大型水电工程用中热硅酸盐水泥

钟卫华王兆成王敏王晶文寨军

(1二滩水电开发有限责任公司，成都 四川610051；2中国建筑材料科学研究总院，北京100024)

1 前言

随着哥本哈根气候大会的召开，我国在碳减排方面做出了庄严承诺：到2020年，中国单位GDP二氧化碳排放将比2005年下降40%～45%。我国将继续大力发展水电、核电等清洁能源。我国水电资源十分丰富，据普查河流水能资源为5.5亿千瓦，经济可开发量为4亿，而目前已建成的电站装机为1.0亿千瓦，仅为可开发量的25%。预计到2020年，建成的电站装机总容量将达到3.0亿千瓦[1]。目前已经开始建设和即将开始建设的大型水电站有雅砻江流域的锦屏、官地和两河口电站等，金沙江流域的溪洛渡、金安桥和白鹤滩电站等，澜沧江流域的小湾、糯扎渡、里底电站等，大渡河流域的深溪沟、瀑布沟、大岗山电站等。

这些大型水电工程的部分主体工程用水泥采用符合国家标准(GB200-2003)的中热硅酸盐水泥(中热水泥)，此外考虑到大坝混凝土部分特殊性能，还对所用中热水泥的强度、水化热、MgO、SO3含量、碱含量和熟料矿物组成等指标提出了进一步要求。

2 国内大型水电工程用中热水泥情况

目前国内在建的大型水电工程如锦屏电站、溪落渡电站、小湾电站等对大坝混凝土用中热水泥的品质指标如表1所示。

表1 国内部分大型水电工程中热水泥指标要求

表1表明，目前国内部分大型水电工程用中热水泥的强度、水化热、MgO、碱含量、比表面积和熟料矿物组成等指标要高于现行国标，且对水泥的质量稳定性等要求更高，需对水泥的生产进行更为严格的控制。

3 水电工程用中热水泥

3.1 中热水泥熟料的矿物组成

在硅酸盐水泥熟料中，各水泥熟料矿物的水化放热见表2所示。C3A水化放热最高，其次是C3S，而C2S和C4AF的水化热较低。因此，在中热水泥生产中，为了降低水泥的水化热，应尽量降低水泥熟料中C3A含量和控制C3S含量，适当增加C2S和C4AF含量。

表2 硅酸盐水泥熟料中各种矿物的水化热 （kJ/kg）[2]

普硅水泥和中热水泥熟料的化学成分及矿物组成见表3。由于C3A会给水泥性能（干缩、抗侵蚀、水化热等）带来不利影响，一般认为C3A含量应控制愈低愈好。当C3A含量低时，可提高C4AF含量，C4AF有较好的抗冲刷和抗硫酸盐侵蚀性能，有利于配置的混凝土长期耐久性能的提高，因此国内许多水电工程对中热水泥熟料中一般要求C4AF含量不低于15%。与此同时，还要求适当提高熟料的硅率和C2S含量，从而赋予中热水泥“后期强度较高，而水化热较低”的性能特点[3]。生产经验表明，水电工程用中热水泥熟料的矿物组成一般宜控制在以下范围：C3S ：50%～55%，C2S ：20%～30%，C3A：1%～3%，C4AF：15%～17%。

表3 普硅水泥和中热水泥熟料的化学成分及矿物组成

3.2 中热水泥强度和水化热

在硅酸盐水泥中，各熟料矿物对水泥强度贡献为：C3S在水化早期和后期均能发挥较高的强度；C2S早期强度低，但后期能发挥高强度；C3A早期强度高，但后期强度增进率很小、强度绝对值低；C4AF早期和后期均能发挥强度，但强度绝对值不高[4，5]。同时，水泥的水化热和强度是一对互相关联又互相矛盾的性能，亦即水化热愈低则强度也愈低。

表4和表5分别列出了典型普硅水泥和中热水泥在不同龄期的水化热和强度试验结果。

表4 普硅水泥和中热水泥在不同水化龄期的水化放热

表5 普硅水泥和中热水泥的强度试验结果

研究结果表明，普硅水泥早期水化速度快、水化放热高，一般水泥7d强度即能达到其28d强度的60%～80%。而中热水泥中C3A和C3S含量较低，早期水化活性相对也较低，7d强度约为28d强度的40%～60%，但中热水泥7d以后的强度增进率明显高于普硅水泥，至28d龄期时强度略低于普硅水泥。90d龄期时中热水泥强度超出普硅水泥约3～5MPa，表现出良好的后期强度增进性能。

