混凝土外加剂在混凝土中起着越来越重要的作用,混凝土技术的发展与外加剂技术的创新和进步密不可分。随着全球气候变化与碳达峰、碳中和战略的实施,混凝土外加剂作为混凝土的第五组分,其广泛应用将为混凝土降碳、减碳发挥不可替代的作用,已成为混凝土行业实现双碳战略不可或缺的技术手段。目前,中国混凝土年生产量已占全球产量的60%左右,中国地域辽阔、气候环境与地域性材料多样且复杂,外加剂需求与产品种类繁多。依靠外加剂行业的发展与创新解决重大与复杂的工程结构问题、绿色低碳问题已成为行业的共识。
一、行业发展现状
1.市场规模现状
外加剂行业受基建地产投资影响较大,2021年全国基建投资总额累计为18.87万亿元,同比增长0.21%,相较2019年同期两年复合增速1.80%。2021年基建投资增速整体处于低位。在2022年约20万亿元的基建计划投资中,新基建的投资规模占比从当前约10%提升至15%,新能源、减污、降碳、绿色建筑、城乡管网、停车场等领域的投资占比有所上升。2022年,在疫情阴霾未散和世界经济低迷的背景下,混凝土作为项目工程中用途最广、用量最大的一种建筑材料面临着多重考验,行业形势日益严峻。据国家统计局数据分析,2022年1-10月混凝土产量较上年同期下降11.5%。12月全国各地陆续调整疫情防控政策,由北到南,阳性感染比例陆续上升,工程进度整体受到明显影响,多数工地一段时间内无法维持正常施工进度,且随着北方气温继续下降,环保管控也时有发生,国内各地施工进度均呈季节性放缓趋势,各地区混凝土发运量也逐步下行。
数据来源:中国混凝土网
近年来,我国外加剂科学研究取得很大进步,逐渐扩大了外加剂的应用领域,在预拌砂浆、石膏制品、地面材料、修复材料方面的应用量增长较快。据统计,截至2021年我国混凝土外加剂总销量为1530万吨。根据2022年混凝土产量估算,2022年我国外加剂销量下降到约1450万吨左右。
注:以29亿立方米混凝土为基数,外加剂折算为20%固含的液体外加剂数据。
在混凝土外加剂市场中,减水剂是目前市场主流产品,2021年国内减水剂产量为1025万吨,约占外加剂总量的67%左右。2022年,减水剂中聚羧酸高效减水剂产量约852.1万吨。聚羧酸高效减水剂平均单价在1600-2000元/吨之间(10%水剂),具体价格整体受业务类型及大宗原材料走势影响较大,全年平均整体波动不大,部分地区略有降低。
虽然,2022年由于混凝土房建市场萎缩使混凝土外加剂产量下滑,但基础设施的用量并未减少,铁路、交通、水电等基础设施用量依然巨大,尤其是速凝剂市场已成为外加剂领域新的增长点,速凝剂占比逐年增加,预计2022年突破200万吨,达到外加剂总量15%以上,尤其是无碱速凝剂发展迅速。
2.市场格局
(1)产业链上游情况
2022年环氧乙烷价格维持先涨后跌趋势,整体均价下滑。据卓越网统计,截至12月底环氧乙烷总产能突破740万吨,产能同比增长14.95%,年内新增总产能97万吨;同期,2022年环氧乙烷年内内因检修减少产能累计400万吨,占总产能53.6%,其中中国环氧乙烷产量同比下滑3.69%。
从产业链结构看,随着乙二醇市场利润逐步收缩,多数EO/EG联产装置开始向生产EO转移,并兼顾两者灵活产出,从而提高经济效益。EO产能大幅增长,下游产品发展却进入了瓶颈期,单一化、同质化现象明显。尤其聚羧酸减水剂大单体、非离子表面活性剂等下游产品已经面临产能过剩的局面,行业竞争加剧,产能利用率降低。对此,部分企业将采用原料-成品-下游产品一体化的生产模式,提高抗风险能力,行业集中收益正逐步向产业链一体化企业倾斜。
2022年环氧乙烷下游消费结构中聚羧酸减水剂大单体仍居首位,全年平均占比约58.91%。2022年上半年聚羧酸减水剂大单体的主要消费市场在华东、华中地区,两区共占总消费量的57.0%;西南地区占总消费量的14.0%;东北、华南等地区占总消费量的29.0%。由于下游需求低迷,全年环氧乙烷价格疲软,逐步下滑,目前已达近年的最低点,6800元/吨上下。
2021年中国聚羧酸减水剂大单体产能325.0万吨。国内聚羧酸减水剂大单体产能最大的是奥克股份,其单体产能85.0万吨/年,市场占有率一家独大。国内其他聚羧酸减水剂大单体企业集中度不高,存在整合空间。
(2)产业分布
