劉在春

隨著陸地資源的日益緊缺，人類的目光逐漸聚焦到廣袤的海洋上,越來越多的海岸工程和離岸工程進入規(guī)劃和施工。但是海工混凝土因為經常性地或周期性地與海水接觸，普遍受到海洋環(huán)境的侵蝕，建筑過早被破壞，實際使用年限大幅縮短，如何提高海工混凝土的耐久性問題迫在眉睫。

本文主要介紹了海工混凝土的概念和應用現(xiàn)狀，闡明海工混凝土在海洋環(huán)境中所受到的侵蝕破壞方式，分析鐵鋁酸鹽水泥的水化過程和后期的改性優(yōu)化方式，從而制備耐久性優(yōu)良的海工混凝土。

一、高性能海工混凝土的應用需求和面臨的問題

地球總面積約5.1億平方公里，其中海洋面積約占71%。而我國東南部海岸線約1.8萬千米，全程貫穿13個省、直轄市或特別行政區(qū)；廣闊的海洋蘊藏著巨大的財富，海洋資源的開發(fā)離不開海洋工程建設。21世紀以來，大量港口碼頭、跨海大橋、海底隧道、海上石油鉆井平臺等在碧海藍天下修建成功。而混凝土因其原材料豐富、價格低廉、力學性能優(yōu)越，再加上良好的耐久性，一直是海洋工程中用量最大、最廣泛的工程材料。

隨著越來越多的海岸工程和離岸工程進入規(guī)劃和施工，對高性能海工混凝土的需求也日益增多。美國、英國相關部門調查表明，現(xiàn)存75%左右的鋼筋混凝土橋梁受到Cl-的侵蝕作用，維護維修費用高達原造價的23倍。國內相關部門調查也表明，鋼筋海工混凝土構筑物的使用年限僅30～40年，大大降低了工程效益，增加維護費用，直接和間接的損失觸目驚心。2000年據(jù)交通部公路科研所研究報道，在南方高溫地區(qū)，若不采取任何防護措施，新建的海中橋梁在3～4年后就有相當程度的鋼筋銹蝕，混凝土保護層因體積應力作用而破壞。因此，海工混凝土的耐久性問題儼然已成為當今海洋工程界面臨的世界性難題。

二、影響海工混凝土長期耐久性的原因

影響海工混凝土長期耐久性的原因大致有以下幾點：

1.物理破壞：海水的凍融循環(huán)、潮水的干濕交替都會在混凝土內部產生應力，引起混凝土的開裂破壞；海砂、冰凌的沖擊磨損會使混凝土表面粗糙，促進混凝土保護層水化產物的溶出性侵蝕等。

2.化學侵蝕：海水中的氯鹽占含鹽量的80%以上，Cl-是極強的陽極活化劑，會破壞混凝土中鋼筋表面的Fe3O4·γFe2O3·βH2O鈍化膜，引起鋼筋銹蝕，體積膨脹，導致混凝土結構破壞。氯離子侵蝕的主要化學反應如下：

海水中對混凝土的腐蝕除Cl-外，還有等，而且，在經受潮汐漲落的海岸、鹽場以及內陸鹽湖地區(qū)，SO4

2-濃度也往往高于8000mg/L。3.體積不穩(wěn)定性破壞：混凝土凝結硬化過程中的化學收縮、干燥收縮、溫度應力等會使混凝土產生收縮變形，使混凝土表面或內部出現(xiàn)裂縫，影響混凝土體積穩(wěn)定性及耐久性。

海工混凝土服役壽命的大幅縮短，必須花費巨資進行維修或重建，造成巨大的經濟損失，同時還帶來資源和能源浪費、環(huán)境污染等問題。材料的組成決定其結構和性能，混凝土性能的劣化也是由其組成和結構決定的。如何調整混凝土的配比組成，并從混凝土施工技術方面確保其優(yōu)良性能，對海洋資源的開發(fā)、海工構筑物的建設、海軍的現(xiàn)代化發(fā)展等方面都有重要意義。

