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中國建筑材料科學研究總院有限公司:中國特種水泥的搖籃
來源:  發布日期:2022/2/15  點擊次數:39

近日,鄭州市建文特材科技有限公司從企觀國資獲悉,中國建材集團所屬中國建筑材料科學研究總院有限公司中國特種水泥的搖籃。

研究院根據不同的用途,通過改進成分配比、制造工藝與煅燒的方式,開發出了滿足各種用途的特種水泥,幫助我們在建設領域越走越遠。

水泥,聽上去真的不陌生。建大樓、修道路,鋼筋混泥土的城市,通用水泥就是城市的支架。

但你可能不知道,在遠離城市的地方也有特種水泥的世界。

特種水泥,區別于通用水泥,并具備某些特殊性能或特種功能,它可以滿足各行業工程建設的特殊需求。

有人說,水泥不就是以石灰石、黏土等為原料,煤炭作為燃料煅燒并添加其他混合材料而成的一種膠凝材料。特種水泥又能有哪些用途?

特種水泥的熟料礦物質組成配方不同于通用水泥,根據不同性能、功能改進工藝與煅燒的方式,在建設領域越走越遠。

特種水泥研發領域的權威正是中國建材集團所屬中國建筑材料科學研究總院有限公司(簡稱“中國建材總院”)!

中國建材總院至今已成功開發出60余種新品種水泥,形成了六大體系(硅酸鹽、鋁酸鹽、硫鋁酸鹽、氟鋁酸鹽、鐵鋁酸鹽和其他)、十大類(水工水泥、核電水泥、海工水泥、道路水泥、油井水泥、裝飾水泥、快硬高強水泥、膨脹自應力水泥、耐高溫水泥及其他)的水泥品種。

中建材總院研發的特種水泥有水泥界“皇冠上的明珠”之稱。它們是如何在國內重大工程發揮不可或缺的應用地位的?

道路水泥:就是這么“強硬”

在四通八達的交通網下,最不想看到“前方道路施工”的指示牌。一條原本就車流量密集的道路開始變得愈發擁擠,塵土飛揚。如果這條路建完不用再重鋪該有多好!

道路水泥混凝土要求能長期經受高速車輛的摩擦、循環不休的負荷和沖擊振蕩,還要能抵抗溫度變化產生的脹縮、凍融。

還有機場跑道,每次飛機在“咣”的一聲落地時,機輪需要和跑道發生劇烈摩擦才能讓飛機停下來。如果機場跑道維修,又得有多少乘客需要在天上排隊降落?

道路水泥因此而生。在不同等級的公路路面、城市道路路面、橋梁路面等工程外,還有高速公路、機場跑道路面,以及山區、隧道公路和南方廣大雨區公路都有道路水泥的身影。

從前,以硅酸鈣為主的硅酸鹽水泥熟料的硅酸鹽水泥(Portland cement),也就是大家口中的波特蘭水泥是道路建設的???。

道路水泥與硅酸鹽水泥相比,更好的耐磨性非常重要,除此之外還具有收縮率小、應變能力強、強度高、抗沖擊性能好、抗凍性能好及彈性好等特性。

怎么做到的呢?

水泥的制作有三個條件:原、燃材料,生料和燃燒方式。

道路水泥是在原硅酸鹽水泥系列的基礎上通過礦物成分的調整及合理的鍛燒、粉磨,使道路水泥具有優于相應硅酸鹽水泥的特性。

在選擇原、燃材料時,首先盡量選擇含鐵量高的鐵礦石和含氧化鋁低、二氧化硅高的黏土。然后,為了使生料化學成分穩定,以生產高質量的道路水泥要選擇各種品質最優原、燃材料。

生料的化學成分直接影響到熟料的煅燒質量。嚴格控制入窯生料成分,對原、生料要進行均化,控制出磨物料細度(生料0.08 mm篩余≤10%、熟料0.08 mm,篩余≤ 6.0%為宜)、碳酸鈣、氧化鐵和煤量。

