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      企業動態

      特種水泥系列報道①?低熱水泥:開啟世界“無裂大壩”之門

      來源:中國建材雜志、中國建材總院  發布時間:2021-03-08

      特種水泥,是指較通用水泥而言具有某些特殊性能或特種功能,以滿足各行業工程建設特殊需求為目的的水泥,被比作水泥“皇冠上的明珠”,它的誕生大大拓展了水泥產品的應用范圍和層次,是國內重大工程不可或缺的基礎材料。發展特種水泥,也是我國水泥行業推進供給側結構性改革、實現高質量發展目標、培育行業發展新動能的重要體現。

      中國建材集團所屬中國建材總院是新中國第一個建材科研機構,被譽為“新中國建材科技的搖籃和發源地”。建院70年來,總院的水泥科學研究院一直致力于特種水泥的研究、開發、標準制定和推廣應用,從解放初期的仿造,逐步實現自主開發和研究創新,至今已推動我國在特種水泥的理論研究、品種數量及應用水平上步入世界先進行列。中國建材雜志記者深入總院探究我國特種水泥櫛風沐雨、薪火相傳的創新研發之路,對低熱水泥、油井水泥、核電水泥、海工水泥、道路水泥進行了詳細報道。今天小料先為大家分享低熱水泥的故事~

      低熱水泥

      開啟世界“無裂大壩”之門

      “無壩不裂”曾經一直是縈繞在世界水利人心中的“魔咒”,直到我國首次全壩采用低熱水泥,創造了世界特高拱壩建設“之最”的烏東德水電站,未出現一條溫度裂縫,“魔咒”徹底消失,低熱水泥自此開啟世界無裂大壩之門。

      金沙江烏東德水電站,位于云南省昆明市祿勸縣和四川省涼山州會東縣交界,總裝機容量1020萬千瓦,年均發電量389.1億千瓦時,是實施“西電東送”的國家重大工程。2020年6月,習近平總書記對烏東德水電站首批機組投產發電作出重要指示強調:堅持新發展理念勇攀科技新高峰,努力打造精品工程,更好造福人民。習近平總書記為何會對這一工程作出重要指示?“世界級工程”烏東德水電站建設的背后又有怎樣的故事? 

      自主創新破“無壩不裂”有底氣

      2020年7月,我國重點水電站項目捷報頻傳。4日,白鶴灘水電站右岸進水塔攔污柵,實現全線封頂,建成后的白鶴灘水電站將成為僅次于三峽工程的世界第二大水電站。10日至22日,中國第四、世界第七大水電站烏東德完成第三階段蓄水安全鑒定。這兩座世界級水電站建造各有特點,但用材上卻有一個共同之處——全壩采用低熱水泥。

      對低熱水泥的應用并非心血來潮,早在1936年,美國建成的胡佛大壩中低熱水泥應用的占比就達到40%左右。然而,早期低熱水泥因強度低、生產成本高、影響工期等因素未能廣泛推廣應用。

      白鶴灘水電站

      這兩座水電站全壩使用的低熱水泥是中國建材總院自主研發的一種新型硅酸鹽水泥?!熬盼濉敝痢笆濉逼陂g,中國建材總院依托多個國家科技攻關項目,成功解決了硅酸二鈣活化和高溫晶型常溫穩定的兩大國際難題,并首次實現在預分解窯系統直接制備高活性高性能低熱硅酸鹽水泥(簡稱“低熱水泥”)。與傳統中熱及普通硅酸鹽水泥比,低熱水泥應用于大壩混凝土中,不僅具有早期放熱速率慢、水化熱總量低、早期強度低、后期強度增長等明顯的技術優勢,且具有抗干縮、抗侵蝕、抗沖耐磨的性能優勢,被譽為“大壩退燒藥”。

      作為一項新的科研突破,想在市場應用中取得好的效果,需要經過成千上萬次試驗,這種試驗既耗費時間,又消耗金錢。研發之初,為尋求支持,中國建材總院與嘉華特種水泥股份有限公司、中國長江三峽集團有限公司(簡稱“三峽集團”)結成緊密合作伙伴,共同推進低熱水泥的研發攻關和市場推廣。漫長的研發終于迎來了產品生產的時刻,然而最初的試生產也并非易事。

