文寨军

1968年出生，从事特种水泥基材料的研究和开发工作，现任中国建筑材料科学研究总院有限公司水泥科学与新型建筑材料研究院院长，中国水泥协会特种水泥分会秘书长，兼任国家级重点实验室（绿色建筑材料国家重点实验室）主任，教授级高级工程师，硕士研究生导师。

曾获“全国优秀科技工作者”“中国青年五四奖章”“中央企业劳动模范”“中央企业优秀共产党员”“有突出贡献中青年专家”等荣誉和称号，入选“国家百千万人才工程”，享受国务院政府特殊津贴。

文寨军参与完成国家科技支撑计划、国家重点基础研究发展计划（973计划）等10多项国家级科研项目，开发出一批具有国际先进水平的特种水泥技术成果，被广泛应用于水电、石油、核电等工程建设领域。其成功突破传统硅酸盐水泥的组成限制，解决了高活性晶型贝利特矿物的稳定和活化这一国际难题，攻克了低热硅酸盐水泥稳定制备技术，研制出了大坝“退烧药”。其研究成果被应用于三峡、乌东德、白鹤滩等数十个超大型水电工程，为确保国内大型水电工程建设质量起到重要作用，产生了显著经济、社会和环境效益。

第一讲

低热硅酸盐水泥的

基本概况

低热硅酸盐水泥，简称低热水泥，是一种以硅酸二钙（C2S，贝利特）为主导矿物的水泥，在国内最早由中国建筑材料科学研究总院于20世纪90年代成功研制，经过多年的改良与升级，目前已经形成了成熟的工业生产技术与工程应用技术。低热硅酸盐水泥的水化放热量相较普通硅酸盐水泥更低，能够有效降低混凝土温升，减少温度裂缝，并且其优良的耐久性能能够有效保证混凝土结构的使用寿命与工程质量。由于性能优良，低热硅酸盐水泥已在水利工程大坝、大型桥梁承台等大体积混凝土结构中得到了广泛的应用，并且在对抗裂要求较高的混凝土结构中有着极大的应用前景。近年来，低热硅酸盐水泥陆续在溪洛渡、乌东德、白鹤滩等水电站大量应用，有效地解决了大坝建设过程中的温度裂缝问题。

此外，低热硅酸盐水泥的主导矿物C2S的生成焓约为1350kJ/kg，与传统水泥的主导矿物硅酸三钙（C3S）相比，降低约25%，其熟料烧成温度由1450℃降至1200~1350℃，因此生产过程中所需能耗低、碳排放量少。与普通硅酸盐水泥相比，低热硅酸盐水泥在生产过程中的石灰石消耗量小，其熟料烧成温度低50~100℃。通常造成土木工程能源消耗的主要来源有两种——内蕴能量和运行能量，分别指建筑材料制造和建筑施工过程中消耗的能量，以及工程对象运作、维修及处置的能量。低热硅酸盐水泥较低的生产能耗和碳排放量以及优良的耐久性能，能够有效减少这两大能源消耗。

一、基本技术指标

低热硅酸盐水泥是在适当成分的硅酸盐水泥熟料中加入适量石膏而制成，其特征主要由矿物组成、水化热性能、抗压强度等关键指标决定。国内外标准均对低热硅酸盐水泥作了特殊性能要求，中国、美国、日本三国标准对低热硅酸盐水泥的组成及性能指标要求分别见表1、表2。

表1　各国标准对低热硅酸盐水泥化学组成和矿物成分要求

相关标准 类型 参数要求

  C2S C3S C3A MgO SO3

GB/T 200—2017

（ 《中热硅酸盐水泥、低热硅酸盐水泥》，此为中国标准） 低热硅

酸盐水泥 ≥40% — ≤6% ≤6% ≤3.5%

ASTM C150—2021

（《波特兰水泥》，

此为美国标准） Ⅳ型 ≥40% ≤35% ≤7% ≤6% ≤2.3%

JIS R 5210—2014

（《波特兰水泥》，

此为日本标准） 低热硅

酸盐水泥 ≥40% — ≤6% ≤5% ≤3.5%

注：ASTM C150—2021和JIS R 5210—2014均规定水泥化学成分和矿物组成要求；GB/T 200—2017规定熟料化学成分和矿物组成要求。

表2　各国标准对低热硅酸盐水泥水化热性能及抗压强度指标要求

相关标准 水化热性能/（kJ/kg） 抗压强度/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

在矿物组成方面，C2S作为低热硅酸盐水泥的主导矿物，中、美、日三国标准都将其含量规定在40%以上，因为这不仅能够保证较低的水化放热量，也能保证后期强度的有效增长。C3S作为另一种关键的硅酸盐矿物，通常在普通硅酸盐水泥中的含量达到60%以上，但在低热硅酸盐水泥中，需要控制其含量，以减少水化放热量。尽管我国标准与日本标准并未对C3S的含量提出要求，但在实际生产中，通常其含量应控制在35%以下。铝酸三钙（C3A）是水泥水化过程中放热量最大的矿物，其放热量是C2S的4倍、C3S的3倍，因此其含量必须严格控制。中、美、日三国标准都未对铁铝酸四钙（C4AF）的含量作出明确要求，在实际生产中，其含量通常控制在12%以上，这样能在一定程度上提升水泥的抗裂性能，因此铁相含量高也是低热硅酸盐水泥矿物组成的一大特征。近年，中国建筑材料科学研究总院还研制出了高镁低热硅酸盐水泥，通过引入4%~6%的膨胀组分氧化镁（MgO），使MgO在水泥体系中发生延迟性体积膨胀，提高水泥的抗裂性能。

引　言 01

第一讲　低热硅酸盐水泥的基本概况 03

一、基本技术指标 05

二、性能特点 08

第二讲　矿物组成优化设计 11

一、硅酸盐矿物 12

二、熔剂矿物 15

第三讲　硅酸二钙活化技术 19

一、离子单掺对熟料的影响 22

二、离子多掺对熟料的影响 26

第四讲　微膨胀低热硅酸盐水泥调控技术 29

一、方镁石含量测定方法 31

二、方镁石含量的调控 33

三、调控方镁石的煅烧工艺  34

四、微膨胀低热硅酸盐水泥的膨胀性能 36

第五讲　低热硅酸盐水泥的工业化制备工艺参数优化 37

一、生料投料量 38

二、入窑分解率 39

三、烧成带温度 41

四、冷却机篦速与风量风压 42

五、风、煤、料的匹配关系 43

六、窑、炉用煤的比例 44

七、窑速 45

第六讲　低热硅酸盐水泥混凝土应用技术 47

一、水利工程中的低热硅酸盐水泥混凝土 50

二、抗裂混凝土 55

后　记 59