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                    領軍人物 | 王發洲:堅守初心 矢志創新 助力建材科技自立自強

                    來源:《中國建材》雜志 李媛,中國建筑材料聯合會“微信公共號  撰稿人:  發布時間:2023年01月05日 瀏覽:
                    摘要:

                    王發洲是一個對科研具有非常高的敏銳度的人,即使在平常生活中也時刻保持高的好奇心,而他下一個重要的科研方向正是萌芽于一次外出旅行。

                    建材行業十大科技突破領軍人物 |

                    王發洲:堅守初心 矢志創新 助力建材科技自立自強

                      導語:為深入貫徹新時代科技強國、人才強國戰略,堅持面向國家重大需求、面向國際建材科技前沿、面向國民經濟主戰場、面向人民生命健康的科技創新方向,圍繞建材行業科技創新方面“突破”和“領軍”兩個關鍵維度,2021年,中國建筑材料聯合會首次發布了建材行業年度“十大科技突破領軍企業”和“十大科技突破領軍人物”。

                      這些年度領軍企業和領軍人物是全行業落實“宜業尚品、造福人類” 建材行業新發展目標的縮影,對突破“卡脖子”瓶頸、推動建材行業綠色低碳、安全高質量發展發揮了重要作用,在全行業和社會上產生了廣泛和積極的影響。

                      為進一步發揮先進的示范帶動作用,講好建材行業中不斷涌現的科技企業和科技人物的創新故事,更好地樹立科技創新典范,推動行業科技創新進步,中國建筑材料聯合會和主管主辦的《中國建材》雜志特同時開設專欄,力求走進企業,走近人物,挖掘先進企業和先進人物背后的生動故事,多角度報道他們的突出成就和重大貢獻。本期走近2021年度十大科技突破領軍人物——武漢理工大學硅酸鹽建筑材料國家重點實驗室主任王發洲。

                      從基礎研究到成果產業化,至少要翻越理論驗證、工程化中試、產業化、市場競爭四座大山。對每一名科研人員來說,每一座大山都困難重重,對于傳統的建材行業而言更是如此。

                      在建材行業,有這樣一位科技工作者,潛心基礎研究,堅持傳承創新,堅守為黨育人、為國育才初心使命,把培養創新人才作為首要任務,推動科研成果轉化,服務國家重大需求。近年來,研發的10余項重大科研成果被成功應用到服務國民經濟與社會發展之中。他就是武漢理工大學硅酸鹽建筑材料國家重點實驗室主任王發洲。

                      教書育人

                      培養拔尖創新人才

                      1993年,王發洲考入原武漢工業大學學習水泥專業,從本科畢業設計開始,就加入了具有悠久歷史和光榮傳統的先進水泥基復合材料研究團隊,師從水泥領域著名學者胡曙光教授。該團隊的創始人是我國水泥科技事業的奠基人馮修吉教授,馮修吉教授為我國建材行業培養了歐陽世翕、閻培渝、胡曙光、余其俊、程新等著名學者。先進水泥基復合材料研究團隊經歷多年的發展逐步將水泥事業與科學精神融合凝練形成了“擔當、堅韌、協同、創新”的團隊文化。

                      受老師的教誨與團隊文化的浸潤啟發,王發洲在大學期間加入了中國共產黨,在人生道路上堅定選擇了水泥這個看起來有些“灰色”的事業。自2003年加入武漢理工大學工作以來,他時刻堅持把立德樹人作為根本任務,不斷思考在這樣的傳統材料領域,作為大學教師應該傳授學生什么知識,培養學生什么能力,怎樣激發學生的興趣。他常說:“要敢于去想,興趣驅動的科研才有持久的生命力”。