聚羧酸减水剂上游主要原材料聚醚大单体,主要采用环氧乙烷制备而成。环氧乙烷属于易燃易爆的危险化学品,对安全、环保和生产技术要求较高,目前国内主要包括奥克股份、佳化化学、苏博特、科隆股份、联泓新材料、皇马科技、钟山化工、吉林众鑫、海螺新材料等企业,行业集中度不高,产能已经严重过剩。中游企业分别参与减水剂合成与复配环节,其中合成环节技术壁垒较高,能够掌握一整套合成工艺的生产企业有300余家,各自市场占比都比较低,产业集中度不高;复配环节流程较为简单且具备较强区域性,行业集中度较低。我国外加剂生产厂家数量一度多达5000-6000家,市场极其分散,在环保政策及化工企业安全标准趋严的背景下,外加剂行业面临结构优化调整,小微企业逐渐退出市场,近年来企业数量已降至1000多家,使外加剂行业集中度有所提升。下游客户主要为建筑工程和混凝土公司,客户集中度较低,行业内公司对单个客户的依存度较低,因此,企业扩大服务半径更为重要。
据统计,截止2021年1月,中国铁路总公司聚羧酸高效减水剂产品认证在列企业共271家(包含认证撤销/注销、过期失效、暂停的企业),主要分布在:华北地区(95家),华东地区(60家),中南地区(44家),西南地区(38家),西北地区(21家),东北地区(13家)。
虽然具备一定规模的厂家遍布全国各地,但目前龙头企业主要集中在华东、华南地区。行业前十名企业中,江苏省有3家,安徽1家,广东1家,福建1家。
(3)行业集中度
我国外加剂厂家数以千计,技术水平参差不齐,规模企业较少,目前行业还处于大洗牌的阶段,行业集中度较低。国内企业占据了我国绝大部分市场份额,市场竞争主要集中在本土企业之间,并已开始参与到国际市场竞争中,跨国公司仅在局部细分市场参与竞争。在国内的减水剂企业中,苏博特、科之杰、红墙三家上市公司仍明显领先于行业其他企业。从头部企业混凝土外加剂销量来看,2016-2021年苏博特、科之杰与红墙股份三家企业混凝土外加剂销量均呈逐年增长态势。据混凝土网统计,2021年前三家企业总计销售聚羧酸减水剂255万吨,总计销售金额约68亿元;剩余7家企业总计销售189万吨,总计金额37亿元。
由于我国减水剂占所有外加剂用量的67.1%以上,因此,减水剂的市场占有率基本可以反映外加剂的市场占有率情况。根据苏博特、科之杰、红墙股份年报与经营数据,以销量估算,2022年,CR3占比已经提升至23.4%,苏博特的占有率已经提升至8.7%,垒知集团提升至8.5%,红墙股份提升至6.2%。这几年,三大龙头企业市场占有率上升趋势明显,这主要得益于龙头企业凭借资金优势和技术优势进行产能规模的日益扩张和销售市场的不断开拓。
自2020年起,3家上市龙头企业纷纷选择通过发行可转债或定增的方式布局产业链上下游,扩建生产基地。随着龙头企业的加速发展,公司技术壁垒加厚、生产能力提升将进一步挤压中小企业的市场份额。近两年,行业整体呈良性发展,行业集中度逐步提高,寡头效应明显。但绝大部分减水剂厂家仍处于产能过剩的阶段,以行业前十名的数据为例,2021年全年共销售聚羧酸减水剂392万吨,但前10名厂家合计产能超过628万吨,产能利用率只有62%。
“奥克杯”2021年中国聚羧酸减水剂企业十强
排名 | 企业名称 | 销售量(万吨) | 销售额(万元) | 单价(元/吨) | 产能(万吨) |
1 | 苏博特 | 104.5 | 298,470 | 2856 | 178.5 |
2 | 科之杰 | 99.00 | 245,852 | 2483 | 112.0 |
3 | 广东红墙 | 51.46 | 134,605 | 2616 | 92.0 |
4 | 安徽中铁 | 32.55 | 92,173 | 2832 | 47.5 |
5 | 中建新材 | 26.84 | 75,591 | 2816 | 48.4 |
6 | 长安育才 | 22.67 | 55,133 | 2432 | 30.0 |
7 | 江苏奥莱特 | 18.03 | 45,249 | 2510 | 20.0 |
8 | 贵州石博士 | 14.38 | 41,575 | 2891 | 40.0 |
9 | 山西铁力 | 12.01 | 31,659 | 2635 | 20.0 |
10 | 江苏超力 | 10.80 | 28,562 | 2645 | 40.0 |
二、行业技术发展现状
1.行业技术发展与创新
