第一講

低熱硅酸鹽水泥的

基本概況

低熱硅酸鹽水泥，簡(jiǎn)稱低熱水泥，是一種以硅酸二鈣（C2S，貝利特）為主導(dǎo)礦物的水泥，在國(guó)內(nèi)最早由中國(guó)建筑材料科學(xué)研究總院于20世紀(jì)90年代成功研制，經(jīng)過(guò)多年的改良與升級(jí)，目前已經(jīng)形成了成熟的工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)與工程應(yīng)用技術(shù)。低熱硅酸鹽水泥的水化放熱量相較普通硅酸鹽水泥更低，能夠有效降低混凝土溫升，減少溫度裂縫，并且其優(yōu)良的耐久性能能夠有效保證混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命與工程質(zhì)量。由于性能優(yōu)良，低熱硅酸鹽水泥已在水利工程大壩、大型橋梁承臺(tái)等大體積混凝土結(jié)構(gòu)中得到了廣泛的應(yīng)用，并且在對(duì)抗裂要求較高的混凝土結(jié)構(gòu)中有著極大的應(yīng)用前景。近年來(lái)，低熱硅酸鹽水泥陸續(xù)在溪洛渡、烏東德、白鶴灘等水電站大量應(yīng)用，有效地解決了大壩建設(shè)過(guò)程中的溫度裂縫問(wèn)題。

此外，低熱硅酸鹽水泥的主導(dǎo)礦物C2S的生成焓約為1350kJ/kg，與傳統(tǒng)水泥的主導(dǎo)礦物硅酸三鈣（C3S）相比，降低約25%，其熟料燒成溫度由1450℃降至1200~1350℃，因此生產(chǎn)過(guò)程中所需能耗低、碳排放量少。與普通硅酸鹽水泥相比，低熱硅酸鹽水泥在生產(chǎn)過(guò)程中的石灰石消耗量小，其熟料燒成溫度低50~100℃。通常造成土木工程能源消耗的主要來(lái)源有兩種——內(nèi)蘊(yùn)能量和運(yùn)行能量，分別指建筑材料制造和建筑施工過(guò)程中消耗的能量，以及工程對(duì)象運(yùn)作、維修及處置的能量。低熱硅酸鹽水泥較低的生產(chǎn)能耗和碳排放量以及優(yōu)良的耐久性能，能夠有效減少這兩大能源消耗。

一、基本技術(shù)指標(biāo)

低熱硅酸鹽水泥是在適當(dāng)成分的硅酸鹽水泥熟料中加入適量石膏而制成，其特征主要由礦物組成、水化熱性能、抗壓強(qiáng)度等關(guān)鍵指標(biāo)決定。國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)均對(duì)低熱硅酸鹽水泥作了特殊性能要求，中國(guó)、美國(guó)、日本三國(guó)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)低熱硅酸鹽水泥的組成及性能指標(biāo)要求分別見(jiàn)表1、表2。

表1　各國(guó)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)低熱硅酸鹽水泥化學(xué)組成和礦物成分要求

相關(guān)標(biāo)準(zhǔn) 類型 參數(shù)要求

C2S C3S C3A MgO SO3

GB/T 200—2017

（ 《中熱硅酸鹽水泥、低熱硅酸鹽水泥》，此為中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)） 低熱硅

酸鹽水泥 ≥40% — ≤6% ≤6% ≤3.5%

ASTM C150—2021

（《波特蘭水泥》，

此為美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)） Ⅳ型 ≥40% ≤35% ≤7% ≤6% ≤2.3%

JIS R 5210—2014

（《波特蘭水泥》，

此為日本標(biāo)準(zhǔn)） 低熱硅

酸鹽水泥 ≥40% — ≤6% ≤5% ≤3.5%

注：ASTM C150—2021和JIS R 5210—2014均規(guī)定水泥化學(xué)成分和礦物組成要求；GB/T 200—2017規(guī)定熟料化學(xué)成分和礦物組成要求。

表2　各國(guó)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)低熱硅酸鹽水泥水化熱性能及抗壓強(qiáng)度指標(biāo)要求

相關(guān)標(biāo)準(zhǔn) 水化熱性能/（kJ/kg） 抗壓強(qiáng)度/MPa

3d 7d 28d 7d 28d 91d

GB/T 200—2017 ≤230 ≤260 — ≥13 ≥42.5 —

ASTM C150—2021 — ≤250 ≤290 ≥7 ≥17 —

JIS R 5210—2014 — ≤250 ≤290 ≥7 ≥22.5 ≥42.5

在礦物組成方面，C2S作為低熱硅酸鹽水泥的主導(dǎo)礦物，中、美、日三國(guó)標(biāo)準(zhǔn)都將其含量規(guī)定在40%以上，因?yàn)檫@不僅能夠保證較低的水化放熱量，也能保證后期強(qiáng)度的有效增長(zhǎng)。C3S作為另一種關(guān)鍵的硅酸鹽礦物，通常在普通硅酸鹽水泥中的含量達(dá)到60%以上，但在低熱硅酸鹽水泥中，需要控制其含量，以減少水化放熱量。盡管我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)與日本標(biāo)準(zhǔn)并未對(duì)C3S的含量提出要求，但在實(shí)際生產(chǎn)中，通常其含量應(yīng)控制在35%以下。鋁酸三鈣（C3A）是水泥水化過(guò)程中放熱量最大的礦物，其放熱量是C2S的4倍、C3S的3倍，因此其含量必須嚴(yán)格控制。中、美、日三國(guó)標(biāo)準(zhǔn)都未對(duì)鐵鋁酸四鈣（C4AF）的含量作出明確要求，在實(shí)際生產(chǎn)中，其含量通常控制在12%以上，這樣能在一定程度上提升水泥的抗裂性能，因此鐵相含量高也是低熱硅酸鹽水泥礦物組成的一大特征。近年，中國(guó)建筑材料科學(xué)研究總院還研制出了高鎂低熱硅酸鹽水泥，通過(guò)引入4%~6%的膨脹組分氧化鎂（MgO），使MgO在水泥體系中發(fā)生延遲性體積膨脹，提高水泥的抗裂性能。