海洋工程中硫铝酸盐水泥的应用浅议

摘要：本文主要以海洋工程为对象，介绍了硫铝酸盐材料水泥的性能与种类，并对其在海洋工程中的应用加以说明。以期对未来行业发展有一定借鉴。

关键词：硫铝酸盐水泥；海洋工程；应用

一、海洋工程受到的侵蚀破坏

由于海洋环境含盐量较高，富含如cl-与s042-等侵蚀性离子，不仅会破坏侵蚀海洋建筑造成海洋建筑出现性能劣化，例如钢筋的锈蚀或者混凝土的开裂等等，同时也会出现硫离子进入混凝土经过化学反应生成对建筑物结构有害的化学产物如石膏或者钙矾石等。从微观层面来讲，水泥的水化产物会与海水中包含的cl-以及s042-出现化学反应，导致混凝土出现孔隙或者影响其胶接性能，严重者会直接破坏建筑混凝土。目前来讲，硫酸盐对海洋建筑侵蚀后所产生的水化反应产物能够严重缩短混凝土的使用寿命，破坏建筑物的耐久性。想要提高建筑物抵御海水侵蚀的能力需要使用包含适量s042-成分的水泥，此外为了提高建筑物抵御cl-的侵蚀固化作用，需要使用例如硫铝酸盐成分的水泥。

我国拥有广袤的海岸线，拥有东海，渤海，南海，黄海四大海域，同时我国经纬度跨度较大，北部海域有结冰现象，南部海域则是高温潮湿，因此在不同地域需要选择不同的合适的的水泥材料。除了温度气候的原因，另一项影响混凝土性能的主要因素是离子侵蚀造成的结构破坏，此外钢筋锈蚀，盐类侵蚀，碳化，干湿交替以及冲刷磨损与冻融循环等也是影响混凝土性能的因素。按照不同作用区域将混凝土不同的结构部位收到的侵蚀破坏进行分类：上部大气区受到盐雾海风的破坏，水面以上临水处受到干湿交替与海水冲刷磨损破坏较多，水下部分则主要受到海水中盐离子侵蚀的破坏，部分海域会受到挟沙洋流冲刷磨损。

二、配置硫铝酸盐系列水泥混凝土

（一）硫铝酸盐水泥相关反应

硫铝酸盐系列水泥和水拌和发生水化反应时，水泥熟料矿物以及石膏进行水化反应产生三硫型铝胶以及硫铝酸钙、氢氧化钙与硅酸钙，此外反应所得到的CH和石膏再次反应生成Aft，若是石膏的量不足时反应会得到单硫型的硫铝酸钙。对于高铁硫铝酸盐系列的水泥除发生上述反应外还存在其他反应。

（二）配置硫铝酸盐系列水泥试验

我们知道海洋工程受到破坏时，胶凝材料是建筑混凝土结构受破坏的一处薄弱环节。同时混凝土受盐离子侵蚀出现裂缝与钢筋的侵蚀破坏是结构破坏的主要原因，其中氯离子由于总量巨大是侵蚀的主要元素离子。

海洋工程建设施工配置混凝土时将掺合料按照单一成分加入。通常粉煤灰材料混凝土有着水化热温度较低，虽然前期强度略低但后期强度接近于普通传统混凝土强度的特点，然而由于质量波动较大以及品质参差不齐，使得掺入量相对较低且无法准确控制，至于矿渣虽然易磨性较差，成本较为高昂，但是与粉煤灰相比强度发展快，混凝土养护期短，同时抗氯离子侵蚀渗透的能力高于粉煤灰。最后硅灰也能提高抗侵蚀渗透性能，然而成本较高。综合考虑，因此我们配置混凝土时需要考虑以下原则。

（1）矿渣磨细加入混凝土后的温升取决于矿渣的掺入量以及矿渣磨细后的细度。加大磨细矿渣在混凝土中的掺入量可使得混凝土提高抵御氯离子渗透扩散的能力，矿渣粉末在混凝土中最大掺入量不超过百分之九十，表面积宜超过400平方米。

（2）粉煤灰优质的加入混凝土可以具备形态效应，活性效应以及微集效应，因此为使抵御氯离子的能力充分体现，胶凝材料中粉煤灰应占总量的十分之一至二分之一。

（3）硅粉作为一种超细粉其比表面积极大，在胶凝材料中应低于总量的百分之十。

（三） 硫铝酸盐系列水泥制备混凝土及其材料配比

选择早强快硬的硫铝酸盐系列水泥为胶凝材料，5至25毫米粒径的连续级碎石为粗骨料，细骨料为河砂，配置好硫铝酸盐水泥混凝土后，再设置一组对照试验选择磨细矿渣的粉末掺入对比样品作为掺合料。此外选择缓凝型减水剂控制新制混凝土的流动性。针对混凝土的各种性能如工作性能，物理性能，抵御硫酸盐的性能，养护条件的影响等方面开始进行实验。

