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构筑“核、海、油、坝”不屈之脊——特种水泥标准为国家重大基础设施建设工程质量保驾护航

发布时间:2021-06-02 16:03      信息来源:SAC

长江三峡水利枢纽工程、跨海跨江大型桥梁、高等级公路、高速铁路网、大中型飞机场,以及百姓居住的房屋、行走的道路等,都离不开施工性能和耐久性能良好的水泥。水泥混凝土材料应用量大面广,在国家重大基础设施建设中无处不在。 

随着我国工程建设规模的日益扩大,对水泥混凝土技术指标提出了更高要求。全国水泥标准化技术委员会聚焦水泥混凝土技术需求最为迫切的“核电、海洋、油井、大坝”四大领域,依托国家科技项目,通过研究院所、高校及生产施工企业的协同攻关,力求形成我国自主知识产权的技术体系,提高我国重大工程水泥混凝土质量水平、使用寿命及安全性。 

核电水泥:走在钢索上的材料 

1970年春节前夕,一份紧急报告送到了周恩来总理的案头,报告从各个方面论证了上海电能危机已经到了“火烧眉毛”的局面,不少企业因为缺电不得不“开三停四”,严重制约了经济发展。72岁的周总理眉头紧锁,他意识到,一定要发展清洁、可持续、能稳定供应的能源。1970年2月8日,上海市传达了周恩来总理指示:“从长远来看,要解决上海和华东用电问题,要搞核电。”这一天,作为新中国核电发展的开端被记入史册;这一年,也成为了新中国核电事业元年。半个世纪过去了,47座正在运行的核电站源源不断地输送电力,13座在建核电站蓄势待发,还有更多拟建核电站正在围绕新基建能源计划徐徐展开。面对西方世界的技术封锁,中国核电从无到有,突破了核能科技的桎梏,逐步形成了一套属于自己的体系。 

反应堆安全壳,又称安全厂房、安全掩体等,包裹着核电站最核心、同时也是最容易发生危险的核反应堆,是核电安全的最后一道屏障。一旦发生核泄漏恶性事件,这个由混凝土搭建而成的“金刚罩”就必须担任起隔绝放射性物质的重要任务。除了安全壳,水泥还是核岛、阀基等核心部位的建筑材料,这也是对水泥行业全新的挑战。我国在岭澳核电站之前的秦山一期、大亚湾核电站主体工程中均采用进口水泥,不但运输不便,且成本高昂。通过不断的技术摸底和研究吸收,中国建材总院特种水泥团队逐步掌握了核电水泥的性能与生产工艺,进行了工业化生产并逐步运用在田湾、红沿河等核电工程建设中(见图1)。为了实现核电水泥国产化,在总结和凝练“十二五”课题成果的基础上,中国建材总院联合相关工程设计和施工单位制定了全球首个核电工程建设用水泥标准——GB/T 31545-2015《核电工程用硅酸盐水泥》。该标准的发布实施有利于规范我国核电工程用硅酸盐水泥的生产和质量控制,推动水泥行业转型升级,提高核电工程的耐久性和使用寿命,对保障核电站的长期安全运营起到重要作用。 

海工水泥:实现“海洋强国”战略的材料保证 

2003年,国务院明确提出“要发展海洋工程和港口建设用水泥”(国发〔2003〕41号文),党的十八大更是提出了建设“海洋强国”目标,开拓海洋经济和保卫海疆已成为当今国家重要发展战略。战略的实施,需要大量抗海水侵蚀的水泥用于构建海洋工程和沿海能源基础设施建设,如海港工程、岛礁建设、桥梁及隧道项目、海洋油气开发、海工平台等。 

在海洋环境中进行工程建设,要优先考虑混凝土材料的抗钢筋锈蚀问题。而普通水泥受限于氯离子扩散系数较大,更容易受到海水中氯离子的侵蚀,因此其抗蚀性并不能满足海洋工程作业的标准。研究人员对此展开了相关研究,最终使氯离子扩散系数降低到0.5×10-12m2/s。镁盐、硫酸根离子、二氧化碳等在不同程度上也会造成对混凝土的侵蚀。通过成千上万次的实验和改进,研究人员最终找到了不同混合料的最佳配比与生产工艺,并专门研制出可显著提高材料抗侵蚀性的性能调节组分,使得改进后的水泥能在最大程度上满足苛刻的施工环境。 

