第一講

低熱硅酸鹽水泥的

基本概況

低熱硅酸鹽水泥，簡稱低熱水泥，是一種以硅酸二鈣（C2S，貝利特）為主導礦物的水泥，在國內(nèi)最早由中國建筑材料科學研究總院于20世紀90年代成功研制，經(jīng)過多年的改良與升級，目前已經(jīng)形成了成熟的工業(yè)生產(chǎn)技術與工程應用技術。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、大型橋梁承臺等大體積混凝土結(jié)構(gòu)中得到了廣泛的應用，并且在對抗裂要求較高的混凝土結(jié)構(gòu)中有著極大的應用前景。近年來，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用，有效地解決了大壩建設過程中的溫度裂縫問題。

此外，低熱硅酸鹽水泥的主導礦物C2S的生成焓約為1350kJ/kg，與傳統(tǒng)水泥的主導礦物硅酸三鈣（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源有兩種——內(nèi)蘊能量和運行能量，分別指建筑材料制造和建筑施工過程中消耗的能量，以及工程對象運作、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、基本技術指標

低熱硅酸鹽水泥是在適當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、抗壓強度等關鍵指標決定。國內(nèi)外標準均對低熱硅酸鹽水泥作了特殊性能要求，中國、美國、日本三國標準對低熱硅酸鹽水泥的組成及性能指標要求分別見表1、表2。

表1　各國標準對低熱硅酸鹽水泥化學組成和礦物成分要求

相關標準 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》，此為中國標準） 低熱硅

酸鹽水泥 ≥40% — ≤6% ≤6% ≤3.5%

ASTM C150—2021

（《波特蘭水泥》，

此為美國標準） Ⅳ型 ≥40% ≤35% ≤7% ≤6% ≤2.3%

JIS R 5210—2014

（《波特蘭水泥》，

此為日本標準） 低熱硅

酸鹽水泥 ≥40% — ≤6% ≤5% ≤3.5%

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

表2　各國標準對低熱硅酸鹽水泥水化熱性能及抗壓強度指標要求

相關標準 水化熱性能/（kJ/kg） 抗壓強度/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礦物，中、美、日三國標準都將其含量規(guī)定在40%以上，因為這不僅能夠保證較低的水化放熱量，也能保證后期強度的有效增長。C3S作為另一種關鍵的硅酸鹽礦物，通常在普通硅酸鹽水泥中的含量達到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。盡管我國標準與日本標準并未對C3S的含量提出要求，但在實際生產(chǎn)中，通常其含量應控制在35%以下。鋁酸三鈣（C3A）是水泥水化過程中放熱量最大的礦物，其放熱量是C2S的4倍、C3S的3倍，因此其含量必須嚴格控制。中、美、日三國標準都未對鐵鋁酸四鈣（C4AF）的含量作出明確要求，在實際生產(chǎn)中，其含量通�？刂圃�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，中國建筑材料科學研究總院還研制出了高鎂低熱硅酸鹽水泥，通過引入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。