2.2　核電工程用硅酸鹽水泥

核能已成為人類使用的重要能源之一，是電力工業的重要組成部分，世界各國爭相積極穩妥推進核電站建設。核電工程的核島閥基、安全殼等關鍵部位屬于大體積混凝土工程，其既要具備較高的早期強度以滿足施工需要，又要防止溫度裂縫。在我國核電工程發展初期，核電工程建設用水泥主要是進口，如秦山一期核電站全部使用了進口核電水泥。一個核電站完整的工程建設周期較長（5～10年），水泥需求量大，全部采用進口水泥價格昂貴、長期工地現場儲存易導致水泥品質下降、國內外水泥檢驗標準不統一，以上因素均不利于我國對先進核電工程建設技術的消化、吸收、轉化。20世紀90年代，我國核電設計部門在參考和借鑒國外（美國、法國等）水泥標準的經驗基礎上，對國產水泥提出了一些高早強、中等水化熱、干縮小等的特殊技術要求。但由于缺乏系統研究，也沒有相應的標準作為技術支撐，我國核電工程建設中廣泛采用了GB 175—2007中普通硅酸鹽水泥（P.O）和硅酸鹽水泥（P.Ⅰ和P.Ⅱ）等多個通用水泥品種，水泥水化熱高、收縮大，難以滿足核電混凝土高強高抗裂技術要求。

“十二五”期間，中國建筑材料科學研究總院聯合國內核電工程設計、施工單位和水泥生產企業歷經數年科技攻關，成功開發出具有較高早期強度、中等水化熱及較低干縮性能的核電工程用硅酸鹽水泥，并主導制定了全球首個核電工程建設用水泥標準GB/T 31545—2015《核電工程用硅酸鹽水泥》。核電水泥的成功研制及標準的發布實施，對于規范我國核電水泥的生產和質量控制，提升我國核電工程用水泥和混凝土質量，保障核電站的長期安全運營起到重要作用。

2.2.1　核電工程用硅酸鹽水泥標準

GB/T 31545—2015《核電工程用硅酸鹽水泥》中規定，由適當成分的硅酸鹽水泥熟料，加入適量天然二水石膏，磨細制成的具有中等水化熱、較低干縮率，主要用于核電工程的水硬性膠凝材料，稱為核電工程用硅酸鹽水泥（簡稱核電水泥）。中國、美國及歐洲技術規范（標準）對核電水泥化學要求及物理性能指標要求分別見表2-9和表2-10。

注：歐洲標準中41h水化熱采用半隔熱法。

核電水泥兼具高早強、中等水化熱、干縮小等性能，滿足核電工程快速施工要求，并提高了混凝土體積穩定性，為核電工程長期安全穩定運行提供了保障。

2.2.2　主要技術特性

核電水泥具有高早強、中等水化熱、干縮小等綜合性能，即核電水泥集早強水泥、中熱水泥、道路水泥等多個水泥品種技術要求于一體，生產難度大。眾所周知，硅酸鹽水泥的強度和水化熱是對矛盾體，如何實現水泥具有較低水化熱、高強度是制備核電專用水泥的技術關鍵。核電水泥是在中熱硅酸鹽水泥的基礎上，進一步通過優化礦物組成手段，限制C3A含量，相應提高C4AF含量，以降低水化熱及干縮；優化匹配了C3S與C2S的相對含量，既保證了核電水泥的早期強度，又有效控制了核電水泥的水化熱及干縮率。

2.2.2.1　水化熱

水泥在水化時產生一定量的水化熱?；炷恋囊粋€重要特性是熱導率低，散熱困難。大體積混凝土澆筑時，內部幾乎處于絕熱狀態，水泥水化放熱導致內部混凝土溫度升至60℃以上，與冷卻較快的混凝土表面溫差達數十攝氏度。在水化后期相當長的時間里，由于物體熱脹冷縮，混凝土懸殊的內外溫差致使各處發生顯著的不均勻收縮，產生較大拉應力。當應力值超過混凝土的抗拉強度時，會產生溫度應力裂縫，給工程耐久性造成不利影響。減少和消除這一影響最直接有效的技術途徑是降低水化熱，包括降低水泥的絕對水化放熱量和減緩水化放熱速率。核電工程的核島閥基、安全殼等部位屬于大體積混凝土工程，見圖2-15、圖2-16。

影響水泥水化熱大小和放熱速率的因素包括熟料的礦物組成、水泥的細度、混合材及外加劑。硅酸鹽水泥熟料各礦物的水化熱見表2-11。

不論是絕對水化熱值或是相對放熱速率，均為C3A最高，C3S次之，C2S最低。降低C3A和C3S含量，能有效降低水泥的水化熱。降低C3S意味著增加C2S，前者是硅酸鹽熟料中的主要強度組分。C2S水化熱較低，但早期強度發揮也較慢，其含量太多時水泥早期強度得不到保證。

