2.1　水電工程用微膨脹中熱硅酸鹽水泥和高強低熱硅酸鹽水泥

水電作為清潔能源的重要組成部分，是世界各國能源發展的戰略重點。我國河流蘊藏的水能資源為6.5億千瓦，總量居世界首位，但目前開發量僅占1/3，2020年我國水電裝機容量規劃為3.5億千瓦，發展潛力巨大。水電是我國能源節約優先發展戰略重點，未來20年內仍將繼續建設一批大型水電工程，目前國內在建和籌建的大型水電工程均為百年壽命設計，如何保證大壩工程建造質量、安全和壽命，備受社會關注。

水工大壩屬于典型的大體積混凝土，由于其內部基本處于絕熱狀態，水泥水化放出的熱量難以及時外散，會導致混凝土內部溫度升高，從大壩混凝土澆筑完成后30天內混凝土達到最高溫度，最大溫升可達20℃以上。隨后就是混凝土溫度緩慢下降的過程，易造成混凝土內外溫差大，混凝土體積發生收縮，在混凝土內產生較大的收縮應力，當收縮應力超過混凝土的抗拉強度，混凝土就會產生裂縫，使混凝土的強度、耐久性下降，從而直接影響到工程質量和大壩的安全。

大壩混凝土因溫降收縮引起開裂一直是困擾大壩工程界的世界性難題，國內外從大壩混凝土設計、材料及施工等環節，選用中熱水泥、摻加優質粉煤灰、預冷骨料、通水冷卻、分塊澆注（降低混凝土內外溫差）等諸多溫控措施，但許多工程仍出現開裂，據統計，全世界每年投入數百億元用于大壩的維護加固。為解決水工大壩開裂問題，中國建筑材料科學研究總院從水泥的后期微膨脹性補償大體積混凝土溫降收縮和進一步降低水泥水化放熱量入手，研制開發了微膨脹中熱硅酸鹽水泥和高強低熱硅酸鹽水泥，成功應用于國內數十個大型水電工程，取得了良好的應用效果，為大壩混凝土的溫控防裂提供了新的解決方案和技術路徑。

2.1.1　微膨脹中熱硅酸鹽水泥

2.1.1.1　簡介

中熱硅酸鹽水泥（簡稱中熱水泥），是以適當成分的硅酸鹽水泥熟料，加入適量石膏，磨細制成的具有中等水化熱的水硬性膠凝材料。中熱水泥主要用于大體積混凝土工程，如水工大壩、高層建筑的基礎等。美國、日本、中國等國標準都對中熱硅酸鹽水泥組成及性能指標要求提出了特殊要求，見表2-1和表2-2。

注：ASTM C150—18和JIS R5210—2009均規定水泥化學成分和礦物組成要求；GB 200—2003規定熟料化學成分和礦物組成要求。

20世紀70年代，在白山水電站建設中，使用MgO含量為3.0%～4.0%的高鎂大壩水泥，多年的現場觀察發現，白山大壩出現的工程裂縫少。為此，中國建筑材料科學研究總院等單位聯合攻關，經過10多年的相關研究，提出采用MgO補償收縮的大壩混凝土技術，開發了具有補償收縮功能的微膨脹高鎂中熱水泥，利用水泥中方鎂石具有延遲性微膨脹特性，使混凝土在溫降過程中產生體積膨脹，補償大壩混凝土溫降產生的體積收縮，提高大壩混凝土的抗裂性和耐久性。

2.1.1.2　主要技術特性

（1）強度

中熱水泥屬于硅酸鹽水泥體系，主要由硅酸鹽礦物（硅酸三鈣，C3S；硅酸二鈣，C2S）和熔劑礦物（鋁酸三鈣，C3A；鐵鋁酸四鈣，C4AF）組成，硅酸鹽礦物是水泥強度主要貢獻者，熔劑礦物對水泥水化熱等有重要影響，同時對熟料燒成有促進作用。當提高中熱水泥熟料MgO含量，會對水泥強度、水化熱等性能產生影響，不同MgO含量的微膨脹中熱硅酸鹽水泥的強度性能見表2-3。

隨著MgO含量的增加，微膨脹中熱硅酸鹽水泥的3d、7d和28d強度均隨之下降，主要是由于水泥中MgO含量的增加，降低了水泥中硅酸鹽礦物的含量，因而導致水泥各齡期強度有所降低，但當MgO含量≤7.0%時，水泥28d強度均≥42.5MPa，壓蒸安定性合格，滿足水電工程對水泥強度要求。

