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近5000次实验的背后

——记成都理工大学裴向军教授团队及其研制开发的SJP材料

2019-1-25 10:23:34 来源:中国矿业报 作者:曾灵 王珊珊 刘飞鹏

2018年12月17~19日,CCTV-10《走近科学》栏目播出三集纪录片《世界海拔最高的隧道》,献礼改革开放40周年,其中较大篇幅讲述了成都理工大学裴向军教授及其团队的故事。他们的发明专利——粘度时变灌浆材料(SJP)助力攻克米拉山隧道工程建设中遇到的涌突水难题,在这个世界海拔最高的隧道工程贯通中发挥了重要作用。

其实,这并不是裴向军教授及其团队第一次解决“重量级”难题,早在2005年,刚刚面世的SJP材料就应用于目前已建的世界最高双曲拱坝——雅砻江锦屏一级水电站,解决了该水电站枢纽区左岸深部陡倾宽缝灌浆加固难题。除此之外,在新疆东天山隧道、拉萨贡嘎机场、中(国)哈(萨克斯坦)口岸等举世瞩目的工程中,SJP材料同样都发挥了不可替代的作用。2018年12月,在北京召开的项目评价会上,由多吉、吴丰昌院士领衔,共九位地质工程、岩土工程界国内领军科学家组成的专家组,一致认为裴向军团队创制的粘度时变可控灌浆材料解决了速凝材料早期强度高、后期强度低这一国际难题。

2004年,裴向军进入地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室,这个国家级平台,也助推了SJP材料不断升级换代。如今,北到吉林、南到云南、东至福建、西至西藏,SJP系列材料已在全国16个省区、120余项重大工程中得到应用,2013年成果获第十五届中国专利金奖,并陆续编入多个国家规范和工法。

十余年来,成果先后在40余家大型企业得到推广应用。据不完全统计,SJP技术工程新增产值21亿元,实现利润4.6亿元;节约水泥约50万吨,减少碳排放量约30万吨。

而且,这些数字还在不断增加……

让水泥“神奇”速凝

节目的播出,让裴向军团队的SJP材料从行业内走到了大众视野,视频里让水泥“神奇”速凝的SJP,究竟是什么材料?事实上,SJP材料的学名叫“粘度时变材料”。裴向军说,在自己硕士学习阶段,经常遇到建筑物基坑加固中的难题,开挖的基坑遇有含水砂层,很难成治理,导师与他想要寻找到一种材料固定流沙。但当时已有的材料,在精准度和泥沙的加固强度方面效果达不到预期指标,于是他们决定自己尝试制备一种新的材料解决流沙固定问题。

2000年左右,作为博士生的裴向军开始了粘度时变材料的研究。2004年,他以“粘度灌浆材料扩散与固结”的相关研究申请到国家自然基金,成为了国内该研究方向的探路者。真正带来决定性转折的是2005年,那时他博士后在读,在凉山州盐源县雅砻江畔的锦屏一级水电站做边坡稳定的相关工作。他像“游侠”一样“混迹”于工地。不久,他抓住了一次绝佳良机。

裴向军团队在若尔盖草原治沙

水电站修建过程中,研究人员发现山体中存在大量卸荷裂缝,由于山体高、裂缝宽,填补裂缝成为工程中最为棘手的难题。工程就此停滞将近3个月,工人们尝试过向水泥当中加入棉花、沙土和木屑等,均不理想。裴向军毛遂自荐,带着刚刚研发出的材料找到工程监理。监理只给他一次机会,要求他现场试验,控制水泥分别在10分钟、20分钟和30分钟,且误差在极小范围内凝固。精准的实验结果让监理刮目相看,这一次,裴向军争取到了机会。当“新配方”水泥应用在工地,被灌进孔隙的时候,“奇迹”出现了,水泥凝固时间完全符合预期,不仅是时间,成本消耗也大幅降低。其中一个孔用普通水泥灌注需要200~300吨的用量,而使用添加了SJP材料的水泥,用量骤减到了10吨以下。初次登场就完美亮相,裴向军和他的SJP灌浆材料打开了在大型灌浆应用的局面。

至此,为了纪念这个“首次”,裴向军把这种材料统称为SJP,取自四川锦屏的拼音首字母。裴向军称,SJP就像是一个品牌,目前已有系列水泥基粘度时变灌浆材料、糯米灰浆-钙华土生态加固粘度时变材料等多款产品。但少有人知道的是,为了最初在锦屏的那一次成功,裴向军做了将近5000次实验,“有时经过多次尝试,我们研发的产品指标仍旧达不到要求,那时候也有过懊丧的情绪,但我只能坚持天天做实验,等到柳暗花明的那一刻。”

公开的专利,学不走的配方

在裴向军看来,自己的产品与之前的同类产品相比,是理念上的根本性革新。在实际工程中,涌水口大,水流湍急,缩短水泥凝固时间是重中之重。一般来说,水泥遇到水,分子离子开始溶解,形成另一种固体需要5到9个小时。国内外通行的做法是,在水泥中加入快凝的水玻璃、氯化钙等添加剂,但欲速则不达,“还没有等水泥完全水化,这种物质和水泥提前遇到了,先在水泥表面形成玻璃质的包被,让有效成分不再继续释放了,所以灌浆材料的后期强度就低。”

