2.2　核电工程用硅酸盐水泥

核能已成为人类使用的重要能源之一，是电力工业的重要组成部分，世界各国争相积极稳妥推进核电站建设。核电工程的核岛阀基、安全壳等关键部位属于大体积混凝土工程，其既要具备较高的早期强度以满足施工需要，又要防止温度裂缝。在我国核电工程发展初期，核电工程建设用水泥主要是进口，如秦山一期核电站全部使用了进口核电水泥。一个核电站完整的工程建设周期较长（5～10年），水泥需求量大，全部采用进口水泥价格昂贵、长期工地现场储存易导致水泥品质下降、国内外水泥检验标准不统一，以上因素均不利于我国对先进核电工程建设技术的消化、吸收、转化。20世纪90年代，我国核电设计部门在参考和借鉴国外（美国、法国等）水泥标准的经验基础上，对国产水泥提出了一些高早强、中等水化热、干缩小等的特殊技术要求。但由于缺乏系统研究，也没有相应的标准作为技术支撑，我国核电工程建设中广泛采用了GB 175—2007中普通硅酸盐水泥（P.O）和硅酸盐水泥（P.Ⅰ和P.Ⅱ）等多个通用水泥品种，水泥水化热高、收缩大，难以满足核电混凝土高强高抗裂技术要求。

“十二五”期间，中国建筑材料科学研究总院联合国内核电工程设计、施工单位和水泥生产企业历经数年科技攻关，成功开发出具有较高早期强度、中等水化热及较低干缩性能的核电工程用硅酸盐水泥，并主导制定了全球首个核电工程建设用水泥标准GB/T 31545—2015《核电工程用硅酸盐水泥》。核电水泥的成功研制及标准的发布实施，对于规范我国核电水泥的生产和质量控制，提升我国核电工程用水泥和混凝土质量，保障核电站的长期安全运营起到重要作用。

2.2.1　核电工程用硅酸盐水泥标准

GB/T 31545—2015《核电工程用硅酸盐水泥》中规定，由适当成分的硅酸盐水泥熟料，加入适量天然二水石膏，磨细制成的具有中等水化热、较低干缩率，主要用于核电工程的水硬性胶凝材料，称为核电工程用硅酸盐水泥（简称核电水泥）。中国、美国及欧洲技术规范（标准）对核电水泥化学要求及物理性能指标要求分别见表2-9和表2-10。

注：欧洲标准中41h水化热采用半隔热法。

核电水泥兼具高早强、中等水化热、干缩小等性能，满足核电工程快速施工要求，并提高了混凝土体积稳定性，为核电工程长期安全稳定运行提供了保障。

2.2.2　主要技术特性

核电水泥具有高早强、中等水化热、干缩小等综合性能，即核电水泥集早强水泥、中热水泥、道路水泥等多个水泥品种技术要求于一体，生产难度大。众所周知，硅酸盐水泥的强度和水化热是对矛盾体，如何实现水泥具有较低水化热、高强度是制备核电专用水泥的技术关键。核电水泥是在中热硅酸盐水泥的基础上，进一步通过优化矿物组成手段，限制C3A含量，相应提高C4AF含量，以降低水化热及干缩；优化匹配了C3S与C2S的相对含量，既保证了核电水泥的早期强度，又有效控制了核电水泥的水化热及干缩率。

2.2.2.1　水化热

水泥在水化时产生一定量的水化热。混凝土的一个重要特性是热导率低，散热困难。大体积混凝土浇筑时，内部几乎处于绝热状态，水泥水化放热导致内部混凝土温度升至60℃以上，与冷却较快的混凝土表面温差达数十摄氏度。在水化后期相当长的时间里，由于物体热胀冷缩，混凝土悬殊的内外温差致使各处发生显著的不均匀收缩，产生较大拉应力。当应力值超过混凝土的抗拉强度时，会产生温度应力裂缝，给工程耐久性造成不利影响。减少和消除这一影响最直接有效的技术途径是降低水化热，包括降低水泥的绝对水化放热量和减缓水化放热速率。核电工程的核岛阀基、安全壳等部位属于大体积混凝土工程，见图2-15、图2-16。

影响水泥水化热大小和放热速率的因素包括熟料的矿物组成、水泥的细度、混合材及外加剂。硅酸盐水泥熟料各矿物的水化热见表2-11。

不论是绝对水化热值或是相对放热速率，均为C3A最高，C3S次之，C2S最低。降低C3A和C3S含量，能有效降低水泥的水化热。降低C3S意味着增加C2S，前者是硅酸盐熟料中的主要强度组分。C2S水化热较低，但早期强度发挥也较慢，其含量太多时水泥早期强度得不到保证。

在核电水泥熟料矿物组成的设计上，应降低C3A含量，相应以增加C4AF含量为主。此外，游离氧化钙（f-CaO）在水中消解时的放热量也高（完全水化热1161kJ/kg），会增加水泥的水化热，f-CaO的含量也应严格控制在1.0%以下。不同熟料矿物组成的核电水泥的水泥强度和水化热见表2-12。