在煅燒高鐵、高KH硬度、低鋁氧率的道路水泥時,一般用干法回轉窯生產,也可以用立窯生產。重要的是氟對熟料中溶劑礦物(主要是鋁酸三鈣和鐵鋁酸四鈣)影響較大,直接影響著礦物組成。為確保道路水泥各率值合格,熟料中氟化鈣摻量應控制在0.5%~0.8%、三氧化硫摻量保持在1.2%~1.5%。

我國第一條重載高速公路,也是世界上最長的重載高速公路——全長265公里的準興高速公路在2013年投入建造時,鋪的就是道路水泥。準興高速公路為雙向五車道,重載方向混凝土路面厚32厘米,可承載100噸的貨車,日均重載車流量近6000 輛。

為什么要用三年時間投資150億元建設準興高速公路?其實,查一下地圖就能看到,準興高速公路在內蒙古省準格爾旗地區,它西起準格爾旗,東至與河北省相鄰的興和縣。而內蒙古作為主要煤炭生產區之后,需要往全國輸送煤炭能源。以前因為交通不便利,為內蒙古向外運輸造成了阻礙。

于是,建設方主動找到中國建材總院解決難題。最終建設方選擇了原材料、生產工藝、制備水平都能滿足特種道路水泥生產的大同冀東水泥、蒙西水泥等企業制作高抗折耐磨道路水泥,這種技術優化道路水泥熟料的礦物組成,并形成了原燃材料選擇、煅燒制度工藝參數和粉磨工藝參數等工藝參數調整等制備關鍵技術,滿足了道路水泥高抗折強度、低干縮和高耐磨等性能要求。

項目通車半年后,據項目組調研,準興高速公路經受住了嚴寒和暴雨考驗,路面斷板率小于0.1%,脫皮、印痕、裂紋和缺邊掉角等病害均小于受檢面積的0.1%。

低熱水泥:“退燒”特效藥

2018年7月23日晚,老撾東南部阿速坡省的一座水電站大壩發生坍塌事故,潰壩事故造成35人死亡,另有99人失蹤。

此后,獨立專家組調查報告認為,潰壩不能認為是不可抗力導致的,由于該副壩基礎存在高滲透性、易被侵蝕,當水庫蓄水水位上升時,壩的穩定性就無法保證,最終導致副壩崩裂,造成災難性、不可控的洪水下泄。

獨立專家組認為,潰壩事故毫無疑問與副壩基礎有關,如果采取充分措施,事故原本可以預防。

“無壩不裂”的確曾是世界水利人心中的夢魘。

三峽工程

其實,早在1994年三峽工程開工那年,為了解決“無壩不裂”的難題,中國建材總院提出氧化鎂微膨脹中熱水泥的研發應用,在傳統中熱水泥中引入一定量的氧化鎂,使其在水化后期產生微膨脹,補償大壩工程后期溫降收縮,防止后期溫度裂縫的產生。經過配料、煅燒等工藝過程反復試驗調整,最終實現氧化鎂微膨脹中熱水泥的規?;a,并應用于三峽工程。

三峽工程,壩高185米、底寬121米、壩頂總長3035米,主體工程澆注混凝土2800多萬方,其中氧化鎂微膨脹中熱水泥用量500多萬噸,三峽大壩是一座沒有裂縫的混凝土重力高壩,創造了世界奇跡!

