我国为什么应采用ISO水泥强度检验方法

     中国建筑材料科学研究院水泥所于1995年开展“ISO R679水泥强度检验方法(国际法)”和“ISO标准砂(国际标准砂)”的试验研究工作。通过研究以修订我国现行GB178-77〈水泥强度试验用标准砂〉和GB177-85〈水泥胶砂强度检验方法〉。该标准的研究和实施是我国水泥工业发展中的一件大事,因而引起水泥界专家、企业家的高度重视和议论,大多数认为我国应该采用ISO方法,也有的认为我国GB177-85方法很好,不应修订。现就此问题作一阐述。 

1 我国水泥标准制修订的历史作用 
 产品质量检验方法是衡量产品质量的一把尺子,产品标准是产品生产、交易和使用的基本依据,是质量管理的技术基础。一个时期制订和执行的工业产品标准及其检验方法,既反映了该项工业的技术水平和发展方向,还能促进产品生产、改进生产工艺和提高产品质量。因此我国历来十分重视工业产品标准和检验方法的研究和制修订工作。1.1 我国统一水泥标准的诞生 解放前我国水泥产量不足百万吨,全国也没有统一的水泥产品标准和检验方法,东北一般都使用日本标准,关内则使用美、英、德、日等国家标准,这是我国水泥工业十分落后的一种表现。 解放后,建设高潮掀起,水泥需求量激增,国家在着手恢复和发展水泥工业的同时,还抓紧统一全国水泥质量标准。1950年前重工业部华北窑业公司召开了第一次全国水泥厂代表会议,决定立即开展水泥标准的制订工作,并把它作为当时整顿水泥工业的首要任务。水泥研究院(中国建材研究院前身)承担了此项任务,经过近三年的工作,以日本软练强度检验方法为基础,提出了我国历史上第一个水泥标准,于1953年在全国实施。这个标准的诞生适应了我国水泥工业发展新局面的需要,其特点在于允许在水泥中掺加混合材料,水泥质量划分为多标号。1.2 我国水泥标准基本格局的完善 解放初期,前苏联帮助我国建设的第一批156个重点工程,其设计图纸全部来自苏联,因此水泥作为一种主要建筑材料,其标准必须与苏联接轨。 
      1953年后的几年,水泥研究院开展了苏联硬练法的试验研究工作,于1956年在全国统一采用了以苏联硬练法为蓝本的我国三大水泥标准,即普通硅酸盐水泥、矿渣水泥和火山灰水泥。 这个标准废止了日本软练法,实施了苏联硬练法,完善了我国三大水泥标准,建立了我国水泥标准的基本格局,为我国水泥标准的发展奠定了基础。这个标准确立了我国多品种多标号的水泥产品结构,促使了我国水泥工业迅速发展,解决了国家建设大量需要水泥的突出矛盾。1.3 迈向先进水泥标准的第一步 在1970年我国水泥产量达到2500万t之后,1975年达到4500万t,这标志着我国水泥工业迈上了独立自主大发展的里程。与此相应,我国三大水泥标准的格局业已不适应。在国际上,采用硬练法检验水泥标号已显得十分落后;在国内,水泥厂认为这种方法操作复杂,水泥用户认为不同品种水泥使用效果差别太大,高标号水泥太少等。 在此形势下,我所从1972～1977年组织了三大水泥标准改革的科研项目,制订了我国水泥强度检验方法GB177-77,即“中国软练法”,以此为基础产生了我国五大水泥标准,即硅酸盐水泥、普通水泥、矿渣水泥、粉煤灰水泥和火山灰水泥标准。这次标准修订吸取了国际标准的先进成分,使我国水泥标准达到70年代国际先进水平;同时以提高我国水泥产品质量为中心,有效地促进了我国水泥质量的提高。实施几年后统计发现,实施该法使全国水泥质量普遍提高了一个标号。1.4 同国际接轨的先期工作 改革开放后,我国同国际交往增多,水泥和水泥生产技术出口也日益增加,国外水泥界也大量打进我国水泥市场。国际交往使我们认识到我国水泥产品质量与国际先进水平相比确实存在很大差距。 为了提高我国水泥产品质量及在国际市场上的竞争力,也为满足国内工程建设需高标号水泥的要求,我所于1990～1991年对我国五大水泥标准又进行了修订,产生了GB175-92和GB1344-92五大水泥标准,这个标准将硅酸盐水泥分为Ⅰ型和Ⅱ型水泥,Ⅰ型水泥的强度和各项性能指标采用美国ASTM标准,Ⅱ型水泥的强度和各项性能指标采用英国BS标准。另外,在水泥品种的划分和混合材料掺加方式方面尽可能同欧洲水泥标准草案ENV197-1相一致。 但是由于我国水泥强度检验方法没有改变,我国水泥产品质量没有发生多大变化,我国的水泥强度数值仍不易被国外理解。因此,必须修订现行水泥强度检验方法,直接采用ISO R679水泥强度检验方法。  

