鐵鋁酸鹽水泥在海工混凝土中的應(yīng)用

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(lái)越多的海岸工程和離岸工程進(jìn)入規(guī)劃和施工。但是海工混凝土因?yàn)榻?jīng)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(guò)早被破壞，實(shí)際使用年限大幅縮短，如何提高海工混凝土的耐久性問(wèn)題迫在眉睫。

本文主要介紹了海工混凝土的概念和應(yīng)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(guò)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(yīng)用需求和面臨的問(wèn)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(guó)東南部海岸線約1.8萬(wàn)千米，全程貫穿13個(gè)省、直轄市或特別行政區(qū)；廣闊的海洋蘊(yùn)藏著巨大的財(cái)富，海洋資源的開(kāi)發(fā)離不開(kāi)海洋工程建設(shè)。21世紀(jì)以來(lái)，大量港口碼頭、跨海大橋、海底隧道、海上石油鉆井平臺(tái)等在碧海藍(lán)天下修建成功。而混凝土因其原材料豐富、價(jià)格低廉、力學(xué)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(lái)越多的海岸工程和離岸工程進(jìn)入規(guī)劃和施工，對(duì)高性能海工混凝土的需求也日益增多。美國(guó)、英國(guó)相關(guān)部門(mén)調(diào)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(hù)維修費(fèi)用高達(dá)原造價(jià)的23倍。國(guó)內(nèi)相關(guān)部門(mén)調(diào)查也表明，鋼筋海工混凝土構(gòu)筑物的使用年限僅30～40年，大大降低了工程效益，增加維護(hù)費(fèi)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(bào)道，在南方高溫地區(qū)，若不采取任何防護(hù)措施，新建的海中橋梁在3～4年后就有相當(dāng)程度的鋼筋銹蝕，混凝土保護(hù)層因體積應(yīng)力作用而破壞。因此，海工混凝土的耐久性問(wèn)題儼然已成為當(dāng)今海洋工程界面臨的世界性難題。

二、影響海工混凝土長(zhǎng)期耐久性的原因

影響海工混凝土長(zhǎng)期耐久性的原因大致有以下幾點(diǎn)：

1.物理破壞：海水的凍融循環(huán)、潮水的干濕交替都會(huì)在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力，引起混凝土的開(kāi)裂破壞；海砂、冰凌的沖擊磨損會(huì)使混凝土表面粗糙，促進(jìn)混凝土保護(hù)層水化產(chǎn)物的溶出性侵蝕等。

2.化學(xué)侵蝕：海水中的氯鹽占含鹽量的80%以上，Cl-是極強(qiáng)的陽(yáng)極活化劑，會(huì)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(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)破壞。氯離子侵蝕的主要化學(xué)反應(yīng)如下：

海水中對(duì)混凝土的腐蝕除Cl-外，還有等，而且，在經(jīng)受潮汐漲落的海岸、鹽場(chǎng)以及內(nèi)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(jié)硬化過(guò)程中的化學(xué)收縮、干燥收縮、溫度應(yīng)力等會(huì)使混凝土產(chǎn)生收縮變形，使混凝土表面或內(nèi)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(fèi)巨資進(jìn)行維修或重建，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，同時(shí)還帶來(lái)資源和能源浪費(fèi)、環(huán)境污染等問(wèn)題。材料的組成決定其結(jié)構(gòu)和性能，混凝土性能的劣化也是由其組成和結(jié)構(gòu)決定的。如何調(diào)整混凝土的配比組成，并從混凝土施工技術(shù)方面確保其優(yōu)良性能，對(duì)海洋資源的開(kāi)發(fā)、海工構(gòu)筑物的建設(shè)、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(diǎn)

礦物使鐵鋁酸鹽水泥具有以下優(yōu)良性能：1.早強(qiáng)高強(qiáng)特性：12h-ld抗壓強(qiáng)度可達(dá)35-50MPa；抗折強(qiáng)度可達(dá)6.5-7.5MPa；后期強(qiáng)度仍不斷增長(zhǎng)；2.凝結(jié)硬化快：初凝30min左右，終凝60min左右，可根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)要求進(jìn)行調(diào)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(fù)溫下施工，早期強(qiáng)度遠(yuǎn)高于硅酸鹽水泥，抗凍標(biāo)號(hào)高；5.抗?jié)B性好：水泥石結(jié)構(gòu)致密，抗?jié)B性是相同標(biāo)號(hào)硅酸鹽水泥混凝土的2-3倍；6.抗硫酸鹽侵蝕性好：對(duì)海水、氯鹽、硫酸鹽以及它們的復(fù)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(huì)使混凝土鋼筋早期有輕微銹蝕，但由于水泥石結(jié)構(gòu)致密，后期銹蝕情況無(wú)明顯發(fā)展。

鐵鋁酸鹽水泥經(jīng)過(guò)水化硬化之后，形成的水泥石結(jié)構(gòu)致密，該水泥理論水灰比與實(shí)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(guò)程中形成C-S-H凝膠，水泥石毛細(xì)孔的空間得到不斷的充填和密實(shí)，使水泥石有一個(gè)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(jié)構(gòu)致密性不無(wú)相關(guān)。研究結(jié)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(duì)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(duì)FAC水化的影響，發(fā)現(xiàn)純水泥熟料水化產(chǎn)物為AFt和AH3，在水泥熟料中添加石膏可明顯提高反應(yīng)速率，適當(dāng)?shù)谋壤墒顾a(chǎn)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(jié)果發(fā)現(xiàn)增加CH的含量會(huì)提高早期（＜1d）AFm相的含量，在后期（＞1d）則會(huì)有更多的AFm產(chǎn)生。石英粉填料和石灰石粉填料對(duì)SAC水化的影響，發(fā)現(xiàn)在20℃和5℃時(shí)，石灰石粉填料相比石英粉填料能更好地改善水化進(jìn)程，促進(jìn)早期水化，縮短凝結(jié)時(shí)間，提高砂漿的力學(xué)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(yīng)等也促進(jìn)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(hù)下，只出現(xiàn)了輕微的銹蝕但并不會(huì)在后期擴(kuò)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(fù)合溶液中也稍高，這說(shuō)明R·FAC比R·SAC具有更好的耐腐蝕性能。海洋工程實(shí)際使用結(jié)果也進(jìn)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(fù)摻礦粉對(duì)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(duì)比礦粉單摻、礦粉與石灰石粉復(fù)摻、礦粉與粉煤灰復(fù)摻，礦粉單摻具有最好的耐硫酸鹽侵蝕性；同時(shí)礦粉會(huì)消除石灰石粉的不良影響。

五、結(jié)語(yǔ)

鐵鋁酸鹽水泥（FAC）由于其特殊的結(jié)構(gòu)，具有早強(qiáng)高、凝結(jié)快、堿度低、能低溫硬化、抗鹽侵蝕性強(qiáng)等特點(diǎn)。相對(duì)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?zé)珊偷吞寂欧诺奶攸c(diǎn)。鐵鋁酸鹽水泥的水泥石結(jié)構(gòu)致密，體系內(nèi)大孔較少，總體孔隙率小，遠(yuǎn)優(yōu)于普通硅酸鹽水泥，大大增強(qiáng)了對(duì)海水中有害離子侵入的抵抗性，此外通過(guò)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(duì)于我國(guó)的海洋開(kāi)發(fā)、海工建設(shè)，有很大的戰(zhàn)略意義。