为深入贯彻科技强国战略，营造科技创新的浓厚氛围，发挥科技创新在实现“宜业尚品、造福人类”建材行业发展目标及建材行业绿色低碳安全高质量发展中的支撑作用，中国建筑材料联合会于2021年起开始评选。为更好地树立科技创新典范，弘扬科技创新精神，本刊特开设“科技·突破·领军”专栏，力求走进企业，走近人物，挖掘“双十”企业和人物背后的生动故事，多角度报道他们的突出成就和重大贡献。本期走近2021年度十大科技突破领军人物——武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室主任王发洲。

从基础研究到成果产业化，至少要翻越理论验证、工程化中试、产业化、市场竞争四座大山。对每一名科研人员来说，每一座大山都困难重重，对于传统的建材行业而言更是如此。

在建材行业，有这样一位科技工作者，潜心基础研究，坚持传承创新，坚守为党育人、为国育才初心使命，把培养创新人才作为首要任务，推动科研成果转化，服务国家重大需求。近年来，研发的10余项重大科研成果被成功应用到服务国民经济与社会发展之中。他就是武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室主任王发洲。

教书育人

培养拔尖创新人才

1993年，王发洲考入原武汉工业大学学习水泥专业，从本科毕业设计开始，就加入了具有悠久历史和光荣传统的先进水泥基复合材料研究团队，师从水泥领域著名学者胡曙光教授。该团队的创始人是我国水泥科技事业的奠基人冯修吉教授，冯修吉教授为我国建材行业培养了欧阳世翕、阎培渝、胡曙光、余其俊、程新等著名学者。先进水泥基复合材料研究团队经历多年的发展逐步将水泥事业与科学精神融合凝练形成了“担当、坚韧、协同、创新”的团队文化。

受老师的教诲与团队文化的浸润启发，王发洲在大学期间加入了中国共产党，在人生道路上坚定选择了水泥这个看起来有些“灰色”的事业。自2003年加入武汉理工大学工作以来，他时刻坚持把立德树人作为根本任务，不断思考在这样的传统材料领域，作为大学教师应该传授学生什么知识，培养学生什么能力，怎样激发学生的兴趣。他常说：“要敢于去想，兴趣驱动的科研才有持久的生命力”。

“水泥混凝土材料是一种传统材料，科研偏向于宏观和工程实验，基础研究比较缺乏，这导致了这个传统学科对学生缺乏吸引力，难以吸引优秀学生参与。自参加工作以来，我敏锐地把握了这个问题，重新溯源建材的基础科学问题，思考建材的基础科学与工程技术科学的联系，给予了学生很好的成长空间，吸引了多名优秀学生加入团队。”王发洲表示。

他不断创新教学形式，启发学生思考教学内容与工程实践的结合，策划组织材料创新设计大赛，让学生自己动手设计不一样的混凝土材料。他高度重视学生实践能力培养，课题组学生100%有企业实践经验与技术成果工程应用经历。针对传统材料领域人才引进难题，他加大选拔和自主培养力度，课题组通过多种渠道选派优秀博士生前往英国、丹麦、加拿大、瑞士等在水泥基础研究领域有影响的高校学习交流。他注重多学科交叉，引进化学、计算科学、微观力学等不同学科背景的优秀青年人才，使团队的基础研究能力得到显著加强。针对传统材料领域国际化能力不足问题，他带领实验室相关团队，多渠道拓展国际交流，与美国加州大学伯克利分校、瑞士洛桑联邦理工学院、荷兰埃因霍温理工大学、英国阿伯丁大学、拉豪集团等世界知名高校及企业建立密切联系，通过定向培养人才等方式共同开展科学研究工作。

“现在团队科研实力持续增强，服务建材行业发展的能力获得有力彰显，一批成果在行业转型升级中发挥了重要作用。多名优秀学生到中国建材集团、海螺水泥、金隅集团、华润水泥、华新水泥等行业领军企业就业。学生发展更好了，国际交流渠道也畅通了，团队逐步形成了一个良好的发展态势。”王发洲介绍。

组织举办首届水泥熟料国际会议

传承创新

高铁相新品种水泥取得突破

水泥是一种传统材料，是人类社会与经济发展的重要基石。水泥又是一种组成极为复杂的材料，人类工业化生产水泥的历史接近200年，但其微结构、胶凝机理等方面至今尚无定论。如何更好地理解水泥材料的组成、结构与性能的关系，发挥其性能并更高效率地应用是水泥科研工作者的使命。