                      “水泥混凝土材料是一種傳統材料,科研偏向于宏觀和工程實驗,基礎研究比較缺乏,這導致了這個傳統學科對學生缺乏吸引力,難以吸引優秀學生參與。自參加工作以來,我敏銳地把握了這個問題,重新溯源建材的基礎科學問題,思考建材的基礎科學與工程技術科學的聯系,給予了學生很好的成長空間,吸引了多名優秀學生加入團隊?!蓖醢l洲表示。

                      他不斷創新教學形式,啟發學生思考教學內容與工程實踐的結合,策劃組織材料創新設計大賽,讓學生自己動手設計不一樣的混凝土材料。他高度重視學生實踐能力培養,課題組學生100%有企業實踐經驗與技術成果工程應用經歷。針對傳統材料領域人才引進難題,他加大選拔和自主培養力度,課題組通過多種渠道選派優秀博士生前往英國、丹麥、加拿大、瑞士等在水泥基礎研究領域有影響的高校學習交流。他注重多學科交叉,引進化學、計算科學、微觀力學等不同學科背景的優秀青年人才,使團隊的基礎研究能力得到顯著加強。針對傳統材料領域國際化能力不足問題,他帶領實驗室相關團隊,多渠道拓展國際交流,與美國加州大學伯克利分校、瑞士洛桑聯邦理工學院、荷蘭埃因霍溫理工大學、英國阿伯丁大學、拉豪集團等世界知名高校及企業建立密切聯系,通過定向培養人才等方式共同開展科學研究工作。

                      “現在團隊科研實力持續增強,服務建材行業發展的能力獲得有力彰顯,一批成果在行業轉型升級中發揮了重要作用。多名優秀學生到中國建材集團、海螺水泥、金隅集團、華新水泥、華潤水泥等行業領軍企業就業。學生發展更好了,國際交流渠道也暢通了,團隊逐步形成了一個良好的發展態勢?!蓖醢l洲介紹。

                      傳承創新

                      高鐵相新品種水泥取得突破

                      水泥是一種傳統材料,是人類社會與經濟發展的重要基石。水泥又是一種組成極為復雜的材料,人類工業化生產水泥的歷史接近200年,但其微結構、膠凝機理等方面至今尚無定論。如何更好地理解水泥材料的組成、結構與性能的關系,發揮其性能并更高效率地應用是水泥科研工作者的使命。

                      我國水泥科技事業奠基人馮修吉教授對水泥礦物基礎科學做了多項開創性的科學研究。由于鐵相礦物具有很好的耐腐蝕性能,馮修吉教授自在德國求學期間就開始關注該方面的研究,回國在武漢理工大學工作以后繼續為高性能高鐵相水泥的基礎科學研究付出了巨大努力,但是關于鐵相的活性本質等一些基礎性問題仍然困擾著學術界與工業界。

                      圍繞這種傳統材料,王發洲始終堅守陣地,刻苦鉆研有關歷史文獻,實現了傳承創新,在高抗蝕水泥的研究與技術開發方面積累了一些研究經驗與國際領先優勢。他說:“從接觸水泥開始,就喜歡琢磨一些新的想法,并結合新材料的思路來研究水泥材料?!币虼?,在項目研究過程中,他把握基礎科學研究手段的新趨勢,通過化學、計算科學、微觀力學等多學科交叉,深入廣西魚峰水泥等企業開展技術交流與工業試驗,通過不斷嘗試與高強度的交流、討論和實踐,經過四年多艱苦努力終于取得了重要的突破,探尋到影響鐵相活性的關鍵,開發出性能調控方法,重新優化了水泥礦物組成比例,發展了一種高鐵相水泥新品種。

                      有了實驗室研究成果,接下來如何利用該成果研發出符合我國需求的性能優異的高鐵相水泥新產品、如何進行量產等問題擺在了他面前。由于是一種新型水泥材料,其生產過程與傳統水泥存在巨大差異,稍有差錯就會導致研究成果的轉化停滯并給企業帶來經濟損失。為了解決這些問題,他帶領團隊不斷與水泥生產技術專家進行線上、線下交流討論,在實際生產過程中觀察、分析水泥配料、生產過程與參數,最終形成了完整的工藝包。圍繞高鐵相水泥,馮修吉教授、胡曙光教授和王發洲開展了長期和持續的研究工作,他們團隊循序漸進,經歷自主創建、不斷完善與發展,突破了基礎研究與產業化開發關鍵難題,最終創制出高鐵相水泥新體系。

