時期是我國全面建成小康社會、實現第一個百年奮斗目標之后,乘勢而上開啟全面建設社會主義現代化國家新征程、向第二個百年奮斗目標進軍的第一個五年。“十四五”期間特種水泥行業挑戰與機遇并存。


1、從挑戰來看:水泥行業仍然是資源型、高耗能及耗用環境資源較多的行業,國家倡導綠色發展理念,強調“綠水青山就是金山銀山”。特種水泥作為水泥行業的一部分,也有社會責任的要求,也面對相同甚至更嚴格的挑戰。(1)今后環保要求會在現有基礎上愈發嚴格,已有多個省市自治區出臺了超低排放的政策要求,而且特種水泥也將不再享受特殊待遇,工藝、裝備、環保等要求均達到行業先進水平,同整個行業一樣面臨“碳達峰”“碳中和”的巨大壓力。(2)資源取得的難度和成本越來越高。礦山取得周期長、環節多、手續復雜,難度越來越大,而且礦山資源連續拍出高價,資源成本會越來越高。(3)淘汰落后產能的要求愈發緊迫。由于特種水泥所需資源均優于通用水泥,因此必須降低單位產品的能源消耗,提高資源利用率,提升質量和市場競爭力。


2、從機遇來看:(1)疫情客觀上延長了水泥需求的平臺期,根據國家經濟形勢,“十四五”期間政府仍會保持較高強度基建投入,水泥需求總體穩定。超常規的工程建設環境和工程規模會為特種水泥的應用帶來更多的機會。(2)“碳達峰”“碳中和”推動行業重構,加速中小企業的退出,為大企業兼并重組,提高行業集中度提供了機會。(3)“一帶一路”的推進,特種水泥將有機會與我國的海外工程建設項目配套,為大企業實施國際化戰略提供機會。

 
 
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