三峽工程之后的大型水電工程,如向家壩、溪洛渡、錦屏、官地、大崗山、金安橋、小灣、構皮灘、觀音巖等均采用氧化鎂微膨脹中熱水泥作為水工大壩混凝土的膠凝材料。

你可能不知道,國內溪洛渡、向家壩、大崗山、沙坪、深溪溝等10余個大型水電站的導流洞、泄洪洞、消力池等工程部位使用的是低熱硅酸鹽水泥(以下簡稱“低熱水泥”)。

與傳統中熱及普通硅酸鹽水泥相比,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、后期強度增長快等明顯的技術優勢,且具有干縮小、抗侵蝕、抗沖耐磨的性能優勢,被譽為“大壩退燒藥”。

對低熱水泥的應用并非心血來潮,早在1936年,美國建成的胡佛大壩中低熱水泥應用的占比就達到40%左右。由于早期低熱水泥因強度低、生產成本高、影響工期等因素未能廣泛推廣應用。

在三峽工程之后,中國建材總院帶著“要么不做,要做就做最好”的精神繼續攻堅克難,研發新品種水泥。

在“九五”至“十二五”期間,依托多個國家科技攻關項目,在國內外創新實現了以硅酸二鈣為主導礦物的高性能低熱水泥的工業化生產和規?;瘧?,在制備技術上解決了硅酸二鈣礦物活化和高活性晶型的常溫穩定這兩大國際難題。

既然中熱水泥能讓三峽大壩成為一座沒有裂縫的混凝土重力高壩。低熱水泥是不是更要得到水利界的重用?

總院低熱水泥在烏東德水電站大壩

實現300米級雙曲拱壩全壩應用

不錯,2015年12月24日在四川和云南交界的金沙江下游河道上建設的超級水電站——烏東德水電站,最大壩高270米、厚高比僅為0.19,是目前世界上最薄的300米級特高拱壩,還是世界首座全壩應用低熱水泥混凝土澆筑的特高拱壩。

金沙江是中國最大的水電基地,整個流域規劃了20多座水電站。烏東德水電站是我國第四座、世界第七座跨入千萬千瓦級行列的超級水電站。2020年6月29日,烏東德水電站首批機組正式投產發電。

白鶴灘水電站

烏東德水電站地處金沙江干熱河谷地區,日照強烈,最熱的時候大壩施工平臺的氣溫高達40多度。因為溫差變化過大,會導致混凝土發生開裂,威脅大壩安全,溫度控制至關重要。在大氣溫度高達29度時,低熱水泥能讓混凝土穩定度保持在7.1度。

除烏東德水電站,同樣采用全壩應用低熱水泥混凝土澆筑的白鶴灘水電站預計2022年12月完工,將成為僅次于三峽水電站的中國第二大水電站。

海工水泥:水下防腐劑

海洋是世界各大洲交通最經濟的通道,世界上貿易運輸的80%是靠海運完成的。據統計,我國海岸線達1.8萬公里、擁有6500多個沿海島嶼。

全球35個國際化的城市, 其中31個是因為由港口而發展起來的國際化城市。前10名的城市都是港口城市,而且,全球財富的50 %集中在沿海港口城市,無論在任何國家,港口對城市經濟的發展、區域經濟的發展都起著非常重要的作用。

其實,在儲水池、橋墩、涵洞、水池、水管、海港碼頭、海堤等許多侵水工程建設中通常采用普通水泥。普通水泥結構在海水中浸泡,強度會降低,摻抗硫酸鹽腐蝕劑后,會有較大程度的緩解,但仍然會降低,特別是在浪濺區硫酸鹽腐蝕尤為嚴重,工程建設完幾個月后就開始出現腐蝕,許多工程都需要在混凝土表面涂刷防腐層,并且使用過程中需不斷維護,增加了工程建設成本。

在海洋環境中進行工程建設,要優先考慮混凝土材料的抗鋼筋銹蝕問題。

中國建材總院提出了“三大體系和五大應用”——硅酸鹽、鋁酸鹽、硫鋁酸鹽三大水泥體系和海洋工程普通結構大體積混凝土澆筑、抗沖磨的混凝土預制構件的生產與制備、水下施工、特定海洋環境下所需的快速施工、海洋工程的修補與防護的“五大應用”。