我国水泥科技事业奠基人冯修吉教授对水泥矿物基础科学做了多项开创性的科学研究。由于铁相矿物具有很好的耐腐蚀性能，冯修吉教授自在德国求学期间就开始关注该方面的研究，回国在武汉理工大学工作以后继续为高性能高铁相水泥的基础科学研究付出了巨大努力，但是关于铁相的活性本质等一些基础性问题仍然困扰着学术界与工业界。

围绕这种传统材料，王发洲始终坚守阵地，刻苦钻研有关历史文献，实现了传承创新，在高抗蚀水泥的研究与技术开发方面积累了一些研究经验与国际领先优势。他说：“从接触水泥开始，就喜欢琢磨一些新的想法，并结合新材料的思路来研究水泥材料。”因此，在项目研究过程中，他把握基础科学研究手段的新趋势，通过化学、计算科学、微观力学等多学科交叉，深入广西鱼峰水泥等企业开展技术交流与工业试验，通过不断尝试与高强度的交流、讨论和实践，经过四年多艰苦努力终于取得了重要的突破，探寻到影响铁相活性的关键，开发出性能调控方法，重新优化了水泥矿物组成比例，发展了一种高铁相水泥新品种。

有了实验室研究成果，接下来如何利用该成果研发出符合我国需求的性能优异的高铁相水泥新产品、如何进行量产等问题摆在了他面前。由于是一种新型水泥材料，其生产过程与传统水泥存在巨大差异，稍有差错就会导致研究成果的转化停滞并给企业带来经济损失。为了解决这些问题，他带领团队不断与水泥生产技术专家进行线上、线下交流讨论，在实际生产过程中观察、分析水泥配料、生产过程与参数，最终形成了完整的工艺包。围绕高铁相水泥，冯修吉教授、胡曙光教授和王发洲开展了长期和持续的研究工作，他们团队循序渐进，经历自主创建、不断完善与发展，突破了基础研究与产业化开发关键难题，最终创制出高铁相水泥新体系。。

目前，该新品种水泥已在鱼峰水泥、海螺水泥、金牛水泥等多家水泥企业快速推广和应用，形成的产品不仅强度高，还具有更加优异的抗侵蚀和抗冲磨性能，同时对钙质资源的消耗也大量减少。相比于传统水泥，显示出更高的胶凝效能与减碳的优势。。

大量应用案例表明，他们研发的高铁相水泥经受住了海工工程海浪冲磨与高浓度盐侵蚀、核岛高应力环境与强盐雾侵蚀、水利枢纽大型闸门和泄洪道高水头荷载作用与强冲刷等严酷环境的考验，为海工、核电与水利枢纽等一批重大工程质量与服役安全提供了保障 。

协同创新

服务中国高铁建设

“世界高铁看中国，中国高铁看京 沪。 ”高铁已被誉为中国制造的新名片。 截至2022年6月底，我国高铁总里程约4.2万公里，位居世界首位。 高铁运行速度约为200公里/小时～350公里/小时，极大缩短了城市间的运行时间。 除去高效快捷的直观印象，中国高铁“硬币测试”更是令人震惊。

“硬币测试”所反映的超高平顺性背后是一项复杂而系统的工程，其中重要的一环则是无砟轨道的使用。传统铁路采用散粒碎石作为道床结构，称为有砟轨道。无砟轨道则采用混凝土建造整体基础，可以提高基础稳定性以及避免道砟飞溅，保障列车的高速平稳和安全运行。采用具有缓冲减振、协调层间应力、稳定轨道性能的材料对轨道整体结构、高铁运行安全至关重要。2002年，这种关键的材料——由水泥与沥青复合而成的弹性调整材料，引起了王发洲的关注。

“早些年，只有日本和德国掌握高铁技术，应用在高铁上的水泥沥青砂浆则是技术封锁和经济垄断的重点。在我国最初的高速铁路建设中，相关技术和材料则需要从国外高价购买。”王发洲在校学习期间，一直跟随导师胡曙光教授从事水泥与沥青材料的研究。毕业后，他应用所学的关于两种材料的基础知识，瞄准我国高速铁路建设对水泥沥青砂浆的需求，带领学生投入到这种新型结构材料的研发中。

