葛洲坝集团攻克混凝土世界级难题
2020/7/22 22:41:05 新闻来源：葛洲坝集团
近日，中国能建葛洲坝勘测设计公司工程材料研究所获得中国能建2017-2018年科技创新团队称号。研究所技术团队攻关多年，始终保持与知名高校合作，面向水工高性能材料、智能化检测技术需求和挑战，攻克了世界级关键技术难题，提出并一套研究高韧性纤维混凝土制备与应用关键技术，建立了成熟的技术成果体系，取得显著的经济和社会效益，练就成“高性能”技术攻关团队。
在去年国家科学技术奖励大会上，宣布了中国能建葛洲坝勘测设计公司参与的“重大工程结构安全服役的高韧性纤维混凝土制备与应用关键技术”荣获国家技术发明奖二等奖。还未来得及庆祝，该单位副总工、工程材料研究所团队负责人谭恺炎带领团队便马不停蹄返回宜昌，又投入到其他项目技术攻关中。
记者便追随他们的足迹，探寻他们是如何攻关世界级难题。
与新旧混凝土“过招”，攻克世界级难题
传统的新旧混凝土结合，均是以加强界面密合剂化学反应作为研究方向，但始终无法很好解决，这个问题也长期困扰着国内科研人员。
2005年，为满足调水需要，南水北调工程丹江口水库坝顶需进行加高，这也是国内规模最大的大坝加高工程，谭恺炎带领技术团队参与相关技术攻坚工作。
“大坝修建年限长，新旧混凝土在体积变形性能、粘结性能、力学性能等方面存在差异，其结合面处理十分重要。”谭恺炎介绍，新旧混凝土结合是在当时国际上都没有被完全攻克的世界级难题，没有可借鉴的先例。
一开始，技术团队历经了加强界面密合剂化学反应作为方向的“误区”，但在经过上万次试验、近一年的时间中，他们总结发现，新旧混凝土结合并非密合剂的强度问题，而是密合剂化学反应的时间问题。
找到了症结所在，他们率先破解了水库加高的难题，发明了一种粘结高效且应变性强的新老混凝土结合界面密合剂，将界面粘结材料设计成超缓凝、体积变形小、强度增长迅速的密合层，填补了新老混凝土粘结密合技术及材料领域的空白。在取得良好经济效益的同时，对人体和环境也无毒害。该项技术当年获得湖北省科技进步二等奖，其核心的“密合”技术被广泛应用于混凝土工程的层间结合中。
在丹江口水库大坝加高前，首先需要对大坝斜面贴坡混凝土进行加厚。考虑到丹江口水库斜面加厚的特殊性，研发一种能使新老混凝土在斜面贴坡结合面上有效联合受力的方法在技术团队中应运而生。他们认为，大坝加高不同于新建大坝，在大坝加高施工期间，枢纽仍正常运行，采用常规的爆破方法会损伤坝体，只能采用人工或机械静力切割法等震动影响较小的施工方式，在坝体斜面切割出一个个三角形键槽，使新旧混凝土像锯齿一样结合得更加紧密。
技术团队对传统手段进行了比对，最终研制出一种金刚石无震动切割技术，可高效、无损伤营建大规模混凝土人工键槽，有效提升新老混凝土啮合力，实现了安全、优质、高效、低成本施工，这也是在国际上首次应用。
丹江口大坝加高工程于2005年至2011年应用新老混凝土结合界面密合剂及新老混凝土结合面新增人工键槽的锯割静裂成型方法成果，应用单位认为，“对保证施工进度和质量发挥了重要作用，工程竣工后库容扩大115亿立方米，为南水北调中线供水提供了重要的水源保障。”
“联姻”前沿技术，开创混凝土温控智能化先河
对于混凝土坝来说，温度应力导致开裂一直是大体积混凝土结构施工阶段的“老大难”问题。技术团队深知冷却通水是解决该问题最重要的手段之一，在混凝土内部埋设水管，通入低温水，带走水化热，可以有效避免裂缝的产生。