我国对聚羧酸减水剂的研究和使用起步较晚,随着我国经济建设的迅猛发展以及高速铁路、大跨桥梁、核电工程和大型水电项目的开工建设,我国聚羧酸减水剂的应用与发展得到了长足进步,目前聚羧酸减水剂已占减水剂市场的83%以上。经过二十余年的高速发展和广泛应用,形成了MPEG、APEG、HPEG、TPEG、EPEG、VPEG系列大单体产品,制备出了减水型、保坍型、降粘型、减缩型、超早强型等系列高性能聚羧酸减水剂产品。膨胀剂、无碱速凝剂、缓凝剂、早强剂、引气剂等产品性能逐年提高。我国混凝土外加剂行业已经成为一个门类和品种齐全、标准体系健全的行业。目前,我国混凝土外加剂的科研开发、生产技术、标准化体系、工程应用部分已经达到国际领先水平。
随着国家生态绿色发展战略的实施,碳达峰与碳中和战略的落地,水泥企业减碳降碳措施会促使胶凝材料体系带来新的变化,混凝土用天然砂日趋紧张,机制砂品质波动大,含泥、絮凝剂、级配等问题突出,建筑垃圾与工业废弃物的资源化利用日渐增多,这些都给混凝土外加剂行业的科技发展带来更多、更大挑战和新的机遇。因此,外加剂的技术发展与创新正在发生转变。针对泵送混凝土骨料含泥量超标、原材料品质波动大、混凝土和易性差、混凝土长时间运输缓凝保坍需求高、高强混凝土黏度大等问题,业内领先企业通过选用各种特殊功能单体,在聚羧酸减水剂分子结构上引入磷酸酯基、羧酸基、羟基、酰胺基等官能团,实现水泥浆体的高流动性、低黏度、长缓凝,优化混凝土和易性,降低敏感性,提高坍落度保持性能。
随着社会经济发展,资源和环境问题日益凸显,在绿色低碳战略的推动下,淀粉作为一种无毒、无污染的生物质原料,资源丰富、受国际市场影响变化幅度较石油产品小。因此,用生物质替代石化原材料制备生物基混凝土外加剂,提升混凝土应用性能,具有重要意义并成为研发热点。包括利用磺化淀粉较大的空间位阻效应制备减水剂,利用季铵化磺化淀粉制备淀粉基抗泥牺牲剂,各类淀粉醚(羟烷基淀粉、羧甲基淀粉、阳离子淀粉等)做黏度调节剂,淀粉酸解后得到的低分子量淀粉作为淀粉基水化温升抑制剂等。
随着混凝土外加剂科学技术的不断发展,以及国内混凝土预拌化、混凝土工程大型化、工程环境复杂化及应用领域的不断扩大,对国内预拌混凝土的性能不仅仅要求其具有高强度、高耐久性,还要求其具有高工作性。因此,对混凝土外加剂的性能需求也趋于多功能化,并趋向于有机型、多功能型、复合型方向发展。为此,主要推动用量最大的减水剂技术进步,在此基础上,膨胀剂、速凝剂、缓凝剂、阻锈剂、引气剂、早强剂等功能性外加剂也必将得到快速发展。
综上所述,近年来国内的主要研究方向归纳起来主要聚焦在以下几个方面。
(1)高适应性减水剂。一是聚羧酸减水剂分子(PCE)中引入小单体(酯类单体、磷酸酯类单体等)的功能优化设计与六碳母液的性能优化与功能提升;二是针对低品质砂石级配与材料特性劣化问题,采用传统木质素类与PCE复合等技术路线,研究具有更强和易性调节功能的产品和低敏感性解决方案;三是解决机制砂中絮凝剂残留负面影响的高效反絮凝剂产品;四是解决砂石含泥量高问题的高效环保型抗泥外加剂。
(2)针对低碳胶凝材料体系的碱激发、煅烧粘土(LC3水泥)、地聚物等新型低碳胶凝材料,开发针对性混凝土外加剂新产品。
(3)无碱速凝剂的功能优化。满足极端环境下高性能喷射混凝土(川藏铁路等)用无碱速凝剂、C40高强速凝剂、无氟无碱速凝剂;与数字智能化-装备自动化相结合的3D打印喷射混凝土的外加剂技术;喷射混凝土用速凝剂应用性能研究与新型检测技术。
(4)提高混凝土长期耐久性的功能型外加剂,如高海拔、高温、低气压环境下使用提高混凝土抗冻融能力的引气剂;提高混凝土抗开裂能力的减缩剂、水化温升抑制剂、内养护材料;提升混凝土耐久性的阻锈剂、介质侵蚀抑制剂等。
(5)摆脱对石油基原料的依赖,研究可持续绿色生物基外加剂等低碳外加剂产品与低碳生产工艺技术,研究PCE与木质素、淀粉基等天然低碳原料复配的功能性新产品,开发更好的生物基外加剂低碳产品和引发体系。
(6)外加剂产业绿色低碳生产技术。绿色低碳原材料的选择、绿色常温反应低能耗工艺技术、提升能源利用效率工艺技术、新型能源替代技术。加快制定绿色低碳基础数据标准,建立产品全生命周期绿色低碳基础数据平台。
(7)外加剂企业将利用新一代信息技术与下游产业深度融合,以数字化智能化驱动服务方式的变革,外加剂技术与大数据应用技术的一体化(如混凝土在途调节与控制系统等),延伸服务深度和广度的探索与实践将提上日程。
(8)提供高性能混凝土、特种环境工程混凝土用外加剂综合配套产品与解决方案已成为衡量外加剂企业综合实力的最重要条件之一。