在研究资料匮乏、科研条件艰苦的环境下，他总是在完成教学任务后第一时间和学生们一起做实验，掌握了大量第一手数据。功夫不负有心人，2006年他获批我国第一个水泥沥青砂浆的国家自然科学金项目，2008年成为国家“863”项目负责人之一，在实验室完成了水泥沥青砂浆的关键原料与制备技术研究攻关。

2008年，京沪高铁开工建设。王发洲抓住机遇，着力推动水泥沥青砂浆从实验室迈向实际应用，但这条路并不是一帆风顺。

由于前期没有与铁路系统单位的合作基础，水泥沥青砂浆的应用推广陷入停滞。但他没有放弃，拿着一本电话黄页，挨个拨打各大铁路设计院所、施工单位的电话，最终与其中一家建设单位达成了合作。从此打开了与中铁十二局、中铁十一局、湖北国创集团、重庆美仑等近20个大型施工单位与材料生产企业的深度合作局面，加快了实验室成果向工程化与市场化转化的速度，牢牢把握住了京沪高铁、石武高铁等重大工程建设的历史机遇。“京沪高速铁路项目的招投标竞争非常激烈，不但要求制备的材料必须通过严苛的全套型式检测，还要进行多次现场实际揭板试验，来检测产品与施工技术，仅仅依靠实验室力量是无论如何难以完成的。”王发洲对协同创新的重要性深有体会。

京沪高铁（徐州—宿州段） 王发洲给德国高铁专家介绍中国CA砂浆施工技术

高铁无砟轨道在冻融循环、化学侵蚀、高频动荷载等环境及荷载作用下，会产生裂缝、离缝、脱空、沉降等病害，影响轨道的平顺性。而水泥沥青砂浆对应用环境与原材料变化的敏感度很高，在不同地域应用时设计与质量稳定控制难度很大。为此，高铁用水泥沥青砂浆材料必须经历酷暑严寒的检验。

“冬天的深夜，室外温度已到零下10℃；夏季的中午，桥面温度高达60℃以上。这样的艰苦环境中，王老师带领由数十名研究生和企业技术人员组成的协同创新团队在京沪高速铁路、石武高速铁路沿线上开展揭板工程化实验，三个月沿着京沪高铁、石武高铁线路来回奔波数千公里。”团队成员张运华回忆。

就这样，现场工业实验持续做了半年，不断反复，在经历了若干次失败之后……终于，通过不懈的努力与付出，王发洲带领协同创新团队不仅成功研发了冬季与夏季两种水泥沥青砂浆配方以及高质量的成套施工工艺，将水泥沥青砂浆材料的成本从原有的近万元降至3000元左右，还成为京沪高速铁路徐州—蚌埠先导段以及南京大胜关南北引桥水泥沥青砂浆技术支持团队，为我国高速铁路建设奉献了武汉理工力量。

源头创新

服务国家“双碳”战略

水泥诞生200年以来，一直沿用以水泥与水的水化反应作为胶凝硬化机理制备混凝土材料。而水的存在又导致水泥混凝土材料在应用过程中出现体积收缩、耐久性劣化等问题。这也是一直困扰水泥混凝土科研工作者的一大难题。王发洲是一个对科研具有非常高的敏锐度的人，即使在平常生活中也时刻保持高的好奇心，而他下一个重要的科研方向正是萌芽于一次外出旅行。

2014年暑假，王发洲难得抽出时间到贵州一个天然岩洞参观。当众人沉浸在大自然造就的石灰岩奇景时，他却对石灰岩形成过程产生了浓厚的兴趣。石灰岩是一种沉积岩，主要组成是方解石型碳酸钙，经过上万年的地质作用形成，其形成是硅酸盐与大气中二氧化碳通过复杂缓慢的物理化学作用转变为碳酸盐的过程。

作为一名水泥专业的科研工作者，王发洲立刻想到，水泥的生产恰巧也是一个碳酸钙向硅酸钙转化的过程。二氧化碳会影响水泥的耐久性，但碳酸钙的组成结构决定了它自身的高稳定性与高耐久性，是否可以把混凝土碳化这种不利的影响变成一种有利的影响呢？于是，他通过逆向思维，利用硅酸钙材料与二氧化碳的反应，设计制备了以碳酸钙为组成的建筑材料，这也是碳矿化材料的雏形。

