铁铝酸盐水泥在海工混凝土中的应用

刘在春

随着陆地资源的日益紧缺，人类的目光逐渐聚焦到广袤的海洋上,越来越多的海岸工程和离岸工程进入规划和施工。但是海工混凝土因为经常性地或周期性地与海水接触，普遍受到海洋环境的侵蚀，建筑过早被破坏，实际使用年限大幅缩短，如何提高海工混凝土的耐久性问题迫在眉睫。

本文主要介绍了海工混凝土的概念和应用现状，阐明海工混凝土在海洋环境中所受到的侵蚀破坏方式，分析铁铝酸盐水泥的水化过程和后期的改性优化方式，从而制备耐久性优良的海工混凝土。

一、高性能海工混凝土的应用需求和面临的问题

地球总面积约5.1亿平方公里，其中海洋面积约占71%。而我国东南部海岸线约1.8万千米，全程贯穿13个省、直辖市或特别行政区；广阔的海洋蕴藏着巨大的财富，海洋资源的开发离不开海洋工程建设。21世纪以来，大量港口码头、跨海大桥、海底隧道、海上石油钻井平台等在碧海蓝天下修建成功。而混凝土因其原材料丰富、价格低廉、力学性能优越，再加上良好的耐久性，一直是海洋工程中用量最大、最广泛的工程材料。

随着越来越多的海岸工程和离岸工程进入规划和施工，对高性能海工混凝土的需求也日益增多。美国、英国相关部门调查表明，现存75%左右的钢筋混凝土桥梁受到Cl-的侵蚀作用，维护维修费用高达原造价的23倍。国内相关部门调查也表明，钢筋海工混凝土构筑物的使用年限仅30～40年，大大降低了工程效益，增加维护费用，直接和间接的损失触目惊心。2000年据交通部公路科研所研究报道，在南方高温地区，若不采取任何防护措施，新建的海中桥梁在3～4年后就有相当程度的钢筋锈蚀，混凝土保护层因体积应力作用而破坏。因此，海工混凝土的耐久性问题俨然已成为当今海洋工程界面临的世界性难题。

二、影响海工混凝土长期耐久性的原因

影响海工混凝土长期耐久性的原因大致有以下几点：

1.物理破坏：海水的冻融循环、潮水的干湿交替都会在混凝土内部产生应力，引起混凝土的开裂破坏；海砂、冰凌的冲击磨损会使混凝土表面粗糙，促进混凝土保护层水化产物的溶出性侵蚀等。

2.化学侵蚀：海水中的氯盐占含盐量的80%以上，Cl-是极强的阳极活化剂，会破坏混凝土中钢筋表面的Fe3O4·γFe2O3·βH2O钝化膜，引起钢筋锈蚀，体积膨胀，导致混凝土结构破坏。氯离子侵蚀的主要化学反应如下：

海水中对混凝土的腐蚀除Cl-外，还有等，而且，在经受潮汐涨落的海岸、盐场以及内陆盐湖地区，SO4

2-浓度也往往高于8000mg/L。3.体积不稳定性破坏：混凝土凝结硬化过程中的化学收缩、干燥收缩、温度应力等会使混凝土产生收缩变形，使混凝土表面或内部出现裂缝，影响混凝土体积稳定性及耐久性。

海工混凝土服役寿命的大幅缩短，必须花费巨资进行维修或重建，造成巨大的经济损失，同时还带来资源和能源浪费、环境污染等问题。材料的组成决定其结构和性能，混凝土性能的劣化也是由其组成和结构决定的。如何调整混凝土的配比组成，并从混凝土施工技术方面确保其优良性能，对海洋资源的开发、海工构筑物的建设、海军的现代化发展等方面都有重要意义。