2.科学研究课题现状
国内混凝土外加剂研究主要集中在清华大学、东南大学、北京工业大学、中国建材总院、中国建科院、苏博特、科之杰、红墙股份、中建新材、长安育才等高等院校、科研院所和外加剂行业龙头企业。研究重点集中在“微观行为与流变学调控机制”、“外加剂结构设计与拓展”、“抗裂、耐久等功能型产品与应用技术”、“低碳胶凝材料的外加剂技术”、“无碱速凝剂产品与应用技术”、“生物基等低碳外加剂产品技术”、“微波诱导等新型工艺PCE合成技术”等方面。
据统计,目前全国在研的国家自然科学基金项目共20余项,其中关于聚羧酸减水剂的项目6项,其他外加剂项目14项。国家专项课题共16项,其中关于聚羧酸减水剂的5项,其他外加剂的11项。目前,行业取得的关于聚羧酸减水剂的主要发明专利共133项,其中美国授权专利4项。关于其他外加剂取得的主要专利发明专利共116项。
3.行业标准制修订情况
品种多样的混凝土外加剂对混凝土高性能化起到非常重要的作用。据统计,我国目前已发布的和混凝土、砂浆等相关的外加剂国标、行标、团体标准共170余项。2022年,共发布外加剂相关国家标准10项、团体标准及地方标准共42项。随着混凝土建设技术的发展和进步,我国混凝土外加剂行业已发展成为一个门类和品种齐全、标准体系健全的行业。混凝土外加剂主要产品标准数量如下。
我国混凝土外加剂主要产品现行标准数量 | |||
外加剂品种 | 现行标准数量(部) | 外加剂品种 | 现行标准数量(部) |
外加剂综合类 | 11 | 保坍剂 | 1 |
减水剂 | 5 | 保水剂 | 2 |
速凝剂 | 4 | 减缩剂 | 1 |
泵送剂、防冻剂 | 6 | 防冻、防水剂 | 5 |
防腐剂、阻锈剂 | 9 | 养护剂 | 4 |
矿物外加剂 | 1 | 絮凝剂 | 1 |
膨胀剂 | 6 | 减胶剂 | 1 |
2023年十几项团体标准已启动编制,其中包括《超高性能混凝土用高性能减水剂》《再生砂粉专用减水剂》《再生微粉活化外加剂》《乙烯基聚乙二醇醚》《混凝土外加剂中氟含量的测试方法》《喷射混凝土用外加剂》《混凝土用晶核增强剂》《混凝土用晶核增强剂应用技术规程》《低碳产品评价混凝土外加剂》等。国家标准《混凝土外加剂匀质性试验方法》也启动修订。
4.重点工程应用
目前我国混凝土外加剂的研究与生产技术处于世界的前列,其产量约占全球的60%左右。随着外加剂技术的不断创新与功能提升,对满足建筑工程、水电工程、核电工程、大型桥梁、高速铁路和高速公路等多个方面对混凝土更高要求、解决重大工程技术难题起到重大支撑作用,混凝土外加剂的作用愈加突出,功能化、多样化的混凝土外加剂技术,推动混凝土向更高、更大、更强和更耐久的方向发展。以下是2022年在外加剂应用技术领域的重大工程。
(1)田湾核电四期工程
田湾核电站位于江苏省连云港市连云区,规划分四期建设8台机组,建成后,田湾核电站将成为全球装机容量最大的核电基地,总装机容量将达到900万千瓦。是目前世界上最具代表性并投产的三代核电机组之一。
核岛筏基混凝土一次性浇筑方量大、强度等级高、质量要求高、施工难度大,混凝土拌合物的坍落度在生产拌合结束到浇筑成型时间内(0~90min)始终处于160±30mm,混凝土拌合物还需具备好泵送、粘度低、易振捣、无浮浆、不泌水的和易性特征。江苏苏博特新材料股份有限公司为本项目量身定制快吸附、高保水、稳健保坍型高性能减水剂产品,协助优化混凝土配合比,顺利完成反应堆厂房大体积筏基混凝土浇筑任务。
(2)中海成都天府新区超高层项目“中海489”
成都天府新区超高层项目“中海489”建筑总高度489米。项目主塔占地45.98亩,总建筑面积约55万平方米,总投资107亿元,拟建总部办公、星级酒店,观光旅游为一体的大型城市综合体,预计2026年6月竣工。
本项目基础底板混凝土方量达到4.1万立方米,对早期水化热以及混凝土体积稳定性要求较高。中建新材为其提供缓凝型聚羧酸高效减水剂,控制混凝土早期的水化反应速度,延缓水化反应的进程,效果良好。浇筑工作调集了600余台混凝土车,累计出动6000余车次,全部车程累计达到30万千米,相当于绕地球八圈。本次大体积砼浇筑仅用时39小时,全程泵送、浇筑顺利。其中,突破1万方仅用时7小时,3万方仅用时27小时,最高浇筑速度达到每小时1600立方米,创下中国同类型工程的新纪录。
(3)绿地山东国际金融中心
