特種水泥力助我國核電騰飛——中國建筑材料科學研究總院研發(fā)高強中熱核電水泥側記

  中國建筑材料科學研究總院是我國特種水泥研發(fā)的起源地，經過幾代人的努力，研制發(fā)明了六大體系、七大類共60余種特種水泥，滿足了我國國防、石油、水電、交通、冶金、化工、建筑、機械、核電等行業(yè)工程建設的迫切需求，也使我國在特種水泥理論研究、品種數量及應用等方面跨入了世界先進行列。

  我國核電水泥應用現(xiàn)狀

  自20世紀50年代中期第一座商業(yè)核電站投產以來，核電發(fā)展已歷經60多年。根據國際原子能機構2015年發(fā)表的數據，截至2014年年底，全球共有437個運行中的核動力堆，其中美國就高達99座，為全球最高；法國總共58座，位居第二；我國共有23座。

  我國目前在建核電機組共26臺，分別位于浙江三門、山東海陽、廣東臺山、遼寧紅沿河、浙江方家山、福建寧德和福清、廣東陽江、廣西防城港、海南昌江。中國核電雖然2014年未開工新的核電項目，但發(fā)展核電的愿望由上至下越來越強烈。在建二代改進型機組逐步突破瓶頸，一批新機組陸續(xù)投入運行；AP1000首批機組在緊張攻關中前行，自主三代技術（華龍一號）和CAP1400的研發(fā)為核電創(chuàng)新驅動發(fā)展奠定了基礎；內陸核電研究論證逐步深入。在今后較長一段時間內，中國核電仍將保持在建和投運的高峰，整體發(fā)展令世人矚目。

  核電水泥主要應用于建設核電站核島、閥基、安全殼等關鍵部位。核電站核島、閥基和常規(guī)島屬于大體積工程，對混凝土長期安全性、抗裂性和耐久性要求較高，因此對混凝土用水泥更是提出了多項特殊性能要求。如要求其達到較高的抗壓強度，較低的水化熱、低堿含量、低氯離子含量、低干縮率等綜合性能指標。該水泥集中熱水泥、普通硅酸鹽水泥、道路水泥和核電工程混凝土特殊使用要求于一體，需同時滿足多個品種水泥不同的技術指標要求，生產難度較大。

  我國在嶺澳核電站之前的秦山一期、大亞灣核電站主體工程中均采用進口水泥，不但運輸不便，且成本高昂，同時也制約著民族水泥工業(yè)的發(fā)展。近年來，我國核電設計部門在參考和借鑒國外核電站建設經驗的基礎上，針對核電工程特點提出了水泥的特定技術要求，也開始在國內水泥企業(yè)進行采購。但由于不同單位采購標準不同，在我國核電工程建設中采用了GB175中P.O、P.I和P.II等多個普通水泥品種；加之各水泥生產企業(yè)的工藝裝備、技術水平不一，水泥質量參差不齊，難以完全滿足核電工程對水泥提出的高強、中等水化熱和低收縮的技術要求，也給核電工程建設及核電站建成后的長期、安全穩(wěn)定運行埋下了隱患。

  針對核電工程混凝土具有體積大、溫控嚴、抗裂性要求高等特點，依托“高強中熱核電專用水泥制備及核電工程混凝土關鍵技術的研究與應用”十二五科技支撐課題，中國建筑材料科學研究總院會同淮海中聯(lián)水泥有限公司、撫順水泥股份有限公司等多家生產單位及中廣核工程有限公司、中國核工業(yè)華興建設有限公司等多家工程設計、應用單位展開聯(lián)合攻關，開發(fā)出集早、后期強度高、中低水化熱、低干縮率等性能于一體的核電水泥，并制訂出相應的技術規(guī)范，可提高核電水泥及混凝土的質量，為核電站建設及建成后的安全運營提供了保障。

