大型水電工程用中熱硅酸鹽水泥

鐘衛(wèi)華王兆成王敏王晶文寨軍

(1二灘水電開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司，成都 四川610051；2中國(guó)建筑材料科學(xué)研究總院，北京100024)

1 前言

隨著哥本哈根氣候大會(huì)的召開(kāi)，我國(guó)在碳減排方面做出了莊嚴(yán)承諾：到2020年，中國(guó)單位GDP二氧化碳排放將比2005年下降40%～45%。我國(guó)將繼續(xù)大力發(fā)展水電、核電等清潔能源。我國(guó)水電資源十分豐富，據(jù)普查河流水能資源為5.5億千瓦，經(jīng)濟(jì)可開(kāi)發(fā)量為4億，而目前已建成的電站裝機(jī)為1.0億千瓦，僅為可開(kāi)發(fā)量的25%。預(yù)計(jì)到2020年，建成的電站裝機(jī)總?cè)萘繉⑦_(dá)到3.0億千瓦[1]。目前已經(jīng)開(kāi)始建設(shè)和即將開(kāi)始建設(shè)的大型水電站有雅礱江流域的錦屏、官地和兩河口電站等，金沙江流域的溪洛渡、金安橋和白鶴灘電站等，瀾滄江流域的小灣、糯扎渡、里底電站等，大渡河流域的深溪溝、瀑布溝、大崗山電站等。

這些大型水電工程的部分主體工程用水泥采用符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB200-2003)的中熱硅酸鹽水泥(中熱水泥)，此外考慮到大壩混凝土部分特殊性能，還對(duì)所用中熱水泥的強(qiáng)度、水化熱、MgO、SO3含量、堿含量和熟料礦物組成等指標(biāo)提出了進(jìn)一步要求。

2 國(guó)內(nèi)大型水電工程用中熱水泥情況

目前國(guó)內(nèi)在建的大型水電工程如錦屏電站、溪落渡電站、小灣電站等對(duì)大壩混凝土用中熱水泥的品質(zhì)指標(biāo)如表1所示。

表1 國(guó)內(nèi)部分大型水電工程中熱水泥指標(biāo)要求

表1表明，目前國(guó)內(nèi)部分大型水電工程用中熱水泥的強(qiáng)度、水化熱、MgO、堿含量、比表面積和熟料礦物組成等指標(biāo)要高于現(xiàn)行國(guó)標(biāo)，且對(duì)水泥的質(zhì)量穩(wěn)定性等要求更高，需對(duì)水泥的生產(chǎn)進(jìn)行更為嚴(yán)格的控制。

3 水電工程用中熱水泥

3.1 中熱水泥熟料的礦物組成

在硅酸鹽水泥熟料中，各水泥熟料礦物的水化放熱見(jiàn)表2所示。C3A水化放熱最高，其次是C3S，而C2S和C4AF的水化熱較低。因此，在中熱水泥生產(chǎn)中，為了降低水泥的水化熱，應(yīng)盡量降低水泥熟料中C3A含量和控制C3S含量，適當(dāng)增加C2S和C4AF含量。

表2 硅酸鹽水泥熟料中各種礦物的水化熱 （kJ/kg）[2]

普硅水泥和中熱水泥熟料的化學(xué)成分及礦物組成見(jiàn)表3。由于C3A會(huì)給水泥性能（干縮、抗侵蝕、水化熱等）帶來(lái)不利影響，一般認(rèn)為C3A含量應(yīng)控制愈低愈好。當(dāng)C3A含量低時(shí)，可提高C4AF含量，C4AF有較好的抗沖刷和抗硫酸鹽侵蝕性能，有利于配置的混凝土長(zhǎng)期耐久性能的提高，因此國(guó)內(nèi)許多水電工程對(duì)中熱水泥熟料中一般要求C4AF含量不低于15%。與此同時(shí)，還要求適當(dāng)提高熟料的硅率和C2S含量，從而賦予中熱水泥“后期強(qiáng)度較高，而水化熱較低”的性能特點(diǎn)[3]。生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)表明，水電工程用中熱水泥熟料的礦物組成一般宜控制在以下范圍：C3S ：50%～55%，C2S ：20%～30%，C3A：1%～3%，C4AF：15%～17%。

