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低熱水泥：開啟世界“無裂大壩”之門

分類：行業(yè)新聞
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來源：
發(fā)布時(shí)間：2021-03-02
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【概要描述】“無壩不裂”曾經(jīng)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(chuàng)造了世界特高拱壩建設(shè)“之最”的烏東德水電站，未出現(xiàn)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。

低熱水泥：開啟世界“無裂大壩”之門

分類：行業(yè)新聞
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發(fā)布時(shí)間：2021-03-02
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　　低熱水泥，開啟世界“無裂大壩”之門

　　“無壩不裂”曾經(jīng)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(chuàng)造了世界特高拱壩建設(shè)“之最”的烏東德水電站，未出現(xiàn)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(huì)東縣交界，總裝機(jī)容量1020萬千瓦，年均發(fā)電量389.1億千瓦時(shí)，是實(shí)施“西電東送”的國家重大工程。2020年6月，習(xí)近平總書記對(duì)烏東德水電站首批機(jī)組投產(chǎn)發(fā)電作出重要指示強(qiáng)調(diào)：堅(jiān)持新發(fā)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(xí)近平總書記為何會(huì)對(duì)這一工程作出重要指示？“世界級(jí)工程”烏東德水電站建設(shè)的背后又有怎樣的故事？

　　自主創(chuàng)新

　　破“無壩不裂”有底氣

　　2020年7月，我國重點(diǎn)水電站項(xiàng)目捷報(bào)頻傳。4日，白鶴灘水電站右岸進(jìn)水塔攔污柵，實(shí)現(xiàn)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(jí)水電站建造各有特點(diǎn)，但用材上卻有一個(gè)共同之處——全壩采用低熱水泥。

　　對(duì)低熱水泥的應(yīng)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(yīng)用的占比就達(dá)到40%左右。然而，早期低熱水泥因強(qiáng)度低、生產(chǎn)成本高、影響工期等因素未能廣泛推廣應(yīng)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筑材料科學(xué)研究總院有限公司（簡(jiǎn)稱“中國建材總院”）自主研發(fā)的一種新型硅酸鹽水泥。“九五”至“十二五”期間，中國建材總院依托多個(gè)國家科技攻關(guān)項(xiàng)目，成功解決了硅酸二鈣活化和高溫晶型常溫穩(wěn)定的兩大國際難題，并首次實(shí)現(xiàn)在預(yù)分解窯系統(tǒng)直接制備高活性高性能低熱硅酸鹽水泥（簡(jiǎn)稱“低熱水泥”）。與傳統(tǒng)中熱及普通硅酸鹽水泥比，低熱水泥應(yīng)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(qiáng)度低、后期強(qiáng)度增長等明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，且具有抗干縮、抗侵蝕、抗沖耐磨的性能優(yōu)勢(shì)，被譽(yù)為“大壩退燒藥”。

　　作為一項(xiàng)新的科研突破，想在市場(chǎng)應(yīng)用中取得好的效果，需要經(jīng)過成千上萬次試驗(yàn)，這種試驗(yàn)既耗費(fèi)時(shí)間，又消耗金錢。研發(fā)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(tuán)有限公司（簡(jiǎn)稱“三峽集團(tuán)”）結(jié)成緊密合作伙伴，共同推進(jìn)低熱水泥的研發(fā)攻關(guān)和市場(chǎng)推廣。漫長的研發(fā)終于迎來了產(chǎn)品生產(chǎn)的時(shí)刻，然而最初的試生產(chǎn)也并非易事。

　　對(duì)此，中國建材總院水泥科學(xué)與新型建筑材料研究院院長文寨軍至今印象深刻。“1996年6月至7月，正值四川最熱的時(shí)節(jié)，當(dāng)時(shí)我們?cè)跊]有空調(diào)的廠房里試生產(chǎn)、調(diào)配方，室內(nèi)溫度高達(dá)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。”

