低热水泥，开启世界“无裂大坝”之门
“无坝不裂”曾经一直是萦绕在世界水利人心中的“魔咒”，直到我国首次全坝采用低热水泥，创造了世界特高拱坝建设“之最”的乌东德水电站，未出现一条温度裂缝，“魔咒”彻底消失，低热水泥自此开启世界无裂大坝之门。
金沙江乌东德水电站，位于云南省昆明市禄劝县和四川省凉山州会东县交界，总装机容量1020万千瓦，年均发电量389.1亿千瓦时，是实施“西电东送”的国家重大工程。2020年6月，习近平总书记对乌东德水电站首批机组投产发电作出重要指示强调：坚持新发展理念勇攀科技新高峰，努力打造精品工程，更好造福人民。习近平总书记为何会对这一工程作出重要指示？“世界级工程”乌东德水电站建设的背后又有怎样的故事？
自主创新
破“无坝不裂”有底气
2020年7月，我国重点水电站项目捷报频传。4日，白鹤滩水电站右岸进水塔拦污栅，实现全线封顶，建成后的白鹤滩水电站将成为仅次于三峡工程的世界第二大水电站。10日至22日，中国第四、世界第七大水电站乌东德完成第三阶段蓄水安全鉴定。这两座世界级水电站建造各有特点，但用材上却有一个共同之处——全坝采用低热水泥。
对低热水泥的应用并非心血来潮，早在1936年，美国建成的胡佛大坝中低热水泥应用的占比就达到40%左右。然而，早期低热水泥因强度低、生产成本高、影响工期等因素未能广泛推广应用。
白鹤滩水电站
这两座水电站全坝使用的低热水泥是中国建筑材料科学研究总院有限公司（简称“中国建材总院”）自主研发的一种新型硅酸盐水泥。“九五”至“十二五”期间，中国建材总院依托多个国家科技攻关项目，成功解决了硅酸二钙活化和高温晶型常温稳定的两大国际难题，并首次实现在预分解窑系统直接制备高活性高性能低热硅酸盐水泥（简称“低热水泥”）。与传统中热及普通硅酸盐水泥比，低热水泥应用于大坝混凝土中，不仅具有早期放热速率慢、水化热总量低、早期强度低、后期强度增长等明显的技术优势，且具有抗干缩、抗侵蚀、抗冲耐磨的性能优势，被誉为“大坝退烧药”。
作为一项新的科研突破，想在市场应用中取得好的效果，需要经过成千上万次试验，这种试验既耗费时间，又消耗金钱。研发之初，为寻求支持，中国建材总院与嘉华特种水泥股份有限公司、中国长江三峡集团有限公司（简称“三峡集团”）结成紧密合作伙伴，共同推进低热水泥的研发攻关和市场推广。漫长的研发终于迎来了产品生产的时刻，然而最初的试生产也并非易事。
对此，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至今印象深刻。“1996年6月至7月，正值四川最热的时节，当时我们在没有空调的厂房里试生产、调配方，室内温度高达50℃～60℃。刚开始一直烧不好，前前后后去了4次，克服了各种困难，最终才烧制成功。”
为加快推进低热水泥的产业化研发进程，近年来，中国建材总院还携手中国水利水电科学研究院等几个单位，共同开展产学研用联合攻关，不断优化低热水泥制备和应用关键技术，大幅提升了低热水泥及混凝土综合性能。2003年首次将低热水泥列入国家标准GB 200—2003，并于2017年结合工程应用情况，对低热水泥相关技术要求进行了修订完善。中国建材总院在低热水泥方面已获得“一种低热硅酸盐水泥及其制备和应用”“一种高镁微膨胀低热水泥及其制备方法”“一种高镁微膨胀低热水泥及其制备方法”等国家授权发明专利18项，2006年“高性能低热硅酸盐水泥（高贝利特水泥）的制备技术及应用”获得国家技术发明二等奖。
经过近70年、三代科研人的不懈努力，中国建材总院至今已成功研发了六大体系、十大类60余种特种水泥。
一锤定音
建“国之重器”有能力
低热水泥从研发、生产、试用到乌东德水电站全坝应用，度过了漫长的20多年，个中滋味只有经历过的人才能体会。一个大型水电站投资超百亿元，选用材料并非是件易事，是什么原因让乌东德水电站敢于全坝应用低热水泥这一新材料呢？
举世瞩目的三峡工程
话题还要从1992年全国人大通过《长江三峡工程决议案》说起。“无坝不裂”之说同样给这个大体积混凝土工程带来极大威胁。1994年，三峡工程开工前，各方专家经多次考察、研讨，最终决定采用氧化镁微膨胀中热水泥，自此三峡集团便开始了和中国建材总院的合作。
那时大中型水电工程主要采用中热水泥，中国建材总院的科研人员提出，在传统中热水泥中引入一定量氧化镁，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。这便有了三峡工程用的氧化镁微膨胀中热水泥。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！”