（2）水化熱

水泥水化放熱直接決定著大壩混凝土內部溫升，進而對大壩的抗裂性能產生影響。為了有效降低水泥的水化熱，應盡量降低中熱水泥熟料中C3A含量，控制C3S含量，適當增加C2S和C4AF含量，以實現中熱水泥具有良好的后期強度、較低的水化熱。微膨脹中熱硅酸鹽水泥的水化熱性能見表2-4。

MgO含量對微膨脹中熱硅酸鹽水泥的水化熱影響不大，隨著熟料中MgO含量增加，水化熱呈緩慢下降趨勢，但波動范圍小，在5%以內。

（3）膨脹性能

中熱水泥熟料中MgO以固溶和游離兩種形式存在，其中固溶態MgO無膨脹作用，而以晶體形態存在的方鎂石（見圖2-1）在緩慢水化過程中自身體積會膨脹約117%，有后期微膨脹性。從圖2-2可以看出，隨著中熱水泥熟料中氧化鎂含量增加，微膨脹中熱硅酸鹽水泥熟料中方鎂石特征峰隨之增強，表明熟料中方鎂石的含量也隨之增加。

在（20±1）℃養護條件下，微膨脹中熱硅酸鹽水泥各齡期的凈漿自由膨脹率見圖2-3。當MgO含量小于7%時，微膨脹中熱硅酸鹽水泥28～150d的膨脹率增長0.05%左右，當MgO含量大于7%時，微膨脹中熱硅酸鹽水泥28～150d的膨脹率增長0.07%左右，表明微膨脹中熱硅酸鹽水泥中的MgO具有一定的后期（28d以后）微膨脹性；不同MgO含量的微膨脹中熱硅酸鹽水泥在150～210d的膨脹增進率較小，說明該水泥在150d后的膨脹趨于平緩。

不同MgO含量微膨脹中熱硅酸鹽水泥的混凝土自生體積變形性能見圖2-4。隨著微膨脹中熱硅酸鹽水泥中MgO含量的增加，混凝土自生體積變形呈正值，表明高MgO含量中熱硅酸鹽水泥的微膨脹特性，具有補償大壩混凝土后期溫降收縮能力。

2.1.1.3　生產及應用

微膨脹中熱硅酸鹽水泥的生產工藝與普通中熱硅酸鹽水泥基本一致，但結合實際生產情況，應采取相應的控制措施：

① 為提高生料中的鎂含量，生料配料時，應增加高鎂石灰石或白云石作為原材料。

② 高MgO熟料煅燒時液相出現溫度低、液相量大，窯尾系統易出現結皮堵塞，煅燒操作時宜適當降低分解爐出口溫度，優化風、煤、料和窯速的匹配，以保證窯況穩定。

③ 控制熟料冷卻用風量，保證熟料中方鎂石結晶大小和尺寸。

微膨脹中熱硅酸鹽水泥已在國內數十家大型水泥企業集團規模化穩定生產，近年來，為國內大型水電工程提供數千萬噸微膨脹中熱硅酸鹽水泥，滿足了工程建設的需求。微膨脹中熱硅酸鹽水泥成功實現在日產5000t預分解窯規模化穩定生產，見圖2-5。微膨脹中熱硅酸鹽水泥已成功應用于國內10多個大型水電工程，包括：三峽工程（世界上裝機最大的水利樞紐，見圖2-6）、溪洛渡水電站（世界上裝機最大的拱壩）、錦屏水電站（世界上最高的拱壩）等，提升了我國水電工程建設水平。

2.1.2　高強低熱硅酸鹽水泥

2.1.2.1　簡介

低熱硅酸鹽水泥是以適當成分的硅酸鹽水泥熟料，加入適量石膏，磨細制成的具有低水化熱的水硬性膠凝材料，簡稱低熱水泥，也主要用于水工大壩等大體積混凝土工程，以期進一步降低混凝土內部溫升。國內外標準均對低熱硅酸鹽水泥作了特殊性能要求，中國、美國、日本等各國標準對低熱硅酸鹽水泥組成及性能指標要求分別見表2-5和表2-6。

注：ASTM C150—18和JIS R5210—2009均規定水泥化學成分和礦物組成要求；GB 200—2003規定熟料化學成分和礦物組成要求。

低熱硅酸鹽水泥具有低水化熱、干縮小、高后期強度及強度增進率等性能特點，對提高大體積混凝土工程的抗裂性和耐久性具有顯著的作用。20世紀30年代，美國建設胡佛大壩時便大量使用低熱硅酸鹽水泥，20世紀90年代，日本建造北海道明石大橋時也使用了低熱硅酸鹽水泥，但都未能有效解決低熱硅酸鹽水泥早期強度偏低（3d抗壓強度≤10MPa）這一技術難題，使其難以達到建筑工程對于水泥強度性能的要求，影響工程周期，從而制約了實際推廣應用，尤其是限制其在非大體積混凝土工程的應用。