  核電水泥研發(fā)應用碩果累累

  中國建材總院科研人員通過對熟料礦相組成與水泥性能關系，以及微量組分對水泥熟料形成影響機理的研究，實現(xiàn)了水泥熟料礦物中C₃S、C₂S、C₃A和C₄AF的合理匹配和性能優(yōu)化；利用微量組分摻雜技術和對熟料煅燒關鍵工藝參數的調控，解決了高強中熱核電水泥熟料在煅燒過程中液相量少、液相粘度低和燒成溫度范圍窄等技術難題，實現(xiàn)高強中熱核電水泥在新型干法系統(tǒng)的穩(wěn)定生產。

  成果一：確立了高強中熱核電水泥熟料的最佳礦物組成范圍。

  中國建材總院針對硅酸鹽水泥熟料中不同礦物具有不同性能的特點，通過對核電水泥熟料CaO-SiO₂-Al₂O₃-Fe₂O₃多元體系的礦相優(yōu)化匹配和微量組分對熟料形成及性能影響的系統(tǒng)研究，制備出高強度、中等水化熱、干縮小等特性的核電水泥熟料，確立了其最佳礦物組成范圍。

  成果二：闡明了高強中熱核電水泥熟料微結構與性能的關系。

  科研人員通過對高強中熱核電水泥熟料制備工藝參數、熟料微結構和性能關系的研究，建立了熟料制備工藝參數、微結構及性能之間的關聯(lián)；研究了高強中熱核電水泥水化過程、水化漿體微觀結構與水泥性能關系，在此基礎上實現(xiàn)熟料制備工藝參數的改進與熟料性能的優(yōu)化。

  成果三：解決了高強中熱核電水泥熟料工業(yè)化制備難題。

  通過微量組分摻雜技術和熟料煅燒關鍵工藝參數（分解爐溫度控制，風、煤、料的合理匹配，燒成帶溫度及控制、熟料冷卻速度等）的調控，解決了高強中熱核電水泥熟料在煅燒過程中液相量少、液相粘度低和燒成溫度范圍窄等技術難題，實現(xiàn)了高強中熱核電水泥在新型干法生產線上的穩(wěn)定生產。

  成果四：實現(xiàn)了高強中熱核電水泥性能優(yōu)化。

  中國建材總院的科研人員通過核電水泥中SO₃含量對水泥凝結時間、強度、水化放熱、干縮等性能影響的研究，建立了SO₃含量與性能的關系模型，確立了最優(yōu)SO₃含量范圍。通過對核電水泥熟料的細度與強度、水化放熱及干縮等性能關系的研究，建立了水泥顆粒的Fuller分布曲線及RRSB（Rosin-Rammler-Schuhmann-Bennett）分布方程與水泥宏觀性能的關系，通過調整水泥細度（顆粒分布）實現(xiàn)了水泥性能的優(yōu)化。

  成果五：制定了《核電工程用硅酸鹽水泥》國家標準。

  中國建筑材料科學研究總院是水泥、石英、玻璃等建材專業(yè)全國標準化技術歸口單位，歷年來主持制定、修訂無機非金屬材料產品與檢測方法國家和行業(yè)標準500多項。利用行業(yè)優(yōu)勢，總院聯(lián)合淮海中聯(lián)水泥有限公司、安徽海螺水泥股份有限公司、四川嘉華企業(yè)集團股份有限公司等生產單位，中廣核工程有限公司、環(huán)保部核與輻射安全中心、國核電力研究院等工程設計和施工單位首次制定了《核電工程用硅酸鹽水泥》國家標準。目前該標準已通過全國水泥標準化技術委員會的審查并上報至國家標準化技術委員會，被認定達到國際先進水平。

  我國特種水泥的發(fā)展，一方面要進一步加強基礎理論研究和理論創(chuàng)新，開發(fā)出更多實用型的特種水泥品種；另一方面要密切聯(lián)系工程實際，形成現(xiàn)代化的特種水泥工業(yè)體系，更好地發(fā)揮其在重點工程中的作用，從而推動特種水泥行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。中國建筑材料科學研究總院將繼續(xù)秉承“科技領先，服務建設”的核心理念，開發(fā)出滿足各行業(yè)急需的各種高性能、低碳化、長壽命的特種水泥及功能材料。