大型水電工程用中熱硅酸鹽水泥

鐘衛華王兆成王敏王晶文寨軍

(1二灘水電開發有限責任公司，成都 四川610051；2中國建筑材料科學研究總院，北京100024)

1 前言

隨著哥本哈根氣候大會的召開，我國在碳減排方面做出了莊嚴承諾：到2020年，中國單位GDP二氧化碳排放將比2005年下降40%～45%。我國將繼續大力發展水電、核電等清潔能源。我國水電資源十分豐富，據普查河流水能資源為5.5億千瓦，經濟可開發量為4億，而目前已建成的電站裝機為1.0億千瓦，僅為可開發量的25%。預計到2020年，建成的電站裝機總容量將達到3.0億千瓦[1]。目前已經開始建設和即將開始建設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家標準(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，還對所用中熱水泥的強度、水化熱、MgO、SO3含量、堿含量和熟料礦物組成等指標提出了進一步要求。

2 國內大型水電工程用中熱水泥情況

目前國內在建的大型水電工程如錦屏電站、溪落渡電站、小灣電站等對大壩混凝土用中熱水泥的品質指標如表1所示。

表1 國內部分大型水電工程中熱水泥指標要求

表1表明，目前國內部分大型水電工程用中熱水泥的強度、水化熱、MgO、堿含量、比表面積和熟料礦物組成等指標要高于現行國標，且對水泥的質量穩定性等要求更高，需對水泥的生產進行更為嚴格的控制。

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，在中熱水泥生產中，為了降低水泥的水化熱，應盡量降低水泥熟料中C3A含量和控制C3S含量，適當增加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成分及礦物組成見表3。由于C3A會給水泥性能（干縮、抗侵蝕、水化熱等）帶來不利影響，一般認為C3A含量應控制愈低愈好。當C3A含量低時，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期耐久性能的提高，因此國內許多水電工程對中熱水泥熟料中一般要求C4AF含量不低于15%。與此同時，還要求適當提高熟料的硅率和C2S含量，從而賦予中熱水泥“后期強度較高，而水化熱較低”的性能特點[3]。生產經驗表明，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成分及礦物組成

3.2 中熱水泥強度和水化熱

在硅酸鹽水泥中，各熟料礦物對水泥強度貢獻為：C3S在水化早期和后期均能發揮較高的強度；C2S早期強度低，但后期能發揮高強度；C3A早期強度高，但后期強度增進率很小、強度絕對值低；C4AF早期和后期均能發揮強度，但強度絕對值不高[4，5]。同時，水泥的水化熱和強度是一對互相關聯又互相矛盾的性能，亦即水化熱愈低則強度也愈低。

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度試驗結果。

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度試驗結果

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

為了保證中熱水泥具有良好的后期強度及強度增進率、又具有較低的水化熱，水泥企業應針對自身原材料情況及生產工藝特點，確定中熱水泥生產技術方案（合理熟料礦物組成），在此基礎上，以確定中熱水泥生產各工序的內控指標和技術措施。

3.3 中熱水泥的SO3含量

水泥中的SO3含量主要由石膏帶入，目的是為了調節硅酸鹽系列水泥的凝結時間。石膏與熟料礦物C3A水化生產鈣礬石：

石膏和C3A生成鈣礬石時，固相體積增大到2.22倍，這種反應是在水泥凝結硬化過程中進行的。一般中熱水泥中SO3含量應控制在2.0%～2.5%左右較為合適。若中熱水泥中SO3含量過高，則會由于固相體積過大，發生局部體積膨脹，破壞已經硬化的水泥石結構，造成大壩壩體強度下降，嚴重時甚至開裂或崩潰。此外，SO3含量的穩定控制也很重要，如SO3含量控制不穩（過高或過低），不僅會影響水泥強度和凝結時間，還將會影響混凝土外加劑的適應性。

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水化產生相應的膨脹，以補償混凝土收縮，抵抗溫度應力作用產生的裂縫。硅酸鹽水泥熟料中MgO以方鎂石的形態存在時，方鎂石在水泥水化硬化后期會緩慢地水化，生成水鎂石Mg(OH)2而產生體積微膨脹，可起到補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生。這是我國建材和水電部門在20世紀70～80年代通過多年的科研和工程實踐得出的重要成果，該成果在白山、葛洲壩、丹江口等大型水電工程的實際應用中取得了良好效果。近年來國內重點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（對中熱水泥也提出了MgO為3.5%～5.0%的要求）。由于這一指標允許的波動范圍甚小，在生產中應嚴格選擇成分穩定的高鎂石灰石或白云石等作為中熱水泥生產原材料，同時，應控制高鎂石灰石（或白云石）與普通石灰石搭配比例的準確性，否則MgO指標難以實現穩定控制。

3.5 中熱水泥的堿含量

國標GB200-2003中規定了 R2O （Na2O+0.658K2O）≤0.60%或雙方商定，但目前國內在建的重點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）骨料時則要求R2O≤0.50%，以防止發生堿骨料反應，從而造成大壩壩體產生局部膨脹，引起開裂變形，甚至崩潰。生產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，且一般規定高限。這是因為，過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，磨制過細將加大生產成本；一般要求中熱水泥的比表面積為300m2/kg±20左右。

4 結語

我國水電工程建設方興未艾，錦屏、溪洛渡和小灣等這些大型水電工程建設規模非同一般，所用中熱水泥除要滿足國家標準要求，還對強度、水化熱、MgO、堿含量、比表面積和熟料礦物組成等指標提出了更加嚴格的要求，以滿足這些水電工程對中熱水泥的高品質及質量穩定性的要求。

從三峽工程以來，水電工程的建設單位在中熱硅酸鹽水泥的質量控制方面，引入了質量監理機制，對中熱硅酸鹽水泥的生產單位進行了駐廠監理工作，從源頭保證中熱水泥的品質及質量穩定性符合國家標準及工程要求，為確保工程質量打下了堅實的基礎。

略)

[1]張博庭.我國的水電開發與環境保護[J].水電及農村電氣化，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].化學工業出版社，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價[J].水泥工程，2003.

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