海洋工程中硫鋁酸鹽水泥的應(yīng)用淺議

摘要：本文主要以海洋工程為對象，介紹了硫鋁酸鹽材料水泥的性能與種類，并對其在海洋工程中的應(yīng)用加以說明。以期對未來行業(yè)發(fā)展有一定借鑒。

關(guān)鍵詞：硫鋁酸鹽水泥；海洋工程；應(yīng)用

一、海洋工程受到的侵蝕破壞

由于海洋環(huán)境含鹽量較高，富含如cl-與s042-等侵蝕性離子，不僅會破壞侵蝕海洋建筑造成海洋建筑出現(xiàn)性能劣化，例如鋼筋的銹蝕或者混凝土的開裂等等，同時也會出現(xiàn)硫離子進(jìn)入混凝土經(jīng)過化學(xué)反應(yīng)生成對建筑物結(jié)構(gòu)有害的化學(xué)產(chǎn)物如石膏或者鈣礬石等。從微觀層面來講，水泥的水化產(chǎn)物會與海水中包含的cl-以及s042-出現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致混凝土出現(xiàn)孔隙或者影響其膠接性能，嚴(yán)重者會直接破壞建筑混凝土。目前來講，硫酸鹽對海洋建筑侵蝕后所產(chǎn)生的水化反應(yīng)產(chǎn)物能夠嚴(yán)重縮短混凝土的使用壽命，破壞建筑物的耐久性。想要提高建筑物抵御海水侵蝕的能力需要使用包含適量s042-成分的水泥，此外為了提高建筑物抵御cl-的侵蝕固化作用，需要使用例如硫鋁酸鹽成分的水泥。

我國擁有廣袤的海岸線，擁有東海，渤海，南海，黃海四大海域，同時我國經(jīng)緯度跨度較大，北部海域有結(jié)冰現(xiàn)象，南部海域則是高溫潮濕，因此在不同地域需要選擇不同的合適的的水泥材料。除了溫度氣候的原因，另一項(xiàng)影響混凝土性能的主要因素是離子侵蝕造成的結(jié)構(gòu)破壞，此外鋼筋銹蝕，鹽類侵蝕，碳化，干濕交替以及沖刷磨損與凍融循環(huán)等也是影響混凝土性能的因素。按照不同作用區(qū)域?qū)⒒炷敛煌慕Y(jié)構(gòu)部位收到的侵蝕破壞進(jìn)行分類：上部大氣區(qū)受到鹽霧海風(fēng)的破壞，水面以上臨水處受到干濕交替與海水沖刷磨損破壞較多，水下部分則主要受到海水中鹽離子侵蝕的破壞，部分海域會受到挾沙洋流沖刷磨損。

二、配置硫鋁酸鹽系列水泥混凝土

（一）硫鋁酸鹽水泥相關(guān)反應(yīng)

硫鋁酸鹽系列水泥和水拌和發(fā)生水化反應(yīng)時，水泥熟料礦物以及石膏進(jìn)行水化反應(yīng)產(chǎn)生三硫型鋁膠以及硫鋁酸鈣、氫氧化鈣與硅酸鈣，此外反應(yīng)所得到的CH和石膏再次反應(yīng)生成Aft，若是石膏的量不足時反應(yīng)會得到單硫型的硫鋁酸鈣。對于高鐵硫鋁酸鹽系列的水泥除發(fā)生上述反應(yīng)外還存在其他反應(yīng)。

（二）配置硫鋁酸鹽系列水泥試驗(yàn)

我們知道海洋工程受到破壞時，膠凝材料是建筑混凝土結(jié)構(gòu)受破壞的一處薄弱環(huán)節(jié)。同時混凝土受鹽離子侵蝕出現(xiàn)裂縫與鋼筋的侵蝕破壞是結(jié)構(gòu)破壞的主要原因，其中氯離子由于總量巨大是侵蝕的主要元素離子。

