大型水電工程對中熱水泥性能指標(biāo)要求及生產(chǎn)工藝措施

　　1 概述

　　近年來， 我國西南水電建設(shè)方興未艾， 繼三峽電站和龍灘電站后， 正在開工建設(shè)和即將開始建設(shè)的有幾十座大型水電工程，如金沙江流域的溪洛渡、向家壩、烏東德、白鶴灘和金安橋水電工程等， 瀾滄江流域的小灣電站，雅礱江流域的錦屏、兩河口、官地電站等， 開發(fā)水能資源對實(shí)施西部開發(fā)戰(zhàn)略、實(shí)現(xiàn)“西電東送”， 優(yōu)化和改善華中、華東地區(qū)能源結(jié)構(gòu)， 減少環(huán)境污染， 發(fā)展西南經(jīng)濟(jì)， 縮小東西部差距，實(shí)現(xiàn)我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的可持續(xù)發(fā)展具有十分重要的意義。溪洛渡水電站位于四川省雷波縣和云南省永善縣境內(nèi)金沙江干流上， 攔河壩為混凝土雙曲拱壩， 壩頂高程610m，最大壩高278m， 壩頂中心線弧長698.09m； 左右兩岸布置地下廠房， 各安裝9 臺單機(jī)容量70 萬kW的水輪發(fā)電機(jī)組， 總裝機(jī)容量為1 260萬kW， 年發(fā)電量為571~640 億kWh。向家壩水電站位于云南省水富縣( 右岸) 和四川省宜賓縣( 左岸) 境內(nèi)， 壩型為重力壩， 壩頂高程383m，最大壩高161m， 壩頂長度909.3m。向家壩電站裝機(jī)容量600 萬kW( 共8 臺機(jī)組， 每臺75 萬kW) 。向家壩電站加上1 260 萬kW的溪洛渡電站， 其年總發(fā)電量約大于三峽水電站， 是“西電東送”中路通道的骨干電源項(xiàng)目。錦屏水電站包括錦屏一級、二級水電站， 總裝機(jī)容量800～840萬kW。錦屏一級水電站位于四川省涼山州鹽源縣與木里縣交界處， 混凝土雙曲拱壩壩高305m， 為世界同類壩型中第一高壩， 是川電外送的主要電源點(diǎn)之一。

　　溪洛渡電站、向家壩電站和錦屏電站等大型水電工程的主體工程混凝土用水泥均采用各項(xiàng)性能指標(biāo)符合國家標(biāo)準(zhǔn)(GB200-2003) 要求的中熱硅酸鹽水泥( 簡稱中熱水泥) ， 還考慮到對這些大型水電工程大壩混凝土的耐久性及某些性能的進(jìn)一步高質(zhì)量要求，還對所用的中熱硅酸鹽水泥的某些性能指標(biāo)提出了更高和更嚴(yán)格的要求， 這是為了大型水電工程的高質(zhì)量， 
對中熱水泥提出的進(jìn)一步要求。

　　在一般情況下， 生產(chǎn)中熱水泥時， 為了達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)和工程用戶所要求的強(qiáng)度、水化熱、凝結(jié)時間等性能的指標(biāo)，生產(chǎn)廠家就必須首先確定適當(dāng)?shù)?a target="_blank" style="color: #4284f4; text-decoration: underline;">熟料礦物組成、比表面積控制范圍、SO3 含量等工藝參數(shù)的最佳控制指標(biāo)( 稱為內(nèi)控指標(biāo))。在國家標(biāo)準(zhǔn)中有熟料礦物組成、比表面積、SO3%的指標(biāo)， 但這僅是一個極限值， 也就是說， 廠家確定的這些內(nèi)控指標(biāo)，必須在國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的范圍內(nèi)， 不得超越， 否則就不是該品種了， 但并不是廠家只要在國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的范圍內(nèi)，隨便取一個值作為內(nèi)控指標(biāo)就行的，而是應(yīng)該根據(jù)要求的水泥性能和本廠原燃材料情況、本廠生產(chǎn)工藝和設(shè)備條件等情況，通過試驗(yàn)并經(jīng)生產(chǎn)實(shí)踐，才能確定這些內(nèi)控指標(biāo)的。三峽工程、溪洛渡、向家壩和錦屏等這些大型水電工程非同一般，所用中熱水泥除了強(qiáng)度、水化熱等指標(biāo)要滿足國家標(biāo)準(zhǔn)要求的指標(biāo)外，還提出了MgO、R2O(堿含量)、SO3、比表面積、強(qiáng)度等指標(biāo)要求， 為了滿足這些大型水電工程對中熱水泥的高質(zhì)量要求，廠家必須在生產(chǎn)工藝控制方面， 采取一系列措施， 確保中熱水泥質(zhì)量。

