2.1　水电工程用微膨胀中热硅酸盐水泥和高强低热硅酸盐水泥

水电作为清洁能源的重要组成部分，是世界各国能源发展的战略重点。我国河流蕴藏的水能资源为6.5亿千瓦，总量居世界首位，但目前开发量仅占1/3，2020年我国水电装机容量规划为3.5亿千瓦，发展潜力巨大。水电是我国能源节约优先发展战略重点，未来20年内仍将继续建设一批大型水电工程，目前国内在建和筹建的大型水电工程均为百年寿命设计，如何保证大坝工程建造质量、安全和寿命，备受社会关注。

水工大坝属于典型的大体积混凝土，由于其内部基本处于绝热状态，水泥水化放出的热量难以及时外散，会导致混凝土内部温度升高，从大坝混凝土浇筑完成后30天内混凝土达到最高温度，最大温升可达20℃以上。随后就是混凝土温度缓慢下降的过程，易造成混凝土内外温差大，混凝土体积发生收缩，在混凝土内产生较大的收缩应力，当收缩应力超过混凝土的抗拉强度，混凝土就会产生裂缝，使混凝土的强度、耐久性下降，从而直接影响到工程质量和大坝的安全。

大坝混凝土因温降收缩引起开裂一直是困扰大坝工程界的世界性难题，国内外从大坝混凝土设计、材料及施工等环节，选用中热水泥、掺加优质粉煤灰、预冷骨料、通水冷却、分块浇注（降低混凝土内外温差）等诸多温控措施，但许多工程仍出现开裂，据统计，全世界每年投入数百亿元用于大坝的维护加固。为解决水工大坝开裂问题，中国建筑材料科学研究总院从水泥的后期微膨胀性补偿大体积混凝土温降收缩和进一步降低水泥水化放热量入手，研制开发了微膨胀中热硅酸盐水泥和高强低热硅酸盐水泥，成功应用于国内数十个大型水电工程，取得了良好的应用效果，为大坝混凝土的温控防裂提供了新的解决方案和技术路径。

2.1.1　微膨胀中热硅酸盐水泥

2.1.1.1　简介

中热硅酸盐水泥（简称中热水泥），是以适当成分的硅酸盐水泥熟料，加入适量石膏，磨细制成的具有中等水化热的水硬性胶凝材料。中热水泥主要用于大体积混凝土工程，如水工大坝、高层建筑的基础等。美国、日本、中国等国标准都对中热硅酸盐水泥组成及性能指标要求提出了特殊要求，见表2-1和表2-2。

注：ASTM C150—18和JIS R5210—2009均规定水泥化学成分和矿物组成要求；GB 200—2003规定熟料化学成分和矿物组成要求。

20世纪70年代，在白山水电站建设中，使用MgO含量为3.0%～4.0%的高镁大坝水泥，多年的现场观察发现，白山大坝出现的工程裂缝少。为此，中国建筑材料科学研究总院等单位联合攻关，经过10多年的相关研究，提出采用MgO补偿收缩的大坝混凝土技术，开发了具有补偿收缩功能的微膨胀高镁中热水泥，利用水泥中方镁石具有延迟性微膨胀特性，使混凝土在温降过程中产生体积膨胀，补偿大坝混凝土温降产生的体积收缩，提高大坝混凝土的抗裂性和耐久性。

2.1.1.2　主要技术特性

（1）强度

中热水泥属于硅酸盐水泥体系，主要由硅酸盐矿物（硅酸三钙，C3S；硅酸二钙，C2S）和熔剂矿物（铝酸三钙，C3A；铁铝酸四钙，C4AF）组成，硅酸盐矿物是水泥强度主要贡献者，熔剂矿物对水泥水化热等有重要影响，同时对熟料烧成有促进作用。当提高中热水泥熟料MgO含量，会对水泥强度、水化热等性能产生影响，不同MgO含量的微膨胀中热硅酸盐水泥的强度性能见表2-3。

随着MgO含量的增加，微膨胀中热硅酸盐水泥的3d、7d和28d强度均随之下降，主要是由于水泥中MgO含量的增加，降低了水泥中硅酸盐矿物的含量，因而导致水泥各龄期强度有所降低，但当MgO含量≤7.0%时，水泥28d强度均≥42.5MPa，压蒸安定性合格，满足水电工程对水泥强度要求。

