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低熱水泥：開(kāi)啟世界“無(wú)裂大壩”之門(mén)
- 分類(lèi)：行業(yè)新聞
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- 來(lái)源：
- 發(fā)布時(shí)間：2021-03-02
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【概要描述】“無(wú)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“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(kāi)啟世界無(wú)裂大壩之門(mén)。
低熱水泥：開(kāi)啟世界“無(wú)裂大壩”之門(mén)
【概要描述】“無(wú)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“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(kāi)啟世界無(wú)裂大壩之門(mén)。
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低熱水泥，開(kāi)啟世界“無(wú)裂大壩”之門(mén)
“無(wú)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“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(kāi)啟世界無(wú)裂大壩之門(mén)。
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，總裝機容量1020萬(wàn)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，習近平總書(shū)記對烏東德水電站首批機組投產(chǎn)發(fā)電作出重要指示強調：堅持新發(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。習近平總書(shū)記為何會(huì )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(chuàng )新
破“無(wú)壩不裂”有底氣
2020年7月，我國重點(diǎn)水電站項目捷報頻傳。4日，白鶴灘水電站右岸進(jìn)水塔攔污柵，實(shí)現全線(xiàn)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(diǎn)，但用材上卻有一個(gè)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(lái)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(chǎn)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筑材料科學(xué)研究總院有限公司（簡(jiǎn)稱(chēng)“中國建材總院”）自主研發(fā)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(gè)國家科技攻關(guān)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(shí)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(jiǎn)稱(chēng)“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(cháng)等明顯的技術(shù)優(yōu)勢，且具有抗干縮、抗侵蝕、抗沖耐磨的性能優(yōu)勢，被譽(yù)為“大壩退燒藥”。
作為一項新的科研突破，想在市場(chǎng)應用中取得好的效果，需要經(jīng)過(guò)成千上萬(wàn)次試驗，這種試驗既耗費時(shí)間，又消耗金錢(qián)。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(cháng)江三峽集團有限公司（簡(jiǎn)稱(chēng)“三峽集團”）結成緊密合作伙伴，共同推進(jìn)低熱水泥的研發(fā)攻關(guān)和市場(chǎng)推廣。漫長(cháng)的研發(fā)終于迎來(lái)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。
對此，中國建材總院水泥科學(xué)與新型建筑材料研究院院長(cháng)文寨軍至今印象深刻?！?996年6月至7月，正值四川最熱的時(shí)節，當時(shí)我們在沒(méi)有空調的廠(chǎng)房里試生產(chǎn)、調配方，室內溫度高達50℃～60℃。剛開(kāi)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?！?/div>
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(lái)，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(kāi)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準GB200—2003，并于2017年結合工程應用情況，對低熱水泥相關(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(fā)明專(zhuān)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(shù)及應用”獲得國家技術(shù)發(fā)明二等獎。
經(jīng)過(guò)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(lèi)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用，度過(guò)了漫長(cháng)的20多年，個(gè)中滋味只有經(jīng)歷過(guò)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用低熱水泥這一新材料呢？
舉世矚目的三峽工程