2 国际水泥标准发展动向 
       我国水泥强度检验方法要不要同国际接轨,应分析和观察国际水泥标准发展动向,明确我国标准发展目标。

2.1 世界水泥标准正向统一方向发展 近十年来,由于世界经济格局的变化,以及国际标准化组织(ISO)制定颁布了一系列水泥性能检验方法,欧洲标准化组织(CEN)制订颁布了欧洲通用水泥标准ENV197-1-92(试行),使世界各国水泥标准原本处于三足鼎立的状态发生了很大变化。80年代初期,采用美、英和ISO标准体系的国家和地区基本各占1/3,进入90年代已有半数国家和地区采用了ISO标准体系。截止1991年采用标准情况见表1。 

 
    制订世界统一的水泥标准是相当复杂的问题,因而从水泥诞生至今170年来尚未实现。但是随着世界经济格局的变化,经济走向一体化的发展,世界水泥标准逐步实现统一是必然发展方向,欧洲标准化委员会(CEN)于1992年4月29日批准颁布了ENV197-1-92(通用水泥部分),要求其18个成员国在本国采用。 ENV197-1-92标准中对通用水泥的分类方案是,根据水泥中掺加的混合材料品种和数量,将通用水泥分为五大类型25种水泥,五大类型水泥为:

 (1)波特兰水泥——掺加混合材0～5%; 

(2)波特兰复合水泥——分14种,其中混合材料6%～20%的7种,混合材料21%～35%的7种; 

(3)高炉水泥——按矿渣掺加量分3种,A:36%～65%,B:66%～80%,C:81%～95%;

 (4)火山灰水泥——按火山灰混合材料掺加量分2种,A:21%～35%,B:36%～55%。

 (5)复合水泥——按掺加两种以上混合材料分2种,A:36%～60%,B:61%～80%。

      ENV197-1-92标准中按28d抗压强度分三个等级,每个等级按2d(或7d)强度分普通型和早强型2种。所有各类型水泥均需达到表2的要求

注：强度数值系采用ISO方法。

   英国是欧洲标准化组织CEN成员国之一,在ENV197-1-92标准颁布之前,已按照其草案修订了BS标准,并于1991年11月29日正式颁布生效了BS12:1991新标准,从而英国首先结束了长达近90年的英国水泥标准体系。 

    日本水泥标准的变革也是近期国际水泥标准发展的重大事件。以日本软练强度检验方法为基础的日本水泥标准JIS是1940年12月制订实施的,50多年来一直沿用至今。但是,近年来日本标准加快了同国际接轨的速度,日本工业技术院确定从1994年开始,用3年的时间对日本水泥标准进行重大修改,并于1997年4月21日全面实施日本水泥新标准:物理检验方法标准JIS R5201,以及产品标准JIS R5210波特兰水泥、JIS R5211矿渣水泥、JIS R5212火山灰水泥和JIS R5213粉煤灰水泥。这次日本标准修改的核心是检验方法标准同ISO国际标准完全一致,产品标准尽可能同欧洲标准靠拢。

2.2 世界已产生了统一的水泥检验方法标准

 (1)国际标准化组织ISO/TC74技术委员会已经批准颁布了四个检验方法标准: I

SO R679:1989水泥强度检验方法

 ISO R680:1990水泥化学分析方法 ISOR9597:1989水泥凝结时间和安全性测定方法 

ISO R863:1990火山灰水泥的火山灰性试验方法 

公布了四个标准草案,正在征求意见:

