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从三峡工程看我国中热和低热水泥的质量

来源:CNBM  发布时间:2002-11-13

  水利水电工程中最主要的建筑物是拦河大坝、电厂厂房、船闸等,这些建筑物都是由大体积砼浇注而成,配制大体积砼的材料中最重要的材料,当属中热水泥或低热水泥(过去曾称为大坝水泥)。由此可见,水利水电工程的质量,与中热水泥或低热水泥的质量有很大的关系。
  中热水泥和低热水泥是一种特种水泥。这种水泥我国现行的国家标准是GB200—89《中热硅酸盐水泥(简称中热水泥)和低热矿渣硅酸盐水泥(简称低热矿渣水泥)》(1989年修订该标准前的GB200—63和GB200—80中称大坝水泥)。这种水泥要求的主要特性,是具有较低的水化热。众所周知,水泥水化时,要释放出大量热量,也就是所谓的水化热。在一般的建筑工程中,例如梁、柱等构筑物,其体积不会很大,因此砼中水泥水化释放的热量,将会及时散发出去,砼内部的温度不会升得很高,也就不会引起由于砼内部温度从很高降至气温的过程中的体积收缩,从而引起砼裂缝。但是,大体积砼内部的热量不可能及时散发出去,它积蓄在砼内部使其温度升高15~30℃或更高。根据砼浇注初始温度的高低,其内部温度可达到30~45℃或更高。砼在后期降温过程中,由于坝体砼热胀冷缩和内外部砼温度不一致以及基础约束等原因,使坝体内外部产生不同程度的拉应力,当拉应力大于砼抗拉强度极限值时,即产生裂缝。砼内部温升达到的最高温度,当然还与砼浇注时的初始温度有关,这就是一般水工工程多采取冬季施工,尽量避免夏季施工的原因。
  但是,对于如三峡工程等大型水工工程,就不可能采取夏季停止施工的办法,而只能采取严格的温控措施和采用较低水化热的水泥的办法来解决这一问题了。为了减少或避免砼后期产生体积收缩裂缝,水工工程在筑坝时必须采取一系列温控措施,例如:施工时分块分缝浇注砼,埋设冷却水管,加冰、预冷骨料等。另外,从材料方面,就必须要求采用较低水化热的水泥来减少砼内部积蓄的热量,以降低砼内部的绝热温升,避免或减少砼产生裂缝。所以,中热水泥或低热水泥是配制大体积砼不可缺少的胶凝材料。
  国际上各国都有中热水泥和低热水泥的品种。我国于20世纪60年代由中国建筑材料科学研究院研究成功这一品种,于1963年制定了国家标准GB200—63《大坝水泥》,并于1980年和1989年对该标准进行了两次修订。在1989年修订时,为了符合我国GB4131—84《水泥命名原则》的规定,也为了与国际上同类产品的名称一致,改称为中热硅酸盐水泥(简称中热水泥)和低热矿渣硅酸盐水泥(简称低热矿渣水泥)。我国20世纪60年代后兴建的许多大、中型水工工程大都采用了按该标准生产的中热水泥和低热矿渣水泥。例如已建成的二滩工程(采用渡口水泥厂生产的水泥)、丹江口(华新厂)、葛洲坝(华新厂、葛洲坝厂)、隔河岩(葛洲坝厂)、龙羊峡(永登厂)、刘家峡(永登厂)、大峡(永登厂)、三门峡(太原厂)、白山(抚顺厂)、潘家口(抚顺厂)、宝珠寺(峨眉厂)、安康(峨眉厂、耀县厂)、五强溪(石门厂)、万家寨(大同厂、太原厂)、东江(湘乡厂)、小浪底(洛阳厂)、棉花滩(永安厂、水口厂)等。正在兴建和即将兴建的大型水工工程主要有三峡工程(葛洲坝厂、华新厂、石门厂)、龙滩工程(柳州厂、红水河厂)、小湾工程(滇西厂)、溪落渡工程、向家坝工程等。据不完全统计,我国中热水泥和低热水泥的年产量,自1995年开始突破100万吨,1998年举世瞩目的三峡工程开始浇注大体积砼,使我国这种水泥年产量骤增,至2000年年产量已达160万吨以上,其中仅三峡工程于1999年~2001年3年砼浇注高峰期,共使用中热水泥约250万吨,三峡工程建成共需中热水泥500余万吨。其他陆续兴建的大、中型水电工程,每一工程也都需用这种水泥数十万吨或数百万吨,所以中热水泥和低热水泥是我国特种水泥中产量最大的品种。
  本文将对我国中热水泥和低热水泥的质量情况、国际上几个主要国家同类产品的质量情况,以及三峡工程使用的中热水泥质量情况作一简介和探讨。
    
  一 我国中热水泥和低热水泥与国际上同类产品的质量情况
    
  按我国国家标准GB200—89的规定,水化热为强制性指标,525号中热水泥和425号低热矿渣水泥的水化热和强度指标与世界几个主要国家同类产品的标准规定的该指标列于表1和表2。由表中可明显看出,我国中热水泥的水化热指标与美国和日本同类产品的水热指标相似,而强度指标我国的要高得多(按同为ISO强度方法的指标对比)。我国低热水泥的水化热指标比其他国家的低,而强度指标比其他国家的高或相当。由于强度和水化热是一对互相制约的性能,亦即当强度高时,水化热也必然相应提高。但对中热水泥和低热水泥而言,是要求水化热愈低愈好,同时强度还必须达到要求,要解决这一矛盾,就必须在生产工艺上采取一系列技术措施,包括制定适宜的工艺参数、加强工艺控制和要求具有严密的管理制度等。这就要求生产厂家具有较高的生产工艺技术水平。由此,可以认为,我国生产中热水泥和低热水泥的技术水平及其产品质量,在国际上都是领先的。
    