                      目前,該新品種水泥已在魚峰水泥、海螺水泥、金牛水泥等多家水泥企業快速推廣和應用,形成的產品不僅強度高,還具有更加優異的抗侵蝕和抗沖磨性能,同時對鈣質資源的消耗也大量減少。相比于傳統水泥,顯示出更高的膠凝效能與減碳的優勢。

                      大量應用案例表明,他們研發的高鐵相水泥經受住了海工工程海浪沖磨與高濃度鹽侵蝕、核島高應力環境與強鹽霧侵蝕、水利樞紐大型閘門和泄洪道高水頭荷載作用與強沖刷等嚴酷環境的考驗,為海工、核電與水利樞紐等一批重大工程質量與服役安全提供了保障。

                      協同創新服務中國高鐵建設

                      “世界高鐵看中國,中國高鐵看京滬?!备哞F已被譽為中國制造的新名片。截至2022年6月底,我國高鐵總里程約4.2萬公里,位居世界首位。高鐵運行速度約為200公里/小時~350公里/小時,極大縮短了城市間的運行時間。除去高效快捷的直觀印象,中國高鐵“硬幣測試”更是令人震驚。

                      “硬幣測試”所反映的超高平順性背后是一項復雜而系統的工程,其中重要的一環則是無砟軌道的使用。傳統鐵路采用散粒碎石作為道床結構,稱為有砟軌道。無砟軌道則采用混凝土建造整體基礎,可以提高基礎穩定性以及避免道砟飛濺,保障列車的高速平穩和安全運行。采用具有緩沖減振、協調層間應力、穩定軌道性能的材料對軌道整體結構、高鐵運行安全至關重要。2002年,這種關鍵的材料——由水泥與瀝青復合而成的彈性調整材料,引起了王發洲的關注。

                      “早些年,只有日本和德國掌握高鐵技術,應用在高鐵上的水泥瀝青砂漿則是技術封鎖和經濟壟斷的重點。在我國最初的高速鐵路建設中,相關技術和材料則需要從國外高價購買?!蓖醢l洲在校學習期間,一直跟隨導師胡曙光教授從事水泥與瀝青材料的研究。畢業后,他應用所學的關于兩種材料的基礎知識,瞄準我國高速鐵路建設對水泥瀝青砂漿的需求,帶領學生投入到這種新型結構材料的研發中。

                      在研究資料匱乏、科研條件艱苦的環境下,他總是在完成教學任務后第一時間和學生們一起做實驗,掌握了大量第一手數據。功夫不負有心人,2006年他獲批我國第一個水泥瀝青砂漿的國家自然科學金項目,2008年成為國家“863”項目負責人之一,在實驗室完成了水泥瀝青砂漿的關鍵原料與制備技術研究攻關。

                      2008年,京滬高鐵開工建設。王發洲抓住機遇,著力推動水泥瀝青砂漿從實驗室邁向實際應用,但這條路并不是一帆風順。

                      由于前期沒有與鐵路系統單位的合作基礎,水泥瀝青砂漿的應用推廣陷入停滯。但他沒有放棄,拿著一本電話黃頁,挨個撥打各大鐵路設計院所、施工單位的電話,最終與其中一家建設單位達成了合作。從此打開了與中鐵十二局、中鐵十一局、湖北國創集團、重慶美侖等近20個大型施工單位與材料生產企業的深度合作局面,加快了實驗室成果向工程化與市場化轉化的速度,牢牢把握住了京滬高鐵、石武高鐵等重大工程建設的歷史機遇?!熬咚勹F路項目的招投標競爭非常激烈,不但要求制備的材料必須通過嚴苛的全套型式檢測,還要進行多次現場實際揭板試驗,來檢測產品與施工技術,僅僅依靠實驗室力量是無論如何難以完成的?!蓖醢l洲對協同創新的重要性深有體會。