三、鐵鋁酸鹽水泥的水化特點

礦物使鐵鋁酸鹽水泥具有以下優(yōu)良性能：1.早強高強特性：12h-ld抗壓強度可達35-50MPa；抗折強度可達6.5-7.5MPa；后期強度仍不斷增長；2.凝結硬化快：初凝30min左右，終凝60min左右，可根據(jù)實際生產要求進行調節(jié)；3.水化體系堿度低：FAC水化體系pH＜12，可用于GRC制品；4.能低溫硬化：可以在低溫甚至負溫下施工，早期強度遠高于硅酸鹽水泥，抗凍標號高；5.抗?jié)B性好：水泥石結構致密，抗?jié)B性是相同標號硅酸鹽水泥混凝土的2-3倍；6.抗硫酸鹽侵蝕性好：對海水、氯鹽、硫酸鹽以及它們的復合鹽類（MgSO4+NaCl）均具有極好的抗腐蝕性能；7.耐鋼筋銹蝕性好：FAC由于堿度低（pH＜12），在早期拌合的混凝土中含有較多的空氣和水分，會使混凝土鋼筋早期有輕微銹蝕，但由于水泥石結構致密，后期銹蝕情況無明顯發(fā)展。

鐵鋁酸鹽水泥經過水化硬化之后，形成的水泥石結構致密，該水泥理論水灰比與實際水灰比很接近（FAC理論水灰比為0.4左右，OPC在0.23左右），混凝土中游離水很少，加之在不斷水化過程中形成C-S-H凝膠，水泥石毛細孔的空間得到不斷的充填和密實，使水泥石有一個較好的晶膠比，孔隙率比OPC低，而且孔徑較小。研究表明FAC是一種理想的固化氯離子的膠凝材料，這與其結構致密性不無相關。研究結果表明FAC混凝土的抗氯離子侵蝕性能優(yōu)于OPC混凝土，且隨著水膠比的減小，F(xiàn)AC混凝土的抗氯離子侵蝕性能明顯提高。

四、不同的改性方式對鐵鋁酸鹽水泥在海工混凝土中的影響

在水泥水化方面：不同摻量石膏對FAC水化的影響，發(fā)現(xiàn)純水泥熟料水化產物為AFt和AH3，在水泥熟料中添加石膏可明顯提高反應速率，適當?shù)谋壤墒顾a物AFt有最大的生成量。在石膏和不同CH含量下的早期水化，結果發(fā)現(xiàn)增加CH的含量會提高早期（＜1d）AFm相的含量，在后期（＞1d）則會有更多的AFm產生。石英粉填料和石灰石粉填料對SAC水化的影響，發(fā)現(xiàn)在20℃和5℃時，石灰石粉填料相比石英粉填料能更好地改善水化進程，促進早期水化，縮短凝結時間，提高砂漿的力學性能。

在耐腐蝕性方面，海洋環(huán)境中的Cl-、SO42-、Mg2+等離子的侵蝕作用是造成鋼筋混凝土腐蝕破壞的主要原因；混凝土中性化、堿集料反應等也促進了混凝土的腐蝕破壞。研究表明FAC鋼筋混凝土中鋼筋在致密的混凝土的保護下，只出現(xiàn)了輕微的銹蝕但并不會在后期擴展；且R·FAC在MgCl2溶液中的耐腐蝕系數(shù)值比R·SAC要高出60%，在SO42-溶液和SO4

2-與Cl-的復合溶液中也稍高，這說明R·FAC比R·SAC具有更好的耐腐蝕性能。海洋工程實際使用結果也進一步表明，R·FAC具有更佳的耐海水腐蝕性能。

在抗硫酸鹽侵蝕方面，研究單摻和復摻礦粉對硫鋁酸鹽水泥抗硫酸鹽侵蝕性的影響，發(fā)現(xiàn)礦粉的加入抑制了AFt和石膏的形成，對比礦粉單摻、礦粉與石灰石粉復摻、礦粉與粉煤灰復摻，礦粉單摻具有最好的耐硫酸鹽侵蝕性；同時礦粉會消除石灰石粉的不良影響。

五、結語

鐵鋁酸鹽水泥（FAC）由于其特殊的結構，具有早強高、凝結快、堿度低、能低溫硬化、抗鹽侵蝕性強等特點。相對于普通水泥的“高能耗、高碳排放”，鐵鋁酸鹽水泥具有顯著的低溫燒成和低碳排放的特點。鐵鋁酸鹽水泥的水泥石結構致密，體系內大孔較少，總體孔隙率小，遠優(yōu)于普通硅酸鹽水泥，大大增強了對海水中有害離子侵入的抵抗性，此外通過改性和優(yōu)化配合比可以改善混凝土的性能。因此，其被稱為“最理想的海洋工程用水泥品種”，研究鐵鋁酸鹽水泥海工混凝土對于我國的海洋開發(fā)、海工建設，有很大的戰(zhàn)略意義。