　　為加快推進(jìn)低熱水泥的產(chǎn)業(yè)化研發(fā)進(jìn)程，近年來，中國建材總院還攜手中國水利水電科學(xué)研究院等幾個(gè)單位，共同開展產(chǎn)學(xué)研用聯(lián)合攻關(guān)，不斷優(yōu)化低熱水泥制備和應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)，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(biāo)準(zhǔn)GB200—2003，并于2017年結(jié)合工程應(yīng)用情況，對(duì)低熱水泥相關(guān)技術(shù)要求進(jìn)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(yīng)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(quán)發(fā)明專利18項(xiàng)，2006年“高性能低熱硅酸鹽水泥（高貝利特水泥）的制備技術(shù)及應(yīng)用”獲得國家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)。

　　經(jīng)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(fā)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(fā)、生產(chǎn)、試用到烏東德水電站全壩應(yīng)用，度過了漫長的20多年，個(gè)中滋味只有經(jīng)歷過的人才能體會(huì)。一個(gè)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(yīng)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。“無壩不裂”之說同樣給這個(gè)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(jīng)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(tuán)便開始了和中國建材總院的合作。

　　那時(shí)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(tǒng)中熱水泥中引入一定量氧化鎂，使其在水化后期產(chǎn)生微膨脹，補(bǔ)償大壩工程后期溫降收縮，防止后期溫度裂縫的產(chǎn)生。這便有了三峽工程用的氧化鎂微膨脹中熱水泥。國務(wù)院三峽工程驗(yàn)收專家組組長潘家錚院士在第15次檢查三峽工程質(zhì)量時(shí)說：“三峽大壩是一座沒有裂縫的混凝土重力高壩，創(chuàng)造了世界奇跡！”

　　在氧化鎂微膨脹中熱水泥的研發(fā)和應(yīng)用過程中，總院科研人員并沒有停止創(chuàng)新的腳步，而是繼續(xù)向進(jìn)一步適應(yīng)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(jìn)?！熬盼濉逼陂g，依托國家科技攻關(guān)項(xiàng)目，總院科技工作者嘗試了幾十種離子摻雜技術(shù)，研究了不同晶型硅酸二鈣的穩(wěn)定和活化技術(shù)，歷時(shí)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(chǎn)生。

　　對(duì)于一個(gè)新的材料，僅有實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)是不夠的，只有用到工程中來，用事實(shí)來檢驗(yàn)。三峽工程是世界上裝機(jī)最大的水電工程，能在這里進(jìn)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(tuán)對(duì)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(dāng)時(shí)在大壩預(yù)埋了很多測(cè)試裝置。之后又在工程的廠房和電廠等局部選點(diǎn)試用，最后在30多個(gè)壩段應(yīng)用。每次試用時(shí)都要開多次專家論證會(huì)，反復(fù)論證?！苯?jīng)過了無數(shù)次的考驗(yàn)后，最終證明低熱水泥水化熱比中熱水泥低15%，后期強(qiáng)度性能優(yōu)于中熱水泥，為之后的工程應(yīng)用積累了大量寶貴數(shù)據(jù)。總院人在三峽工程合作中體現(xiàn)出來的嚴(yán)謹(jǐn)、創(chuàng)新、鉆研的科學(xué)家精神，受到三峽集團(tuán)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(gè)大型水電站的導(dǎo)流洞、泄洪洞、消力池等工程部位使用，為推動(dòng)低熱水泥在超大型水電工程全壩應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

　　2012年，烏東德水電站開始建設(shè)前的各項(xiàng)籌備工作。三峽集團(tuán)提出，建“無裂大壩”。要實(shí)現(xiàn)“無裂”，混凝土是關(guān)鍵。烏東德大壩所在的金沙江干熱河谷，大風(fēng)頻發(fā)，日照強(qiáng)烈，晝夜溫差大，壩體受溫度不均影響，極易產(chǎn)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(yàn)，再到向家壩地下工程等項(xiàng)目的普遍應(yīng)用，其間雖歷經(jīng)不斷研究、試驗(yàn)和改進(jìn)，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(guān)重要，因?yàn)闇夭钭兓^大，會(huì)導(dǎo)致混凝土發(fā)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(yīng)用？專家們向總院科研人員提出了各種疑問。