2.2.2.2　强度

（1）矿物组成

核电水泥与水工中热水泥最大的不同是除水化热要求外，对早期强度要求较高：其3d抗压强度不小于17MPa，而中热水泥的要求为不小于12MPa。

不同矿物组成对强度和水化热的影响见图2-17。研究发现，当硅酸盐矿物总量不变时，随着C3S含量增加，水泥强度提高，水化热升高。为保证水泥具有高强度、低水化热，确定了C3S 51%～58%、C2S 15%～28%的适宜含量范围。当熔剂矿物总量（C3A＋C4AF）不变时，水化热随C3A含量增加而增大，强度变化不明显。为降低水化热，宜控制C3A 2%～4%，C4AF 12%～16%。

（2）细度

细度是水泥重要的物理性能指标之一，其与凝结时间、强度、干缩、水化热等一系列性能都有密切的关系。水泥的细度可以用不同的指标来表征，如筛余、比表面积、颗粒平均直径、颗粒级配等。不同比表面积下核电水泥的物理性能见表2-13。

水泥一般由几微米到几十微米的不同尺寸颗粒组成。比表面积增大，水泥与水接触的反应表面积增大，致水化反应加速，水化放热加快，强度（尤其是早期强度）增高，干缩率增大。在表2-13结果中可以看到，比表面积达到340m2/kg以上，水泥水化热会出现明显上升，超出适宜范围。核电水泥的比表面积宜控制在320～340m2/kg之间。

2.2.2.3　干缩性

水泥、混凝土凝结后，内外部水分蒸发程度不同以及在与外界无物质交换的条件下，胶凝材料的水化反应引起毛细孔负压和内部相对湿度降低，导致体积发生减缩现象，称为干缩。干缩率过大，会产生细微裂缝，从而降低结构的耐久性。

水泥的矿物组成、比表面积等直接影响水泥的干缩性。相同比表面积下，不同矿物组成核电水泥的干缩性见表2-14。从熟料的矿物组成来看，C3A的干缩率最大，C4AF最小。核电水泥熟料中C3A一般控制在2%～4%，C4AF一般控制在12%～16%。核电水泥28d干缩率一般小于0.07%。

2.2.3　生产及应用

2.2.3.1　核电水泥生产技术

核电水泥已在国内10余家大型水泥企业中规模化稳定生产。核电水泥的生产工艺与通用硅酸盐水泥基本相同。二者的主要区别在于核电水泥熟料的矿物组成有特殊的要求，生产难度较大。每个水泥生产企业的窑况、原燃材料不尽相同，在生产过程中需根据自身情况区别对待，大体控制原则如下。

（1）原燃材料

核电水泥对碱含量有严格的要求，总体上应控制各种原燃材料的碱含量。选用高品位石灰石，控制R2O≤0.2%；可选Al2O3含量较低的硅质原材料，以满足低C3A熟料配料方案要求；尽可能选择铜矿渣等金属尾矿作为原材料，以提高熟料矿物活性；核电水泥对早期强度要求极高，需选用高发热量、低灰分的烟煤。

（2）煅烧

生产中应保证原材料充分预均化、熟料成分稳定；适当降低预烧温度，避免预热器堵塞及窑尾结厚窑皮；适当降低窑速，保证各熟料矿物在窑内完全成核与长大；保证火焰形态良好，使旋窑热工制度保持稳定；适当增加头煤用量，以降低熟料游离钙、提高立升重。

（3）粉磨

熟料宜冷却之后再进行粉磨；核电水泥应使用优质的天然二水石膏；核电水泥的比表面积宜控制在320～340m2/kg之间。

2.2.3.2　核电水泥的应用

位于江苏连云港的田湾核电站是我国“九五”期间开工建设的重点工程之一，是中俄两国迄今最大的技术经济合作项目。田湾核电站是目前国内独一无二的双层安全壳核电站。双层安全壳内层采用钢缆预应力张拉系统的钢筋混凝土墙体，厚1.2m，内壁衬有6mm厚的钢覆面；外层采用普通钢筋混凝土墙体，厚0.6m。2013年开工建设的田湾核电站3、4号机组土建工程由中国核工业华兴建设有限公司承担。工程采用淮海中联水泥有限公司生产的核电水泥。经抽检，水泥质量完全满足工程要求；所配制的混凝土质量优良，抗压强度、抗渗性能、抗冻性能等指标也完全满足工程要求，保证了工程的顺利施工。见表2-15。

核电水泥制备的混凝土能满足核电站安全壳、阀基、厂房等不同环境工况的要求。目前已在我国红沿河核电站、宁德核电站、防城港核电站、岭澳核电站、台山核电站、阳江核电站以及田湾核电站等工程中应用。