1 概述
近年來, 我國西南水電建設方興未艾, 繼三峽電站和龍灘電站后, 正在開工建設和即將開始建設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, 開發水能資源對實施西部開發戰略、實現“西電東送”, 優化和改善華中、華東地區能源結構, 減少環境污染, 發展西南經濟, 縮小東西部差距, 實現我國經濟建設的可持續發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 臺單機容量70 萬kW 的水輪發電機組, 總裝機容量為1 260萬kW, 年發電量為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, 壩型為重力壩, 壩頂高程383m, 最大壩高161m, 壩頂長度909.3m。向家壩電站裝機容量600 萬kW( 共8 臺機組, 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目。
錦屏水電站包括錦屏一級、二級水電站, 總裝機容量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性能指標符合國家標準(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一步高質量要求, 還對所用的中熱硅酸鹽水泥的某些性能指標提出了更高和更嚴格的要求, 這是為了大型水電工程的高質量, 對中熱水泥提出的進一步要求。
在一般情況下, 生產中熱水泥時, 為了達到國家標準和工程用戶所要求的強度、水化熱、凝結時間等性能的指標, 生產廠家就必須首先確定適當的熟料礦物組成、比表面積控制范圍、SO3 含量等工藝參數的最佳控制指標( 稱為內控指標) 。在國家標準中有熟料礦物組成、比表面積、SO3%的指標, 但這僅是一個極限值, 也就是說, 廠家確定的這些內控指標, 必須在國家標準規定的范圍內, 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準規定的范圍內, 隨便取一個值作為內控指標就行的, 而是應該根據要求的水泥性能和本廠原燃材料情況、本廠生產工藝和設備條件等情況,通過試驗并經生產實踐, 才能確定這些內控指標的。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度、水化熱等指標要滿足國家標準要求的指標外, 還提出了MgO、R2O(堿含量)、SO3、比表面積、強度等指標要求, 為了滿足這些大型水電工程對中熱水泥的高質量要求, 廠家必須在生產工藝控制方面, 采取一系列措施, 確保中熱水泥質量。
2 大型水電工程對中熱水泥指標要求及分析
2.1 關于熟料中的MgO含量
當熟料中的MgO 以方鎂石的形態存在, 它在水泥水化硬化后, 會緩慢的水化生成水鎂石Mg(OH)2,產生體積膨脹, 可起到補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生。這是我國建材部門和水電部門在上世紀70~80 年代通過多年的科研和工程實踐, 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揮熟料中MgO 的補償收縮作用, 提出了MgO 含量指標為4.0%~5.0%。這一指標允許的波動范圍甚小, 因此要求廠家必須嚴格選擇成份穩定的高鎂石灰石或白云石, 并加強控制高鎂石灰石或白云石與普通石灰石搭配比例的準確和穩定, 否則很容易使MgO 含量不達標。
2.2 關于堿含量
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%; 黏土質原料的堿含量≤1.5%。
2.3 關于SO3含量
廠家在生產中熱水泥時, 獲得理想的中熱水泥熟料后, 就應通過強度試驗和凝結時間試驗, 找出合適的SO3 含量內控指標。一般水泥廠化驗室都知道要通過對該熟料采用不同石膏摻量時的強度試驗, 作出強度- SO3%曲線圖, 取其強度曲線峰值左右的一個SO3%范圍( SO3%過高或過低都會使強度降低) , 作為SO3%的內控指標。根據經驗, 當中熱熟料C3A 含量為1%～3%時, SO3 含量一般應在1.6%～1.8%較為合適,當C3A 含量稍大于3%時, SO3 含量應在2.0%左右較為合適.。由于若SO3 含量控制不穩, 過高或過低, 不僅會影響水泥強度和凝結時間, 還將會影響混凝土外加劑的適應性, 因此, SO3 含量穩定性的控制, 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, 這一指標應該不難達到。只是要加強控制其含量的穩定性。
2.4 關于水泥比表面積
對于同一成分的水泥而言, 比表面積越低, 水化熱就越低, 但強度也越低, 這是必然的。而比表面積對強度的影響, 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實踐, 積累所得的經驗。