由中建西部建设新材料科技有限公司提供的高性能外加剂建设的“绿地山东国际金融中心”核心筒全部浇筑完成,高428米的山东最高楼核心筒顺利封顶,中建新材华北区域为项目提供了优质外加剂产品和技术服务支撑。
中建新材技术团队和山东建泽混凝土有限公司项目团队强强联合,使用降粘高保坍外加剂和降泵损助剂,最终采用“软和密实入泵即出泵”的混凝土控制方案,成功解决高层泵送难题。
(4)江阴靖江长江隧道
国内在建承受水压最高、直径最大盾构隧道——江阴靖江长江隧道全长约6445米,其中盾构段4952米,明挖段约1500米。隧道建设目标是致力于将工程建设成——交通强国工程建设江苏样板标志性工程、中国高水压大直径盾构隧道建设创新工程、国际领先智慧建管养技术综合应用品质工程、国际首创流动环境友好空间的绿色隧道示范工程。
基坑深度33.1米,底板厚2.5米,通过持续40个小时顺利完成4050立方米混凝土的浇筑。江苏苏博特新材料股份有限公司技术团队全程参与,协助施工单位完成混凝土配合比设计、混凝土原材料管控、混凝土生产与施工管理,用一流的外加剂产品与优质的技术服务为项目顺利施工保驾护航。
(5)“国内库区第一桩”遂江线-红星坪大桥
红星坪大桥采用广东红墙新材料股份有限公司的外加剂产品,被建筑行业内称为国内库区第一桩的浙江省重点工程项目——遂江线-红星坪大桥面临水文、天气、地材、强度、凝结、时间等各项挑战,首根3.6米超大直径桩基顺利灌注完成,实现了国内首次在55米内湖深水独柱桥梁作业的首创和突破,其工程技术复杂、施工难度创丽水遂昌交通建设史上“之最”。
(6)“梦想之桥”孟加拉帕德玛大桥
2022年,被孟加拉国人民誉为“梦想之桥”的帕德玛大桥正式开通上层公路桥。孟国总理谢赫·哈西娜出席通车剪彩仪式,并为帕德玛大桥揭牌。
作为孟加拉国历史上规模最大、最具挑战性的交通设施建设项目,帕德玛大桥被孟国人民亲切地称为“梦想之桥”。大桥通车后可推动孟加拉国GDP增长1.5%左右,造福孟加拉国超过一半的人口。
帕德玛大桥设计有世界最长的水下斜桩,斜桩内部的混凝土只能沿管壁缓慢流动,一旦流动性稍差,极其容易出现堵管现象,进而严重影响施工进度。孟加拉国当地气温最高可达45摄氏度,混凝土所用小石子的针片状含量高达80%,诸多因素相互作用下,导致混凝土和易性面临巨大的挑战。
江苏苏博特新材料股份有限公司技术人员运用公司特有的技术体系及产品,解决了高标号混凝土降黏、护栏混凝土外观等技术难点,最终达到4小时泵送后混凝土仍能保持坍落度230mm、扩展度575mm,满足了工程的技术要求。同时采用新型灌浆料,解决了大体积支座容易收缩开裂的问题,用高质量的产品和高标准的技术服务,赢得了承建方与业主方的一致肯定。
(7)“西北第一高楼”中国国际丝路中心大厦
2022年,西北第一高楼——西安“中国国际丝路中心大厦”项目圆满完成核心筒部位第51层的浇筑任务,实现了大厦建设第二阶段的开门红。
江苏苏博特新材料股份有限公司的技术团队针对高泵送(492米)、高强度(C60)、核心筒内部钢筋密集度高的施工特点,为该工程“量身”定制了和易性好、降粘效果显著、经时流动性稳定的新功能减水剂,有效保障了混凝土的成功浇筑。
(8)G3铜陵长江公铁大桥
世界首座千米级双层斜拉-悬索协作体系大桥——G3铜陵长江公铁大桥线路全长约11.88千米,跨江主桥上层布置六车道高速公路,下层布置两线客运铁路+两线货运铁路,项目搭载高速公路、普速铁路、城际铁路合并过江,其中公铁合建段长约2.68千米。更值得关注的是,G3铜陵长江公铁大桥主桥采用主跨988米的斜拉-悬索协作体系桥方案,是千米级大跨度钢桁梁桥在世界范围内的首次采用,跨度位居公铁分层布置的同类桥型的世界之首。
该工程浇筑环境复杂、气温高,日最高气温38℃,现场模具表面温度更是飙升至45℃以上。为有效保证施工质量,减少开裂,江苏苏博特新材料股份有限公司提供了全套系统解决方案。工程采用P·O42.5(低碱)普通硅酸盐水泥,并结合苏博特研发的专用高性能聚羧酸减水剂和流变、抗裂功能性矿物外加剂,配制出胶材总量450kg/m³的低收缩高抗裂C60高性能混凝土。方案既保证了低胶材、低水胶比C60主塔大体积混凝土泵送的施工性能,又降低了混凝土的水化放热量和放热峰值,提升了结构抗裂性,延长了实体寿命。
(9)深中通道
深中通道工程是继港珠澳大桥之后,我国的又一项世界级跨海通道集群工程,由桥、岛、隧、水下互通组成,而其中东人工岛堰筑段主线隧道承担着海底钢壳沉管隧道与东人工岛隧岛转换的重要功能。
