1 概述
近年来, 我国西南水电建设方兴未艾, 继三峡电站和龙滩电站后, 正在开工建设和即将开始建设的有几十座大型水电工程, 如金沙江流域的溪洛渡、向家坝、乌东德、白鹤滩和金安桥水电工程等, 澜沧江流域的小湾电站, 雅砻江流域的锦屏、两河口、官地电站等, 开发水能资源对实施西部开发战略、实现“西电东送”, 优化和改善华中、华东地区能源结构, 减少环境污染, 发展西南经济, 缩小东西部差距, 实现我国经济建设的可持续发展具有十分重要的意义。
溪洛渡水电站位于四川省雷波县和云南省永善县境内金沙江干流上, 拦河坝为混凝土双曲拱坝, 坝顶高程610m, 最大坝高278m, 坝顶中心线弧长698.09m; 左右两岸布置地下厂房, 各安装9 台单机容量70 万kW 的水轮发电机组, 总装机容量为1 260万kW, 年发电量为571~640 亿kWh。
向家坝水电站位于云南省水富县( 右岸) 和四川省宜宾县( 左岸) 境内, 坝型为重力坝, 坝顶高程383m, 最大坝高161m, 坝顶长度909.3m。向家坝电站装机容量600 万kW( 共8 台机组, 每台75 万kW) 。
向家坝电站加上1 260 万kW的溪洛渡电站, 其年总发电量约大于三峡水电站, 是“西电东送”中路通道的骨干电源项目。
锦屏水电站包括锦屏一级、二级水电站, 总装机容量800～840 万kW。锦屏一级水电站位于四川省凉山州盐源县与木里县交界处, 混凝土双曲拱坝坝高305m, 为世界同类坝型中第一高坝, 是川电外送的主要电源点之一。
溪洛渡电站、向家坝电站和锦屏电站等大型水电工程的主体工程混凝土用水泥均采用各项性能指标符合国家标准(GB200- 2003) 要求的中热硅酸盐水泥( 简称中热水泥) , 还考虑到对这些大型水电工程大坝混凝土的耐久性及某些性能的进一步高质量要求, 还对所用的中热硅酸盐水泥的某些性能指标提出了更高和更严格的要求, 这是为了大型水电工程的高质量, 对中热水泥提出的进一步要求。
在一般情况下, 生产中热水泥时, 为了达到国家标准和工程用户所要求的强度、水化热、凝结时间等性能的指标, 生产厂家就必须首先确定适当的熟料矿物组成、比表面积控制范围、SO3 含量等工艺参数的最佳控制指标( 称为内控指标) 。在国家标准中有熟料矿物组成、比表面积、SO3%的指标, 但这仅是一个极限值, 也就是说, 厂家确定的这些内控指标, 必须在国家标准规定的范围内, 不得超越, 否则就不是该品种了, 但并不是厂家只要在国家标准规定的范围内, 随便取一个值作为内控指标就行的, 而是应该根据要求的水泥性能和本厂原燃材料情况、本厂生产工艺和设备条件等情况,通过试验并经生产实践, 才能确定这些内控指标的。三峡工程、溪洛渡、向家坝和锦屏等这些大型水电工程非同一般, 所用中热水泥除了强度、水化热等指标要满足国家标准要求的指标外, 还提出了MgO、R2O(碱含量)、SO3、比表面积、强度等指标要求, 为了满足这些大型水电工程对中热水泥的高质量要求, 厂家必须在生产工艺控制方面, 采取一系列措施, 确保中热水泥质量。
2 大型水电工程对中热水泥指标要求及分析
2.1 关于熟料中的MgO含量
当熟料中的MgO 以方镁石的形态存在, 它在水泥水化硬化后, 会缓慢的水化生成水镁石Mg(OH)2,产生体积膨胀, 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。这是我国建材部门和水电部门在上世纪70~80 年代通过多年的科研和工程实践, 得出的重要成果, 在白山、葛洲坝、丹江口等大型水电工程都得到了应用, 效果良好。三峡工程、溪洛渡向家坝工程都沿用了这一科技成果。如溪洛渡工程为了充分发挥熟料中MgO 的补偿收缩作用, 提出了MgO 含量指标为4.0%~5.0%。这一指标允许的波动范围甚小, 因此要求厂家必须严格选择成份稳定的高镁石灰石或白云石, 并加强控制高镁石灰石或白云石与普通石灰石搭配比例的准确和稳定, 否则很容易使MgO 含量不达标。