在氧化镁微膨胀中热水泥的研发和应用过程中，总院科研人员并没有停止创新的脚步，而是继续向进一步适应水工等大体积混凝土工程低水化热要求的新品种水泥迈进。“九五”期间，依托国家科技攻关项目，总院科技工作者尝试了几十种离子掺杂技术，研究了不同晶型硅酸二钙的稳定和活化技术，历时3年，终于，低热水泥诞生了。它可以大大降低混凝土绝热温升、减轻温控压力和提高混凝土抗裂性能，从而减少或避免混凝土温度裂缝的产生。
对于一个新的材料，仅有实验室数据是不够的，只有用到工程中来，用事实来检验。三峡工程是世界上装机最大的水电工程，能在这里进行新材料试用，不得不说是一次大胆尝试，也离不开三峡集团对中国建材总院的信任和全力支持。
文寨军回忆：“最开始，只选择在三峡的围堰工程上做低热水泥试用，当时在大坝预埋了很多测试装置。之后又在工程的厂房和电厂等局部选点试用，最后在30多个坝段应用。每次试用时都要开多次专家论证会，反复论证。”经过了无数次的考验后，最终证明低热水泥水化热比中热水泥低15%，后期强度性能优于中热水泥，为之后的工程应用积累了大量宝贵数据。总院人在三峡工程合作中体现出来的严谨、创新、钻研的科学家精神，受到三峡集团的高度肯定。
三峡工程试用后，低热水泥又在溪洛渡、向家坝、大岗山、沙坪、深溪沟等10余个大型水电站的导流洞、泄洪洞、消力池等工程部位使用，为推动低热水泥在超大型水电工程全坝应用奠定了坚实基础。
2012年，乌东德水电站开始建设前的各项筹备工作。三峡集团提出，建“无裂大坝”。要实现“无裂”，混凝土是关键。乌东德大坝所在的金沙江干热河谷，大风频发，日照强烈，昼夜温差大，坝体受温度不均影响，极易产生裂缝，低热水泥自然成为最佳首选材料。
低热水泥从三峡工程到溪洛渡坝上试验，再到向家坝地下工程等项目的普遍应用，其间虽历经不断研究、试验和改进，但都仅限于局部使用。乌东德水电站工程混凝土浇筑总量约为280万立方米，在这么大体量的混凝土浇筑中，温度控制至关重要，因为温差变化过大，会导致混凝土发生开裂，威胁大坝安全，这也是一直困扰水电工程中的世界性难题。低热水泥能否“全坝”应用？专家们向总院科研人员提出了各种疑问。
总院低热硅酸盐水泥在乌东德水电站大坝实现300m级双曲拱坝全坝应用
（图片来源：中国长江三峡集团有限公司）
“那时，会上只要专家一提出疑问，会后我们就立刻加班加点整理所需材料，并针对需要补充的试验，迅速商讨如何制定试验方案。”文寨军表示，总院科研人员通过低热水泥水化产物稳定性、低热水泥与中热水泥性能对比、两种水泥配制混凝土的试验室性能和工程现场性能对比和论证，打消了专家在这些方面的顾虑。经过近5年反复试验验证及20多次专题会议讨论，终于，三峡集团一锤定音，作出“我们选用最新的材料和工艺，全坝应用低热水泥进行混凝土浇筑”的决定。
三峡集团的这一决定，成为世界大坝建设史上的新起点和里程碑。
全程监造
助“世界之最”有实力
立于金沙江上的乌东德大坝巍峨壮观，犹如张开的铁翼，紧锁着两岸近90度的峭壁。然而，人们眼中这座宏伟的乌东德水电站在建设者心里却像落地婴儿，需要给予无微不至的呵护。
乌东德水电站大坝是混凝土双曲拱坝，坝底海拔718米，坝顶海拔988米，最大坝高270米，装机规模为1020万千瓦，位居中国第四、世界第七。乌东德是目前世界上最薄的300米级特高拱坝水电站，纤细的身材要承载起千万级特大型水电站的蓄水，无疑对混凝土浇筑质量提出了前所未有的高要求。
水泥混凝土是建造大坝的重要基础材料，是保证工程建设质量和寿命的关键。重点工程用的特种水泥与普通水泥是不同的，要保证工程不出问题，就要从细节抓起，从源头抓起，只有这样才有可能建起“无裂大坝”，三峡集团便提议让中国建材总院进行“水泥质量驻厂监造”。
为此，中国建材总院对乌东德水电站项目实施了全程“水泥质量驻厂监造”模式，从水泥生产、出厂到工程浇筑一路守护。驻厂时间最久的特种水泥所党支部书记王显斌长年累月在几个水泥厂之间来回转，用他爱人的话说，“他把整个青春奉献给了国家水电工程”。
特种水泥所马忠诚博士回忆：“乌东德水电工程建设初期，总院技术人员往往是几个水泥厂和工程现场来回跑，跑一次得六七个小时，而且多数都是山路，真正称得上‘翻山越岭’，山路坑坑洼洼，特别陡。我们戏称坐的都是‘过山车’，不花钱，还让坐个够。那会儿吃饭都不敢吃饱，生怕路上颠簸反胃，到了下一站再补充吃点，垫垫饥饿。后来，为满足工程建设高峰期的需要，业主方特意铺设了专用公路，路好走了，时间也缩短不少。”经过2000多个日日夜夜，在总院科技人员、质检工作者的守护下，乌东德水电站首台机组顺利发电。
乌东德水电站全坝应用低热水泥的成功，让中国开启了世界无裂大坝之门。随着国家水电工程建设的深入和扩大，未来中国建材总院将继续推动科技创新，研发提升复杂服役环境下国家重大工程用特种水泥性能，满足国家重点工程建设的需要，同时推动我国特种水泥产业走向更辉煌的明天。
中国建材总院特种水泥研发团队