總院低熱硅酸鹽水泥在烏東德水電站大壩實(shí)現(xiàn)300m級(jí)雙曲拱壩全壩應(yīng)用

（圖片來源：中國長江三峽集團(tuán)有限公司）

　　“那時(shí)，會(huì)上只要專家一提出疑問，會(huì)后我們就立刻加班加點(diǎn)整理所需材料，并針對(duì)需要補(bǔ)充的試驗(yàn)，迅速商討如何制定試驗(yàn)方案?！蔽恼姳硎?，總院科研人員通過低熱水泥水化產(chǎn)物穩(wěn)定性、低熱水泥與中熱水泥性能對(duì)比、兩種水泥配制混凝土的試驗(yàn)室性能和工程現(xiàn)場(chǎng)性能對(duì)比和論證，打消了專家在這些方面的顧慮。經(jīng)過近5年反復(fù)試驗(yàn)驗(yàn)證及20多次專題會(huì)議討論，終于，三峽集團(tuán)一錘定音，作出“我們選用最新的材料和工藝，全壩應(yīng)用低熱水泥進(jìn)行混凝土澆筑”的決定。

　　三峽集團(tuán)的這一決定，成為世界大壩建設(shè)史上的新起點(diǎn)和里程碑。

　　全程監(jiān)造

　　助“世界之最”有實(shí)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(shè)者心里卻像落地嬰兒，需要給予無微不至的呵護(hù)。

　　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(jī)規(guī)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(jí)特高拱壩水電站，纖細(xì)的身材要承載起千萬級(jí)特大型水電站的蓄水，無疑對(duì)混凝土澆筑質(zhì)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(chǔ)材料，是保證工程建設(shè)質(zhì)量和壽命的關(guān)鍵。重點(diǎn)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(xì)節(jié)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(tuán)便提議讓中國建材總院進(jìn)行“水泥質(zhì)量駐廠監(jiān)造”。

　　為此，中國建材總院對(duì)烏東德水電站項(xiàng)目實(shí)施了全程“水泥質(zhì)量駐廠監(jiān)造”模式，從水泥生產(chǎn)、出廠到工程澆筑一路守護(hù)。駐廠時(shí)間最久的特種水泥所黨支部書記王顯斌長年累月在幾個(gè)水泥廠之間來回轉(zhuǎn)，用他愛人的話說，“他把整個(gè)青春奉獻(xiàn)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(shè)初期，總院技術(shù)人員往往是幾個(gè)水泥廠和工程現(xiàn)場(chǎng)來回跑，跑一次得六七個(gè)小時(shí)，而且多數(shù)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(gè)夠。那會(huì)兒吃飯都不敢吃飽，生怕路上顛簸反胃，到了下一站再補(bǔ)充吃點(diǎn)，墊墊饑餓。后來，為滿足工程建設(shè)高峰期的需要，業(yè)主方特意鋪設(shè)了專用公路，路好走了，時(shí)間也縮短不少?！苯?jīng)過2000多個(gè)日日夜夜，在總院科技人員、質(zhì)檢工作者的守護(hù)下，烏東德水電站首臺(tái)機(jī)組順利發(fā)電。

　　烏東德水電站全壩應(yīng)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(shè)的深入和擴(kuò)大，未來中國建材總院將繼續(xù)推動(dòng)科技創(chuàng)新，研發(fā)提升復(fù)雜服役環(huán)境下國家重大工程用特種水泥性能，滿足國家重點(diǎn)工程建設(shè)的需要，同時(shí)推動(dòng)我國特種水泥產(chǎn)業(yè)走向更輝煌的明天。