海洋工程建設(shè)施工配置混凝土?xí)r將摻合料按照單一成分加入。通常粉煤灰材料混凝土有著水化熱溫度較低，雖然前期強(qiáng)度略低但后期強(qiáng)度接近于普通傳統(tǒng)混凝土強(qiáng)度的特點(diǎn)，然而由于質(zhì)量波動較大以及品質(zhì)參差不齊，使得摻入量相對較低且無法準(zhǔn)確控制，至于礦渣雖然易磨性較差，成本較為高昂，但是與粉煤灰相比強(qiáng)度發(fā)展快，混凝土養(yǎng)護(hù)期短，同時抗氯離子侵蝕滲透的能力高于粉煤灰。最后硅灰也能提高抗侵蝕滲透性能，然而成本較高。綜合考慮，因此我們配置混凝土?xí)r需要考慮以下原則。

（1）礦渣磨細(xì)加入混凝土后的溫升取決于礦渣的摻入量以及礦渣磨細(xì)后的細(xì)度。加大磨細(xì)礦渣在混凝土中的摻入量可使得混凝土提高抵御氯離子滲透擴(kuò)散的能力，礦渣粉末在混凝土中最大摻入量不超過百分之九十，表面積宜超過400平方米。

（2）粉煤灰優(yōu)質(zhì)的加入混凝土可以具備形態(tài)效應(yīng)，活性效應(yīng)以及微集效應(yīng)，因此為使抵御氯離子的能力充分體現(xiàn)，膠凝材料中粉煤灰應(yīng)占總量的十分之一至二分之一。

（3）硅粉作為一種超細(xì)粉其比表面積極大，在膠凝材料中應(yīng)低于總量的百分之十。

（三） 硫鋁酸鹽系列水泥制備混凝土及其材料配比

選擇早強(qiáng)快硬的硫鋁酸鹽系列水泥為膠凝材料，5至25毫米粒徑的連續(xù)級碎石為粗骨料，細(xì)骨料為河砂，配置好硫鋁酸鹽水泥混凝土后，再設(shè)置一組對照試驗(yàn)選擇磨細(xì)礦渣的粉末摻入對比樣品作為摻合料。此外選擇緩凝型減水劑控制新制混凝土的流動性。針對混凝土的各種性能如工作性能，物理性能，抵御硫酸鹽的性能，養(yǎng)護(hù)條件的影響等方面開始進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

（四）硫鋁酸鹽系列水泥所制混凝土材料性能

1.混凝土的工作性能

對新拌制的混凝土進(jìn)行拓展度，坍落度以及凝結(jié)時間進(jìn)行測試實(shí)驗(yàn)，其實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。

如表1所示選擇合適的高效減水緩凝劑能夠使得硫鋁酸鹽系列水泥所制混凝土流動性良好，在2小時時依然具有可泵送性，此外可根據(jù)情況添加適量硼酸對坍落度進(jìn)行控制，同時在減水緩凝劑使用后硫鋁酸鹽系列水泥所制混凝土初凝時間接近于傳統(tǒng)普通硅酸鹽混凝土，但會縮短終凝時間。

2.物理性能

硫鋁酸鹽系列水泥所制混凝土的強(qiáng)度發(fā)展較快，在第三天強(qiáng)度便可以到達(dá)28天的80%，同時后面時間強(qiáng)度增長十分穩(wěn)定。值得注意，加入磨細(xì)礦渣的粉末后混凝土早期會稍稍降低抗壓強(qiáng)度，但是總體強(qiáng)度增長依舊平穩(wěn)，普通的硫鋁酸鹽系列水泥所制混凝土對比硅酸鹽混凝土在水化反應(yīng)時氫氧化鈣產(chǎn)生較少，礦渣粉末沒有被強(qiáng)烈激發(fā)在混凝土中主要用于物理填充，而對于高鐵型硫鋁酸鹽系列水泥用于膠凝材料則會明顯激發(fā)礦渣粉末的作用，使得混凝土早期就具有一定強(qiáng)度同時不影響最終強(qiáng)度的要求。這在海洋工程施工建設(shè)而言無疑是有利的，能夠滿足特殊環(huán)境下工程的快速施工要求，此外能夠有效保護(hù)早期暴露與浪涌環(huán)境的結(jié)構(gòu)建筑，有效提高耐侵蝕性能。

