浅谈锦屏水电工程用中热水泥的生产质量控制

2012-02-06董志荣王敏二滩水电开发有限责任公司四川成都6005中国建筑材料科学研究总院北京0004

中国建材科技 2012年5期

董志荣王敏( 二滩水电开发有限责任公司，四川成都6005；中国建筑材料科学研究总院，北京0004)

1 前言

锦屏水电站包括锦屏一级、二级水电站，总装机840 万Kw，其中锦屏一级水电站大坝设计坝高305 米，为目前世界上已建、在建和设计中最高的混凝土双曲薄拱坝，施工难度大、技术要求高。为此，锦屏水电工程用中热水泥除了满足国家标准(GB200-2003)规定的要求外，还对中热水泥的强度、水化热、MgO、碱含量以及比表面积等性能指标提出了特殊的技术要求。

2 锦屏水电工程用中热水泥生产控制

锦屏水电工程用中热水泥强度、水化热、MgO、碱含量以及比表面积等技术指标要高于现行国标GB200-2003，如表1 所示。

表1 锦屏水电工程中热水泥指标要求

2.1 中热水泥熟料的矿物组成

在硅酸盐水泥熟料中，各熟料单矿的水化放热见表2 所示。其中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，控制C3S 含量，适当增加C2S 和C4AF 含量。此外，C3A 还会对水泥其它性能（干缩、抗侵蚀等）带来不利影响，因而水泥熟料中C3A 含量应尽量控制在低值，以提高水泥熟料中C4AF 和C2S 含量，从而赋予中热水泥“良好的后期强度和强度增进率，较低的水化热”的性能特点[3]。

表2 硅酸盐水泥熟料中各种矿物的水化热(kJ/kg)[2]

图1 是水泥熟料中硅酸盐矿物（C3S 和C2S）和熔剂矿物（C3A 和C4AF）与生料易烧性、强度的关系。研究结果表明，当水泥熟料中硅酸盐矿物含量为80%左右，熔剂矿物含量在20%左右时，熟料的易烧性较好，水泥强度较高。

图1 水泥硅酸盐矿物和熔剂矿物对水泥烧成和强度的影响

图2表示水泥熟料中硅酸盐矿物与水泥强度和水化热关系。结果显示，随着C3S 含量增加，C2S 含量减小，水泥的3d、7d 和28d 强度增加，而水化热增大。提高水泥熟料中MgO 后，要保持中热水泥具有较高强度和较低水化热，C3S 宜控制在45%～55%，C2S 宜在20%～30%。

图2 硅酸盐矿物与强度和水化热的关系

根据以上研究结果，锦屏水电工程用中热水泥熟料适宜的矿物为：C3S 稳定控制在48%～54%，C3A 控制在3%以下，C2S 控制在20%～30%，C4AF 则控制在15% ～18%，其中C3S 和C3A 应重点加以控制。

2.2 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]。表4 和表5 分别列出了典型普通硅酸盐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

结果表明，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低。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 龄期时强度与普硅水泥相当，90d 龄期时中热水泥强度超出普硅水泥约5MPa，表现出良好的后期强度增进性能。

锦屏水电工程要求中热水泥28 天抗压强度48.0±3.0MPa，7 天水化热≤283 kJ/kg，因此，为了保证中热水泥具有良好的后期强度、较低的水化热，应根据生产中原材料特性、生产工艺及装备特点，优化中热水泥生产技术方案和生产过程控制指标，以确保中热水泥具有良好的物理力学性能。

2.3 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水泥的凝结时间。石膏与熟料矿物C3A 水化生产钙矾石：

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

石膏和C3A 发生水化反应生成钙矾石时，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，如中热水泥中SO3 含量过高，则会造成固相体积增加过大，发生局部体积膨胀，破坏已经硬化的水泥石结构，造成水泥石强度下降，严重时甚至开裂或崩溃。中热水泥中SO3含量应控制在1.8%～2.5%较为合适。此外，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，还将影响水泥与混凝土外加剂的适应性。

2.4 中热水泥的MgO 含量

当水泥中MgO 以方镁石的形态存在时，方镁石在水泥水化硬化时会缓慢水化，生成水镁石Mg(OH)2 而产生体积膨胀，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。

图3 MgO 含量与中热水泥净浆线膨胀的关系

从图3 可看出，MgO 含量为2.03% ～5.63%的中热水泥都会产生一定量的膨胀，当MgO 含量在3.50%以下时，膨胀较小，90d 净浆膨胀率低于0.04%。当MgO 含量在3.50%～4.95%时，随着MgO 含量增加，各龄期线性膨胀率均增加。由此可见，就改善水泥的微膨胀性能而言，宜将中热水泥中MgO 含量控制在大于3.50%，以有效利用MgO 适度的后期延迟性膨胀补偿大体积混凝土的收缩，提高水工大坝混凝土的抗裂性能。

2.5 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。为防止发生碱骨料反应造成大坝坝体产生局部膨胀，引起开裂变形甚至崩溃，在水电工程建设中对水泥和混凝土的总碱含量都有限量要求。鉴于锦屏水电工程的重要性和为了防止混凝土碱集料反应的发生，锦屏水电工程要求中热水泥R2O ≤0.50%。

2.6 中热水泥的比表面积

和普通硅酸盐水泥相比，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，随着比表面积的增加，水泥砂浆干缩率呈上升趋势(见图4)。因此，适当降低水泥的比表面积，可以减少混凝土的干缩，增加徐变，提高混凝土的耐久性能，防止大坝混凝土裂缝产生和提高大坝混凝土的抗裂性能有利。锦屏水电工程要求中热水泥的比表面积为300m2/kg±20 左右。