为了保证中热水泥具有良好的后期强度及强度增进率、又具有较低的水化热，水泥企业应针对自身原材料情况及生产工艺特点，确定中热水泥生产技术方案（合理熟料矿物组成），在此基础上，以确定中热水泥生产各工序的内控指标和技术措施。

3.3 中热水泥的SO3含量

水泥中的SO3含量主要由石膏带入，目的是为了调节硅酸盐系列水泥的凝结时间。石膏与熟料矿物C3A水化生产钙矾石：

石膏和C3A生成钙矾石时，固相体积增大到2.22倍，这种反应是在水泥凝结硬化过程中进行的。一般中热水泥中SO3含量应控制在2.0%～2.5%左右较为合适。若中热水泥中SO3含量过高，则会由于固相体积过大，发生局部体积膨胀，破坏已经硬化的水泥石结构，造成大坝坝体强度下降，严重时甚至开裂或崩溃。此外，SO3含量的稳定控制也很重要，如SO3含量控制不稳（过高或过低），不仅会影响水泥强度和凝结时间，还将会影响混凝土外加剂的适应性。

3.4 中热水泥的MgO含量

在水工大体积混凝土方面，一般利用熟料中适量的MgO水化产生相应的膨胀，以补偿混凝土收缩，抵抗温度应力作用产生的裂缝。硅酸盐水泥熟料中MgO以方镁石的形态存在时，方镁石在水泥水化硬化后期会缓慢地水化，生成水镁石Mg(OH)2而产生体积微膨胀，可起到补偿大体积混凝土后期（降温阶段）的体积收缩，从而可避免或减少大体积混凝土的裂缝产生。这是我国建材和水电部门在20世纪70～80年代通过多年的科研和工程实践得出的重要成果，该成果在白山、葛洲坝、丹江口等大型水电工程的实际应用中取得了良好效果。近年来国内重点水电工程如三峡工程、溪洛渡工程、锦屏工程等都沿用了这一科技成果（对中热水泥也提出了MgO为3.5%～5.0%的要求）。由于这一指标允许的波动范围甚小，在生产中应严格选择成分稳定的高镁石灰石或白云石等作为中热水泥生产原材料，同时，应控制高镁石灰石（或白云石）与普通石灰石搭配比例的准确性，否则MgO指标难以实现稳定控制。

3.5 中热水泥的碱含量

国标GB200-2003中规定了 R2O （Na2O+0.658K2O）≤0.60%或双方商定，但目前国内在建的重点水电工程一般要求中热水泥控制在R2O≤0.55%，而采用活性 （潜在活性）骨料时则要求R2O≤0.50%，以防止发生碱骨料反应，从而造成大坝坝体产生局部膨胀，引起开裂变形，甚至崩溃。生产厂必须选择低碱的原料，一般要求石灰石的碱含量≤0.20%；粘土质原料的碱含量≤1.50%。

3.6 中热水泥的比表面积

和普通水泥相比，中热水泥的比表面积较低，且一般规定高限。这是因为，过大比表面积将使水泥的水化速度加快，从而使早期的水化放热增大；另外，中热水泥熟料较难粉磨，磨制过细将加大生产成本；一般要求中热水泥的比表面积为300m2/kg±20左右。

4 结语

我国水电工程建设方兴未艾，锦屏、溪洛渡和小湾等这些大型水电工程建设规模非同一般，所用中热水泥除要满足国家标准要求，还对强度、水化热、MgO、碱含量、比表面积和熟料矿物组成等指标提出了更加严格的要求，以满足这些水电工程对中热水泥的高品质及质量稳定性的要求。

从三峡工程以来，水电工程的建设单位在中热硅酸盐水泥的质量控制方面，引入了质量监理机制，对中热硅酸盐水泥的生产单位进行了驻厂监理工作，从源头保证中热水泥的品质及质量稳定性符合国家标准及工程要求，为确保工程质量打下了坚实的基础。

略)

[1]张博庭.我国的水电开发与环境保护[J].水电及农村电气化，2007.

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

[3]隋同波，文寨军，王晶.水泥品种与性能[M].化学工业出版社，2006.

[4]隋同波，文寨军，张忠伦，王晶，范磊.低热硅酸盐水泥性能评价[J].水泥工程，2003.

[5]隋同波，文寨军.低能源资源消耗、低环境负荷和高性能水泥——高贝利特水泥[J].中国建材，2003.7726