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低热水泥如何让大坝“天衣无缝”——访中国建材总院水泥科学与新型建筑材料研究院院长文寨军
2022/05/13 09:20
来源：中国建材报
大坝是水利水电工程最核心的主体建筑物，其建设与运行安全是整个工程的首要问题。白鹤滩水电站大坝的拱顶宽度为14米，坝体最大厚度83.91米，坝顶弧长709米，混凝土浇筑方量约803万立方米，工程量相当巨大，因此被网友们称之为“坝天虎”（大坝中的“霸天虎”之意）。......
大坝无缝一直是世界水利人的梦想。白鹤滩水电站是首次全坝使用低热硅酸盐水泥（以下简称低热水泥）的世界级特高拱坝，建成至今没有一条温度裂缝，真正实现了“无缝大坝”，突破性创造了水利工程的神话。
针对低热水泥的研发，本报近日采访了中国建筑材料科学研究总院有限公司（以下简称中国建材总院）水泥科学与新型建筑材料研究院院长文寨军，为读者揭秘打破大坝裂缝魔咒的低热水泥创新实践之路。
问：为什么说低热水泥在白鹤滩水电站“无缝大坝”的建设中发挥了不可替代的作用？
文寨军：大坝是水利水电工程最核心的主体建筑物，其建设与运行安全是整个工程的首要问题。白鹤滩水电站大坝的拱顶宽度为14米，坝体最大厚度83.91米，坝顶弧长709米，混凝土浇筑方量约803万立方米，工程量相当巨大，因此被网友们称之为“坝天虎”（大坝中的“霸天虎”之意）。
水泥遇水会产生一系列的化学反应，释放大量热量。在大坝浇筑过程中，由于大坝主体各维度都很厚实，水泥水化放热会在坝体中心形成比较高的温度，就像人发高烧一样。如果高温一直存在的话，就会导致混凝土结构产生裂缝，从而影响大坝的运行安全。解决大坝的温度裂缝问题，早已经成为世界性难题。
低热水泥以硅酸二钙为主导矿物，具有低水化热、干缩小、高后期强度及强度增进率大等特点，对提高大体积混凝土工程的抗裂性和耐久性具有显著作用。低热水泥配制混凝土具有温升发展缓慢、后期强度高、最终温升低的特点，可从源头解决混凝土温升问题，有效降低混凝土内部温度。在水电工程中应用低热水泥混凝土，可有效提高混凝土结构的抗裂安全系数。
问：据了解，白鹤滩水电站全坝均采用了低热水泥，从实验室的研发到实际应用经历了哪些试验与检测？
文寨军：“九五”至“十三五”期间，中国建材总院等产学研用单位联合攻关，开展了低热水泥制备及其应用技术的系统研发，较好地解决了低热水泥早期强度低、应用受限的技术难题，实现在溪洛渡、向家坝等10余个重点水电工程规模应用，为解决水工大体积混凝土由于温度应力而导致的开裂问题提供了更好的技术解决途径。
依托“九五”国家科技攻关项目“安全性混凝土新型胶凝材料的研究”，突破常规矿物组成设计，首次开发出高贝利特水泥（即最初的低热水泥）。依托“十五”国家科技攻关项目“高贝利特水泥的开发与应用研究”，实现了高活性贝利特晶型稳定活化，攻克低热水泥稳定制备技术。依托“十二五”科技支撑计划项目“高强低钙硅酸盐水泥及生产控制关键技术的研究与示范”，实现低热水泥早期强度性能进一步提升。依托“十三五”国家重点研发计划“微膨胀低热水泥制备技术的研究”，进一步提升低热水泥抗裂性能，推动了低热水泥在乌东德、白鹤滩工程中全坝应用。
研发团队通过室内试验研究、仿真分析、现场试验、监测与反演分析等综合手段，根据水电工程混凝土对工作性、强度、水化热温升、抗裂性和耐久性等性能的综合要求，从矿物组成、化学成分、比表面积、强度、水化热等方面，全面优化低热水泥技术指标。
问：在低热水泥研发过程中，对低热水泥的技术标准及矿物成分提出了哪些要求？
文寨军：研究团队创新优化了低热水泥的矿物组成和制备工艺，并于2003年将低热水泥品种及相关技术要求加入GB 200—2003《中热硅酸盐水泥 低热硅酸盐水泥 低热矿渣硅酸盐水泥》国家标准中。矿物成分要求为低热水泥熟料中硅酸二钙（2CaO·SiO₂）的含量应不小于40%，铝酸三钙（3CaO·Al₂O₃）的含量应不超过6%，游离氧化钙的含量应不超过1.0%。低热水泥的抗压强度指标为7天不小于13MPa，28天不小于42.5MPa，水化热指标3天不大于230kJ/kg，7天不大于260kJ/kg，28天不大于310kJ/kg。这些要求起到了规范低热水泥生产与工程应用的作用。
随着技术进步结合工程使用的实际效果，该标准于2017年完成了最新一次修订工作，增加了水化热更加低的32.5级低热水泥相关指标（32.5级低热水泥各龄期强度、32.5级低热水泥各龄期水化热），同时增加了低热水泥90天抗压强度不小于62.5MPa技术要求。我国低热水泥的强度指标显著高于美国和日本的标准，而水化热指标相当，低热水泥技术指标处于国际领先水平。
针对水工大坝温度裂缝这一世界性难题，从补偿混凝土后期温降收缩和降低水泥混凝土水化热的思路出发，在低热水泥中引入MgO膨胀源，获得膨胀源控制技术、熟料组成设计优化的低热水泥制备技术。在工业化规模生产中通过细化技术指标，提高了低热水泥品质，使低热水泥的水化热更低、放热速度更慢、收缩更小、抗裂性更高、均匀性更好。
问：低热水泥的生产至关重要，研究团队如何实现“水泥质量驻厂监造”，保证低热水泥的稳定生产？
文寨军：低热水泥作为大坝混凝土最重要的胶凝材料，对工程质量至关重要。
为保证低热水泥的生产质量及稳定性，研究团队提供了全过程精细化技术服务。研究团队开创性地提出了考核性生产的概念，根据水泥供应厂家的实际情况，提供低热水泥生产技术指导，如优选原燃材料、优化配方、采用先进的分析检测、改造生产工艺和优化工艺配置等，通过规模化生产及业主考核产品质量的形式，制定针对性的全过程生产质量控制监造细则，确立了生产全过程控制要点和关键技术参数，以保证低热水泥质量的均匀、稳定。低热水泥驻厂监造过程中严格按照监造细则的条款，通过驻厂现场监测、全工序技术监理、对比检测等全过程精细化管理体系，保证了低热水泥的高品质以及质量均匀性和稳定性。
中国建筑材料科学研究总院有限公司特种水泥方向研究团队 文寨军/供图
编辑：周程
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