低熱水泥如何讓大壩“天衣無縫”——訪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

大壩無縫一直是世界水利人的夢想。白鶴灘水電站是首次全壩使用低熱硅酸鹽水泥（以下簡稱低熱水泥）的世界級特高拱壩，建成至今沒有一條溫度裂縫，真正實現(xiàn)了“無縫大壩”，突破性創(chuàng)造了水利工程的神話。

針對低熱水泥的研發(fā)，本報近日采訪了中國建筑材料科學研究總院有限公司（以下簡稱中國建材總院）水泥科學與新型建筑材料研究院院長文寨軍，為讀者揭秘打破大壩裂縫魔咒的低熱水泥創(chuàng)新實踐之路。

問：為什么說低熱水泥在白鶴灘水電站“無縫大壩”的建設中發(fā)揮了不可替代的作用？

文寨軍：大壩是水利水電工程最核心的主體建筑物，其建設與運行安全是整個工程的首要問題。白鶴灘水電站大壩的拱頂寬度為14米，壩體最大厚度83.91米，壩頂弧長709米，混凝土澆筑方量約803萬立方米，工程量相當巨大，因此被網(wǎng)友們稱之為“壩天虎”（大壩中的“霸天虎”之意）。

水泥遇水會產(chǎn)生一系列的化學反應，釋放大量熱量。在大壩澆筑過程中，由于大壩主體各維度都很厚實，水泥水化放熱會在壩體中心形成比較高的溫度，就像人發(fā)高燒一樣。如果高溫一直存在的話，就會導致混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫，從而影響大壩的運行安全。解決大壩的溫度裂縫問題，早已經(jīng)成為世界性難題。

低熱水泥以硅酸二鈣為主導礦物，具有低水化熱、干縮小、高后期強度及強度增進率大等特點，對提高大體積混凝土工程的抗裂性和耐久性具有顯著作用。低熱水泥配制混凝土具有溫升發(fā)展緩慢、后期強度高、最終溫升低的特點，可從源頭解決混凝土溫升問題，有效降低混凝土內(nèi)部溫度。在水電工程中應用低熱水泥混凝土，可有效提高混凝土結(jié)構(gòu)的抗裂安全系數(shù)。

問：據(jù)了解，白鶴灘水電站全壩均采用了低熱水泥，從實驗室的研發(fā)到實際應用經(jīng)歷了哪些試驗與檢測？

文寨軍：“九五”至“十三五”期間，中國建材總院等產(chǎn)學研用單位聯(lián)合攻關(guān)，開展了低熱水泥制備及其應用技術(shù)的系統(tǒng)研發(fā)，較好地解決了低熱水泥早期強度低、應用受限的技術(shù)難題，實現(xiàn)在溪洛渡、向家壩等10余個重點水電工程規(guī)模應用，為解決水工大體積混凝土由于溫度應力而導致的開裂問題提供了更好的技術(shù)解決途徑。

依托“九五”國家科技攻關(guān)項目“安全性混凝土新型膠凝材料的研究”，突破常規(guī)礦物組成設計，首次開發(fā)出高貝利特水泥（即最初的低熱水泥）。依托“十五”國家科技攻關(guān)項目“高貝利特水泥的開發(fā)與應用研究”，實現(xiàn)了高活性貝利特晶型穩(wěn)定活化，攻克低熱水泥穩(wěn)定制備技術(shù)。依托“十二五”科技支撐計劃項目“高強低鈣硅酸鹽水泥及生產(chǎn)控制關(guān)鍵技術(shù)的研究與示范”，實現(xiàn)低熱水泥早期強度性能進一步提升。依托“十三五”國家重點研發(fā)計劃“微膨脹低熱水泥制備技術(shù)的研究”，進一步提升低熱水泥抗裂性能，推動了低熱水泥在烏東德、白鶴灘工程中全壩應用。