話(huà)題還要從1992年全國人大通過(guò)《長(cháng)江三峽工程決議案》說(shuō)起?！盁o(wú)壩不裂”之說(shuō)同樣給這個(gè)大體積混凝土工程帶來(lái)極大威脅。1994年，三峽工程開(kāi)工前，各方專(zhuān)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，自此三峽集團便開(kāi)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)院三峽工程驗收專(zhuān)家組組長(cháng)潘家錚院士在第15次檢查三峽工程質(zhì)量時(shí)說(shuō)：“三峽大壩是一座沒(méi)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)和應用過(guò)程中，總院科研人員并沒(méi)有停止創(chuàng )新的腳步，而是繼續向進(jìn)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(jìn)?！熬盼濉逼陂g，依托國家科技攻關(guān)項目，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。
對于一個(gè)新的材料，僅有實(shí)驗室數據是不夠的，只有用到工程中來(lái)，用事實(shí)來(lái)檢驗。三峽工程是世界上裝機最大的水電工程，能在這里進(jìn)行新材料試用，不得不說(shuō)是一次大膽嘗試，也離不開(kāi)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(kāi)始，只選擇在三峽的圍堰工程上做低熱水泥試用，當時(shí)在大壩預埋了很多測試裝置。之后又在工程的廠(chǎng)房和電廠(chǎng)等局部選點(diǎn)試用，最后在30多個(gè)壩段應用。每次試用時(shí)都要開(kāi)多次專(zhuān)家論證會(huì )，反復論證?！苯?jīng)過(guò)了無(wú)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(yōu)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(lái)的嚴謹、創(chuàng )新、鉆研的科學(xué)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(gè)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(dòng)低熱水泥在超大型水電工程全壩應用奠定了堅實(shí)基礎。
2012年，烏東德水電站開(kāi)始建設前的各項籌備工作。三峽集團提出，建“無(wú)裂大壩”。要實(shí)現“無(wú)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，再到向家壩地下工程等項目的普遍應用，其間雖歷經(jīng)不斷研究、試驗和改進(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(wàn)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，因為溫差變化過(guò)大，會(huì )導致混凝土發(fā)生開(kāi)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(zhuān)家們向總院科研人員提出了各種疑問(wèn)。
總院低熱硅酸鹽水泥在烏東德水電站大壩實(shí)現300m級雙曲拱壩全壩應用
（圖片來(lái)源：中國長(cháng)江三峽集團有限公司）
“那時(shí)，會(huì )上只要專(zhuān)家一提出疑問(wèn)，會(huì )后我們就立刻加班加點(diǎn)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(guò)低熱水泥水化產(chǎn)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(chǎng)性能對比和論證，打消了專(zhuān)家在這些方面的顧慮。經(jīng)過(guò)近5年反復試驗驗證及20多次專(zhuān)題會(huì )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(jìn)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(diǎn)和里程碑。
全程監造
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(guān)，猶如張開(kāi)的鐵翼，緊鎖著(zhù)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(wú)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(wàn)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(wàn)級特大型水電站的蓄水，無(wú)疑對混凝土澆筑質(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材料，是保證工程建設質(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(wèn)題，就要從細節抓起，從源頭抓起，只有這樣才有可能建起“無(wú)裂大壩”，三峽集團便提議讓中國建材總院進(jìn)行“水泥質(zhì)量駐廠(chǎng)監造”。
為此，中國建材總院對烏東德水電站項目實(shí)施了全程“水泥質(zhì)量駐廠(chǎng)監造”模式，從水泥生產(chǎn)、出廠(chǎng)到工程澆筑一路守護。駐廠(chǎng)時(shí)間最久的特種水泥所黨支部書(shū)記王顯斌長(cháng)年累月在幾個(gè)水泥廠(chǎng)之間來(lái)回轉，用他愛(ài)人的話(huà)說(shuō)，“他把整個(gè)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(shù)人員往往是幾個(gè)水泥廠(chǎng)和工程現場(chǎng)來(lái)回跑，跑一次得六七個(gè)小時(shí)，而且多數都是山路，真正稱(chēng)得上‘翻山越嶺’，山路坑坑洼洼，特別陡。我們戲稱(chēng)坐的都是‘過(guò)山車(chē)’，不花錢(qián)，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，到了下一站再補充吃點(diǎn)，墊墊饑餓。后來(lái)，為滿(mǎn)足工程建設高峰期的需要，業(yè)主方特意鋪設了專(zhuān)用公路，路好走了，時(shí)間也縮短不少?！苯?jīng)過(guò)2000多個(gè)日日夜夜，在總院科技人員、質(zhì)檢工作者的守護下，烏東德水電站首臺機組順利發(fā)電。
烏東德水電站全壩應用低熱水泥的成功，讓中國開(kāi)啟了世界無(wú)裂大壩之門(mén)。隨著(zhù)國家水電工程建設的深入和擴大，未來(lái)中國建材總院將繼續推動(dòng)科技創(chuàng )新，研發(fā)提升復雜服役環(huán)境下國家重大工程用特種水泥性能，滿(mǎn)足國家重點(diǎn)工程建設的需要，同時(shí)推動(dòng)我國特種水泥產(chǎn)業(yè)走向更輝煌的明天。
中國建材總院特種水泥研發(fā)團隊
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