低熱硅酸鹽水泥的研究進(jìn)展

黎 茜 陽運(yùn)霞 陳雪梅 王 寧 曲良煥

(1.嘉華特種水泥股份有限公司，四川 樂山614003;2.重慶一三六地質(zhì)隊(duì)，重慶404100)

目前，大規(guī)模的水利水電工程建設(shè)中包含許多大體積混凝土結(jié)構(gòu)的澆筑，傳統(tǒng)的硅酸鹽水泥以高鈣阿利特為主導(dǎo)礦物，存在著許多難以克服的缺點(diǎn)，如水化熱高，易產(chǎn)生溫差裂縫，干縮率大，抗化學(xué)侵蝕性能差、后期強(qiáng)度低等，給工程的耐久性帶來極大的影響。長期以來，大量專家學(xué)者都致力于水工混凝土開裂問題的研究，由此產(chǎn)生了中熱硅酸鹽水泥。但在實(shí)際應(yīng)用中，開裂問題并沒有得到很好的解決。發(fā)展一種新的無機(jī)功能膠凝材料以替代傳統(tǒng)水泥刻不容緩。低熱硅酸鹽水泥，又稱高貝利特水泥，應(yīng)運(yùn)而生了。

1 低熱硅酸鹽水泥簡介

1.1 研發(fā)過程

1998 年，中國建筑材料科學(xué)研究院、嘉華特種水泥股份有限公司(原四川嘉華企業(yè)(集團(tuán))股份有限公司)兩個(gè)單位合作設(shè)立“高貝利特水泥”項(xiàng)目，共同協(xié)作，聯(lián)合攻關(guān);1999 年，該項(xiàng)目被列為“九五”國家重點(diǎn)科技攻關(guān)“重中之重”專題項(xiàng)目，成為51個(gè)“兩重”專題項(xiàng)目中惟一的建材行業(yè)項(xiàng)目;“十五”期間，國家將“高貝利特水泥的開發(fā)與應(yīng)用研究”課題列入科技攻關(guān)計(jì)劃中，為推動(dòng)高貝利特水泥的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程和規(guī)?；瘧?yīng)用打下了良好的基礎(chǔ)。

1.2 成果優(yōu)勢

低熱硅酸鹽水泥是以適當(dāng)成分的硅酸鹽水泥熟料加入適量石膏，經(jīng)磨細(xì)制成的具有低水化熱的水硬性膠凝材料，是一種以硅酸二鈣C2S 為主導(dǎo)礦物，鋁酸三鈣C3S 含量較低的水泥。其主要的技術(shù)優(yōu)勢在于:

(1)水化熱低:3 d、7 d 水化熱值較同標(biāo)號的硅酸鹽水泥低約20%，極限溫升值比硅酸鹽水泥低15%以上［1］，這些結(jié)果預(yù)示著低熱硅酸鹽水泥具有良好的熱學(xué)性能，在大體積混凝土應(yīng)用方面有很大的潛力?？沽蛩猁}侵蝕能力強(qiáng):就耐蝕性能看來，在不同試驗(yàn)齡期、不同侵蝕介質(zhì)中，低熱硅酸鹽水泥的耐蝕系數(shù)均高于通用硅酸鹽水泥，特別是抗硫酸鹽侵蝕系數(shù)，比普通硅酸鹽水泥高近一倍。

(2)抗干縮能力強(qiáng):低熱硅酸鹽水泥各齡期的干縮率為普通硅酸鹽水泥的50% ～70%，且干縮穩(wěn)定期較短，28 d 后干縮率基本無變化。

耐磨性能好:經(jīng)測定，低熱硅酸鹽水泥的磨損量僅為1.33 kg/m2，遠(yuǎn)低于《道路水泥》國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的3.60 kg/m2的磨損量。

后期強(qiáng)度高:28 天膠砂強(qiáng)度高于42.5 MPa，改性后超過57 MPa，90 d 膠砂強(qiáng)度在60 MPa 左右，改性后可達(dá)90MPa。

需水量低:坍落度經(jīng)時(shí)損失小，混凝土外加劑適應(yīng)性好，具有優(yōu)良的施工性能。

(3)低能源消耗:通用硅酸鹽水泥熟料以高鈣阿利特為主導(dǎo)礦物，其燒成溫度較高，一般在1450℃左右。在不考慮其他熱損失的前提下，熟料的燒成熱耗主要來自兩個(gè)方面:一是熟料礦物(主要是阿利特礦物)的高溫形成;二是生料中石灰石的分解［2］。單礦物C3S 的燒成溫度在1 450 ℃左右，C2S 的燒成溫度在1 350 ℃左右。低熱硅酸鹽水泥熟料以C2S為主導(dǎo)礦物，生成溫度較低。從整個(gè)生產(chǎn)過程來說，生產(chǎn)低熱硅酸鹽水泥可有效降低燒成溫度100 ℃左右，從而降低10%左右的燒成能耗。