表3 普硅水泥和中熱水泥熟料的化學(xué)成分及礦物組成

3.2 中熱水泥強(qiáng)度和水化熱

在硅酸鹽水泥中，各熟料礦物對(duì)水泥強(qiáng)度貢獻(xiàn)為：C3S在水化早期和后期均能發(fā)揮較高的強(qiáng)度；C2S早期強(qiáng)度低，但后期能發(fā)揮高強(qiáng)度；C3A早期強(qiáng)度高，但后期強(qiáng)度增進(jìn)率很小、強(qiáng)度絕對(duì)值低；C4AF早期和后期均能發(fā)揮強(qiáng)度，但強(qiáng)度絕對(duì)值不高[4，5]。同時(shí)，水泥的水化熱和強(qiáng)度是一對(duì)互相關(guān)聯(lián)又互相矛盾的性能，亦即水化熱愈低則強(qiáng)度也愈低。

表4和表5分別列出了典型普硅水泥和中熱水泥在不同齡期的水化熱和強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果。

表4 普硅水泥和中熱水泥在不同水化齡期的水化放熱

表5 普硅水泥和中熱水泥的強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

研究結(jié)果表明，普硅水泥早期水化速度快、水化放熱高，一般水泥7d強(qiáng)度即能達(dá)到其28d強(qiáng)度的60%～80%。而中熱水泥中C3A和C3S含量較低，早期水化活性相對(duì)也較低，7d強(qiáng)度約為28d強(qiáng)度的40%～60%，但中熱水泥7d以后的強(qiáng)度增進(jìn)率明顯高于普硅水泥，至28d齡期時(shí)強(qiáng)度略低于普硅水泥。90d齡期時(shí)中熱水泥強(qiáng)度超出普硅水泥約3～5MPa，表現(xiàn)出良好的后期強(qiáng)度增進(jìn)性能。

為了保證中熱水泥具有良好的后期強(qiáng)度及強(qiáng)度增進(jìn)率、又具有較低的水化熱，水泥企業(yè)應(yīng)針對(duì)自身原材料情況及生產(chǎn)工藝特點(diǎn)，確定中熱水泥生產(chǎn)技術(shù)方案（合理熟料礦物組成），在此基礎(chǔ)上，以確定中熱水泥生產(chǎn)各工序的內(nèi)控指標(biāo)和技術(shù)措施。

3.3 中熱水泥的SO3含量

水泥中的SO3含量主要由石膏帶入，目的是為了調(diào)節(jié)硅酸鹽系列水泥的凝結(jié)時(shí)間。石膏與熟料礦物C3A水化生產(chǎn)鈣礬石：

石膏和C3A生成鈣礬石時(shí)，固相體積增大到2.22倍，這種反應(yīng)是在水泥凝結(jié)硬化過(guò)程中進(jìn)行的。一般中熱水泥中SO3含量應(yīng)控制在2.0%～2.5%左右較為合適。若中熱水泥中SO3含量過(guò)高，則會(huì)由于固相體積過(guò)大，發(fā)生局部體積膨脹，破壞已經(jīng)硬化的水泥石結(jié)構(gòu)，造成大壩壩體強(qiáng)度下降，嚴(yán)重時(shí)甚至開(kāi)裂或崩潰。此外，SO3含量的穩(wěn)定控制也很重要，如SO3含量控制不穩(wěn)（過(guò)高或過(guò)低），不僅會(huì)影響水泥強(qiáng)度和凝結(jié)時(shí)間，還將會(huì)影響混凝土外加劑的適應(yīng)性。