 ISO/DIS 10784水泥组分的定量测定方法

 ISO/DIS 10749水泥细度测定方法 

ISO/DIS 10750水泥抽样和制样方法 

ISO/DIS 10751水泥中氯化物、二氧化硫和碱含量测定方法

 以上8个标准和标准草案全部同欧洲标准化委员会(CEN/TC51)制订的检验方法EN196等同。

 (2)ISO水泥强度检验方法已被大多数水泥生产大国采用。

 水泥强度检验方法是水泥产品标准的基础,也是水泥标准同国际接轨主要标志。

     近年来对年产水泥1千万t以上的37个国家和地区采用ISO R679的情况进行了调查,结果如下:

     已采用国24个,占65%,这些国家是:法国、德国、英国、日本、澳大利亚、南非、比利时、捷克、芬兰、希腊、荷兰、葡萄牙、瑞士、挪威、瑞典、阿根廷、伊朗、波兰、土耳其、保加利亚、丹麦、匈牙利、南斯拉夫和西班牙。

 决定采用国或地区4个,占11%,为巴西、印度、新西兰和台湾省。

 无计划采用国3个,占8%,为加拿大、美国和泰国。

 不明的国家6个,占16%,为埃及、马来西亚、委内瑞拉、墨西哥、新加坡和韩国。

2.3 采用国际标准是世界经济发展的要求

     采用国际标准在80年代以前并不为世界尤其是发达国家所重视,而在80年代中后期由于世界经济贸易及政治形势的变化,世界经济界对采用国际标准提出了新的要求,这种要求使各国对ISO国际标准的态度有了根本性改变。世界贸易组织有近120个成员国签订了关贸协定,其中“技术性贸易壁垒协议”于1980年1月1日生效,这个协议也称标准化守则(TBT)。TBT规定:“1980年1月1日起,国际贸易中中的商品认证制度以国际标准为依据”。要求各缔约方在符合本国情况的前提下,尽量采用ISO、IEC的技术法则和标准或世界上其他国家已有的成果。鼓励各国积极参加国际标准化活动及合格评定活动。这就造成了世界上各国将本国标准与国际接轨的大趋势。  
       为了维护我国的经济利益,不致使我国在今后的国际贸易中处于被动或被排斥状态,1993年12月13日国家技术监督局发布命令,实施我国“采用国际标准和国外先进标准管理办法”。该办法指出,采用国际标准和国外先进标准,是我国的一项重要技术经济政策,是技术引进的重要组成部分,应当同我国的技术引进、技术改造、新产品开发相结合。该办法还规定,凡已有国际标准的(包括即将制订完成的国际标准),应当以其为基础制定我国标准。对国际标准中的安全标准、卫生标准、环境保护和贸易需要的标准应当先前采用,并与相关标准相协调。

      纵观国际水泥标准的发展动向,使我们认识到,在目前国内外经济发展融向一体化的形势下,我国水泥标准应该同国际接轨,我国水泥强度检验方法应同国际一致,即直接采用ISO水泥强度检验方法

  
3 我国水泥产品质量需要大幅度提高 
      目前我国有几千家水泥厂,年产水泥达4.7亿t,约占世界水泥总产量的1/3。然而,我国水泥实物质量总体水平低,特别是有些质量差的水泥给国内外用户造成不良影响。 
 3.1 国外水泥的实物质量水平

     为了弄清我国水泥质量在国际上处于什么状况,必须首先知道国际上水泥质量水平。 80年代初我所为了了解国际上水泥质量状况,从国外索取了31个水泥样品,包括美、英、日、德、法以及印尼、菲律宾等东南亚地区生产和销售的水泥。将这些样品用GB177方法进行了检验,其结果见表3。

八十年代初国外水泥质量检验结果

由表3可以看出,80年代初国际上波特兰水泥实物水泥质量水平是:  

 国际先进水平：3天强度32MPa，28天强度58MPa左右; 

国际一般水：3天强度27MPa，28天强度55MPa左右; 

进入90年代以来,我们对国际上水泥实物质量水平没有进行系统工作,只零星作过一些检验,发现实物质量水平又有了提高,如泰国象牌水泥为36.8MPa为68.4MPa。近年德国部分水泥厂的水泥实物质量见表4(根据乔龄山的资料整理)。