山东京博“固碳石”项目生产线

哪种硅酸钙矿相最适合制备新型碳矿化材料呢？此时，国内外相关研究和项目非常少，且技术思路仅局限于制备砖等低端建材产品。传统水泥在熟料矿相的组成上，需要控制冷却制度以防止其中一种水化矿相β-C2S向极低水化能力矿相γ-C2S的转变。通过查阅资料，王发洲发现γ-C2S这种矿相虽然不能与水发生水化反应，但是却能与二氧化碳快速反应。于是，他带领团队在国内率先开展了基于γ-C2S的固碳胶凝材料基础理论研究。通过三年的努力，王发洲团队于2019年攻克了高活性固碳胶凝材料的稳定制备难题，突破传统的“水化硬化”为“二氧化碳矿化固结”胶凝理论，在国际上首创常温下由二氧化碳高效矿化固结形成基体组成为碳酸钙的碳矿化材料新体系，目前已成为该方向的引领者之一。

时间到了2020年，随着全球变暖等环境问题日益受到关注，我国作为碳排放大国之一，在国际社会面临极大的舆论压力，迫切需要降低工业碳排放。建材行业作为我国仅次于热电、钢铁的第三大工业碳排放行业，减碳任务迫切且艰巨。王发洲前期开展的碳矿化材料研究刚好契合了建材行业的碳中和发展路径。以此为契机，他迅速开展了利用工业窑炉尾气二氧化碳制备碳矿化材料的应用研究。

然而，科研的道路不可能一帆风顺，此时团队亟需攻克三大难关：第一关，尾气中的二氧化碳浓度非常低，一般不到20%，在如此低的浓度下，现有的固碳胶凝材料活性不足，很难形成高强度，不能满足高性能碳矿化材料的需求。第二关，此前的硅酸钙矿相的制备原料与水泥熟料类似，制备能耗高，而且制备过程同时还排放大量二氧化碳，违背了碳矿化材料的低碳属性。第三关，碳矿化材料工业化应用的关键“卡脖子”技术是尺寸扩展性低，需要解决二氧化碳在基体内的高效传输与基体结构快速形成的竞争关系。

为此，王发洲团队不断试验，尝试了无数种方法，历经两年，终于攻克三大难关，通过流程减碳与烟气固碳的协同作用，实现水泥工业二氧化碳减排与工业固废资源化高效利用。“该项成果若推广至全国同类产品，预计每年减少工业二氧化碳排放6000万吨，安全处置电石渣/磷石膏等工业固废1.5亿吨。”王发洲表示，目前，已与山东京博、安徽海螺以及中材节能等国内大型企业合作，形成了固碳石、纤维水泥板、无机防护涂料等高性能碳矿化材料体系，并进一步开发出气体驱动的3D打印新材料，申请发明专利58件，授权17件（美国专利2件）。

由于团队在碳矿化材料领域的开创性工作，武汉理工大学成为国内首批进入全球水泥混凝土研究联盟的成员，王发洲团队牵头获批了全球水泥混凝土研究联盟在我国大陆地区唯一的二氧化碳建材化利用项目，并牵头承担中国建筑材料联合会首批全国建材行业重大科技攻关“揭榜挂帅”项目，该项目成果预期将在建材工业“双碳”战略实施中贡献武汉理工力量，展现武汉理工新作为。

虽然王发洲团队已在水泥材料的基础科学与工程应用方面取得了一定成绩，但低碳高性能水泥领域的研究工作永无止境。谈起未来的愿景，王发洲表示，他将继续和团队一起深耕水泥混凝土材料领域，坚持弘扬实验室文化，坚持传承创新、协同创新与源头创新，进一步发挥团队在材料、化学、计算、能源、信息和工业技术人才与知识交叉优势，致力于开发低碳高性能水泥材料、建筑节能新材料与智能结构材料，不断为建材行业发展培养拔尖创新人才，力争将硅酸盐建筑材料国家重点实验室建设成为世界建材领域国际学术交流与合作的重要创新基地，为学校材料学科世界一流学科建设添砖加瓦，为我国“灰色”的水泥事业增添一抹更亮丽的色彩，进一步服务我国建材工业“双碳”战略实施与国家重大工程建设。

本刊记者/李媛