      對此,中國建材總院水泥科學與新型建筑材料研究院院長文寨軍至今印象深刻?!?996年6月至7月,正值四川最熱的時節,當時我們在沒有空調的廠房里試生產、調配方,室內溫度高達50℃~60℃。剛開始一直燒不好,前前后后去了4次,克服了各種困難,最終才燒制成功?!?/span>

      為加快推進低熱水泥的產業化研發進程,近年來,中國建材總院還攜手中國水利水電科學研究院等幾個單位,共同開展產學研用聯合攻關,不斷優化低熱水泥制備和應用關鍵技術,大幅提升了低熱水泥及混凝土綜合性能。2003年首次將低熱水泥列入國家標準GB 200—2003,并于2017年結合工程應用情況,對低熱水泥相關技術要求進行了修訂完善。中國建材總院在低熱水泥方面已獲得“一種低熱硅酸鹽水泥及其制備和應用”“一種高鎂微膨脹低熱水泥及其制備方法”“一種高鎂微膨脹低熱水泥及其制備方法”等國家授權發明專利18項,2006年“高性能低熱硅酸鹽水泥(高貝利特水泥)的制備技術及應用”獲得國家技術發明二等獎。

      經過近70年、三代科研人的不懈努力,中國建材總院至今已成功研發了六大體系、十大類60余種特種水泥。 

      一錘定音建“國之重器”有能力

      低熱水泥從研發、生產、試用到烏東德水電站全壩應用,度過了漫長的20多年,個中滋味只有經歷過的人才能體會。一個大型水電站投資超百億元,選用材料并非是件易事,是什么原因讓烏東德水電站敢于全壩應用低熱水泥這一新材料呢?

      舉世矚目的三峽工程

      話題還要從1992年全國人大通過《長江三峽工程決議案》說起?!盁o壩不裂”之說同樣給這個大體積混凝土工程帶來極大威脅。1994年,三峽工程開工前,各方專家經多次考察、研討,最終決定采用氧化鎂微膨脹中熱水泥,自此三峽集團便開始了和中國建材總院的合作。

      那時大中型水電工程主要采用中熱水泥,中國建材總院的科研人員提出,在傳統中熱水泥中引入一定量氧化鎂,使其在水化后期產生微膨脹,補償大壩工程后期溫降收縮,防止后期溫度裂縫的產生。這便有了三峽工程用的氧化鎂微膨脹中熱水泥。國務院三峽工程驗收專家組組長潘家錚院士在第15次檢查三峽工程質量時說:“三峽大壩是一座沒有裂縫的混凝土重力高壩,創造了世界奇跡!”

      在氧化鎂微膨脹中熱水泥的研發和應用過程中,總院科研人員并沒有停止創新的腳步,而是繼續向進一步適應水工等大體積混凝土工程低水化熱要求的新品種水泥邁進?!熬盼濉逼陂g,依托國家科技攻關項目,總院科技工作者嘗試了幾十種離子摻雜技術,研究了不同晶型硅酸二鈣的穩定和活化技術,歷時3年,終于,低熱水泥誕生了。它可以大大降低混凝土絕熱溫升、減輕溫控壓力和提高混凝土抗裂性能,從而減少或避免混凝土溫度裂縫的產生。

      對于一個新的材料,僅有實驗室數據是不夠的,只有用到工程中來,用事實來檢驗。三峽工程是世界上裝機最大的水電工程,能在這里進行新材料試用,不得不說是一次大膽嘗試,也離不開三峽集團對中國建材總院的信任和全力支持。

      文寨軍回憶:“最開始,只選擇在三峽的圍堰工程上做低熱水泥試用,當時在大壩預埋了很多測試裝置。之后又在工程的廠房和電廠等局部選點試用,最后在30多個壩段應用。每次試用時都要開多次專家論證會,反復論證?!苯涍^了無數次的考驗后,最終證明低熱水泥水化熱比中熱水泥低15%,后期強度性能優于中熱水泥,為之后的工程應用積累了大量寶貴數據??傇喝嗽谌龒{工程合作中體現出來的嚴謹、創新、鉆研的科學家精神,受到三峽集團的高度肯定。

      三峽工程試用后,低熱水泥又在溪洛渡、向家壩、大崗山、沙坪、深溪溝等10余個大型水電站的導流洞、泄洪洞、消力池等工程部位使用,為推動低熱水泥在超大型水電工程全壩應用奠定了堅實基礎。