                      高鐵無砟軌道在凍融循環、化學侵蝕、高頻動荷載等環境及荷載作用下,會產生裂縫、離縫、脫空、沉降等病害,影響軌道的平順性。而水泥瀝青砂漿對應用環境與原材料變化的敏感度很高,在不同地域應用時設計與質量穩定控制難度很大。為此,高鐵用水泥瀝青砂漿材料必須經歷酷暑嚴寒的檢驗。

                      “冬天的深夜,室外溫度已到零下10℃;夏季的中午,橋面溫度高達60℃以上。這樣的艱苦環境中,王老師帶領由數十名研究生和企業技術人員組成的協同創新團隊在京滬高速鐵路、石武高速鐵路沿線上開展揭板工程化實驗,三個月沿著京滬高鐵、石武高鐵線路來回奔波數千公里?!眻F隊成員張運華回憶。

                      就這樣,現場工業實驗持續做了半年,不斷反復,在經歷了若干次失敗之后……終于,通過不懈的努力與付出,王發洲帶領協同創新團隊不僅成功研發了冬季與夏季兩種水泥瀝青砂漿配方以及高質量的成套施工工藝,將水泥瀝青砂漿材料的成本從原有的近萬元降至3000元左右,還成為京滬高速鐵路徐州—蚌埠先導段以及南京大勝關南北引橋水泥瀝青砂漿技術支持團隊,為我國高速鐵路建設奉獻了武漢理工力量。

                      源頭創新服務國家“雙碳”戰略

                      水泥誕生200年以來,一直沿用以水泥與水的水化反應作為膠凝硬化機理制備混凝土材料。而水的存在又導致水泥混凝土材料在應用過程中出現體積收縮、耐久性劣化等問題。這也是一直困擾水泥混凝土科研工作者的一大難題。王發洲是一個對科研具有非常高的敏銳度的人,即使在平常生活中也時刻保持高的好奇心,而他下一個重要的科研方向正是萌芽于一次外出旅行。

                      2014年暑假,王發洲難得抽出時間到貴州一個天然巖洞參觀。當眾人沉浸在大自然造就的石灰巖奇景時,他卻對石灰巖形成過程產生了濃厚的興趣。石灰巖是一種沉積巖,主要組成是方解石型碳酸鈣,經過上萬年的地質作用形成,其形成是硅酸鹽與大氣中二氧化碳通過復雜緩慢的物理化學作用轉變為碳酸鹽的過程。

                      作為一名水泥專業的科研工作者,王發洲立刻想到,水泥的生產恰巧也是一個碳酸鈣向硅酸鈣轉化的過程。二氧化碳會影響水泥的耐久性,但碳酸鈣的組成結構決定了它自身的高穩定性與高耐久性,是否可以把混凝土碳化這種不利的影響變成一種有利的影響呢?于是,他通過逆向思維,利用硅酸鈣材料與二氧化碳的反應,設計制備了以碳酸鈣為組成的建筑材料,這也是碳礦化材料的雛形。

                      哪種硅酸鈣礦相最適合制備新型碳礦化材料呢?此時,國內外相關研究和項目非常少,且技術思路僅局限于制備磚等低端建材產品。傳統水泥在熟料礦相的組成上,需要控制冷卻制度以防止其中一種水化礦相β-C?S向極低水化能力礦相γ-C?S的轉變。通過查閱資料,王發洲發現γ-C?S這種礦相雖然不能與水發生水化反應,但是卻能與二氧化碳快速反應。于是,他帶領團隊在國內率先開展了基于γ-C?S的固碳膠凝材料基礎理論研究。通過三年的努力,王發洲團隊于2019年攻克了高活性固碳膠凝材料的穩定制備難題,突破傳統的“水化硬化”為“二氧化碳礦化固結”膠凝理論,在國際上首創常溫下由二氧化碳高效礦化固結形成基體組成為碳酸鈣的碳礦化材料新體系,目前已成為該方向的引領者之一。