三、铁铝酸盐水泥的水化特点

矿物使铁铝酸盐水泥具有以下优良性能：1.早强高强特性：12h-ld抗压强度可达35-50MPa；抗折强度可达6.5-7.5MPa；后期强度仍不断增长；2.凝结硬化快：初凝30min左右，终凝60min左右，可根据实际生产要求进行调节；3.水化体系碱度低：FAC水化体系pH＜12，可用于GRC制品；4.能低温硬化：可以在低温甚至负温下施工，早期强度远高于硅酸盐水泥，抗冻标号高；5.抗渗性好：水泥石结构致密，抗渗性是相同标号硅酸盐水泥混凝土的2-3倍；6.抗硫酸盐侵蚀性好：对海水、氯盐、硫酸盐以及它们的复合盐类（MgSO4+NaCl）均具有极好的抗腐蚀性能；7.耐钢筋锈蚀性好：FAC由于碱度低（pH＜12），在早期拌合的混凝土中含有较多的空气和水分，会使混凝土钢筋早期有轻微锈蚀，但由于水泥石结构致密，后期锈蚀情况无明显发展。

铁铝酸盐水泥经过水化硬化之后，形成的水泥石结构致密，该水泥理论水灰比与实际水灰比很接近（FAC理论水灰比为0.4左右，OPC在0.23左右），混凝土中游离水很少，加之在不断水化过程中形成C-S-H凝胶，水泥石毛细孔的空间得到不断的充填和密实，使水泥石有一个较好的晶胶比，孔隙率比OPC低，而且孔径较小。研究表明FAC是一种理想的固化氯离子的胶凝材料，这与其结构致密性不无相关。研究结果表明FAC混凝土的抗氯离子侵蚀性能优于OPC混凝土，且随着水胶比的减小，FAC混凝土的抗氯离子侵蚀性能明显提高。

四、不同的改性方式对铁铝酸盐水泥在海工混凝土中的影响

在水泥水化方面：不同掺量石膏对FAC水化的影响，发现纯水泥熟料水化产物为AFt和AH3，在水泥熟料中添加石膏可明显提高反应速率，适当的比例可使水化产物AFt有最大的生成量。在石膏和不同CH含量下的早期水化，结果发现增加CH的含量会提高早期（＜1d）AFm相的含量，在后期（＞1d）则会有更多的AFm产生。石英粉填料和石灰石粉填料对SAC水化的影响，发现在20℃和5℃时，石灰石粉填料相比石英粉填料能更好地改善水化进程，促进早期水化，缩短凝结时间，提高砂浆的力学性能。

在耐腐蚀性方面，海洋环境中的Cl-、SO42-、Mg2+等离子的侵蚀作用是造成钢筋混凝土腐蚀破坏的主要原因；混凝土中性化、碱集料反应等也促进了混凝土的腐蚀破坏。研究表明FAC钢筋混凝土中钢筋在致密的混凝土的保护下，只出现了轻微的锈蚀但并不会在后期扩展；且R·FAC在MgCl2溶液中的耐腐蚀系数值比R·SAC要高出60%，在SO42-溶液和SO4

2-与Cl-的复合溶液中也稍高，这说明R·FAC比R·SAC具有更好的耐腐蚀性能。海洋工程实际使用结果也进一步表明，R·FAC具有更佳的耐海水腐蚀性能。

在抗硫酸盐侵蚀方面，研究单掺和复掺矿粉对硫铝酸盐水泥抗硫酸盐侵蚀性的影响，发现矿粉的加入抑制了AFt和石膏的形成，对比矿粉单掺、矿粉与石灰石粉复掺、矿粉与粉煤灰复掺，矿粉单掺具有最好的耐硫酸盐侵蚀性；同时矿粉会消除石灰石粉的不良影响。

五、结语

铁铝酸盐水泥（FAC）由于其特殊的结构，具有早强高、凝结快、碱度低、能低温硬化、抗盐侵蚀性强等特点。相对于普通水泥的“高能耗、高碳排放”，铁铝酸盐水泥具有显著的低温烧成和低碳排放的特点。铁铝酸盐水泥的水泥石结构致密，体系内大孔较少，总体孔隙率小，远优于普通硅酸盐水泥，大大增强了对海水中有害离子侵入的抵抗性，此外通过改性和优化配合比可以改善混凝土的性能。因此，其被称为“最理想的海洋工程用水泥品种”，研究铁铝酸盐水泥海工混凝土对于我国的海洋开发、海工建设，有很大的战略意义。