      2012年,烏東德水電站開始建設前的各項籌備工作。三峽集團提出,建“無裂大壩”。要實現“無裂”,混凝土是關鍵。烏東德大壩所在的金沙江干熱河谷,大風頻發,日照強烈,晝夜溫差大,壩體受溫度不均影響,極易產生裂縫,低熱水泥自然成為最佳首選材料。

      低熱水泥從三峽工程到溪洛渡壩上試驗,再到向家壩地下工程等項目的普遍應用,其間雖歷經不斷研究、試驗和改進,但都僅限于局部使用。烏東德水電站工程混凝土澆筑總量約為280萬立方米,在這么大體量的混凝土澆筑中,溫度控制至關重要,因為溫差變化過大,會導致混凝土發生開裂,威脅大壩安全,這也是一直困擾水電工程中的世界性難題。低熱水泥能否“全壩”應用?專家們向總院科研人員提出了各種疑問。

      總院低熱水泥在烏東德水電站大壩實現300米級雙曲拱壩全壩應用

      “那時,會上只要專家一提出疑問,會后我們就立刻加班加點整理所需材料,并針對需要補充的試驗,迅速商討如何制定試驗方案?!蔽恼姳硎?,總院科研人員通過低熱水泥水化產物穩定性、低熱水泥與中熱水泥性能對比、兩種水泥配制混凝土的試驗室性能和工程現場性能對比和論證,打消了專家在這些方面的顧慮。經過近5年反復試驗驗證及20多次專題會議討論,終于,三峽集團一錘定音,作出“我們選用最新的材料和工藝,全壩應用低熱水泥進行混凝土澆筑”的決定。

      三峽集團的這一決定,成為世界大壩建設史上的新起點和里程碑。 

      全程監造助“世界之最”有實力

      立于金沙江上的烏東德大壩巍峨壯觀,猶如張開的鐵翼,緊鎖著兩岸近90度的峭壁。然而,人們眼中這座宏偉的烏東德水電站在建設者心里卻像落地嬰兒,需要給予無微不至的呵護。

      烏東德水電站大壩是混凝土雙曲拱壩,壩底海拔718米,壩頂海拔988米,最大壩高270米,裝機規模為1020萬千瓦,位居中國第四、世界第七。烏東德是目前世界上最薄的300米級特高拱壩水電站,纖細的身材要承載起千萬級特大型水電站的蓄水,無疑對混凝土澆筑質量提出了前所未有的高要求。

      水泥混凝土是建造大壩的重要基礎材料,是保證工程建設質量和壽命的關鍵。重點工程用的特種水泥與普通水泥是不同的,要保證工程不出問題,就要從細節抓起,從源頭抓起,只有這樣才有可能建起“無裂大壩”,三峽集團便提議讓中國建材總院進行“水泥質量駐廠監造”。

      為此,中國建材總院對烏東德水電站項目實施了全程“水泥質量駐廠監造”模式,從水泥生產、出廠到工程澆筑一路守護。駐廠時間最久的特種水泥所黨支部書記王顯斌長年累月在幾個水泥廠之間來回轉,用他愛人的話說,“他把整個青春奉獻給了國家水電工程”。

      特種水泥所馬忠誠博士回憶:“烏東德水電工程建設初期,總院技術人員往往是幾個水泥廠和工程現場來回跑,跑一次得六七個小時,而且多數都是山路,真正稱得上‘翻山越嶺’,山路坑坑洼洼,特別陡。我們戲稱坐的都是‘過山車’,不花錢,還讓坐個夠。那會兒吃飯都不敢吃飽,生怕路上顛簸反胃,到了下一站再補充吃點,墊墊饑餓。后來,為滿足工程建設高峰期的需要,業主方特意鋪設了專用公路,路好走了,時間也縮短不少?!苯涍^2000多個日日夜夜,在總院科技人員、質檢工作者的守護下,烏東德水電站首臺機組順利發電。

      烏東德水電站全壩應用低熱水泥的成功,讓中國開啟了“世界無裂”大壩之門。隨著國家水電工程建設的深入和擴大,未來中國建材總院將繼續推動科技創新,研發提升復雜服役環境下國家重大工程用特種水泥性能,滿足國家重點工程建設的需要,同時推動我國特種水泥產業走向更輝煌的明天。

      中國建材總院特種水泥研發團隊