  二 三峡工程使用的中热水泥质量情况
    
  三峡工程配制大体积砼选定采用525号中热水泥,由葛洲坝水泥厂、华新水泥厂和石门特种水泥厂3家厂定点生产供应。这3家厂都是我国生产中热水泥具有丰富经验的大、中型水泥厂,其设备完善、生产技术水平较高、质量意识强、管理制度严密,具备提供三峡工程高质量中热水泥的条件。
    三峡总公司物资部对中热水泥的质量除了要求生产厂家的产品达到国家标准规定的所有技术要求外,还进一步提出对水泥中的MgO含量、碱含量和SO3含量的要求,现分述如下:
  1.关于MgO(氧化镁)含量
  中热硅酸盐水泥属硅酸盐类型的水泥,在这一类型的水泥熟料中的MgO,是经高温煅烧后多呈方镁石状态存在,它将在水泥硬化后的水泥石中缓慢水化,形成Mg(OH)2(水镁石),会产生体积膨胀,若MgO含量过高,膨胀率增大到一定程度,将造成砼结构破坏。所以,国际上和我国在硅酸盐类型的水泥(国际上称波特兰水泥)的国家标准中都对MgO含量规定了上限指标。我国是规定MgO≤5.0%,如通过压蒸安定性试验合格,允许放宽到6.0%。在实际生产中一般都是要求MgO含量愈低愈好,这一直是国内外水泥界所公认的观点。但我国在20世纪70年代水电部门和建材部门的工程技术人员,发现了一项意想不到的现象,亦即由某些水泥厂(主要是抚顺厂和本溪厂)由于石灰石中MgO含量较高的原因,生产出的中热和低热水泥中MgO含量较高(当然是在国标规定的允许范围内),这种水泥在水工工程(例如白山工程等)使用的实践中,发现其砼的裂缝比采用其他厂同类水泥时少。这一现象引起了水电部门和建材部门科技界的重视,经过南京化工学院(现南京工业大学)唐明述院士等人多年的研究,证明水泥熟料中少量MgO(在标准中允许的含量范围内)在砼硬化后期缓慢水化产生的微膨胀作用,可以起到补偿大体积砼后期降温阶段的体积收缩,而并不破坏砼结构,从而起到减少或避免大体积砼裂缝的作用。所以,近年来水电部门根据这一研究成果以及已有的工程实践,有时即向生产厂家提出要求控制水泥中的MgO含量在一定的范围之内。例如:丹江口工程即有此要求,也产生了良好效果。
  三峡工程也根据这一科研成果及工程实践效果,决定采取这一举措,向生产厂家提出控制中热水泥的MgO含量在3.5%~5.0%的范围内。根据这一要求,3个厂家生产的中热水泥实际MgO含量一般在4.2%~4.6%左右。这种水泥在三峡工程中使用,起到了砼后期具有微膨胀性能,达到了减少裂缝的效果。根据三峡工程有关部门的反映,坝体内埋设的仪器测出的砼后期自生体积变形多呈正值,这表明MgO的后期微膨胀作用起到了一定效果。这一举措,国际上未曾有过,当属我国首创。可以认为,它对三峡工程减少坝体裂缝起到一定作用。据悉,近期即将兴建的小湾水电工程(广西),对滇西水泥厂供应的中热水泥,也提出了控制MgO含量在一定范围的要求。
  2.关于碱含量
  国标中规定碱含量(Na2O+0.658K2O)为选择性指标,三峡工程根据长江水利科学院等单位对三峡工程采用的花岗岩粗、细骨料的研究结果,认为该骨料基本上是非活性的,但鉴于三峡工程为国家极重要的千秋大业,从工程安全和耐久性方面考虑,三峡工程所用中热水泥应严格控制碱含量不超过0.55%(国标规定低碱型中热水泥的碱含量不得超过0.60%),因此三峡工程所用的中热水泥属低碱型,而且比一般的低碱型水泥的碱含量要求更严。3个厂家生产的中热水泥实际碱含量一般在0.40%~0.45%左右。
  3.关于SO3(三氧化硫)百分比含量
  中热水泥中的SO3百分比含量在国标中规定不得超过3.5%。生产厂家将在指标的范围内,根据本厂水泥熟料的矿物组成、细度等工艺参数,通过试验,按要求的凝结时间、强度、水化热等性能情况,确定最佳SO3百分比含量的控制范围。用户本来没有必要向厂家提出SO3百分比含量的要求,但三峡工程考虑到水泥中SO3百分比含量如过高或过低,可能会影响对砼外加剂的适应性,因此对中热水泥中SO3百分比含量,提出不得过高或过低,并保持较为稳定的要求。3个厂家生产的中热水泥的SO3百分比含量一般波动范围为1.5%~1.9%左右。
  根据三峡总公司物资部对厂家提出的以上要求,厂家生产中热水泥的难度将大为增大。这就必须在生产工艺过程中,对原燃材料进行严格选择、调整并确定合适的熟料矿物组成范围、制定出合适的工艺控制参数并严加控制。提高质量检测水平、完善质量控制体系等一系列措施,从而确保生产出具有高质量和质量