2.2 关于碱含量
溪洛度、向家坝和锦屏水电工程虽然使用的骨料基本是非活性的, 但为了万无一失, 对中热水泥还是提出了低碱的要求。水泥碱含量指标为R2O( 0.658×K2O+Na2O) ≤0.60%。这就要求厂家必须选择低碱的原料, 一般要求石灰石的碱含量≤0.2%; 黏土质原料的碱含量≤1.5%。
2.3 关于SO3含量
厂家在生产中热水泥时, 获得理想的中热水泥熟料后, 就应通过强度试验和凝结时间试验, 找出合适的SO3 含量内控指标。一般水泥厂化验室都知道要通过对该熟料采用不同石膏掺量时的强度试验, 作出强度- SO3%曲线图, 取其强度曲线峰值左右的一个SO3%范围( SO3%过高或过低都会使强度降低) , 作为SO3%的内控指标。根据经验, 当中热熟料C3A 含量为1%～3%时, SO3 含量一般应在1.6%～1.8%较为合适,当C3A 含量稍大于3%时, SO3 含量应在2.0%左右较为合适.。由于若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, 因此, SO3 含量稳定性的控制, 就显得特别重要, 而且, SO3 含量必须与水泥熟料矿物中的C3A含量相匹配。如溪洛渡工程提出了SO3 含量为“≤3.0%”的指标, 这一指标应该不难达到。只是要加强控制其含量的稳定性。
2.4 关于水泥比表面积
对于同一成分的水泥而言, 比表面积越低, 水化热就越低, 但强度也越低, 这是必然的。而比表面积对强度的影响, 要比对水化热的影响更为明显, 这是我们通过多年来的生产实践, 积累所得的经验。
水工大体积混凝土除了要求水泥的强度外, 还特别重视水泥的水化热, 因此, 厂家应尽量降低水泥的水化热。从生产角度看, 降低水泥的水化热有许多措施可循, 但必须要在本厂原燃材料、生产工艺设备、操作水平等条件的实际情况下, 采取各种措施去降低水化热, 比较有效的措施是降低熟料中的C3A 含量, 而若单纯地降低比表面积控制指标只会使强度较明显地降低, 就有可能造成强度不合格, 而对水化热的降低效果却会不太明显。
根据国内外的有关资料, 说明水泥比表面积高时, 会使混凝土收缩加大, 从而使混凝土易于产生裂缝( 主要是干缩裂缝) , 同时当比表面积高时, 当然水化热也会较高, 又易于使大体积混凝土产生温降裂缝。因此, 溪洛渡等工程为了避免或减少大坝混凝土的裂缝, 提出比表面积的非强制性指标为“宜250～320m2/kg”。厂家要加强工艺控制, 在保证强度和水化热达标的条件下, 使比表面积尽量符合溪洛渡工程要求的比表面积指标。
2.5 关于强度
对于大型水电大坝工程来说, 并不要求较高的早期强度( 3d) , 满足标准要求即可, 而要求28d 强度在一定范围内相对稳定, 因为大坝混凝土的配合比是相对固定的, 不可能随便改变, 水泥强度偏高波动, 必定会使水泥的水化热增加, 混凝土内部温升相应增加,混凝土开裂的可能性增大, 这是大坝大体积混凝土最不愿意出现的。
虽然大坝大体积混凝土不要较高的早期强度, 但是生产厂家还是必需要控制好3d、7d 和28d 强度符合国家标准要求的内控指标。28d 抗压强度控制值,应该大于标准值+富裕强度+3 倍的28d 抗压强度标准偏差。中热水泥的富裕强度要求不小于1.0MPa。溪洛渡水电工程要求的中热水泥28d 强度的适宜指标为不大于52.0MPa, 因此, 出厂水泥的28d 强度的标准偏差应控制在2.0 左右。
3 中热水泥熟料矿物组成设计及与比表面积、强度和水化热的关系
中热水泥属于硅酸盐水泥体系的水泥, 所以其生产工艺基本上与硅酸盐水泥相似, 但由于其有低水化热性能的要求, 因此, 其生产工艺控制措施就有别于一般的硅酸盐水泥, 又由于水化热与强度是互相矛盾的性能, 亦即水化热低时, 强度往往也相应降低, 如何使水化热低而强度仍满足要求, 同时, 还要使水泥的比表面积在适宜的范围内, 这就是中热水泥生产工艺的关键技术, 亦即其难点。厂家必须采取一系列工艺控制措施, 使水化热尽量的低, 而强度却降低不多。因此要对中热熟料的矿物组成进行合理设计, 并掌握好与比表面积、强度和水化热的关系, 在生产和质量控制中, 保持这些控制指标的稳定。