　　2 大型水電工程對中熱水泥指標(biāo)要求及分析

　　2.1 關(guān)于熟料中的MgO含量

　　當(dāng)熟料中的MgO 以方鎂石的形態(tài)存在， 它在水泥水化硬化后， 會緩慢的水化生成水鎂石Mg(OH)2，產(chǎn)生體積膨脹，可起到補(bǔ)償大體積混凝土后期降溫階段的體積收縮，從而可避免或減少大體積混凝土的裂縫產(chǎn)生。這是我國建材部門和水電部門在上世紀(jì)70~80 年代通過多年的科研和工程實(shí)踐，得出的重要成果， 在白山、葛洲壩、丹江口等大型水電工程都得到了應(yīng)用，效果良好。三峽工程、溪洛渡向家壩工程都沿用了這一科技成果。如溪洛渡工程為了充分發(fā)揮熟料中MgO 的補(bǔ)償收縮作用，提出了MgO 含量指標(biāo)為4.0%~5.0%。這一指標(biāo)允許的波動范圍甚小，因此要求廠家必須嚴(yán)格選擇成份穩(wěn)定的高鎂石灰石或白云石， 并加強(qiáng)控制高鎂石灰石或白云石與普通石灰石搭配比例的準(zhǔn)確和穩(wěn)定，否則很容易使MgO 含量不達(dá)標(biāo)。

　　2.2 關(guān)于堿含量

　　溪洛度、向家壩和錦屏水電工程雖然使用的骨料基本是非活性的， 但為了萬無一失，對中熱水泥還是提出了低堿的要求。水泥堿含量指標(biāo)為R2O( 0.658×K2O+Na2O)≤0.60%。這就要求廠家必須選擇低堿的原料， 一般要求石灰石的堿含量≤0.2%； 黏土質(zhì)原料的堿含量≤1.5%。

　　2.3 關(guān)于SO3含量

　　廠家在生產(chǎn)中熱水泥時， 獲得理想的中熱水泥熟料后， 就應(yīng)通過強(qiáng)度試驗(yàn)和凝結(jié)時間試驗(yàn)， 找出合適的SO3含量內(nèi)控指標(biāo)。一般水泥廠化驗(yàn)室都知道要通過對該熟料采用不同石膏摻量時的強(qiáng)度試驗(yàn)， 作出強(qiáng)度- SO3%曲線圖，取其強(qiáng)度曲線峰值左右的一個SO3%范圍( SO3%過高或過低都會使強(qiáng)度降低) ， 作為SO3%的內(nèi)控指標(biāo)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)中熱熟料C3A 含量為1%～3%時， SO3 含量一般應(yīng)在1.6%～1.8%較為合適，當(dāng)C3A 含量稍大于3%時， SO3含量應(yīng)在2.0%左右較為合適.。由于若SO3 含量控制不穩(wěn)， 過高或過低， 不僅會影響水泥強(qiáng)度和凝結(jié)時間，還將會影響混凝土外加劑的適應(yīng)性， 因此， SO3 含量穩(wěn)定性的控制， 就顯得特別重要， 而且， SO3含量必須與水泥熟料礦物中的C3A含量相匹配。如溪洛渡工程提出了SO3 含量為“≤3.0%”的指標(biāo)，這一指標(biāo)應(yīng)該不難達(dá)到。只是要加強(qiáng)控制其含量的穩(wěn)定性。

