淺談錦屏水電工程用中熱水泥的生產(chǎn)質(zhì)量控制

董志榮 王敏( 二灘水電開發(fā)有限責(zé)任公司，四川成都6005； 中國(guó)建筑材料科學(xué)研究總院，北京0004)

1 前言

錦屏水電站包括錦屏一級(jí)、二級(jí)水電站，總裝機(jī)840 萬(wàn)Kw，其中錦屏一級(jí)水電站大壩設(shè)計(jì)壩高305 米，為目前世界上已建、在建和設(shè)計(jì)中最高的混凝土雙曲薄拱壩，施工難度大、技術(shù)要求高。為此，錦屏水電工程用中熱水泥除了滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB200-2003)規(guī)定的要求外，還對(duì)中熱水泥的強(qiáng)度、水化熱、MgO、堿含量以及比表面積等性能指標(biāo)提出了特殊的技術(shù)要求。

2 錦屏水電工程用中熱水泥生產(chǎn)控制

錦屏水電工程用中熱水泥強(qiáng)度、水化熱、MgO、堿含量以及比表面積等技術(shù)指標(biāo)要高于現(xiàn)行國(guó)標(biāo)GB200-2003，如表1 所示。

表1 錦屏水電工程中熱水泥指標(biāo)要求

2.1 中熱水泥熟料的礦物組成

在硅酸鹽水泥熟料中，各熟料單礦的水化放熱見表2 所示。其中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，控制C3S 含量，適當(dāng)增加C2S 和C4AF 含量。此外，C3A 還會(huì)對(duì)水泥其它性能（干縮、抗侵蝕等）帶來(lái)不利影響，因而水泥熟料中C3A 含量應(yīng)盡量控制在低值，以提高水泥熟料中C4AF 和C2S 含量，從而賦予中熱水泥“良好的后期強(qiáng)度和強(qiáng)度增進(jìn)率，較低的水化熱”的性能特點(diǎn)[3]。

表2 硅酸鹽水泥熟料中各種礦物的水化熱(kJ/kg)[2]

圖1 是水泥熟料中硅酸鹽礦物（C3S 和C2S）和熔劑礦物（C3A 和C4AF）與生料易燒性、強(qiáng)度的關(guān)系。研究結(jié)果表明，當(dāng)水泥熟料中硅酸鹽礦物含量為80%左右，熔劑礦物含量 在20%左右時(shí)，熟料的易燒性較好，水泥強(qiáng)度較高。

圖1 水泥硅酸鹽礦物和熔劑礦物對(duì)水泥燒成和強(qiáng)度的影響

圖2表示水泥熟料中硅酸鹽礦物與水泥強(qiáng)度和水化熱關(guān)系。結(jié)果顯示，隨著C3S 含量增加，C2S 含量減小，水泥的3d、7d 和28d 強(qiáng)度增加，而水化熱增大。提高水泥熟料中MgO 后，要保持中熱水泥具有較高強(qiáng)度和較低水化熱，C3S 宜控制在45%～55%，C2S 宜在20%～30%。

圖2 硅酸鹽礦物與強(qiáng)度和水化熱的關(guān)系

根據(jù)以上研究結(jié)果，錦屏水電工程用中熱水泥熟料適宜的礦物為：C3S 穩(wěn)定控制在48%～54%，C3A 控制在3%以下，C2S 控制在20%～30%，C4AF 則控制在15% ～18%，其中C3S 和C3A 應(yīng)重點(diǎn)加以控制。

2.2 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]。表4 和表5 分別列出了典型普通硅酸鹽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

結(jié)果表明，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)度也低。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)度與普硅水泥相當(dāng)，90d 齡期時(shí)中熱水泥強(qiáng)度超出普硅水泥約5MPa，表現(xiàn)出良好的后期強(qiáng)度增進(jìn)性能。