研發(fā)團隊通過室內(nèi)試驗研究、仿真分析、現(xiàn)場試驗、監(jiān)測與反演分析等綜合手段，根據(jù)水電工程混凝土對工作性、強度、水化熱溫升、抗裂性和耐久性等性能的綜合要求，從礦物組成、化學成分、比表面積、強度、水化熱等方面，全面優(yōu)化低熱水泥技術(shù)指標。

問：在低熱水泥研發(fā)過程中，對低熱水泥的技術(shù)標準及礦物成分提出了哪些要求？

文寨軍：研究團隊創(chuàng)新優(yōu)化了低熱水泥的礦物組成和制備工藝，并于2003年將低熱水泥品種及相關(guān)技術(shù)要求加入GB 200—2003《中熱硅酸鹽水泥 低熱硅酸鹽水泥 低熱礦渣硅酸鹽水泥》國家標準中。礦物成分要求為低熱水泥熟料中硅酸二鈣（2CaO·SiO?）的含量應不小于40%，鋁酸三鈣（3CaO·Al?O?）的含量應不超過6%，游離氧化鈣的含量應不超過1.0%。低熱水泥的抗壓強度指標為7天不小于13MPa，28天不小于42.5MPa，水化熱指標3天不大于230kJ/kg，7天不大于260kJ/kg，28天不大于310kJ/kg。這些要求起到了規(guī)范低熱水泥生產(chǎn)與工程應用的作用。

隨著技術(shù)進步結(jié)合工程使用的實際效果，該標準于2017年完成了最新一次修訂工作，增加了水化熱更加低的32.5級低熱水泥相關(guān)指標（32.5級低熱水泥各齡期強度、32.5級低熱水泥各齡期水化熱），同時增加了低熱水泥90天抗壓強度不小于62.5MPa技術(shù)要求。我國低熱水泥的強度指標顯著高于美國和日本的標準，而水化熱指標相當，低熱水泥技術(shù)指標處于國際領(lǐng)先水平。

針對水工大壩溫度裂縫這一世界性難題，從補償混凝土后期溫降收縮和降低水泥混凝土水化熱的思路出發(fā)，在低熱水泥中引入MgO膨脹源，獲得膨脹源控制技術(shù)、熟料組成設計優(yōu)化的低熱水泥制備技術(shù)。在工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)中通過細化技術(shù)指標，提高了低熱水泥品質(zhì)，使低熱水泥的水化熱更低、放熱速度更慢、收縮更小、抗裂性更高、均勻性更好。

問：低熱水泥的生產(chǎn)至關(guān)重要，研究團隊如何實現(xiàn)“水泥質(zhì)量駐廠監(jiān)造”，保證低熱水泥的穩(wěn)定生產(chǎn)？

文寨軍：低熱水泥作為大壩混凝土最重要的膠凝材料，對工程質(zhì)量至關(guān)重要。

為保證低熱水泥的生產(chǎn)質(zhì)量及穩(wěn)定性，研究團隊提供了全過程精細化技術(shù)服務。研究團隊開創(chuàng)性地提出了考核性生產(chǎn)的概念，根據(jù)水泥供應廠家的實際情況，提供低熱水泥生產(chǎn)技術(shù)指導，如優(yōu)選原燃材料、優(yōu)化配方、采用先進的分析檢測、改造生產(chǎn)工藝和優(yōu)化工藝配置等，通過規(guī)?；a(chǎn)及業(yè)主考核產(chǎn)品質(zhì)量的形式，制定針對性的全過程生產(chǎn)質(zhì)量控制監(jiān)造細則，確立了生產(chǎn)全過程控制要點和關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，以保證低熱水泥質(zhì)量的均勻、穩(wěn)定。低熱水泥駐廠監(jiān)造過程中嚴格按照監(jiān)造細則的條款，通過駐廠現(xiàn)場監(jiān)測、全工序技術(shù)監(jiān)理、對比檢測等全過程精細化管理體系，保證了低熱水泥的高品質(zhì)以及質(zhì)量均勻性和穩(wěn)定性。

中國建筑材料科學研究總院有限公司特種水泥方向研究團隊 文寨軍/供圖