（四）硫铝酸盐系列水泥所制混凝土材料性能

1.混凝土的工作性能

对新拌制的混凝土进行拓展度，坍落度以及凝结时间进行测试实验，其实验数据见表1。

如表1所示选择合适的高效减水缓凝剂能够使得硫铝酸盐系列水泥所制混凝土流动性良好，在2小时时依然具有可泵送性，此外可根据情况添加适量硼酸对坍落度进行控制，同时在减水缓凝剂使用后硫铝酸盐系列水泥所制混凝土初凝时间接近于传统普通硅酸盐混凝土，但会缩短终凝时间。

2.物理性能

硫铝酸盐系列水泥所制混凝土的强度发展较快，在第三天强度便可以到达28天的80%，同时后面时间强度增长十分稳定。值得注意，加入磨细矿渣的粉末后混凝土早期会稍稍降低抗压强度，但是总体强度增长依旧平稳，普通的硫铝酸盐系列水泥所制混凝土对比硅酸盐混凝土在水化反应时氢氧化钙产生较少，矿渣粉末没有被强烈激发在混凝土中主要用于物理填充，而对于高铁型硫铝酸盐系列水泥用于胶凝材料则会明显激发矿渣粉末的作用，使得混凝土早期就具有一定强度同时不影响最终强度的要求。这在海洋工程施工建设而言无疑是有利的，能够满足特殊环境下工程的快速施工要求，此外能够有效保护早期暴露与浪涌环境的结构建筑，有效提高耐侵蚀性能。

3.抵御硫酸盐的性能

我们知道硫酸盐对于混凝土的侵蚀作用破坏较大，图2为150次干湿循环作用下混凝土抵御硫酸盐的实验结果。

根据实验图示结果我们可以看出硫铝酸盐系列水泥所制混凝土耐侵蚀能力较好，根据60次干湿循环硫酸盐破坏实验后的强度对比，能够看出空白样品强度稍微上升，这是由于低循环次数时硫铝酸盐系列水泥所制混凝土的泥浆在盐溶液进入内部并结晶后会使得毛细孔洞堵塞，提高混凝土密实度从而提高强度。当硫铝酸盐系列水泥所制混凝土加入矿渣粉末后的样品120次实验后强度继续提高的原因是粉末在盐离子作用下再次出现水化反应。结合试验整体我们可以得出硫铝酸盐系列水泥所制混凝土具有十分优秀的抵御侵蚀的能力。在150次试验后强度出现略微损失但仍远远优于普通传统硅酸盐混凝土。这是因为硫铝酸盐系列水泥所制混凝土硬化密实度高因此具备经受多次干湿循环破坏后抵御离子侵蚀的能力依然较强的原因。其次水化产物在硫酸盐作用下有较好的稳定性，唯一反应较大的氢氧化钙含量极低影响不大，这样避免了出现反应生成石膏破坏胶凝能力的现象。

4.养护条件的影响

使硫铝酸盐系列水泥所制混凝土满足海洋环境施工应用，需要对各种养护介质例如淡水空气以及天然海水等介质对最终强度造成的影响。这里采取水胶比40%，含砂率35%，所用减水剂为1.2%，添加火山灰20%的硫铝酸盐系列水泥所制混凝土，对该混凝土3天和28天强度进行测试比较，实验结果如表2所示。

根据实验结果我们得出空气养护状态第三天混凝土的强度最高，同时淡水养护略低于空气养护，海水养护明显低于空气养护，此外海水养护基本等效于淡水养护。至于空气养护第28天混凝土的强度对比第三天强度增长为20%，此时淡水等效于海水养护在第28天强度等效于第3 天强度，大致没有增长。所以浸水养护对于硫鋁酸盐系列水泥所制混凝土后期的强度提高帮助不大。原因应该是水将氧化钙等碱性可溶解物质析出，使得水化反应无法进一步进行。

三、结束语

海洋工程混凝土性能关系到该类工程结构的安全性和耐久性，而硫酸盐水泥作为一种低环境负荷、低碳排放的特种胶凝材料，在用于制备海洋工程混凝土时表现出优异的使用性能，是一种极具开发潜力的海洋耐久性混凝土材料。

参考文献：

[1]徐丽萍.毛杰.张吉阜.表面工程技术在海洋工程装备中的应用[J].中国材料进展.2014（1）：1-8.

[2]何鹏涛.模拟海水对高性能混凝土浆体的侵蚀作用研究[J].硅酸盐通报.2016（10）：339-345.

作者简介：

蒙传刚，男，（1966-12），学历：大专，职称：助理工程师，主要从事水泥企业质量管理工作。