  

图1 核电水泥用于核电站建设                             图2海工水泥用于海洋工程 

图3 油井水泥用于石油固井工程                图4 中低热水泥用于水坝建设 

研究人员还做了大量工作,以保证海工硅酸盐水泥配置的混凝土和易性和可泵性,并且无明显泌水和离散现象。海工硅酸盐水泥研究的成功,标志着我国在特殊海洋条件下可以进行大体积的混凝土施工。除此之外,此类水泥还可应用到海洋工程的预制结构件的生产中,杭州湾大桥、宁波北仑港(见图2)等项目中都成功应用该类水泥。 

油井水泥:能源开采的“护航舰” 

塔里木油田身处塔克拉玛干沙漠腹地,被誉为“死亡之海”中的宝藏。2019年,塔里木油田负责的轮探1井顺利完钻,井深达8882米,成为目前亚洲陆上最深井,相当于在地下打穿了一个珠穆朗玛峰!这是人类工程史上又一奇迹,也标志着塔里木油田超深井钻井技术达到世界领先水平。 

油井水泥专用于油井、气井的固井工程,又称堵塞水泥,主要作用是将套管与周围的岩层胶结封固,封隔地层内油、气、水层,防止互相串扰,以在井内形成一条从油层流向地面且隔绝良好的油流通道。这就要求其在水泥浆注井的过程中有一定的流动性和适当的密度;水泥浆注入井内后,应较快凝结,并在短期内达到相当的强度;硬化后的水泥浆应有良好的稳定性和抗渗性、抗蚀性。 

建国初期,中国建材总院的科学家参考前苏联油井水泥生产与质量标准,经过一段时间的刻苦钻研,探索出油井水泥的生产技术,并逐步应用于实践。通过两年多一次次试验与生产,中国建材总院所研发的第一款国产油井水泥揭开了神秘面纱,1960年这种水泥陆续由江南水泥厂、抚顺水泥厂进行了工业化生产,并成功应用于大庆油田的油井固井。1988年,GB 10238《油井水泥》发布实施,经过多次修订沿用至今,该项技术成果也曾多次获得国家科技进步奖。在这之后,我国特种水泥事业出现了迅猛发展,实现了从技术到工艺的“中国制造”。 

截至目前,我国每年油井水泥的产量约为300万吨,由它们浇筑而成的固井结构(见图3)稳扎稳打地为国家能源行业续航。如今的油井水泥可谓十八般武艺样样精通,不仅能用于原油开采,还可用于页岩油、页岩气、可燃冰、天然气等新型能源的开采。 

中低热水泥:铸就大坝的钢筋铁骨 

三峡工程是当前世界上最大的水电工程,其混凝土浇注量大、进度快、质量要求高,最关键的材料当属中热水泥。1994年三峡工程开工,大体积混凝土“无坝不裂”之说给工程带来极大的威胁。为了解决这个世界性难题,我国专家在传统中热水泥中引入一定量的氧化镁,使其在水化后期产生微膨胀,补偿大坝工程后期温降收缩,防止后期温度裂缝的产生。 

国务院三峡工程验收专家组组长潘家铮院士在第15次检查三峡工程质量时说:“三峡大坝是一座没有裂缝的混凝土重力高坝,创造了世界奇迹!” 随着乌东德和白鹤滩(见图4)两个300米级特高拱坝的开工建设,低热水泥首次实现水电工程全坝应用,成为低热水泥应用史上的重大里程碑,为低热水泥的全面推广应用奠定了坚实基础。 

今后,全国水泥标准化技术委员会将继续坚持以国家工程需求为导向,推广先进的水泥混凝土材料基础理论和共性关键技术,不断提升我国重大工程领域水泥混凝土质量,更好地服务新时代国家建设需要,为科技强国、质量强国持续奋斗!  

供稿:全国水泥标准化技术委员会(SAC/TC 184)