(4)低環(huán)境負(fù)荷:通常每生產(chǎn)1 噸通用硅酸鹽水泥熟料，消耗1.2 ～1.3 噸石灰石，0.2 ～0.25 噸粘土，0.1 ～0.2 噸標(biāo)準(zhǔn)煤，排放約1 噸CO2及一定量的SO3、NOx。從這個(gè)方面看來，因?yàn)镃2S 比C3S含鈣量低，所以低熱硅酸鹽水泥熟料中CaO 的含量較通用硅酸鹽水泥熟料低，可以減少生料中石灰石資源的用量，且對石灰石原料品位要求較低，與生態(tài)環(huán)境比較協(xié)調(diào)，資源消耗少，廢棄物排放少，環(huán)境負(fù)荷低。

3 低熱硅酸鹽水泥的應(yīng)用

當(dāng)前我國水泥行業(yè)產(chǎn)能已經(jīng)出現(xiàn)全局性、全方位的過剩，水泥企業(yè)部分生產(chǎn)線已限產(chǎn)、停產(chǎn)，競爭加劇，企業(yè)效益明顯下滑。一方面，企業(yè)需要更多的生產(chǎn)類似低熱硅酸鹽水泥這樣高性能，低資源消耗，低環(huán)境負(fù)荷，大用量的產(chǎn)品;另一方面，企業(yè)又必須認(rèn)識到，單一的水泥產(chǎn)品已經(jīng)不能滿足當(dāng)今社會(huì)需求，發(fā)展水泥基功能材料和商品混凝土勢在必行。

(1)抗沖磨混凝土用抗沖磨劑，目前，我國水利水電工程中普遍應(yīng)用有硅粉系列抗沖磨混凝土、改性環(huán)氧樹脂砂漿和HF 抗磨劑等，其均具有較好的抗沖磨能力。抗沖磨混凝土用抗沖磨劑的研制，充分利用了低熱硅酸鹽水泥水化熱低、后期強(qiáng)度高、干縮小、自生體積變形為微膨脹的性能優(yōu)點(diǎn)，針對其水化反應(yīng)慢，早期強(qiáng)度低等不足之處進(jìn)行改性，通過與砂、外加劑、礦物外摻料、填充材料的優(yōu)化調(diào)配，最終使其具有早期強(qiáng)度高、后期強(qiáng)度增長穩(wěn)定，與骨料粘結(jié)能力強(qiáng)、水化熱釋放低、抗裂優(yōu)異等特點(diǎn)。用低熱硅酸鹽水泥配制的抗沖磨混凝土用抗沖磨劑憑借其優(yōu)異的性能和低廉的價(jià)格，將具有廣泛的市場前景。

(2)高性能混凝土。高性能混凝土(High performance concrete，HPC)是20 世紀(jì)90 年代發(fā)展起來的一種水泥基材料，其制備思路是選用優(yōu)質(zhì)的原材料(如高標(biāo)號水泥、活性摻合料、優(yōu)質(zhì)集料等)，使用高效減水劑降低混凝土的水膠比，添加活性礦物摻合料提高混凝土的填充密實(shí)度和改善水化產(chǎn)物的形態(tài)，有時(shí)還加入纖維增強(qiáng)或與鋼管進(jìn)行復(fù)合來提高混凝土的強(qiáng)度和韌性。與普通混凝土相比，高性能混凝土除了具有較高的抗折抗壓強(qiáng)度外，還具有較高的抗劈拉強(qiáng)度、與鋼筋的粘結(jié)強(qiáng)度，抗?jié)B性、抗凍性、抗化學(xué)侵蝕、抗碳化以及耐磨性等也非常優(yōu)異。使用高性能混凝土修建的高抗震等級建筑物越來越受到人們的青睞，也越來越適應(yīng)當(dāng)今社會(huì)的需要，市場前景非常廣闊。

4 結(jié) 語

經(jīng)過十多年的不斷創(chuàng)新和進(jìn)步，低熱硅酸鹽水泥憑借其優(yōu)異的性能和在節(jié)能減排方面的突出貢獻(xiàn)在建材行業(yè)脫穎而出，一方面能大幅度提高混凝土的強(qiáng)度，確保建筑物的壽命與安全，另一方面則顯著減少水泥基材料的摻量，這對打破水泥工業(yè)低水平發(fā)展的格局，推動(dòng)水泥工業(yè)的結(jié)構(gòu)調(diào)整，將起到重要作用。

［1］趙平，劉克忠，隋同波，等. 粉煤灰對高貝利特水泥和混凝土的工作性、強(qiáng)度及水化熱的影響［J］. 水泥，2002，(3):1－4.

［2］胡曙光，著.《特種水泥》［M］. 武漢:武漢理工大學(xué)出版社，1999.