水工大體積混凝土除了要求水泥的強度外, 還特別重視水泥的水化熱, 因此, 廠家應盡量降低水泥的水化熱。從生產角度看, 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、生產工藝設備、操作水平等條件的實際情況下, 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只會使強度較明顯地降低, 就有可能造成強度不合格, 而對水化熱的降低效果卻會不太明顯。
根據國內外的有關資料, 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生裂縫( 主要是干縮裂縫) , 同時當比表面積高時, 當然水化熱也會較高, 又易于使大體積混凝土產生溫降裂縫。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制性指標為“宜250～320m2/kg”。廠家要加強工藝控制, 在保證強度和水化熱達標的條件下, 使比表面積盡量符合溪洛渡工程要求的比表面積指標。
2.5 關于強度
對于大型水電大壩工程來說, 并不要求較高的早期強度( 3d) , 滿足標準要求即可, 而要求28d 強度在一定范圍內相對穩定, 因為大壩混凝土的配合比是相對固定的, 不可能隨便改變, 水泥強度偏高波動, 必定會使水泥的水化熱增加, 混凝土內部溫升相應增加,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的。
雖然大壩大體積混凝土不要較高的早期強度, 但是生產廠家還是必需要控制好3d、7d 和28d 強度符合國家標準要求的內控指標。28d 抗壓強度控制值,應該大于標準值+富裕強度+3 倍的28d 抗壓強度標準偏差。中熱水泥的富裕強度要求不小于1.0MPa。溪洛渡水電工程要求的中熱水泥28d 強度的適宜指標為不大于52.0MPa, 因此, 出廠水泥的28d 強度的標準偏差應控制在2.0 左右。
3 中熱水泥熟料礦物組成設計及與比表面積、強度和水化熱的關系
中熱水泥屬于硅酸鹽水泥體系的水泥, 所以其生產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, 又由于水化熱與強度是互相矛盾的性能, 亦即水化熱低時, 強度往往也相應降低, 如何使水化熱低而強度仍滿足要求, 同時, 還要使水泥的比表面積在適宜的范圍內, 這就是中熱水泥生產工藝的關鍵技術, 亦即其難點。廠家必須采取一系列工藝控制措施, 使水化熱盡量的低, 而強度卻降低不多。因此要對中熱熟料的礦物組成進行合理設計, 并掌握好與比表面積、強度和水化熱的關系, 在生產和質量控制中, 保持這些控制指標的穩定。
3.1 關于熟料礦物組成
中熱水泥最主要的性能要求是在有足夠的強度條件下, 具有盡量低的水化熱, 而在生產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 含量和適當控制C3S 含量, 因為硅酸鹽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。其具體水化熱數據見表1 所示。
這四個熟料礦物水化時能發輝的強度作用是:C3S 早期和后期均能發揮較高的強度; C2S 早期強度很低, 但后期能發揮很高的強度; C3A 是早期強度高, 而后期已基本上無強度發輝; C4AF 是早期和后期均能發揮強度, 但強度不高。由此可見, 水化熱和強度是一對互相關聯又互相矛盾的性能, 亦即水化熱愈低則強度也愈低。因此, 生產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, 所以這在生產工藝上是存在一定難度的。為了獲得足夠的強度, 又能達到最低的水化熱, 那么, C3A 含量應降低到什么程度和C3S 含量控制在什么范圍, 這是生產中熱水泥最基本的也是最關鍵的技術措施。當然, 這還會牽涉到磨制水泥時, 應采取的比表面積內控指標以及SO3%的內控指標。由于這些控制指標是相互關聯、相互影響的, 這就要求廠家要合理地確定各個內控指標范圍, 而其中熟料礦物組成內控指標的確定是最關鍵的, 也是最首要的。根據我們多年來的研究和實際經驗, 尤其是通過提供三峽工程的三個廠家生產中熱水泥的生產實踐, 我們認為C3A 應控制愈低愈好, 因為C3A 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, 一般較為適當的C3A 含量, 應控制在1%～3%的范圍, 最好不要超過3%, 否則就難以使中熱水泥達到高質量。因為當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, 而早期強度不要求很高, 但要有較高的后期強度增長率的觀點。但是, 溪洛渡工程曾提出了熟料中C3A 含量的非強制性指標為“宜3%～5%”, 這就使廠家生產高質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措施并加強工藝控制, 使C3A 含量在符合溪洛渡工程要求的適宜范圍內盡量偏低控制, 使水化熱盡可能的低, 但實際上這還是不可避免地會影響了中熱水泥質量的提高, 目前溪洛渡工程設備物資部已取消了C3A 含量的非強制性指標, 這對提高中熱水泥的質量是有利的。一般較為適當的C3S 含量, 應控制在50%左右。要達到以上礦物組成要求, 就必須選擇適當的原燃材料、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。再根據這樣的熟料決定水泥的比表面積的內控指標和SO3 含量的內控指標。