近5000次的实验让裴向军摸索出了自己的“秘方”,在水泥中先加入改性纤维素钠,利用变种分子量不是很大的有机分子,在水泥表面和快凝固物质之间,形成缓冲带,使得水泥可以有效地水化,析出的离子又可以快速结合。再外掺硅铝合剂,促成水泥的快速凝固。由于丰富的工程现场经验,裴向军考虑到工程当中使用液体难度高,不再沿用传统产品的液体形态,而改用固体干粉形态,让运输成本也大为下降。

如今,在公开网站上,SJP的原材料和配方都不再是秘密。10%~30%的水泥、0.02%~0.1%改性纤维溶液、0.5%~2%合成钙硅质早强剂……数据的公开并没有降低SJP年年上升的市场占有率。裴向军表示,一方面产品申请了专利保护,另一方面更重要的,是产品本身不断的更新换代和实际应用。

裴向军表示,目前他们仍然在不断研制更高性能、更优配比的产品,并让产品能适应更多极端环境。但是,在实验室得到的完美数据,真正应用到工程当中效果可能并不尽如人意。为此,他经常深入到工作区一线,戴上钢盔,身穿迷彩工作服,与工人们同吃同住,亲自参与施工的每一个步骤流程,发现其中的偏差。自嘲自己是“民工级”教授的裴向军也是在这个过程里,在与一线作业工人的亲密接触里,发现很多问题,“很多工地设备条件差,材料和水泥搅拌不匀;不同的作业机器也需要不同配比;还有的工人根本不按配比添加,直接整袋扔进水泥里,影响效果。”为了解决这个问题,裴向军培养了一批学生和老师,将使用技术传授给他们,以便于能指导更多的工程。目前,他还在计划研制自动配比机器,为工人施工创造便利条件。

攻克最后的10%

SJP产品有太多临危受命的时刻。在《世界海拔最高的隧道》中,施工方中铁十二局曾向多家单位求方,效果都不甚理想,直到2015年,在西南交大一位教授的引荐下,他们认识了裴向军团队。成都望江公园对面某高端楼盘,因为地基渗水,请了四五家单位,花了两三年解决不了的问题,终结在了裴向军手里。福州一个隧道工程,长期都攻不下来的技术难关被他们拿下了……

但在这个过程里面,裴向军也不是没有遇到过“滑铁卢”。2015年,在华蓥山某公路隧道工程中,SJP灌浆材料出现“失灵”。由于隧道底部水势凶猛、水量巨大,灌注的水泥浆抵挡不住水流的冲击,施工进度停滞不前。面对特殊状况,裴向军及他的团队迅速集中精力进行科研攻关,用时3个月,推出了SJP灌浆材料的升级2.0版本。新材料遇水不散,“手拉手”抱成团,完美完成了工程任务,加快打通了四川又一东向出川通道,为四川群众提供了重要交通保障。“不同的工程会有不同的情况,材料的配比也要视情况进行相应的调整,科研是没有一劳永逸的。”裴向军说。

至今还有很多亟待攻克的难题,如水流量太大(11万方/天)、水压力超过5MP工,难以控制。裴向军说,这种岩溶裂隙水或称岩溶管道水,对灌浆技术提出了一个更大的难题,“我经常想起那些困扰自己的隧道堵水问题,还在考虑如何解决。”

裴向军说,目前SJP材料的大型项目应用成功率在90%左右,这剩下的10%就是他奋斗的目标。而他并不孤单,和他一起奋斗的,是50余人的团队。

2014年7月,在裴向军的牵头下,有机聚合物材料生态固沙在新疆阿勒泰市吉木乃县口岸公路进行工程试验,项目负责人、博士研究生杨晴雯回忆说,当时材料还处于研发阶段,对于长期的应用效果心里还没有底,“是裴教授鼓励我们完成了这个工程实验。”在口岸公路上一个表面冲刷严重的土质边坡,裴向军团队研发的有机固沙材料应用于表面防护,两个月中,边坡表面泥土保持量显著提升,实验取得了良好的效果。

目前为止,SJP系列共包含产品11种,其中一些新产品仍然在研发实验阶段。产品应用的场景,随着功能的细化,也从大型野外工程,跨界到了古长城、古城墙、窑洞等文化景观;从单一工程,应用到了在复杂的地质条件、气候变化和人类活动所引起的诸多问题治理。2019年,SJP材料治理将运用到若尔盖草原沙化治理、长白山景区生态加固以及延安宝塔山坡面水土流失治理等项目。日前,裴向军团队还签下了重点研发计划“强震山区特大地质灾害长期效应”,获得了 2083万元的支持经费,这也是成都理工大学目前拿到的经费最高的研发项目之一。□

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