21世纪，随着计算机技术和信息技术的发展，传统的混凝土也开始与自动化、信息化等前沿技术“联姻”。中国能建、葛洲坝集团也适时在锦屏一级水电站先后启动“大体积混凝土冷却通水智能控制系统研究与应用”研究，工程材料研究所成功攻关“智能化”，开创了施工期温度自动化控制的先河。
“作为科技工作者，一定要紧跟时代鼓点。”作为本次技术研究的负责人陈军琪说，我们设想引进智能控制技术解决通水工作，但起初团队里对自动化、信息化技术的了解的人员很少，为此，他们便购买了嵌入式系统、各类编程技术等十数本技术类书籍，一头扎进代码的世界里。
对相关技术有了深入了解后，陈军琪带队开展了为期4个月的实地考察，借鉴先进经验，并加以改进。最终，技术团队通过在混凝土中埋入数字温度计，在冷却水管上安装流量传感器，用线缆将数据传输至服务器，服务器根据预设温度曲线，自动完成混凝土冷却水控制，让混凝土温度始终保持在预设水平。
经过近3年的反复试制、现场试验、设备调试，该系统于2012年在锦屏一级水电站大批量应用，混凝土按照预设温度降低到规定温度，不仅没有产生裂缝，而且加快了施工进度，并实现60万方混凝土的自动化温控。在科技成果鉴定会上，该系统得到了数十位行业权威的好评，中国工程院院士郑守仁等与会专家一致认为：“这套系统总体达到了国际领先水平，具有广阔的推广应用前景。”
但工程材料研究所并不满足于此。近年来，物联网已成为“网红”，能不能把该系统与物联网前沿技术相结合呢？他们又开始琢磨。
经过2年的攻关，2017年，技术团队成功借助LPWAN、移动通讯等物联网技术，把现场盘根错节又极易被破坏的数百根数据线更换成了一台4G网络路由器，彻底摒弃了线缆的束缚，实现了全无线的控制，成功将该系统升级到第三代，实现了从“有线”到“无线”的迈进，提高了数据的可靠性和稳定性，并在大藤峡船闸混凝土工程中成功进行了现场应用试验。
经估算，该技术产生经济效益约2.3亿元，并先后获得水力发电科学特等奖、全国电力职工技术成果奖一等奖、教育部技术发明一等奖、中国能建技术发明奖二等奖、葛洲坝集团科技进步一等奖。
在去年国家科学技术奖励大会上，宣布了中国能建葛洲坝勘测设计公司参与的“重大工程结构安全服役的高韧性纤维混凝土制备与应用关键技术”荣获国家技术发明奖二等奖。还未来得及庆祝，该单位副总工、工程材料研究所团队负责人谭恺炎带领团队便马不停蹄返回宜昌，又投入到其他项目技术攻关中。
记者便追随他们的足迹，探寻他们是如何攻关世界级难题。
与新旧混凝土“过招”，攻克世界级难题
传统的新旧混凝土结合，均是以加强界面密合剂化学反应作为研究方向，但始终无法很好解决，这个问题也长期困扰着国内科研人员。
2005年，为满足调水需要，南水北调工程丹江口水库坝顶需进行加高，这也是国内规模最大的大坝加高工程，谭恺炎带领技术团队参与相关技术攻坚工作。
“大坝修建年限长，新旧混凝土在体积变形性能、粘结性能、力学性能等方面存在差异，其结合面处理十分重要。”谭恺炎介绍，新旧混凝土结合是在当时国际上都没有被完全攻克的世界级难题，没有可借鉴的先例。
一开始，技术团队历经了加强界面密合剂化学反应作为方向的“误区”，但在经过上万次试验、近一年的时间中，他们总结发现，新旧混凝土结合并非密合剂的强度问题，而是密合剂化学反应的时间问题。
找到了症结所在，他们率先破解了水库加高的难题，发明了一种粘结高效且应变性强的新老混凝土结合界面密合剂，将界面粘结材料设计成超缓凝、体积变形小、强度增长迅速的密合层，填补了新老混凝土粘结密合技术及材料领域的空白。在取得良好经济效益的同时，对人体和环境也无毒害。该项技术当年获得湖北省科技进步二等奖，其核心的“密合”技术被广泛应用于混凝土工程的层间结合中。