东人工岛堰筑段主线隧道设计采用单层两孔一管廊或三孔一管廊断面形式,主体结构底板、侧墙和顶板最大厚度达到2.5米,采用明挖现浇方式施工。因地处珠江入海口的海洋环境,工程对混凝土抗裂防渗及耐久性要求极高,对于保障工程百年服役寿命具有重要意义。
该工程隧道主体结构设计采用海工C50大体积混凝土浇筑,配合比具有矿粉用量高、水胶比低的特点。研究表明,混凝土早期温升与温降收缩、自收缩大,竖向分步浇筑情况下先浇结构对后浇结构外约束强,导致开裂风险突出,既有工程中这一问题普遍存在,如隧道侧墙上的枣核状、平行分布的竖向裂缝。
江苏苏博特新材料股份有限公司从深中通道工程建设伊始,便参与了相关专题的研究工作并编制了适用于海工大体积混凝土裂缝控制的技术指南。指南在深中通道工程施工过程中得到了广泛应用,有效控制了施工期海工大体积混凝土的开裂问题。其中,公司研发的适用于海工混凝土的温控、膨胀抗裂功能材料,可有效解决传统膨胀材料与海工混凝土温度及收缩历程不匹配难题,采用该技术制备的低收缩、高抗裂海工大体积混凝土在本工程东人工岛明挖隧道进行了创新示范应用。
(10)川藏铁路
川藏铁路整条线路“穿山过水”,自然环境复杂,高桥隧比。雅安至林芝段是川藏铁路建设任务最艰巨的一段。高寒、高海拔、低气压、干燥环境等特殊、严酷的条件让建设方对混凝土和外加剂质量与现场服务提出了更高的要求。中建西部建设新材料科技有限公司为新建川藏铁路雅安至林芝段CZSCZQ-9标项目提供外加剂与技术服务。
该项目位于四川省甘孜藏族自治州,正线起点位于雅江县,跨越霍曲河、理塘河,穿越卡子拉山,西至理塘县境内格者村,全长61.173km,主要工程包含隧道、路基、桥梁、站场等。
三、政策导向及影响分析
1.混凝土外加剂已被国家统计局列入《战略性新兴产业分类(2018)》,混凝土外加剂所处行业为“3新材料产业”中“3.3先进石化化工新材料”项下。根据中国《循环经济促进法》(2018年修正),国家“鼓励使用散装水泥,推广使用预拌混凝土和预拌砂浆”。根据《产业结构调整指导目录(2019年本)》,“海洋工程用混凝土、轻质高强混凝土、超高性能混凝土、混凝土自修复材料的开发和应用”,“水泥外加剂的开发与应用”等均被明确列入国家鼓励类产业。
上述鼓励政策将高性能水泥混凝土材料的开发应用提升到了国家战略层面,这些高性能水泥混凝土材料的发展离不开混凝土外加剂的关键技术支撑,这势必为混凝土外加剂的推广应用提供广阔的发展空间。
2.随着环保政策的趋严,我国陆续出台一系列化工企业退城入园政策。2021年12月28日国务院发布《“十四五”节能减排综合工作方案》对工业园区的节能减排工作作出指导,混凝土外加剂行业名列其中,预计到2025年,将有一批节能环保示范园区建成。用量最大的聚羧酸系减水剂虽然是绿色、环保无污染的国家战略性新兴产业重点产品,但其母液合成环节属化学反应过程,需经环境影响评价报告书进行环境影响评价;对其复配环节则要求编制环境影响评价报告。因此,各地政策均要求减水剂企业进入工业园区,甚至是专门的化工园区。工业园区往往对企业规模以及污染排放有一定要求,随着退城入园政策的执行,相当一部分规模小、环保措施不达标的小型减水剂企业将被逐渐清退,行业准入门槛提高,使得行业供给散乱的局面将得到改善。随着环保监管趋严,众多环保不达标的小企业将被清退出市场,行业市场逐渐向生产规范的头部企业集中。
3.2022年12月,工信部正式印发《“十四五”工业绿色发展规划》(以下简称《规划》),提出“十四五”期间工业绿色发展的总体思路,要求以碳达峰碳中和目标为引领,统筹发展与绿色低碳转型,深入实施绿色制造,大力推进工业节能降碳,全面提高资源利用效率,积极推行清洁生产改造,提升绿色低碳技术、产品和服务供给能力。明确了“碳排放强度和污染物排放强度下降”、“能源效率和资源利用水平提升”、“完善绿色制造体系”等发展目标。并提出,到2025年,碳排放强度持续下降,单位工业增加值二氧化碳排放降低18%,钢铁、有色金属、建材等重点行业碳排放总量控制取得阶段性成果;重点行业主要污染物排放强度降低10%;规模以上工业单位增加值能耗降低13.5%;大宗工业固废综合利用率达到57%,主要再生资源回收利用量达到4.8亿吨;绿色环保产业产值达到11万亿元。
四、行业发展存在的主要问题