（2）水化热

水泥水化放热直接决定着大坝混凝土内部温升，进而对大坝的抗裂性能产生影响。为了有效降低水泥的水化热，应尽量降低中热水泥熟料中C3A含量，控制C3S含量，适当增加C2S和C4AF含量，以实现中热水泥具有良好的后期强度、较低的水化热。微膨胀中热硅酸盐水泥的水化热性能见表2-4。

MgO含量对微膨胀中热硅酸盐水泥的水化热影响不大，随着熟料中MgO含量增加，水化热呈缓慢下降趋势，但波动范围小，在5%以内。

（3）膨胀性能

中热水泥熟料中MgO以固溶和游离两种形式存在，其中固溶态MgO无膨胀作用，而以晶体形态存在的方镁石（见图2-1）在缓慢水化过程中自身体积会膨胀约117%，有后期微膨胀性。从图2-2可以看出，随着中热水泥熟料中氧化镁含量增加，微膨胀中热硅酸盐水泥熟料中方镁石特征峰随之增强，表明熟料中方镁石的含量也随之增加。

在（20±1）℃养护条件下，微膨胀中热硅酸盐水泥各龄期的净浆自由膨胀率见图2-3。当MgO含量小于7%时，微膨胀中热硅酸盐水泥28～150d的膨胀率增长0.05%左右，当MgO含量大于7%时，微膨胀中热硅酸盐水泥28～150d的膨胀率增长0.07%左右，表明微膨胀中热硅酸盐水泥中的MgO具有一定的后期（28d以后）微膨胀性；不同MgO含量的微膨胀中热硅酸盐水泥在150～210d的膨胀增进率较小，说明该水泥在150d后的膨胀趋于平缓。

不同MgO含量微膨胀中热硅酸盐水泥的混凝土自生体积变形性能见图2-4。随着微膨胀中热硅酸盐水泥中MgO含量的增加，混凝土自生体积变形呈正值，表明高MgO含量中热硅酸盐水泥的微膨胀特性，具有补偿大坝混凝土后期温降收缩能力。

2.1.1.3　生产及应用

微膨胀中热硅酸盐水泥的生产工艺与普通中热硅酸盐水泥基本一致，但结合实际生产情况，应采取相应的控制措施：

① 为提高生料中的镁含量，生料配料时，应增加高镁石灰石或白云石作为原材料。

② 高MgO熟料煅烧时液相出现温度低、液相量大，窑尾系统易出现结皮堵塞，煅烧操作时宜适当降低分解炉出口温度，优化风、煤、料和窑速的匹配，以保证窑况稳定。

③ 控制熟料冷却用风量，保证熟料中方镁石结晶大小和尺寸。

微膨胀中热硅酸盐水泥已在国内数十家大型水泥企业集团规模化稳定生产，近年来，为国内大型水电工程提供数千万吨微膨胀中热硅酸盐水泥，满足了工程建设的需求。微膨胀中热硅酸盐水泥成功实现在日产5000t预分解窑规模化稳定生产，见图2-5。微膨胀中热硅酸盐水泥已成功应用于国内10多个大型水电工程，包括：三峡工程（世界上装机最大的水利枢纽，见图2-6）、溪洛渡水电站（世界上装机最大的拱坝）、锦屏水电站（世界上最高的拱坝）等，提升了我国水电工程建设水平。

2.1.2　高强低热硅酸盐水泥

2.1.2.1　简介

低热硅酸盐水泥是以适当成分的硅酸盐水泥熟料，加入适量石膏，磨细制成的具有低水化热的水硬性胶凝材料，简称低热水泥，也主要用于水工大坝等大体积混凝土工程，以期进一步降低混凝土内部温升。国内外标准均对低热硅酸盐水泥作了特殊性能要求，中国、美国、日本等各国标准对低热硅酸盐水泥组成及性能指标要求分别见表2-5和表2-6。

注：ASTM C150—18和JIS R5210—2009均规定水泥化学成分和矿物组成要求；GB 200—2003规定熟料化学成分和矿物组成要求。

低热硅酸盐水泥具有低水化热、干缩小、高后期强度及强度增进率等性能特点，对提高大体积混凝土工程的抗裂性和耐久性具有显著的作用。20世纪30年代，美国建设胡佛大坝时便大量使用低热硅酸盐水泥，20世纪90年代，日本建造北海道明石大桥时也使用了低热硅酸盐水泥，但都未能有效解决低热硅酸盐水泥早期强度偏低（3d抗压强度≤10MPa）这一技术难题，使其难以达到建筑工程对于水泥强度性能的要求，影响工程周期，从而制约了实际推广应用，尤其是限制其在非大体积混凝土工程的应用。