                      時間到了2020年,隨著全球變暖等環境問題日益受到關注,我國作為碳排放大國之一,在國際社會面臨極大的輿論壓力,迫切需要降低工業碳排放。建材行業作為我國僅次于熱電、鋼鐵的第三大工業碳排放行業,減碳任務迫切且艱巨。王發洲前期開展的碳礦化材料研究剛好契合了建材行業的碳中和發展路徑。以此為契機,他迅速開展了利用工業窯爐尾氣二氧化碳制備碳礦化材料的應用研究。

                      然而,科研的道路不可能一帆風順,此時團隊亟需攻克三大難關:第一關,尾氣中的二氧化碳濃度非常低,一般不到20%,在如此低的濃度下,現有的固碳膠凝材料活性不足,很難形成高強度,不能滿足高性能碳礦化材料的需求。第二關,此前的硅酸鈣礦相的制備原料與水泥熟料類似,制備能耗高,而且制備過程同時還排放大量二氧化碳,違背了碳礦化材料的低碳屬性。第三關,碳礦化材料工業化應用的關鍵“卡脖子”技術是尺寸擴展性低,需要解決二氧化碳在基體內的高效傳輸與基體結構快速形成的競爭關系。

                      為此,王發洲團隊不斷試驗,嘗試了無數種方法,歷經兩年,終于攻克三大難關,通過流程減碳與煙氣固碳的協同作用,實現水泥工業二氧化碳減排與工業固廢資源化高效利用?!霸擁棾晒敉茝V至全國同類產品,預計每年減少工業二氧化碳排放6000萬噸,安全處置電石渣/磷石膏等工業固廢1.5億噸?!蓖醢l洲表示,目前,已與山東京博、安徽海螺以及中材節能等國內大型企業合作,形成了固碳石、纖維水泥板、無機防護涂料等高性能碳礦化材料體系,并進一步開發出氣體驅動的3D打印新材料,申請發明專利58件,授權17件(美國專利2件)。

                      由于團隊在碳礦化材料領域的開創性工作,武漢理工大學成為國內首批進入全球水泥混凝土研究聯盟的成員,王發洲團隊牽頭獲批了全球水泥混凝土研究聯盟在我國大陸地區唯一的二氧化碳建材化利用項目,并牽頭承擔中國建筑材料聯合會首批全國建材行業重大科技攻關“揭榜掛帥”項目,該項目成果預期將在建材工業“雙碳”戰略實施中貢獻武漢理工力量,展現武漢理工新作為。

                      雖然王發洲團隊已在水泥材料的基礎科學與工程應用方面取得了一定成績,但低碳高性能水泥領域的研究工作永無止境。談起未來的愿景,王發洲表示,他將繼續和團隊一起深耕水泥混凝土材料領域,堅持弘揚實驗室文化,堅持傳承創新、協同創新與源頭創新,進一步發揮團隊在材料、化學、計算、能源、信息和工業技術人才與知識交叉優勢,致力于開發低碳高性能水泥材料、建筑節能新材料與智能結構材料,不斷為建材行業發展培養拔尖創新人才,力爭將硅酸鹽建筑材料國家重點實驗室建設成為世界建材領域國際學術交流與合作的重要創新基地,為學校材料學科世界一流學科建設添磚加瓦,為我國“灰色”的水泥事業增添一抹更亮麗的色彩,進一步服務我國建材工業“雙碳”戰略實施與國家重大工程建設。

                      編輯:馮威濤

                      審核:符 玥

                    責任編輯:單建慶
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