1.由于聚羧酸外加剂梳型分子结构和聚乙二醇侧链的基本特征,聚羧酸外加剂本身固有的几方面缺陷仍然存在,如引气和消泡(PCE-AEA-defoamer以及与组成材料相容性问题),膨胀性粘土优先吸附,PCE-sulphate竞争吸附敏感性问题,PCE和萘系外加剂相容性等等。因此,在有些地区萘系和脂肪族依然占有部分市场。这些基本问题在实践中通常通过技术服务不断调整来改善和解决,但在技术上仍然缺乏一种稳定、高效和经济的解决方案,仍需要在基础研究方面有所突破。
2.得益于我国持续大规模的基础设施建设,各种外加剂技术应用和发展非常迅速,带动了全球聚羧酸外加剂技术的应用和发展,这是我国外加剂行业对世界外加剂行业的贡献和影响。但同时也带来另一方面的问题,产业分散,产能过剩,同质化竞争,产品质量参差不齐,性能稳定性和预期性较差,难于把产品的性能发挥到极致。如聚羧酸外加剂,在分子结构设计方面我们已经走到了世界前列,但大单体和聚羧酸母液合成在生产工艺质量控制和产品质量稳定性与国际先进水平仍存在差距。因此,国内企业的工作重点应放在优化和完善生产质保体系,提高母液产品质量稳定性方面,在技术性能同质化的情况下做出产品质量差异化,从而跟上国际先进企业水平,进入国际市场。
外加剂行业要进一步高质量发展,产业链需要重新整合,上游大单体和聚羧酸母液生产必须集中化大规模生产,专注于生产工艺、质量稳定性和可持续性,为混凝土企业和工程提供解决方案。只有这样才能提高产品的性能和质量稳定性,这也是我国外加剂行业全面走上国际市场的必由之路。
3.各种外加剂新技术的开发、应用和发展非常迅速,但外加剂技术开发方面的原创性并不多,无论是聚羧酸外加剂各种大单体技术、无碱速凝剂、纳米晶种早强剂、增粘、减缩、流变改善外加剂等等,几乎所有的技术在国际上都能找到影子,基本都是在一定基础上重新开发、应用和改善。建议我国外加剂行业在外加剂基础研究、技术开发和产业化方面更多立足于工程实践的基本问题,从地域性原理出发,研发更多的原创性技术和解决方案,而不是追求热点,把热点技术当成解决问题的新技术,比如这几年的六碳聚羧酸(VPEG/EPE GPCE),可以解决一些目前产品在某些地方适用性的问题,但不是一个超越其他的新技术,聚羧酸外加剂各种不同的技术(APEG,MPEG,HPEG,TPEG,EPEG/VPEG,XPEG等等)是互为补充的,为外加剂复配解决各种不同原材料和工程问题提供不同的工具和手段。事实上这些都是2000年以前发明的技术。国际上的主流应用技术是MPEG-PCE,其他的作为补充。国内主流应用技术是HPEG/TPEG,因为HPEG/TPE GPCE合成工艺相对比较简单,门槛和成本相对较低,适合于大规模普及化,而MPEG和APEG PCE要做好更难,即使现在能做好这两类PCE合成的也很少,但HPEG/TPEGPCE技术的优化空间远远不如MPEGPCE。这些HPEG/TPEGPCE技术性能的优化主要依靠引入各种酯类第三单体来实现。
4.外加剂与混凝土的适应性问题。混凝土性能受混凝土外加剂性能和功能的影响显著,适宜的外加剂优化会提升混凝土性能,不适宜的外加剂往往劣化混凝土部分性能,所以混凝土外加剂的选择应与混凝土相适应,进而决定了工程是否能够高质量进行。我国幅员辽阔,各地水泥、掺合料、砂石材料千差万别。但大多数外加剂厂家只有少数几种母液,其适应性难以满足要求,即使利用复配技术,面对海量的原材料差异,也难免束手无策。因此,混凝土外加剂的科学选择尤为关键。解决上述问题,一方面需要外加剂厂商丰富自己的产品种类,为某些共同需求定制区域化配方;另一方面,外加剂厂商也应拓宽外加剂分子的结构广度,提高产品对各地材料的适应性。有条件的厂商,还应利用互联网+、大数据技术,收集、研究各地水泥、砂石材料的技术指标,找出外加剂宏观性能与材料差异的相关性,进而靶向提供定制化、差异化的销售和服务,满足不同地区混凝土企业的特殊需求。
5.混凝土原材料品质变差,且波动较大。近年来,随着优质砂石资源的枯竭,机制砂和含泥量大的砂石骨料被大量应用于混凝土工程中,导致混凝土坍落度损失过快、黏度增大难泵送等问题,对外加剂的应用提出了挑战。劣质砂石材料的应用客观上大幅提升了外加剂掺量,使得外加剂销售产值增加。但必须清楚地认识到,过高的掺量容易引起混凝土泌水、离析,难凝结,强度和耐久性下降等问题。鉴于原材料品质变差的大趋势不会改变,外加剂厂商还应加大科研投入,从原理入手,设计新的外加剂结构,根本上提高产品对劣质材料的适应性。