總院海洋工程材料研發與工程應用

適宜的水泥熟料礦物組成、混合材的選擇、石膏的溶解速率與水泥水化速率相匹配、成本等都是研發、生產高品質海洋工程建設所需水泥(簡稱“海工水泥”)需要思考的問題。

一般而言,普通硅酸鹽水泥的氯離子擴散系數只能達到1.8~3.6×10~12m2/s,而氯離子擴散系數越低,水泥的抗蝕性越強。研究人員針對這種情況展開了相關研究,最終使氯離子擴散系數降低到至0.5×10~12m2/s。

研究人員還考慮到,海工硅酸鹽水泥不僅應具備較強的抗侵蝕能力,為了確保施工能夠順利進行,施工單位可能還會對水泥與外加劑的適應性、水化熱等提出不同的要求。在此基礎上,研究人員做了大量的工作,以保證海工硅酸鹽水泥配置的混凝土的和易性、可泵性,并且無明顯的泌水和離散現象。

海工硅酸鹽水泥研究的成功,標志著在特殊的海洋條件下可以進行大體積的混凝土施工。圍海造堤、海港碼頭、海上橋梁,水庫大壩、水利隧道、涵洞引水工程和江河橋梁基礎工程,也適用于有抗腐蝕要求的工業和民用建筑工程。

比如杭州灣大橋、寧波北侖港都已經用到了海工硅酸鹽水泥。

鋁酸鹽水泥最早則是法國拉法基公司利用熔融法生產,至今已過去90多年。這個原本用于抗硫酸鹽侵蝕、抗海水侵蝕的水泥卻因為它的水化物在燒結后表現得耐高溫特性過于優秀,陰差陽錯被廣泛用作鋼鐵、化工、水泥等工業高溫窯爐的耐火材料。

在“十三五”國家重點研發計劃“海洋工程用高抗蝕水泥基材料關鍵技術”科研立項調研時發現,才再一次發現歐美早期使用鋁酸鹽水泥建設的海洋工程在水下80年之后,部分的結構與性能還保持很好的狀態。

如果優化鋁酸鹽水泥的制作流程,不僅保留了它原有的特性,還能充分發揮鋁酸鹽水泥抗海水侵蝕性好、有利于水下施工的特性。

而前期預研的大量試驗證實,利用鋁酸鹽水泥制備的新拌混凝土,在模擬水下施工環境時,表現出高抗離散性,同時相較于一般空氣環境的結構工程中存在的后期強度倒縮問題則大幅減輕。

硫鋁酸鹽水泥的特征是含有大量的無水硫鋁酸鈣(C4A3S)礦物,因此該類具有早強、高強、高抗凍、抗蝕、快硬、微膨脹等性能特征,非常適合于海洋工程特定環境下的快速施工、低溫施工和工程修補與防護的建設需求。

因為硫鋁酸鹽水泥凝結的時間可以任意可調、4小時抗壓強度18MPa以上、修補砂漿28天抗折粘結強度高于3MPa等一系列高要求。

寧波—舟山港梅山港區6號至10號集裝箱碼頭

寧波—舟山港梅山港區6~10號集裝箱碼頭、深圳灣濱海休閑帶西端延長段G2段、浙江三門核電站工程海工工程防護的建設中都用了硫鋁酸鹽水泥。

油井水泥:最深的隔斷

上世紀九十年代,很多家庭會在院子里打一口水井,能從水井里抽出河水。所以,油井的邏輯和水泥相似。

但是,石油不像水,隨便挖一挖就找到了。2019年7月,新疆塔克拉瑪干大沙漠的塔里木油田挖了8882米才抵達石油資源,輪探1井順利完鉆。塔里木油田是目前亞洲陸上最深井,有珠穆朗瑪峰那么深。

在順利完鉆之前,需要克服的困難是難以想象的。

固井施工現場

現實是每往下挖100米,地溫將升高2℃~3℃,也就是說,當油井水泥到達位于“地底的珠穆朗瑪之巔”時,將處于230℃~240℃左右溫度環境下,此外還需要承受高于地面數百倍的壓強。