3.4 中熱水泥的MgO含量

在水工大體積混凝土方面，一般利用熟料中適量的MgO水化產(chǎn)生相應(yīng)的膨脹，以補(bǔ)償混凝土收縮，抵抗溫度應(yīng)力作用產(chǎn)生的裂縫。硅酸鹽水泥熟料中MgO以方鎂石的形態(tài)存在時(shí)，方鎂石在水泥水化硬化后期會(huì)緩慢地水化，生成水鎂石Mg(OH)2而產(chǎn)生體積微膨脹，可起到補(bǔ)償大體積混凝土后期（降溫階段）的體積收縮，從而可避免或減少大體積混凝土的裂縫產(chǎn)生。這是我國(guó)建材和水電部門(mén)在20世紀(jì)70～80年代通過(guò)多年的科研和工程實(shí)踐得出的重要成果，該成果在白山、葛洲壩、丹江口等大型水電工程的實(shí)際應(yīng)用中取得了良好效果。近年來(lái)國(guó)內(nèi)重點(diǎn)水電工程如三峽工程、溪洛渡工程、錦屏工程等都沿用了這一科技成果（對(duì)中熱水泥也提出了MgO為3.5%～5.0%的要求）。由于這一指標(biāo)允許的波動(dòng)范圍甚小，在生產(chǎn)中應(yīng)嚴(yán)格選擇成分穩(wěn)定的高鎂石灰石或白云石等作為中熱水泥生產(chǎn)原材料，同時(shí)，應(yīng)控制高鎂石灰石（或白云石）與普通石灰石搭配比例的準(zhǔn)確性，否則MgO指標(biāo)難以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定控制。

3.5 中熱水泥的堿含量

國(guó)標(biāo)GB200-2003中規(guī)定了 R2O （Na2O+0.658K2O）≤0.60%或雙方商定，但目前國(guó)內(nèi)在建的重點(diǎn)水電工程一般要求中熱水泥控制在R2O≤0.55%，而采用活性 （潛在活性）骨料時(shí)則要求R2O≤0.50%，以防止發(fā)生堿骨料反應(yīng)，從而造成大壩壩體產(chǎn)生局部膨脹，引起開(kāi)裂變形，甚至崩潰。生產(chǎn)廠必須選擇低堿的原料，一般要求石灰石的堿含量≤0.20%；粘土質(zhì)原料的堿含量≤1.50%。

3.6 中熱水泥的比表面積

和普通水泥相比，中熱水泥的比表面積較低，且一般規(guī)定高限。這是因?yàn)?，過(guò)大比表面積將使水泥的水化速度加快，從而使早期的水化放熱增大；另外，中熱水泥熟料較難粉磨，磨制過(guò)細(xì)將加大生產(chǎn)成本；一般要求中熱水泥的比表面積為300m2/kg±20左右。

4 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)水電工程建設(shè)方興未艾，錦屏、溪洛渡和小灣等這些大型水電工程建設(shè)規(guī)模非同一般，所用中熱水泥除要滿(mǎn)足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求，還對(duì)強(qiáng)度、水化熱、MgO、堿含量、比表面積和熟料礦物組成等指標(biāo)提出了更加嚴(yán)格的要求，以滿(mǎn)足這些水電工程對(duì)中熱水泥的高品質(zhì)及質(zhì)量穩(wěn)定性的要求。

從三峽工程以來(lái)，水電工程的建設(shè)單位在中熱硅酸鹽水泥的質(zhì)量控制方面，引入了質(zhì)量監(jiān)理機(jī)制，對(duì)中熱硅酸鹽水泥的生產(chǎn)單位進(jìn)行了駐廠監(jiān)理工作，從源頭保證中熱水泥的品質(zhì)及質(zhì)量穩(wěn)定性符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)及工程要求，為確保工程質(zhì)量打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

略)

[1]張博庭.我國(guó)的水電開(kāi)發(fā)與環(huán)境保護(hù)[J].水電及農(nóng)村電氣化，2007.

[2]J.Bensted，P.Barnes.Structure and Performance of cements[M].Spon Press，New York，2002.

[3]隋同波，文寨軍，王晶.水泥品種與性能[M].化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

[4]隋同波，文寨軍，張忠倫，王晶，范磊.低熱硅酸鹽水泥性能評(píng)價(jià)[J].水泥工程，2003.

[5]隋同波，文寨軍.低能源資源消耗、低環(huán)境負(fù)荷和高性能水泥——高貝利特水泥[J].中國(guó)建材，2003.7726