　　2.4 關(guān)于水泥比表面積

　　對于同一成分的水泥而言， 比表面積越低， 水化熱就越低， 但強(qiáng)度也越低， 這是必然的。而比表面積對強(qiáng)度的影響，要比對水化熱的影響更為明顯， 這是我們通過多年來的生產(chǎn)實(shí)踐， 積累所得的經(jīng)驗(yàn)。水工大體積混凝土除了要求水泥的強(qiáng)度外， 還特別重視水泥的水化熱， 因此， 廠家應(yīng)盡量降低水泥的水化熱。從生產(chǎn)角度看，降低水泥的水化熱有許多措施可循， 但必須要在本廠原燃材料、生產(chǎn)工藝設(shè)備、操作水平等條件的實(shí)際情況下，采取各種措施去降低水化熱， 比較有效的措施是降低熟料中的C3A 含量，而若單純地降低比表面積控制指標(biāo)只會使強(qiáng)度較明顯地降低， 就有可能造成強(qiáng)度不合格， 而對水化熱的降低效果卻會不太明顯。

　　根據(jù)國內(nèi)外的有關(guān)資料， 說明水泥比表面積高時， 會使混凝土收縮加大， 從而使混凝土易于產(chǎn)生裂縫( 主要是干縮裂縫) ，同時當(dāng)比表面積高時， 當(dāng)然水化熱也會較高， 又易于使大體積混凝土產(chǎn)生溫降裂縫。因此，溪洛渡等工程為了避免或減少大壩混凝土的裂縫，提出比表面積的非強(qiáng)制性指標(biāo)為“宜250～320m2/kg”。廠家要加強(qiáng)工藝控制， 在保證強(qiáng)度和水化熱達(dá)標(biāo)的條件下，使比表面積盡量符合溪洛渡工程要求的比表面積指標(biāo)。

　　2.5 關(guān)于強(qiáng)度

　　對于大型水電大壩工程來說， 并不要求較高的早期強(qiáng)度( 3d) ， 滿足標(biāo)準(zhǔn)要求即可， 而要求28d強(qiáng)度在一定范圍內(nèi)相對穩(wěn)定， 因?yàn)榇髩位炷恋呐浜媳仁窍鄬潭ǖ模?nbsp;不可能隨便改變， 水泥強(qiáng)度偏高波動，必定會使水泥的水化熱增加， 混凝土內(nèi)部溫升相應(yīng)增加，混凝土開裂的可能性增大， 這是大壩大體積混凝土最不愿意出現(xiàn)的。雖然大壩大體積混凝土不要較高的早期強(qiáng)度， 但是生產(chǎn)廠家還是必需要控制好3d、7d 和28d強(qiáng)度符合國家標(biāo)準(zhǔn)要求的內(nèi)控指標(biāo)。28d 抗壓強(qiáng)度控制值，應(yīng)該大于標(biāo)準(zhǔn)值+富裕強(qiáng)度+3 倍的28d抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)偏差。中熱水泥的富裕強(qiáng)度要求不小于1.0MPa。溪洛渡水電工程要求的中熱水泥28d強(qiáng)度的適宜指標(biāo)為不大于52.0MPa， 因此， 出廠水泥的28d 強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)偏差應(yīng)控制在2.0 左右。

　　3 中熱水泥熟料礦物組成設(shè)計及與比表面積、強(qiáng)度和水化熱的關(guān)系

　　中熱水泥屬于硅酸鹽水泥體系的水泥， 所以其生產(chǎn)工藝基本上與硅酸鹽水泥相似， 但由于其有低水化熱性能的要求， 因此，其生產(chǎn)工藝控制措施就有別于一般的硅酸鹽水泥， 又由于水化熱與強(qiáng)度是互相矛盾的性能， 亦即水化熱低時， 強(qiáng)度往往也相應(yīng)降低，如何使水化熱低而強(qiáng)度仍滿足要求， 同時， 還要使水泥的比表面積在適宜的范圍內(nèi)， 這就是中熱水泥生產(chǎn)工藝的關(guān)鍵技術(shù)，亦即其難點(diǎn)。廠家必須采取一系列工藝控制措施， 使水化熱盡量的低， 而強(qiáng)度卻降低不多。因此要對中熱熟料的礦物組成進(jìn)行合理設(shè)計，并掌握好與比表面積、強(qiáng)度和水化熱的關(guān)系， 在生產(chǎn)和質(zhì)量控制中， 保持這些控制指標(biāo)的穩(wěn)定。