而固井中下灌的油井水泥必須在0℃~240℃這個巨額的溫度區間中保持穩定的壓強、溫度、流動性、黏性以及硬化后的韌性、硬度等一系列復雜的條件。

所以,只說明了一個要求,要想順利把石油抽上來,注油井的水泥太關鍵了。0℃~240℃不僅對石油產生不利影響,水泥漿也受不了。水泥漿是極易產生化學反應的水化物體,如果固井水泥環出現裂紋則極有可能會導致油氣外漏,更嚴重者甚至會造成井噴等惡性事件的發生。除了施工時的難度,固井所用的水泥還需維持10~15年使用壽命。

西南油氣田頁巖氣固井現場

1958年前后,中國建材總院在受國家石油工業部委托,多年來一直開展著油井水泥的研發工作。

第一款油井水泥在1960年研發成功,隨后這種水泥陸續由江南水泥廠、撫順水泥廠兩家歷史悠久的水泥廠進行了工業化生產,并成功運用于大慶油田的油井固井。

將套管與周圍的巖層膠結封固,封隔地層內油、氣、水層,防止互相串擾,以在井內形成一條從油層流向地面且隔絕良好的油流通道。這就要求其在水泥漿注井的過程中有一定的流動性和適當的密度;水泥漿注入井內后,應較快凝結,并在短期內達到相當的強度;硬化后的水泥漿應有良好的穩定性和抗滲性、抗蝕性。

油井水泥生產線

除了大慶油田,在根據不同的油田地址不斷優化后,油井水泥技術還助力了遼河油田、勝利油田、華北油田、中原油田、大港油田、長慶油田、四川油田、克拉瑪依油田、塔里木油田等國家重點油田的石油開采項目。

核電水泥:安全殼以外的安全

前陣子日本想要將核污水排入大海的事件牽動世界人民的心。福島核泄漏之后10年累計用掉123噸儲存罐容量。

我們知道,反應堆安全殼包裹著核電站最核心,同時也是最容易發生危險的核反應堆,是核電安全的最后一道屏障。所以,我國的“華龍一號”安全殼升級到了雙層。

自新中國首座核電站——秦山核電站建設時期,我國就自主研究設計安全殼,最終選擇了由預應力混凝土澆筑而成的直立式圓筒型預應力混凝土耐壓結構安全殼。也就有了高強度、無裂縫特性的核電水泥作為安全殼的重要建筑材料。此外,核電水泥還是核島、閥基等核心部位的獲得應用。

而核電水泥的研發更是兩個“難”。第一難當然是核電水泥的技術基礎,在制備過程中沒有強大的技術保障極難生產。在一系列工業化制備技術的研究,通過微量組分摻雜技術和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,實現了高強中熱核電水泥在新型干法生產線上的穩定生產。

第二難就是生產工藝流程。在上述介紹的特種水泥大家庭中,核電水泥的“個頭”比其他水泥要小。雖然我國圍繞能源計劃積極推進核電建設,但核電水泥的總體工程數量偏少且建設周期長,加之核電水泥生產技術難度較大,水泥熟料不易長期囤放,使得核電水泥的生產過程并不容易。好在嘉華特種水泥、撫順水泥、魚峰水泥等生產企業都加入其中,讓核電水泥生產順利進行。

目前已在我國紅沿河核電站、寧德核電站、防城港核電站、嶺澳核電站、臺山核電站、陽江核電站以及田灣核電站等工程應用。

本文只介紹了五種特種水泥的應用,而特種水泥遠不止這些。

我國國防、石油、水電、冶金、化工、建筑、機械、交通等行業工程建設都需要特種水泥加持。中國建材集團所屬的嘉華水泥依托總院的科研成果,發展成為國內最大的特種水泥生產企業。

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