3.1 关于熟料矿物组成
中热水泥最主要的性能要求是在有足够的强度条件下, 具有尽量低的水化热, 而在生产中降低水化热的措施, 主要就是尽量降低熟料矿物组成中的C3A 含量和适当控制C3S 含量, 因为硅酸盐水泥熟料的矿物组成中C3A 的水化热是最高的, 其次是C3S,而C2S 和C4AF 的水化热较低。其具体水化热数据见表1 所示。
这四个熟料矿物水化时能发辉的强度作用是:C3S 早期和后期均能发挥较高的强度; C2S 早期强度很低, 但后期能发挥很高的强度; C3A 是早期强度高, 而后期已基本上无强度发辉; C4AF 是早期和后期均能发挥强度, 但强度不高。由此可见, 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。因此, 生产中热水泥的主要工艺措施, 就是尽量降低熟料中的C3A 含量, 并适当控制C3S 含量。由于要降低C3A 含量, 将牵涉到对原燃材料的要求和烧成制度的掌握等, 所以这在生产工艺上是存在一定难度的。为了获得足够的强度, 又能达到最低的水化热, 那么, C3A 含量应降低到什么程度和C3S 含量控制在什么范围, 这是生产中热水泥最基本的也是最关键的技术措施。当然, 这还会牵涉到磨制水泥时, 应采取的比表面积内控指标以及SO3%的内控指标。由于这些控制指标是相互关联、相互影响的, 这就要求厂家要合理地确定各个内控指标范围, 而其中熟料矿物组成内控指标的确定是最关键的, 也是最首要的。根据我们多年来的研究和实际经验, 尤其是通过提供三峡工程的三个厂家生产中热水泥的生产实践, 我们认为C3A 应控制愈低愈好, 因为C3A 在中热水泥中是不需要的一种矿物,它只会给水泥性能带来不利影响, 但是由于牵涉到对原燃材料的要求和烧成制度的掌握等, 一般较为适当的C3A 含量, 应控制在1%～3%的范围, 最好不要超过3%, 否则就难以使中热水泥达到高质量。因为当C3A 低时, 就有可能稍提高C4AF 含量, 同时可提高熟料的硅率, 从而提高C2S 含量, 使后期强度提高而水化热不高, 这是对中热水泥所要求的降低水化热和提高后期强度十分有利的措施。也是符合水电工程部门一般要求的中热水泥具有尽量低的水化热, 而早期强度不要求很高, 但要有较高的后期强度增长率的观点。但是, 溪洛渡工程曾提出了熟料中C3A 含量的非强制性指标为“宜3%～5%”, 这就使厂家生产高质量的中热水泥的工艺控制增加了困难,因此, 只能要求厂家要采取适当措施并加强工艺控制, 使C3A 含量在符合溪洛渡工程要求的适宜范围内尽量偏低控制, 使水化热尽可能的低, 但实际上这还是不可避免地会影响了中热水泥质量的提高, 目前溪洛渡工程设备物资部已取消了C3A 含量的非强制性指标, 这对提高中热水泥的质量是有利的。一般较为适当的C3S 含量, 应控制在50%左右。要达到以上矿物组成要求, 就必须选择适当的原燃材料、确定合适的配料方案、掌握正常的合理的烧成制度。从而才能获得较为理想的中热水泥熟料。再根据这样的熟料决定水泥的比表面积的内控指标和SO3 含量的内控指标。
3.2 水泥比表面积、熟料矿物组成与强度、水化热之间的关系
