浅谈锦屏水电工程用中热水泥的生产质量控制

文寨军 王敏 王晶 刘云 王显斌 孙静

（中国建筑材料科学研究总院，北京100024）

摘要：本文对锦屏水电工程用中热水泥的生产控制及质量管理进行了介绍，探讨了中热水泥的强度和水化热合理匹配关系，简要分析了SO3、MgO、碱含量、比表面积等对中热水泥及混凝土性能的影响。

关键词：锦屏水电工程；中热水泥；生产质量控制

1 引言

锦屏水电站包括锦屏一级、二级水电站，总装机容量840万kW，其中锦屏一级水电站大坝设计坝高305m，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《中热硅酸盐水泥、低热硅酸盐水泥、低热矿渣硅酸盐水泥》（GB 200—2003）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GB 200—2003，见表1。

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还会对水泥的其他性能（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]。

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%。

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3和表4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。

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28d抗压强度48.0±3.0MPa,7d水化热≤283kJ/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。

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

GB 200—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骨料反应的发生，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，对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300±20m2/kg左右。

3 中热水泥的质量监造

锦屏水电工程用中热水泥多项技术要求严于GB 200—2003，为保障水泥质量及其质量稳定性，中国建筑材料科学研究总院发挥自身在特种水泥的研究、生产技术、产品检测等方面的优势，积极投身于锦屏水电工程建设用中热水泥的质量控制和质量管理中，通过开展中热水泥考核性生产技术咨询、现场工艺质量及检测监造等方面工作，对工程用中热水泥实施全方位的技术指导和质量监控，确保了锦屏水电工程用中热水泥的高质量。

3.1 考核性生产技术咨询服务

为了确保锦屏水电工程用中热水泥质量，在二滩水电开发有限责任公司机电物资管理部的领导下，中国建筑材料科学研究总院组织和实施了4次中热水泥考核性生产，通过对各生产厂的原燃材料、技术方案、生产工艺及设备、过程质量控制和质量管理等方面进行调整和优化，重点解决了碱含量偏高、比表面积偏大、后期强度及强度增进率低和水化热偏高等技术难题（见表5）。为确保锦屏水电工程中热水泥的品质以及长期供应的质量稳定性奠定基础。

3.2 驻厂工艺质量及检测监造

在考核性生产取得成果的基础上，中国建筑材料科学研究总院派出技术骨干进驻生产厂进行中热水泥的质量监造工作，从原材料进厂、生料制备、熟料烧成、水泥粉磨等工艺环节对中热水泥生产全过程进行技术指导和质量监控，从而保证出厂水泥的品质完全符合锦屏水电工程对中热水泥的特殊技术要求，为确保锦屏水电工程建设的高质量奠定了良好的基础。2009—2012年期间出厂中热水泥主要性能指标见表6。

3.3 确保供应计划的完成

驻厂监造监督中热水泥供应商水泥生产计划安排及完成情况，掌握水泥原材料、半产品、成品的库存情况；督促供应商按计划供应中热水泥，监督水泥的生产计划安排及发运。

4 结语

我国水电工程建设方兴未艾，一系列大型水电工程如锦屏、溪洛渡、白鹤滩水电站等相继开工建设，这些重点水电工程对中热水泥的强度、水化热、MgO、碱含量、比表面积等指标提出了更加严格的要求，因此，在水泥生产和质量控制中，应做到精细化管理，严把质量关，以确保中热水泥的高品质及质量稳定性。自三峡工程以来，我国在大型水电工程建设中大都采用了水泥驻厂监理监测的质量控制模式，以实现从源头上严把中热水泥质量关。实践证明，水泥驻厂监造模式是保障水电工程用中热水泥高质量的一项重要举措。

参考文献

[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]．北京：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.