在丹江口水库大坝加高前，首先需要对大坝斜面贴坡混凝土进行加厚。考虑到丹江口水库斜面加厚的特殊性，研发一种能使新老混凝土在斜面贴坡结合面上有效联合受力的方法在技术团队中应运而生。他们认为，大坝加高不同于新建大坝，在大坝加高施工期间，枢纽仍正常运行，采用常规的爆破方法会损伤坝体，只能采用人工或机械静力切割法等震动影响较小的施工方式，在坝体斜面切割出一个个三角形键槽，使新旧混凝土像锯齿一样结合得更加紧密。
技术团队对传统手段进行了比对，最终研制出一种金刚石无震动切割技术，可高效、无损伤营建大规模混凝土人工键槽，有效提升新老混凝土啮合力，实现了安全、优质、高效、低成本施工，这也是在国际上首次应用。
丹江口大坝加高工程于2005年至2011年应用新老混凝土结合界面密合剂及新老混凝土结合面新增人工键槽的锯割静裂成型方法成果，应用单位认为，“对保证施工进度和质量发挥了重要作用，工程竣工后库容扩大115亿立方米，为南水北调中线供水提供了重要的水源保障。”
“联姻”前沿技术，开创混凝土温控智能化先河
对于混凝土坝来说，温度应力导致开裂一直是大体积混凝土结构施工阶段的“老大难”问题。技术团队深知冷却通水是解决该问题最重要的手段之一，在混凝土内部埋设水管，通入低温水，带走水化热，可以有效避免裂缝的产生。
21世纪，随着计算机技术和信息技术的发展，传统的混凝土也开始与自动化、信息化等前沿技术“联姻”。中国能建、葛洲坝集团也适时在锦屏一级水电站先后启动“大体积混凝土冷却通水智能控制系统研究与应用”研究，工程材料研究所成功攻关“智能化”，开创了施工期温度自动化控制的先河。
“作为科技工作者，一定要紧跟时代鼓点。”作为本次技术研究的负责人陈军琪说，我们设想引进智能控制技术解决通水工作，但起初团队里对自动化、信息化技术的了解的人员很少，为此，他们便购买了嵌入式系统、各类编程技术等十数本技术类书籍，一头扎进代码的世界里。
对相关技术有了深入了解后，陈军琪带队开展了为期4个月的实地考察，借鉴先进经验，并加以改进。最终，技术团队通过在混凝土中埋入数字温度计，在冷却水管上安装流量传感器，用线缆将数据传输至服务器，服务器根据预设温度曲线，自动完成混凝土冷却水控制，让混凝土温度始终保持在预设水平。
经过近3年的反复试制、现场试验、设备调试，该系统于2012年在锦屏一级水电站大批量应用，混凝土按照预设温度降低到规定温度，不仅没有产生裂缝，而且加快了施工进度，并实现60万方混凝土的自动化温控。在科技成果鉴定会上，该系统得到了数十位行业权威的好评，中国工程院院士郑守仁等与会专家一致认为：“这套系统总体达到了国际领先水平，具有广阔的推广应用前景。”
但工程材料研究所并不满足于此。近年来，物联网已成为“网红”，能不能把该系统与物联网前沿技术相结合呢？他们又开始琢磨。
经过2年的攻关，2017年，技术团队成功借助LPWAN、移动通讯等物联网技术，把现场盘根错节又极易被破坏的数百根数据线更换成了一台4G网络路由器，彻底摒弃了线缆的束缚，实现了全无线的控制，成功将该系统升级到第三代，实现了从“有线”到“无线”的迈进，提高了数据的可靠性和稳定性，并在大藤峡船闸混凝土工程中成功进行了现场应用试验。
经估算，该技术产生经济效益约2.3亿元，并先后获得水力发电科学特等奖、全国电力职工技术成果奖一等奖、教育部技术发明一等奖、中国能建技术发明奖二等奖、葛洲坝集团科技进步一等奖。
