硅酸盐水泥用在水电工程

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1、硅酸盐水泥用在水电工程作者： 材料1摘要 本文对目前硅酸盐水泥进行了介绍，并讨论水化热、S03、MgO、碱含量、比表面 积和熟料矿物组成等的控制情况，对中热水泥生产质量控制以及在水电工程的应用有一定的 指导意义。2.关键词 水电工程，硅酸盐水泥，水化热，碱含量。3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2

2、020 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。4.硅酸盐水泥介绍4.1组成。硅酸盐水泥的主要矿物组成是：硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙、铁

3、铝酸四钙。硅酸三 钙决定着硅酸盐水泥四个星期内的强度；硅酸二钙四星期后才发挥强度作用，约一年左右达 到硅酸三钙四个星期的发挥强度；铝酸三钙强度发挥较快，但强度低，其对硅酸盐水泥在1 至3天或稍长时间内的强度起到一定的作用；铁铝酸四钙的强度发挥也较快，但强度低，对 硅酸盐水泥的强度贡献小。硅酸盐水泥分两种类型，不掺加混合材料的称为I型硅酸盐水泥，代号PI；掺加不 超过水泥质量5%的石灰石或粒化高炉矿渣混合材料的称为II型硅酸盐水泥，代号PII。4.2要求。硅酸盐水泥的细度采用比表面积测定仪检验，其比表面积应大于300tf/kg,否则为不合 格品。国家标准规定：硅酸盐水泥的初凝时间不早于45min

4、,否则为不合格品；终凝时间不 迟于390min,否则为不合格品。硅酸盐水泥的体积安定性经检验必须合格，否则为不合格品。 硅酸盐水泥根据3d和28d的抗压强度分为三个强度等级即42.5、52.5、62.5,每个等级有两 个类型即普通型与早强型（用R表示）。4.3发展。cemen t词由拉丁文caemen tum发展而来，是碎石及片石的意思。水泥的历史最早可追 溯到古罗马人在建筑中使用的石灰与火山灰的混合物，这种混合物与现代的石灰火山灰水泥 很相似。用它胶结碎石制成的混凝土，硬化后不但强度较高，而且还能抵抗淡水或含盐水的 侵蚀。长期以来，它作为一种重要的胶凝材料，广泛应用于建筑工程。 1756年，

5、英国工程 师J.斯米顿在研究某些石灰在水中硬化的特性时发现：要获得水硬性石灰，必须采用含有粘 土的石灰石来烧制；用于水下建筑的砌筑砂浆，最理想的成分是由水硬性石灰和火山灰配成。 这个重要的发现为近代水泥的研制和发展奠定了理论基础。1796年，英国人J.帕克用泥灰 岩烧制出了一种水泥，外观呈棕色，很像古罗马时代的石灰和火山灰混合物，命名为罗马水 泥。因为它是采用天然泥灰岩作原料，不经配料直接烧制而成的，故又名天然水泥。具有良 好的水硬性和快凝特性，特别适用于与水接触的工程。 1813年，法国的土木技师毕加发现 了石灰和粘土按三比一混合制成的水泥性能最好。1824年，英国建筑工人J.阿斯普丁取得

6、了波特兰水泥的专利权。他用石灰石和粘土为原料，按一定比例配合后，在类似于烧石灰的 立窑内煅烧成熟料，再经磨细制成水泥。因水泥硬化后的颜色与英格兰岛上波特兰地方用于 建筑的石头相似，被命名为波特兰水泥。它具有优良的建筑性能，在水泥史上具有划时代意 义。 1907年，法国比埃利用铝矿石的铁矾土代替粘土，混合石灰岩烧制成了水泥。由于这 种水泥含有大量的氧化铝，所以叫做“矾土水泥”。 1871年，日本开始建造水泥厂。 1877 年，英国的克兰普顿发明了回转炉，并于1885年经兰萨姆改革成更好的回转炉。 1889年， 中国河北唐山开平煤矿附近，设立了用立窑生产的唐山“细绵土”厂。 1906年在该厂的基础

7、 上建立了启新洋灰公司，年产水泥4万吨。 1893年，日本远藤秀行和内海三贞二人发明了 不怕海水的硅酸盐水泥。 20世纪，人们在不断改进波特兰水泥性能的同时，研制成功了一 批适用于特殊建筑工程的水泥，如高铝水泥，特种水泥等。全世界的水泥品种已发展到100 多种， 2007年水泥年产量约20亿吨。 中国在1952年制订了第一个全国统一标准，确定水泥 生产以多品种多标号为原则，并将波特兰水泥按其所含的主要矿物组成改称为矽酸盐水泥， 后又改称为硅酸盐水泥至今。 2007年中国水泥年产量约11亿吨。4.4分类。矿渣硅酸盐水泥凡是由硅酸盐水泥熟料、2070%的粒化高炉矿渣、适量石膏混合磨细制成的水硬性胶