3.抵御硫酸鹽的性能

我們知道硫酸鹽對于混凝土的侵蝕作用破壞較大，圖2為150次干濕循環(huán)作用下混凝土抵御硫酸鹽的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)圖示結(jié)果我們可以看出硫鋁酸鹽系列水泥所制混凝土耐侵蝕能力較好，根據(jù)60次干濕循環(huán)硫酸鹽破壞實(shí)驗(yàn)后的強(qiáng)度對比，能夠看出空白樣品強(qiáng)度稍微上升，這是由于低循環(huán)次數(shù)時硫鋁酸鹽系列水泥所制混凝土的泥漿在鹽溶液進(jìn)入內(nèi)部并結(jié)晶后會使得毛細(xì)孔洞堵塞，提高混凝土密實(shí)度從而提高強(qiáng)度。當(dāng)硫鋁酸鹽系列水泥所制混凝土加入礦渣粉末后的樣品120次實(shí)驗(yàn)后強(qiáng)度繼續(xù)提高的原因是粉末在鹽離子作用下再次出現(xiàn)水化反應(yīng)。結(jié)合試驗(yàn)整體我們可以得出硫鋁酸鹽系列水泥所制混凝土具有十分優(yōu)秀的抵御侵蝕的能力。在150次試驗(yàn)后強(qiáng)度出現(xiàn)略微損失但仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于普通傳統(tǒng)硅酸鹽混凝土。這是因?yàn)榱蜾X酸鹽系列水泥所制混凝土硬化密實(shí)度高因此具備經(jīng)受多次干濕循環(huán)破壞后抵御離子侵蝕的能力依然較強(qiáng)的原因。其次水化產(chǎn)物在硫酸鹽作用下有較好的穩(wěn)定性，唯一反應(yīng)較大的氫氧化鈣含量極低影響不大，這樣避免了出現(xiàn)反應(yīng)生成石膏破壞膠凝能力的現(xiàn)象。

4.養(yǎng)護(hù)條件的影響

使硫鋁酸鹽系列水泥所制混凝土滿足海洋環(huán)境施工應(yīng)用，需要對各種養(yǎng)護(hù)介質(zhì)例如淡水空氣以及天然海水等介質(zhì)對最終強(qiáng)度造成的影響。這里采取水膠比40%，含砂率35%，所用減水劑為1.2%，添加火山灰20%的硫鋁酸鹽系列水泥所制混凝土，對該混凝土3天和28天強(qiáng)度進(jìn)行測試比較，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果我們得出空氣養(yǎng)護(hù)狀態(tài)第三天混凝土的強(qiáng)度最高，同時淡水養(yǎng)護(hù)略低于空氣養(yǎng)護(hù)，海水養(yǎng)護(hù)明顯低于空氣養(yǎng)護(hù)，此外海水養(yǎng)護(hù)基本等效于淡水養(yǎng)護(hù)。至于空氣養(yǎng)護(hù)第28天混凝土的強(qiáng)度對比第三天強(qiáng)度增長為20%，此時淡水等效于海水養(yǎng)護(hù)在第28天強(qiáng)度等效于第3 天強(qiáng)度，大致沒有增長。所以浸水養(yǎng)護(hù)對于硫鋁酸鹽系列水泥所制混凝土后期的強(qiáng)度提高幫助不大。原因應(yīng)該是水將氧化鈣等堿性可溶解物質(zhì)析出，使得水化反應(yīng)無法進(jìn)一步進(jìn)行。

三、結(jié)束語

海洋工程混凝土性能關(guān)系到該類工程結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性，而硫酸鹽水泥作為一種低環(huán)境負(fù)荷、低碳排放的特種膠凝材料，在用于制備海洋工程混凝土?xí)r表現(xiàn)出優(yōu)異的使用性能，是一種極具開發(fā)潛力的海洋耐久性混凝土材料。

參考文獻(xiàn)：

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[2]何鵬濤.模擬海水對高性能混凝土漿體的侵蝕作用研究[J].硅酸鹽通報.2016（10）：339-345.

作者簡介：

蒙傳剛，男，（1966-12），學(xué)歷：大專，職稱：助理工程師，主要從事水泥企業(yè)質(zhì)量管理工作。