　　3.1 關(guān)于熟料礦物組成

　　中熱水泥最主要的性能要求是在有足夠的強(qiáng)度條件下， 具有盡量低的水化熱， 而在生產(chǎn)中降低水化熱的措施，主要就是盡量降低熟料礦物組成中的C3A 含量和適當(dāng)控制C3S 含量， 因?yàn)楣杷猁}水泥熟料的礦物組成中C3A的水化熱是最高的， 其次是C3S，而C2S 和C4AF 的水化熱較低。其具體水化熱數(shù)據(jù)見表1 所示。

　　這四個熟料礦物水化時能發(fā)輝的強(qiáng)度作用是:C3S 早期和后期均能發(fā)揮較高的強(qiáng)度； C2S 早期強(qiáng)度很低，但后期能發(fā)揮很高的強(qiáng)度； C3A 是早期強(qiáng)度高， 而后期已基本上無強(qiáng)度發(fā)輝； C4AF 是早期和后期均能發(fā)揮強(qiáng)度，但強(qiáng)度不高。由此可見， 水化熱和強(qiáng)度是一對互相關(guān)聯(lián)又互相矛盾的性能， 亦即水化熱愈低則強(qiáng)度也愈低。因此，生產(chǎn)中熱水泥的主要工藝措施， 就是盡量降低熟料中的C3A 含量， 并適當(dāng)控制C3S 含量。由于要降低C3A 含量，將牽涉到對原燃材料的要求和燒成制度的掌握等， 所以這在生產(chǎn)工藝上是存在一定難度的。為了獲得足夠的強(qiáng)度，又能達(dá)到最低的水化熱， 那么， C3A 含量應(yīng)降低到什么程度和C3S 含量控制在什么范圍，這是生產(chǎn)中熱水泥最基本的也是最關(guān)鍵的技術(shù)措施。當(dāng)然， 這還會牽涉到磨制水泥時，應(yīng)采取的比表面積內(nèi)控指標(biāo)以及SO3%的內(nèi)控指標(biāo)。由于這些控制指標(biāo)是相互關(guān)聯(lián)、相互影響的，這就要求廠家要合理地確定各個內(nèi)控指標(biāo)范圍， 而其中熟料礦物組成內(nèi)控指標(biāo)的確定是最關(guān)鍵的，也是最首要的。根據(jù)我們多年來的研究和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)， 尤其是通過提供三峽工程的三個廠家生產(chǎn)中熱水泥的生產(chǎn)實(shí)踐， 我們認(rèn)為C3A應(yīng)控制愈低愈好， 因?yàn)镃3A 在中熱水泥中是不需要的一種礦物，它只會給水泥性能帶來不利影響，但是由于牽涉到對原燃材料的要求和燒成制度的掌握等， 一般較為適當(dāng)?shù)腃3A 含量， 應(yīng)控制在1%～3%的范圍，最好不要超過3%， 否則就難以使中熱水泥達(dá)到高質(zhì)量。因?yàn)楫?dāng)C3A 低時， 就有可能稍提高C4AF 含量，同時可提高熟料的硅率， 從而提高C2S 含量， 使后期強(qiáng)度提高而水化熱不高，這是對中熱水泥所要求的降低水化熱和提高后期強(qiáng)度十分有利的措施。也是符合水電工程部門一般要求的中熱水泥具有盡量低的水化熱，而早期強(qiáng)度不要求很高， 但要有較高的后期強(qiáng)度增長率的觀點(diǎn)。但是， 溪洛渡工程曾提出了熟料中C3A含量的非強(qiáng)制性指標(biāo)為“宜3%～5%”， 這就使廠家生產(chǎn)高質(zhì)量的中熱水泥的工藝控制增加了困難，因此，只能要求廠家要采取適當(dāng)措施并加強(qiáng)工藝控制， 使C3A 含量在符合溪洛渡工程要求的適宜范圍內(nèi)盡量偏低控制，使水化熱盡可能的低， 但實(shí)際上這還是不可避免地會影響了中熱水泥質(zhì)量的提高， 目前溪洛渡工程設(shè)備物資部已取消了C3A含量的非強(qiáng)制性指標(biāo)， 這對提高中熱水泥的質(zhì)量是有利的。一般較為適當(dāng)?shù)腃3S 含量，應(yīng)控制在50%左右。要達(dá)到以上礦物組成要求，就必須選擇適當(dāng)?shù)脑疾牧?、確定合適的配料方案、掌握正常的合理的燒成制度。從而才能獲得較為理想的中熱水泥熟料。再根據(jù)這樣的熟料決定水泥的比表面積的內(nèi)控指標(biāo)和SO3含量的內(nèi)控指標(biāo)。