强度和水化热是中热水泥的用户在使用中要考虑的两个主要性能, 而水泥比表面积和熟料矿物组成是厂家在水泥生产中, 为了达到强度和水化热等性能要求, 要考虑的两个生产工艺参数, 这是必须要首先明确的概念。换句话说, 就是强度和水化热是使用部门可以根据工程需要, 向厂家提出的水泥性能指标,当然是要在国家标准允许的范围之内, 而熟料矿物组成和比表面积的内控指标一般是应该由厂家根据生产工艺需要来确定的。如果用户为了工程上的某些需要, 要向厂家提出熟料矿物组成和比表面积的要求时, 其指标就必须在厂家有可能达到的内控指标范围之内, 或者以非强制性指标提出也可。如溪洛渡工程提出的比表面积非强制性指标是“宜250~320m2/kg”。工厂在生产中, 不能用提高熟料矿物组成中能提高早期强度的某些组分来满足提高强度, 从而达到降低比表面积的目的。要使水泥达到适宜的比表面积, 而又要使水泥达到较高的强度和较低的水化热, 必须严格原燃材料的质量控制和管理以及生产过程的控制和管理, 否则, 就有可能反而造成不利的水泥质量情况。
例如, 在实际的生产情况中, 就发生过有的厂家为了满足用户提出的降低比表面积要求, 而提高熟料的C3A 来保证早期强度合格, 结果使水化热偏高, 这是得不偿失的。
4 中热水泥生产质量管理控制措施
溪洛渡等大型水电工程对中热水泥各项指标的要求的高质量及其需要的稳定性, 是对一个厂的生产技术和质量控制管理的检验, 厂家应从领导到岗位职工都要十分重视, 加强生产工艺控制, 严格质量管理,层层把关, 才能生产出符合要求的高质量的和质量稳定的中热水泥。
4.1 原燃材料的质量控制和管理
首先根据国家标准和工程提出的要求以及本厂的原燃材料情况和生产工艺和设备条件, 制订出合理的各项内控指标。石灰石和硅质原料的成分要求满足配料要求, 并且要稳定, 以减少生料的波动。对于硅质原料, 一般采用低碱的砂岩或者石英砂,如果是外购, 一定要在生产前保证存储量, 如果要和其他硅质原料搭配, 要搭配均匀, 特别是干法生产的厂家。
中热水泥的煤质是十分重要的, 要生产高质量和质量稳定的中热水泥, 必须使用优质的煤, 有优质稳定的燃煤, 才能生产出优质的、成分稳定的水泥熟料。一般来说, 煤的灰分应小于30%, 煤的发热量应大于23 000kJ/kg, 还要控制煤的含硫量, 熟料中的SO3 应不大于1.0%, 否则, 可能会降低熟料的强度。中热熟料烧成用煤, 一定要固定煤的品种和产地, 进厂检验后分批堆放, 搭配均化后入窑。
4.2 熟料的质量控制和管理
熟料质量是水泥质量的关键。在烧成中改换品种时, 由于中热熟料的C3A 较低, 要注意保护好窑皮, 要在检测到合格熟料后才分为中热熟料。化验室在按要求检测到熟料的游离氧化钙、立升重、以及熟料的C3S、C3A 和MgO 等不符合要求时, 要及时通知有关岗位分料, 另一方面, 烧成操作岗位发现窑况不好时, 如掉窑皮、结圈结块、飞砂料等不正常煅烧状况时, 也要及时通知分料, 不要等到检验结果出来后才分料, 烧成操作岗位和化验室密切配合, 共同把好中热熟料质量关。同时, 保持烧成窑的热工制度的稳定, 不要随便提高窑的产量。有联合储库的厂家, 应分批堆放, 搭配入磨。
4.3 出磨水泥的质量控制和管理
粉磨水泥前, 应保持熟料有一定的储量, 一是为了熟料的均化, 还有就是可以降低熟料入磨温度。改换中热品种时, 要在检测到合格的水泥后才进中热水泥库。水泥比表面积指标, 要根据以往经验以及本次煅烧熟料的品质来确定, 在确保水泥强度和水化热合格的前提下, 尽量将出磨水泥的比表面积控制在要求的适宜范围内, 要做到这一点, 必须要保证熟料煅烧质量以及熟料成分的稳定, 否则就很难生产出比表面积在适宜范围内的中热水泥。水泥中SO3 含量的内控指标要根据熟料中的C3A含量和强度- SO3 曲线确定, 在生产中要加强其含量稳定性的控制。
4.4 出厂水泥的质量控制和管理
出磨水泥应按品质存放入在不同的水泥库中, 待出磨水泥的3d 强度和3d 水化热等检验合格后, 再搭配出厂。为了提高出厂中热水泥的均匀性, 水泥储库应有均化措施, 有的工厂的水泥库有空气搅拌装置,但均化效果不明显, 可以建提升机装置进行倒库, 做到每个库都能自身倒库, 又能相互倒库。这样可以一个库进出磨水泥, 另外的库自身倒库, 倒库均匀后再进入散装小库, 就能做到较好的均化效果。该措施不需要太多资金, 能收到很好的均化效果, 还能降低水泥温度, 一般工厂都可以采用。