8、 凝材料，称为矿渣硅酸盐水泥，简称矿渣水泥，代号PS。中国标准规定：水泥中粒化高炉矿渣掺加量按重量计为2070%；允许用不超过混合材 料总掺量1/3的火山灰质混合材料（包括粉煤灰）、石灰石、窑灰来代替部分粒化高炉矿 渣,这些材料的代替数量分别不得超过15%、10%、8%；允许用火山灰质混合材料与石灰石， 或与窑灰共同来代替矿渣，但代替的总量不得超过15%，其中石灰石不得超过10%、窑灰不 得超过8%;替代后水泥中的粒化高炉矿渣不得少于20%。矿渣水泥是中国目前产量最大的水泥品种，分为32.5、32.5R、42.5、42.5R和52.5、 52.5R六个标号。与普通硅酸盐水泥相比，矿渣水泥的颜色

9、较浅，比重较小，水化热较低， 耐蚀性和耐热性较好，但泌水性较大，抗冻性较差，早期强度较低，后期强度增进率较高， 因此需要较长的养护期。矿渣水泥可用于地面、地下、水中各种混凝土工程，也可用于高温 车间的建筑，但不宜用于需要早期强度高和受冻融循环、干湿交替的工程。火山灰质硅酸盐水泥凡是由硅酸盐水泥熟料、2050%的火山灰质混合材料（如火山灰、凝灰岩、浮石、沸 石、硅藻土、粉煤灰、烧粘土、烧页岩、煤矸石等）、适量石膏混合磨细制成的水硬性胶凝 材料，称为火山灰质硅酸盐水泥，简称火山灰水泥，代号PP。中国标准规定：水泥中火 山灰质混合材料掺加量按重量计为2050%；允许掺加不超过混合材料总掺量1/3的粒

10、化高 炉矿渣，代替部分火山灰质混合材料，代替后水泥中的火山灰质混合材料不得少于20%。火 山灰水泥分为275、325、425、525和625五个标号。火山灰水泥与普通水泥相比，其比重小， 水化热低，耐蚀性好，需水性（使水泥浆体达到一定流动度时所需要的水量）和干缩性较大， 抗冻性较差，早期强度低，但后期强度发展较快，环境条件对火山灰水泥的水化和强度发展 影响显著，潮湿环境有利于水泥强度发展。火山灰水泥一般适用于地下、水中及潮湿环境的 混凝土工程，不宜用于干燥环境、受冻融循环和干湿交替以及需要早期强度高的工程。粉煤灰硅酸盐水泥凡是由硅酸盐水泥熟料、2040%的粉煤灰、适量石膏混合磨细制成的水硬性胶

11、凝材料， 称为粉煤灰硅酸盐水泥，简称粉煤灰水泥，代号PF。中国标准规定：水泥中粉煤灰掺加量按重量计为2040%；允许掺加不超过混合材料总 掺量 1/3的粒化高炉矿渣，此时混合材料总掺量可达50%，但粉煤灰掺量仍不得少于20%或大 于40%。粉煤灰水泥分为 275、 325、 425、 525和625五个标号。它除具有火山灰质硅酸盐水 泥的特性（如早期强度虽低，但后期强度增进率较大，水化热较低等）外，还具有需水性及干缩性较小，和易性、抗裂性和抗硫酸盐侵蚀性好等性能。适用于大体积水工建筑，也可用于一 般工业和民用建筑。20世纪60年代以来，法、日、苏、中、美、联邦德国等都先后生产粉煤 灰水泥，产量

12、日趋增多。中国于50年代初就开始研究粉煤灰作水泥混合材料，并于1977年制 定了粉煤灰硅酸盐水泥标准。5. 水电工程用硅酸盐水泥5.1 中热水泥熟料的矿物组成格的控制。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。普硅水泥和中热水泥熟料的化学成分及矿物组成由于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

13、 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C4A F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%。5.2 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

14、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。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35MPa，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

15、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。5.3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水化生产钙矶石：3CaOAl203+3CaS042H20+30H20=3CaO A12O3 3CaSO4 32H2O石膏和C3A生成钙矶石时，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

16、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，女如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。5.4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7080 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