　　3.2 水泥比表面積、熟料礦物組成與強(qiáng)度、水化熱之間的關(guān)系

　　強(qiáng)度和水化熱是中熱水泥的用戶在使用中要考慮的兩個主要性能， 而水泥比表面積和熟料礦物組成是廠家在水泥生產(chǎn)中，為了達(dá)到強(qiáng)度和水化熱等性能要求， 要考慮的兩個生產(chǎn)工藝參數(shù)， 這是必須要首先明確的概念。換句話說，就是強(qiáng)度和水化熱是使用部門可以根據(jù)工程需要， 向廠家提出的水泥性能指標(biāo)，當(dāng)然是要在國家標(biāo)準(zhǔn)允許的范圍之內(nèi)，而熟料礦物組成和比表面積的內(nèi)控指標(biāo)一般是應(yīng)該由廠家根據(jù)生產(chǎn)工藝需要來確定的。如果用戶為了工程上的某些需要，要向廠家提出熟料礦物組成和比表面積的要求時， 其指標(biāo)就必須在廠家有可能達(dá)到的內(nèi)控指標(biāo)范圍之內(nèi)，或者以非強(qiáng)制性指標(biāo)提出也可。如溪洛渡工程提出的比表面積非強(qiáng)制性指標(biāo)是“宜250~320m2/kg”。工廠在生產(chǎn)中，不能用提高熟料礦物組成中能提高早期強(qiáng)度的某些組分來滿足提高強(qiáng)度， 從而達(dá)到降低比表面積的目的。要使水泥達(dá)到適宜的比表面積，而又要使水泥達(dá)到較高的強(qiáng)度和較低的水化熱， 必須嚴(yán)格原燃材料的質(zhì)量控制和管理以及生產(chǎn)過程的控制和管理， 否則，就有可能反而造成不利的水泥質(zhì)量情況。例如， 在實(shí)際的生產(chǎn)情況中， 就發(fā)生過有的廠家為了滿足用戶提出的降低比表面積要求， 而提高熟料的C3A來保證早期強(qiáng)度合格， 結(jié)果使水化熱偏高， 這是得不償失的。

　　4 中熱水泥生產(chǎn)質(zhì)量管理控制措施

　　溪洛渡等大型水電工程對中熱水泥各項(xiàng)指標(biāo)的要求的高質(zhì)量及其需要的穩(wěn)定性， 是對一個廠的生產(chǎn)技術(shù)和質(zhì)量控制管理的檢驗(yàn)，廠家應(yīng)從領(lǐng)導(dǎo)到崗位職工都要十分重視， 加強(qiáng)生產(chǎn)工藝控制， 嚴(yán)格質(zhì)量管理，層層把關(guān)，才能生產(chǎn)出符合要求的高質(zhì)量的和質(zhì)量穩(wěn)定的中熱水泥。