3.2 水泥比表面積、熟料礦物組成與強度、水化熱之間的關系
強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中, 為了達到強度和水化熱等性能要求, 要考慮的兩個生產工藝參數, 這是必須要首先明確的概念。換句話說, 就是強度和水化熱是使用部門可以根據工程需要, 向廠家提出的水泥性能指標,當然是要在國家標準允許的范圍之內, 而熟料礦物組成和比表面積的內控指標一般是應該由廠家根據生產工藝需要來確定的。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, 其指標就必須在廠家有可能達到的內控指標范圍之內, 或者以非強制性指標提出也可。如溪洛渡工程提出的比表面積非強制性指標是“宜250~320m2/kg”。工廠在生產中, 不能用提高熟料礦物組成中能提高早期強度的某些組分來滿足提高強度, 從而達到降低比表面積的目的。要使水泥達到適宜的比表面積, 而又要使水泥達到較高的強度和較低的水化熱, 必須嚴格原燃材料的質量控制和管理以及生產過程的控制和管理, 否則, 就有可能反而造成不利的水泥質量情況。
例如, 在實際的生產情況中, 就發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 來保證早期強度合格, 結果使水化熱偏高, 這是得不償失的。
4 中熱水泥生產質量管理控制措施
溪洛渡等大型水電工程對中熱水泥各項指標的要求的高質量及其需要的穩定性, 是對一個廠的生產技術和質量控制管理的檢驗, 廠家應從領導到崗位職工都要十分重視, 加強生產工藝控制, 嚴格質量管理,層層把關, 才能生產出符合要求的高質量的和質量穩定的中熱水泥。
4.1 原燃材料的質量控制和管理
首先根據國家標準和工程提出的要求以及本廠的原燃材料情況和生產工藝和設備條件, 制訂出合理的各項內控指標。石灰石和硅質原料的成分要求滿足配料要求, 并且要穩定, 以減少生料的波動。對于硅質原料, 一般采用低堿的砂巖或者石英砂,如果是外購, 一定要在生產前保證存儲量, 如果要和其他硅質原料搭配, 要搭配均勻, 特別是干法生產的廠家。
中熱水泥的煤質是十分重要的, 要生產高質量和質量穩定的中熱水泥, 必須使用優質的煤, 有優質穩定的燃煤, 才能生產出優質的、成分穩定的水泥熟料。一般來說, 煤的灰分應小于30%, 煤的發熱量應大于23 000kJ/kg, 還要控制煤的含硫量, 熟料中的SO3 應不大于1.0%, 否則, 可能會降低熟料的強度。中熱熟料燒成用煤, 一定要固定煤的品種和產地, 進廠檢驗后分批堆放, 搭配均化后入窯。
4.2 熟料的質量控制和管理
熟料質量是水泥質量的關鍵。在燒成中改換品種時, 由于中熱熟料的C3A 較低, 要注意保護好窯皮, 要在檢測到合格熟料后才分為中熱熟料。化驗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, 要及時通知有關崗位分料, 另一方面, 燒成操作崗位發現窯況不好時, 如掉窯皮、結圈結塊、飛砂料等不正常煅燒狀況時, 也要及時通知分料, 不要等到檢驗結果出來后才分料, 燒成操作崗位和化驗室密切配合, 共同把好中熱熟料質量關。同時, 保持燒成窯的熱工制度的穩定, 不要隨便提高窯的產量。有聯合儲庫的廠家, 應分批堆放, 搭配入磨。
4.3 出磨水泥的質量控制和管理
粉磨水泥前, 應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中熱水泥庫。水泥比表面積指標, 要根據以往經驗以及本次煅燒熟料的品質來確定, 在確保水泥強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, 要做到這一點, 必須要保證熟料煅燒質量以及熟料成分的穩定, 否則就很難生產出比表面積在適宜范圍內的中熱水泥。水泥中SO3 含量的內控指標要根據熟料中的C3A含量和強度- SO3 曲線確定, 在生產中要加強其含量穩定性的控制。
4.4 出廠水泥的質量控制和管理
出磨水泥應按品質存放入在不同的水泥庫中, 待出磨水泥的3d 強度和3d 水化熱等檢驗合格后, 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, 可以建提升機裝置進行倒庫, 做到每個庫都能自身倒庫, 又能相互倒庫。這樣可以一個庫進出磨水泥, 另外的庫自身倒庫, 倒庫均勻后再進入散裝小庫, 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。