表4德国部分水泥厂的水泥实物质量

  
     另一方面,从我国水泥在国际市场上的反映,也可以间接得知国际上水泥实物质量水平。80年代以前我国五羊牌水泥在香港市场上反映很好,称为“水泥市场上的一霸”。当时五羊牌水泥质量控制很严;57.5MPa,80年代后随着改革开放的发展,大小水泥通过各种渠道大量销往国外,1990～1991年最高出口量近1000万t。我国水泥大量销往国外后引起强烈反映,说中国水泥质量次。经调查认为,出口的水泥符合中国水泥标准,但同国外水泥相比存在细度粗、凝结慢、早期强度低和均匀性差四大问题。之后,中国水泥出口量大幅度下降,又经外商精心选择中国质量好的水泥出口,这种反映才趋缓和。目前珠江厂、柳州厂出口水泥质量为 在3天强度在35~40MPa，28天强度在60～65MPa,信誉较高。大连华能-小野田水泥厂出口东南亚的水泥在3天强度在35~40MPa左右,出口美国的水泥3天强度在在45MPa左右,水泥的28天强度都在60～75MPa。  
 根据上述分析,目前国际市场上的水泥实物质量水平大致为:

 国际先进水平 35～40MPa 60～70MPa; 

国际一般水平30MPa左右60MPa左右。 
3.2 我国水泥质量状况分析 

     80年代到90年代,随着我国水泥产量的大幅度增长,水泥质量整体上也有了提高,但是同国际先进水平相比,同建筑业的发展要求相比,还有很大差距。 90年代我国水泥标号状况可以1992年为代表,见表5。我国各标号水泥的实物质量见表6。 
 
 由表5、6可知:  
 (1)我国525号以上的波特兰水泥和625号、525号R型普通水泥达到了国际先进水平,但数量较少。如果将525号普通水泥、525号R型矿渣水泥和 525号矿渣水泥质量再适当提高些,也算达到国际先进水平的话,全国水泥产量中也只有9%左右的水泥达到国际先进水平,且主要由国家重点水泥企业生产。  

 (2)我国425号水泥占全国水泥总产量的60%,需将质量再提高一些,才能达到国际一般水平。 

(3)我国水泥产量1/3左右的325号及以下的水泥是低档次水泥,在国际市场上大多列入砌筑水泥类别。 由此可见,大幅度提高我国水泥产品质量是摆在我们面前的主要任务。这里顺便指出,我国立窑水泥产量约占80%,回转窑水泥只占20%,立窑能否生产出高质量的水泥呢?我们通过分析数据认为,只要生产工艺条件完善,质量管理水平提高,不同类型的窑都可以生产出高质量水泥,见表7。不同窑形水泥质量比较  

     为了促进我国水泥产品质量的提高,从1988年起开展水泥产品质量认证工作,8年来我国共认证718个水泥企业,认证产品达1.08亿t,其质量为: 

425号水泥,8372万t,占77.7%,接近国际一般水平;

 525号水泥,2396万t,占22.2%,接近国际先进水平;

 625号水泥,2万t,占0.02%,国际先进水平。 

     由此可见,我国认证的1亿t水泥产品中,3/4以上仍为425号水泥,接近国际一般水平,而接近和达到国际先进水平的525号、625号水泥不足1/4。

     面对我国水泥实物质量总体水平低的状况,如何大幅度提高水泥产品质量呢?除了水泥生产工艺方面的改造外,许多专家提出应从水泥产品标准上做文章,如取消325号水泥,提高水泥早期强度指标等建议。这些建议固然有一定道理,但是我国现行GB177-85水泥强度检验方法是否完善,用它评价的各种水泥活性是否确切?如果衡量水泥质量的这把尺子还不完善,存在较大缺陷的话,就应该首先完善水泥强度检验方法这把尺子,使水泥生产企业按照新的尺子组织生产,这样才能更好地发挥标准引导和促进水泥生产的作用,使我国水泥质量总体水平大幅度的提高。 