6.水泥和混凝土企业瞄准外加剂市场,外加剂企业竞争压力加剧。国内水泥企业、混凝土企业、国企央企工程建设企业大举进入外加剂及其上游行业,发挥其产业链优势,对现有外加剂企业既是机遇也是挑战,大型企业的进入一方面提高行业集中度、规范行业经营环境,另一方面抢占既有外加剂企业的市场份额,外加剂行业竞争加剧。
7.产品同质化竞争激烈,产能过剩,产品低价竞争仍然存在。目前我国从事混凝土外加剂业务的企业较多,但年产值超亿元的外加剂生产企业不到100家,供给格局较为分散。行业进入资金壁垒并不算高,产品同质化问题突出,厂家之间内卷现象严重。市场上存在大量不具备合成能力、仅通过外购母体复配后出售的小企业,或虽具备一定合成能力,但在研发服务方面能力相对较弱的小企业。受混凝土外加剂产品的运输费用经济性限制,混凝土外加剂行业存在较明显的区域性特征,使得各地规模相对较小的企业同样可以在市场上拥有一席之地。
五、行业发展趋势展望
1.“两新一重”和“一带一路”战略将长期利好行业发展。我国基础设施建设量大、面宽,未来相当长时期大规模基础建设仍将持续。根据《国家公路网规划(2013年-2030年)》《西部陆海新通道总体规划》,新型基础设施建设、新型城镇化建设、交通、水利等重大工程建设和“一带一路”战略实施,将会为混凝土外加剂带来广阔的市场需求。抓住混凝土行业发展转型的机遇,积极开发具有高附加值的外加剂,转变内卷思维,积极引导外加剂企业走出去,顺利搭上“一带一路”这趟顺风车,跟随中国高铁、核电、水利、海外工程承包商,将外加剂市场拓展到东南和非洲等国家。在“一带一路”倡议下带来的大量海外基建需求必将消化巨量的外加剂产能,这是国内厂商摆脱“内卷”的最好机会。
2.构建新的发展格局。我国已进入高质量发展阶段,拥有全球最完整规模最大的工业体系、强大的生产能力、完善的配套能力,拥有全世界超大规模的消费市场、劳动力资源和各类人才,为构建新发展格局奠定了坚实基础。中国建筑设计行业经历新中国成立以来,特别是改革开放以来的发展,整体上也发生了很大的变化。无论是企业数量、人员队伍、经营规模效益、技术水平与能力都有了长足进步,“基建狂魔”的称号更是响彻全球,为国民经济发展作出了巨大贡献。另外,国内“新基建”也带来了充足的市场机遇,如5G网络、大数据中心等新型基础设施建设会促使高性能混凝土、3D打印混凝土、清水混凝土、装配式建筑等新技术的快速应用。外加剂厂家应提前准备,开发适合新型混凝土技术的外加剂新品种以适应未来的市场要求。
3.行业低碳转型和高质量发展。随着碳达峰、碳中和目标和实施路径的确立,外加剂行业在能耗控制、应用创新及清洁能源使用方面,迎来了巨大的机遇和挑战。国家《“十四五”现代能源体系规划》指出,要加快推动能源绿色低碳转型,积极安全有序发展核电。开展核能综合利用示范,积极推动高温气冷堆、快堆、模块化小型堆、海上浮动堆等先进堆型示范工程、能源绿色低碳转型工程。分析表明,我国建筑业碳排放超全国总排放量的一半,而仅水泥、混凝土结构建设碳排放占比就高达20%。因此,推动水泥、混凝土材料的低碳发展,挖掘混凝土的低碳潜力,大力发展再生混凝土,成为实现建筑碳中和目标达成的关键任务。混凝土外加剂是低碳发展的重要材料,外加剂企业可通过制造水泥专用外加剂,优化水泥生产方式,实现绿色、低碳水泥工业生产等方式来实现净零目标。也正因为聚羧酸系减水剂强大的分子结构可设计性,其先天具有解决相关问题的优势,这些挑战或将成为从业者的内生动力,推动行业进一步发展。
4.绿色智能工厂建造。未来,随着生产设备逐渐增多、生产过程日益复杂、人力成本快速上升以及系统管理的要求越来越高,智慧工厂成为未来制造业发展的必然趋势。在工业4.0、工业互联网、物联网、云计算等热潮下,全球众多优秀制造企业都开展了智慧工厂建设实践。
综上所述,混凝土外加剂的开发以及应用研究方面仍然有诸多亟待解决的问题,外加剂的研究方兴未艾,希望所有从业者正确分析问题,并从技术层面脚踏实地、循序渐进地解决这些技术问题,为外加剂的美好未来自强不息,继往开来!
致谢:
衷心感谢江苏苏博特新材料股份有限公司、科之杰新材料集团有限公司、中建西部建设新材料科技有限公司、江苏奥莱特新材料股份有限公司等,为本报告提供的支持和信息。报告内数据部分来源于对国家统计局、中国混凝土网、中国建筑材料联合会及建材工业各专业协会等向社会公布数据的整理。