　　4.1 原燃材料的質(zhì)量控制和管理

　　首先根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)和工程提出的要求以及本廠的原燃材料情況和生產(chǎn)工藝和設(shè)備條件，制訂出合理的各項(xiàng)內(nèi)控指標(biāo)。石灰石和硅質(zhì)原料的成分要求滿足配料要求， 并且要穩(wěn)定， 以減少生料的波動。對于硅質(zhì)原料，一般采用低堿的砂巖或者石英砂，如果是外購， 一定要在生產(chǎn)前保證存儲量， 如果要和其他硅質(zhì)原料搭配， 要搭配均勻，特別是干法生產(chǎn)的廠家，中熱水泥的煤質(zhì)是十分重要的， 要生產(chǎn)高質(zhì)量和質(zhì)量穩(wěn)定的中熱水泥， 必須使用優(yōu)質(zhì)的煤， 有優(yōu)質(zhì)穩(wěn)定的燃煤，才能生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)的、成分穩(wěn)定的水泥熟料。一般來說， 煤的灰分應(yīng)小于30%， 煤的發(fā)熱量應(yīng)大于23 000kJ/kg，還要控制煤的含硫量， 熟料中的SO3 應(yīng)不大于1.0%， 否則， 可能會降低熟料的強(qiáng)度。中熱熟料燒成用煤， 一定要固定煤的品種和產(chǎn)地， 進(jìn)廠檢驗(yàn)后分批堆放， 搭配均化后入窯。

　　4.2 熟料的質(zhì)量控制和管理

　　熟料質(zhì)量是水泥質(zhì)量的關(guān)鍵。在燒成中改換品種時， 由于中熱熟料的C3A 較低， 要注意保護(hù)好窯皮，要在檢測到合格熟料后才分為中熱熟料?；?yàn)室在按要求檢測到熟料的游離氧化鈣、立升重、以及熟料的C3S、C3A 和MgO等不符合要求時， 要及時通知有關(guān)崗位分料， 另一方面， 燒成操作崗位發(fā)現(xiàn)窯況不好時，如掉窯皮、結(jié)圈結(jié)塊、飛砂料等不正常煅燒狀況時， 也要及時通知分料， 不要等到檢驗(yàn)結(jié)果出來后才分料，燒成操作崗位和化驗(yàn)室密切配合， 共同把好中熱熟料質(zhì)量關(guān)。同時， 保持燒成窯的熱工制度的穩(wěn)定，不要隨便提高窯的產(chǎn)量。有聯(lián)合儲庫的廠家， 應(yīng)分批堆放， 搭配入磨。

　　4.3 出磨水泥的質(zhì)量控制和管理

　　粉磨水泥前， 應(yīng)保持熟料有一定的儲量， 一是為了熟料的均化， 還有就是可以降低熟料入磨溫度。改換中熱品種時，要在檢測到合格的水泥后才進(jìn)中熱水泥庫。水泥比表面積指標(biāo)， 要根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)以及本次煅燒熟料的品質(zhì)來確定，在確保水泥強(qiáng)度和水化熱合格的前提下， 盡量將出磨水泥的比表面積控制在要求的適宜范圍內(nèi)， 要做到這一點(diǎn)，必須要保證熟料煅燒質(zhì)量以及熟料成分的穩(wěn)定， 否則就很難生產(chǎn)出比表面積在適宜范圍內(nèi)的中熱水泥。水泥中SO3含量的內(nèi)控指標(biāo)要根據(jù)熟料中的C3A含量和強(qiáng)度- SO3 曲線確定， 在生產(chǎn)中要加強(qiáng)其含量穩(wěn)定性的控制。

　　4.4 出廠水泥的質(zhì)量控制和管理

　　出磨水泥應(yīng)按品質(zhì)存放入在不同的水泥庫中， 待出磨水泥的3d 強(qiáng)度和3d 水化熱等檢驗(yàn)合格后，再搭配出廠。為了提高出廠中熱水泥的均勻性， 水泥儲庫應(yīng)有均化措施， 有的工廠的水泥庫有空氣攪拌裝置，但均化效果不明顯，可以建提升機(jī)裝置進(jìn)行倒庫， 做到每個庫都能自身倒庫， 又能相互倒庫。這樣可以一個庫進(jìn)出磨水泥， 另外的庫自身倒庫，倒庫均勻后再進(jìn)入散裝小庫， 就能做到較好的均化效果。該措施不需要太多資金， 能收到很好的均化效果， 還能降低水泥溫度，一般工廠都可以采用。