4 我国现行水泥强度检验方法需完善  

    1979年以前我国采用“硬练法”检验水泥强度,造成水泥标号的严重虚假现象。1979年以后我国采用现行GB177(软练法)检验水泥强度,在很大程度上解决了同标号普通水泥与矿渣水泥在混凝土中使用效果的差别,但并没有真正消除两者差别,见表8。

矿渣水泥在混凝土中使用效果(与普通水泥相比)

  
 表8中的数值是以掺加6%～15%混合材料的普通水泥为100%计算的。

    如果以国外的波特兰水泥(我国的硅酸盐水泥)为基础计算,矿渣水泥在混凝土中的使用效果还会显得更差些。 采用ISO方法后,不但可以消除GB177方法未彻底解决的矿渣水泥与普通水泥在混凝土中使用效果的差别,而且还可以进一步消除普通水泥与硅酸盐水泥在混凝土中使用效果的差别。 ISO方法与硬练法、GB177方法的关键区别在于检验方法中的胶砂组成,即水灰比、灰砂比和标准砂。三种方法的比较见表9。 

不同强度检验方法的胶砂组成

 
     由于GB177方法选择的水灰比小,灰砂比大,单级标准砂不合理,造成检验的标号仍会产生“虚假”。而ISO方法采用的水灰比适中,灰砂比适中,特别是采用了级配标准砂,它类似混凝土中石子、砂子、水泥、微细填料等级配,因此ISO方法检验出的水泥强度更接近于水泥在混凝土中的使用效果。 

    我国现行GB177水泥强度检验方法如何进行完善,进而过渡到ISO方法,其核心问题是将我国单级标准砂改变为级配砂,即ISO标准砂。我国采用ISO标准砂后就自然会将水灰比加大到0.50,灰砂比减小到1∶3.0。这样就能把GB177方法完善到ISO水泥强度检验方法。 
5 采用ISO方法会促进我国水泥产品结构调整 
根据我所1980年和1996～1997年试验研究的结果,初步看出如下问题。 (1)采用ISO方法后我国水泥标号结构要作大幅度调整 GB标号与ISO标号的大致关系见表10。

GB标号与ISO标号的关系

  
     从表10可以看出,我国现行GB方法过渡到ISO方法后,由于水泥试体的胶砂组成变化,水灰比加大,灰砂比减少,我国现行水泥标号要普遍降低一个标号,约占我国水泥产量30%的325号水泥将被取消。这将是对我国水泥标号结构的一次大调整,对水泥质量的一次大提高。

这里应指出的是: 

    第一,在水泥标号结构调整的过程中,有的厂生产的水泥标号降低得幅度很大,有的厂生产的水泥标号降低得很少。也就是说GB方法改为ISO方法后,有的厂要占便宜,有的厂要吃亏,绝不是所有厂的水泥一律降一个标号。

 第二,约占我国水泥产量30%的325号水泥出路有两条:或者是改进生产工艺,如提高粉磨细度,减少混合材料掺加数量,将产品质量大幅度提高,达到ISO325;如果改进生产工艺还达不到ISO325标准,只好改为生产砌筑水泥。

 (2)采用ISO方法后将大幅度提高水泥早期强度

      随着现代化施工技术的发展,用户对于水泥早期强度的要求愈来愈高。一般大型建筑工程按照施工技术和工期的要求,水泥必须有很高的早期强度,最小的建筑工程用户也会把水泥早期强度的高低作为衡量水泥质量好坏的粗略准则。因此,提高水泥早期强度早已成为国外的发展方向和工作目标。这个发展方向和工作目标逐步在许多国家的水泥标准上得到体现。欧洲水泥标准化委员会制订的ENV197-1-92标准,将传统的3d、28d强度指标,改为2d、28d强度指标,并规定波特兰水泥以及掺加任何品种和数量混合材料的水泥,如矿渣水泥、火山灰水泥等均采用波特兰水泥的2d强度指标。这是一个很大的变化。许多国家如德国、英国等均采纳了这个标准,ENV197-1-92标准规定见表11。