在核電水泥熟料礦物組成的設計上，應降低C3A含量，相應以增加C4AF含量為主。此外，游離氧化鈣（f-CaO）在水中消解時的放熱量也高（完全水化熱1161kJ/kg），會增加水泥的水化熱，f-CaO的含量也應嚴格控制在1.0%以下。不同熟料礦物組成的核電水泥的水泥強度和水化熱見表2-12。

2.2.2.2　強度

（1）礦物組成

核電水泥與水工中熱水泥最大的不同是除水化熱要求外，對早期強度要求較高：其3d抗壓強度不小于17MPa，而中熱水泥的要求為不小于12MPa。

不同礦物組成對強度和水化熱的影響見圖2-17。研究發現，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。為保證水泥具有高強度、低水化熱，確定了C3S 51%～58%、C2S 15%～28%的適宜含量范圍。當熔劑礦物總量（C3A＋C4AF）不變時，水化熱隨C3A含量增加而增大，強度變化不明顯。為降低水化熱，宜控制C3A 2%～4%，C4AF 12%～16%。

（2）細度

細度是水泥重要的物理性能指標之一，其與凝結時間、強度、干縮、水化熱等一系列性能都有密切的關系。水泥的細度可以用不同的指標來表征，如篩余、比表面積、顆粒平均直徑、顆粒級配等。不同比表面積下核電水泥的物理性能見表2-13。

水泥一般由幾微米到幾十微米的不同尺寸顆粒組成。比表面積增大，水泥與水接觸的反應表面積增大，致水化反應加速，水化放熱加快，強度（尤其是早期強度）增高，干縮率增大。在表2-13結果中可以看到，比表面積達到340m2/kg以上，水泥水化熱會出現明顯上升，超出適宜范圍。核電水泥的比表面積宜控制在320～340m2/kg之間。

2.2.2.3　干縮性

水泥、混凝土凝結后，內外部水分蒸發程度不同以及在與外界無物質交換的條件下，膠凝材料的水化反應引起毛細孔負壓和內部相對濕度降低，導致體積發生減縮現象，稱為干縮。干縮率過大，會產生細微裂縫，從而降低結構的耐久性。

水泥的礦物組成、比表面積等直接影響水泥的干縮性。相同比表面積下，不同礦物組成核電水泥的干縮性見表2-14。從熟料的礦物組成來看，C3A的干縮率最大，C4AF最小。核電水泥熟料中C3A一般控制在2%～4%，C4AF一般控制在12%～16%。核電水泥28d干縮率一般小于0.07%。

2.2.3　生產及應用

2.2.3.1　核電水泥生產技術

核電水泥已在國內10余家大型水泥企業中規模化穩定生產。核電水泥的生產工藝與通用硅酸鹽水泥基本相同。二者的主要區別在于核電水泥熟料的礦物組成有特殊的要求，生產難度較大。每個水泥生產企業的窯況、原燃材料不盡相同，在生產過程中需根據自身情況區別對待，大體控制原則如下。

（1）原燃材料

核電水泥對堿含量有嚴格的要求，總體上應控制各種原燃材料的堿含量。選用高品位石灰石，控制R2O≤0.2%；可選Al2O3含量較低的硅質原材料，以滿足低C3A熟料配料方案要求；盡可能選擇銅礦渣等金屬尾礦作為原材料，以提高熟料礦物活性；核電水泥對早期強度要求極高，需選用高發熱量、低灰分的煙煤。

（2）煅燒

生產中應保證原材料充分預均化、熟料成分穩定；適當降低預燒溫度，避免預熱器堵塞及窯尾結厚窯皮；適當降低窯速，保證各熟料礦物在窯內完全成核與長大；保證火焰形態良好，使旋窯熱工制度保持穩定；適當增加頭煤用量，以降低熟料游離鈣、提高立升重。

（3）粉磨

熟料宜冷卻之后再進行粉磨；核電水泥應使用優質的天然二水石膏；核電水泥的比表面積宜控制在320～340m2/kg之間。

2.2.3.2　核電水泥的應用

位于江蘇連云港的田灣核電站是我國“九五”期間開工建設的重點工程之一，是中俄兩國迄今最大的技術經濟合作項目。田灣核電站是目前國內獨一無二的雙層安全殼核電站。雙層安全殼內層采用鋼纜預應力張拉系統的鋼筋混凝土墻體，厚1.2m，內壁襯有6mm厚的鋼覆面；外層采用普通鋼筋混凝土墻體，厚0.6m。2013年開工建設的田灣核電站3、4號機組土建工程由中國核工業華興建設有限公司承擔。工程采用淮海中聯水泥有限公司生產的核電水泥。經抽檢，水泥質量完全滿足工程要求；所配制的混凝土質量優良，抗壓強度、抗滲性能、抗凍性能等指標也完全滿足工程要求，保證了工程的順利施工。見表2-15。

核電水泥制備的混凝土能滿足核電站安全殼、閥基、廠房等不同環境工況的要求。目前已在我國紅沿河核電站、寧德核電站、防城港核電站、嶺澳核電站、臺山核電站、陽江核電站以及田灣核電站等工程中應用。