“九五”～“十二五”期間，中國建筑材料科學研究總院等單位開展產學研聯合攻關，開展了低熱硅酸鹽水泥制備及其應用技術的系統研發，較好解決了現有低熱硅酸鹽水泥早期強度低、應用受限的技術難題，實現在溪洛渡、向家壩等10余個重點水電工程規模應用，為解決水工大體積混凝土由于溫度應力而導致的開裂問題提供了更好的技術途徑。

2.1.2.2　主要技術特性

（1）高強低熱硅酸鹽水泥強度及水化熱

① 高強低熱硅酸鹽水泥礦物組成對強度和水化熱的影響　從熟料礦物形成、熟料的質量及水泥綜合性能，尤其是水電工程耐久性考慮，低熱硅酸鹽水泥熟料的礦物匹配應符合以下基本原則：

a．在保證C2S含量要40%以上的前提下，適當增加熟料礦物體系中硅酸鹽礦物的含量（75%以上），即適當增加C3S的含量，以保證所制備的低熱硅酸鹽水泥具有一定的早期強度，滿足水電工程需要；

b．為提高水泥的抗裂耐久性并進一步降低水化熱，應適當增加C4AF含量，降低C3A的含量。

低熱硅酸鹽水泥熟料中硅酸鹽礦物、熔劑礦物對抗壓強度、水化熱影響規律分別見圖2-7～圖2-10。當硅酸鹽礦物總量不變時，隨著C3S含量增加，水泥強度提高，水化熱升高，確定C3S適宜含量在30%～40%，C2S在40%～50%（圖2-7和圖2-8）；當熔劑礦物總量不變時，隨著C3A含量增加，水化熱增大，水泥強度變化不大，確定C3A 最佳含量為不大于3%，C4AF為15%～19%（圖2-9和圖2-10）。在四大熟料礦物中，C3S和C3A對于水化熱的影響大，其含量需重點控制。

② 摻雜微量元素對低熱硅酸鹽水泥強度的影響　在低熱硅酸鹽水泥熟料中，摻雜適量的微量元素對低熱水泥熟料的微觀結構特征、貝利特晶型有顯著的影響，能有效阻止熟料冷卻過程中高溫型貝利特向低溫型轉變，能穩定C2S高溫晶型（α、α′），可明顯提高C2S活性，進而提高低熱硅酸鹽水泥的強度。在熟料制備中復合摻雜微量元素，對于低熱硅酸鹽水泥熟料的結構和活性有顯著的效果，其中鋇、硫復摻和鋇、硫、磷復摻時，低熱硅酸鹽水泥熟料中晶型留下的交叉雙晶條紋變寬，α、α′型的形成量增多，熟料的活性顯著提高；鋇、磷復摻也能一定程度提高熟料活性。通過微量組分摻雜，可大幅度提高低熱硅酸鹽水泥熟料強度（圖2-11～圖2-13），3d強度可達19～21MPa，28d強度可達65～71MPa，90d強度可達75MPa左右，180d強度可達80MPa，其中SO3＋BaO摻雜效果最為顯著，摻雜少量即可大幅度提高低熱硅酸鹽水泥的早后期強度。

（2）高強低熱硅酸鹽水泥混凝土性能

高強低熱硅酸鹽水泥配制的大壩混凝土配合比見表2-7，混凝土性能見表2-8和圖2-14。高強低熱硅酸鹽水泥配制混凝土的抗裂性、抗沖磨性、抗沖擊韌性等各方面性能均較好，具有優良的抗裂性和耐久性能。

2.1.2.3　生產及應用

高強低熱硅酸鹽水泥的生產工藝與普通中熱硅酸鹽水泥基本一致，但在實際生產中，應采取相應的控制措施：

① 提高生料均勻性，適當降低喂料量；

② 適當提高生料分解率，降低分解爐出口溫度，優化風、煤、料和窯速的匹配，以保證窯況穩定和熟料中C2S礦物生長發育；

③ 控制熟料冷卻用風量，提高冷卻效果，保證熟料中高活性C2S礦物的形成。

高強低熱硅酸鹽水泥已在國內多家大型水泥企業規模化穩定生產，并成功應用于溪洛渡、向家壩、大崗山、枕頭壩、猴子巖、大崗山、烏東德等10余個重點水電工程，應用效果良好。