“九五”～“十二五”期间，中国建筑材料科学研究总院等单位开展产学研联合攻关，开展了低热硅酸盐水泥制备及其应用技术的系统研发，较好解决了现有低热硅酸盐水泥早期强度低、应用受限的技术难题，实现在溪洛渡、向家坝等10余个重点水电工程规模应用，为解决水工大体积混凝土由于温度应力而导致的开裂问题提供了更好的技术途径。

2.1.2.2　主要技术特性

（1）高强低热硅酸盐水泥强度及水化热

① 高强低热硅酸盐水泥矿物组成对强度和水化热的影响　从熟料矿物形成、熟料的质量及水泥综合性能，尤其是水电工程耐久性考虑，低热硅酸盐水泥熟料的矿物匹配应符合以下基本原则：

a．在保证C2S含量要40%以上的前提下，适当增加熟料矿物体系中硅酸盐矿物的含量（75%以上），即适当增加C3S的含量，以保证所制备的低热硅酸盐水泥具有一定的早期强度，满足水电工程需要；

b．为提高水泥的抗裂耐久性并进一步降低水化热，应适当增加C4AF含量，降低C3A的含量。

低热硅酸盐水泥熟料中硅酸盐矿物、熔剂矿物对抗压强度、水化热影响规律分别见图2-7～图2-10。当硅酸盐矿物总量不变时，随着C3S含量增加，水泥强度提高，水化热升高，确定C3S适宜含量在30%～40%，C2S在40%～50%（图2-7和图2-8）；当熔剂矿物总量不变时，随着C3A含量增加，水化热增大，水泥强度变化不大，确定C3A 最佳含量为不大于3%，C4AF为15%～19%（图2-9和图2-10）。在四大熟料矿物中，C3S和C3A对于水化热的影响大，其含量需重点控制。

② 掺杂微量元素对低热硅酸盐水泥强度的影响　在低热硅酸盐水泥熟料中，掺杂适量的微量元素对低热水泥熟料的微观结构特征、贝利特晶型有显著的影响，能有效阻止熟料冷却过程中高温型贝利特向低温型转变，能稳定C2S高温晶型（α、α′），可明显提高C2S活性，进而提高低热硅酸盐水泥的强度。在熟料制备中复合掺杂微量元素，对于低热硅酸盐水泥熟料的结构和活性有显著的效果，其中钡、硫复掺和钡、硫、磷复掺时，低热硅酸盐水泥熟料中晶型留下的交叉双晶条纹变宽，α、α′型的形成量增多，熟料的活性显著提高；钡、磷复掺也能一定程度提高熟料活性。通过微量组分掺杂，可大幅度提高低热硅酸盐水泥熟料强度（图2-11～图2-13），3d强度可达19～21MPa，28d强度可达65～71MPa，90d强度可达75MPa左右，180d强度可达80MPa，其中SO3＋BaO掺杂效果最为显著，掺杂少量即可大幅度提高低热硅酸盐水泥的早后期强度。

（2）高强低热硅酸盐水泥混凝土性能

高强低热硅酸盐水泥配制的大坝混凝土配合比见表2-7，混凝土性能见表2-8和图2-14。高强低热硅酸盐水泥配制混凝土的抗裂性、抗冲磨性、抗冲击韧性等各方面性能均较好，具有优良的抗裂性和耐久性能。

2.1.2.3　生产及应用

高强低热硅酸盐水泥的生产工艺与普通中热硅酸盐水泥基本一致，但在实际生产中，应采取相应的控制措施：

① 提高生料均匀性，适当降低喂料量；

② 适当提高生料分解率，降低分解炉出口温度，优化风、煤、料和窑速的匹配，以保证窑况稳定和熟料中C2S矿物生长发育；

③ 控制熟料冷却用风量，提高冷却效果，保证熟料中高活性C2S矿物的形成。

高强低热硅酸盐水泥已在国内多家大型水泥企业规模化稳定生产，并成功应用于溪洛渡、向家坝、大岗山、枕头坝、猴子岩、大岗山、乌东德等10余个重点水电工程，应用效果良好。