ENV-197-1-92通用水泥的早期强度指标

注：早期强度值均为ISO方法测定值

     我国水泥同国外水泥质量上的一个突出差别是早期强度低,而且混合材料掺加量愈多的水泥,早期强度愈低。GB175-92和GB1344-92标准规定值见表12。

我国通用水泥早期强度指标

    根据水泥所试验的GB方法与ISO方法强度关系可知,我国普通硅酸盐水泥的3d强度指标值比 ENV197-1-92规定的2d强度指标值还要低,所以我国水泥的早期强度一步达到ENV197-1-92标准是十分困难的。  
    考虑到我国目前水泥生产的实际,可以设想这样一个方案,即我国水泥强度检验方法采用ISO方法后,我国现行GB175-92和GB1344-92标准中标号划分和早期强度指标均不变,即改为ISO方法的标号和早期强度指标。这样我国五大水泥的早期强度用GB方法强度表示,大约需提高5～9MPa(低标号提得少,高标号提得多)。我国五大水泥标准早期强度的这种变化,必然会促进水泥企业大幅度提高早期强度。如果某一标号的水泥达不到相应标号的早期强度指标,将会降低到下一个标号的水泥。

   (3)采用ISO方法可以促使我国水泥质量同国外水泥质量相一致 

    1980年我所选用了美、英、德、日等国家生产的31个国外水泥实物样品,用ISO方法和GB方法进行了大量对比试验,建立了ISO标号与GB标号的关系。而在1996～1997年的两年中,我所采用我国生产的许多水泥样品也建立ISO标号与GB标号的关系。结果发现:相同的ISO标号的水泥,我国水泥的GB标号比国外水泥的GB标号高出7MPa左右。这说明,我国水泥用GB方法检验水泥强度时出现了偏高现象。

     为什么会出现这种现象,其原因有待于深入探讨。同样在我国生产的水泥,大连华能-小野田水泥厂等就不存在这种现象,即在1996～1997年的试验中,ISO标号与GB标号关系同1980年采用国外水泥建立的ISO标号与GB标号关系完全相同。造成我国水泥同国外水泥质量上的差别来自哪里?不外在于生产水泥熟料的窑型、粉磨工艺和水泥中混合材料掺加量不同。我国生产水泥的窑型很多,有新型干法窑、湿法窑、中空发电窑、立波尔窑、小型中空窑和大量立窑。在这些窑型中发现,新型干法窑相对差别较小,湿法窑差别较大,立窑差别有高、有低。在粉磨工艺方面,我国水泥厂大多规模小,磨机也小,粉磨细度太粗,在混合材方面,我国水泥中普遍掺加混合材料较多,看来粉磨细度粗很可能是造成两者差别的重要原因。 

6 我国采用ISO方法的可行性  
 通过上述分析,我们可以清楚地知道,我国应该尽快采用ISO水泥强度检验方法。

6.1 采用ISO方法是对GB方法的改进和完善 两种方法同属检验水泥强度的“软练法”,熟悉, 和掌握ISO方法比较容易。在1972～1977年制订GB方法时,由于受当时社会条件的影响和迁就平潭石英砂没有粗、细砂源的现状,水泥胶砂组成才选用了单级砂和与其相应的1∶2.5灰砂比、0.44水灰比,从而造成GB177方法的不完善。

   采用ISO方法的核心是选用ISO标准砂,只要标准砂一变,灰砂比和水灰比自然会调整到同ISO方法一致,使GB177方法过渡到ISO方法。

6.2 我国级配石英砂的砂源非常丰富 我国幅原辽阔,各种天然石英砂砂源非常丰富。根据初步调查和对比试验,完全符合ISO标准砂要求的砂矿已有8个矿点,适当选择和搭配使用可以制造ISO标准砂,且每个砂矿使用年限都可上百年,还可供应其他国家使用。

6.3 ISO方法用的仪器设备及试验条件 ISO方法要求的试验条件同GB177基本一致,因此采用ISO方法后各单位试验条件不需变动。 ISO方法用的仪器设备主要有ISO搅拌机和振实台或者3000频率振动台。 GB177现用的振动台同ISO方法要求基本是一致的,仍可使用。 GB177现用的双转叶片式搅拌机同ISO叶片式搅拌机在搅拌胶砂时的运动轨迹和拌合效果是完全一致的,也可代用。不过,为了同ISO方法完全一致,今后可不再生产,改行生产ISO搅拌机,各水泥试验室可按搅拌机的使用寿命逐步淘汰老机型,购置新机型。

来源：《水泥》