錦屏水電工程要求中熱水泥28 天抗壓強(qiáng)度48.0±3.0MPa，7 天水化熱≤283 kJ/kg，因此，為了保證中熱水泥具有良好的后期強(qiáng)度、較低的水化熱，應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)中原材料特性、生產(chǎn)工藝及裝備特點(diǎn)，優(yōu)化中熱水泥生產(chǎn)技術(shù)方案和生產(chǎn)過程控制指標(biāo)，以確保中熱水泥具有良好的物理力學(xué)性能。

2.3 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：

3CaO·Al2O3+3CaSO4·2H2O+30H2O=3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O

石膏和C3A 發(fā)生水化反應(yīng)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)硬化過程中進(jìn)行的，如中熱水泥中SO3 含量過高，則會(huì)造成固相體積增加過大，發(fā)生局部體積膨脹，破壞已經(jīng)硬化的水泥石結(jié)構(gòu)，造成水泥石強(qiáng)度下降，嚴(yán)重時(shí)甚至開裂或崩潰。中熱水泥中SO3含量應(yīng)控制在1.8%～2.5%較為合適。此外，SO3 含量控制不穩(wěn)（過高或過低），不僅會(huì)影響水泥強(qiáng)度和凝結(jié)時(shí)間，還將影響水泥與混凝土外加劑的適應(yīng)性。

2.4 中熱水泥的MgO 含量

當(dāng)水泥中MgO 以方鎂石的形態(tài)存在時(shí)，方鎂石在水泥水化硬化時(shí)會(huì)緩慢水化，生成水鎂石Mg(OH)2 而產(chǎn)生體積膨脹，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。

圖3 MgO 含量與中熱水泥凈漿線膨脹的關(guān)系

從 圖3 可 看 出，MgO 含 量 為2.03% ～5.63%的中熱水泥都會(huì)產(chǎn)生一定量的膨脹，當(dāng)MgO 含量在3.50%以下時(shí)，膨脹較小，90d 凈漿膨脹率低于0.04%。當(dāng)MgO 含量在3.50%～4.95%時(shí)，隨著MgO 含量增加，各齡期線性膨脹率均增加。由此可見，就改善水泥的微膨脹性能而言，宜將中熱水泥中MgO 含量控制在大于3.50%，以有效利用MgO 適度的后期延遲性膨脹補(bǔ)償大體積混凝土的收縮，提高水工大壩混凝土的抗裂性能。

2.5 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。為防止發(fā)生堿骨料反應(yīng)造成大壩壩體產(chǎn)生局部膨脹，引起開裂變形甚至崩潰，在水電工程建設(shè)中對(duì)水泥和混凝土的總堿含量都有限量要求。鑒于錦屏水電工程的重要性和為了防止混凝土堿集料反應(yīng)的發(fā)生，錦屏水電工程要求中熱水泥R2O ≤0.50%。

2.6 中熱水泥的比表面積

和普通硅酸鹽水泥相比，中熱水泥的比表面積較低，且一般規(guī)定高限。這是因?yàn)椋^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，隨著比表面積的增加，水泥砂漿干縮率呈上升趨勢(shì)(見圖4)。因此，適當(dāng)降低水泥的比表面積，可以減少混凝土的干縮，增加徐變，提高混凝土的耐久性能，防止大壩混凝土裂縫產(chǎn)生和提高大壩混凝土的抗裂性能有利。錦屏水電工程要求中熱水泥的比表面積為300m2/kg±20 左右。

圖4 水泥比表面積對(duì)水泥干縮率的影響

3 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)水電工程建設(shè)方興未艾，一系列大型水電工程如錦屏、溪洛渡、白鶴灘水電站等相繼開工建設(shè)，這些重點(diǎn)水電工程對(duì)中熱水泥的強(qiáng)度、水化熱、MgO、堿含量、比表面積等指標(biāo)提出了更加嚴(yán)格的要求，因此，在水泥生產(chǎn)和質(zhì)量控制中，應(yīng)做到精細(xì)化管理，嚴(yán)把質(zhì)量關(guān)，以確保中熱水泥的高品質(zhì)及質(zhì)量穩(wěn)定性。

[1]張博庭.我國(guó)的水電開發(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.