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开发铁铝酸盐水泥完善建筑用水泥性能

水泥王燕谋 2022-09-06

硅酸盐水泥不耐海水腐蚀的性能缺陷至今未能克服，人们仍在为其付出代价。

编者按：本网全文刊出王燕谋、齐冬有撰写“开发铁铝酸盐水泥完善建筑用水泥性能”文章。

铁铝酸盐水泥具有：1.耐海水腐蚀性能；2.负温施工和应用性能；3. 快硬高强性能的性能特点。铁铝酸盐水泥的性能特点造就了其具有广阔的市场前景。

虽有大好前景，但文章同时指出，为在工程上广泛推广，尚需做好应用技术开发工作。在国家发改委和中国建材联合会的支持下，铁铝酸盐水泥的首个国家重大工程应用示范项目已经实施，并已取得很好进展。今年8月，工信部也已拟将制定“铁铝酸盐水泥在海洋工程中应用技术规范”列入2022年第三批行业标准制修订计划。主要起草单位有建筑材料工业技术情报研究所、中国建筑材料科学研究总院有限公司、宜城安达特种水泥有限公司、广西云燕特种水泥建材有限公司、郑州市建文特材科技有限公司。8月30日，国家发改委产业司一级巡视员夏农一行到中国建材联合会调研列入国家专项支持的铁铝酸盐水泥推广应用示范工程建设情况。夏农表示，国家十分重视关键新材料和新技术的产业化，正在实施的铁铝酸盐水泥推广应用示范工程具有重要战略意义，工程建设取得了积极进展。下一步要总结工作经验和成果，加快铁铝酸盐水泥相关技术标准的研制，形成完善的产品、应用工程标准体系，进一步扩大铁铝酸盐水泥在更多领域的示范和推广应用。

现在，为在工程上广泛推广应用铁铝酸盐水泥的开局十分良好，相信，铁铝酸盐水泥叫好也叫座的局面可期。

水泥是当今人类社会物质文明建设中不可或缺的原材料。近两个世纪以来，建筑工程中普遍采用的是硅酸盐水泥，俗称波特兰水泥。

硅酸盐水泥在应用过程中所表现的和人们所关注的主要性能有：流动性、凝结时间、强度、抗渗性、耐腐蚀性和气候环境适应性等等。

硅酸盐水泥抗压强度高而抗折强度低，配以钢筋后大大改善了它的力学性能，使其可以应用于各种建筑结构工程；通过调整熟料和水泥组成，降低水化热，可用于江河大坝工程；通过调整熟料组成和添加外加剂，提高流动度，用于油田油井建设。在长期应用中，采取各种措施，其性能不断改进，用途随之扩大，硅酸盐水泥成为当今社会唯一被广泛使用的建筑工程用水泥。

然而，在实践中可以看到，硅酸盐水泥在性能上尚存在当前无法解决的明显缺点。

美国弗吉尼亚州的切萨皮克湾跨海隧桥，分南北向两部分，单向全长37公里。北向部分于1964年建成，耗资2亿美元。1989年对其进行检查，发现桥墩混凝土有腐蚀问题，当时即实施修补。2000年再次检查时发现腐蚀现象进一步扩大，决定对其全面维修。2007年动工，2009年完工，历时2年，耗资1250万美元。

日本运输省通过对103座水泥混凝土海港码头进行调查，发现凡服役超过20年的都有严重腐蚀现象，必须修补。日本国立土木研究所在一份调查报告中指出，1965建成的一座海上混凝土桥梁，使用16年后开始产生维修费用，35年后维修费用增加到建桥成本的250％，于是决定将其拆除。

2021年6月24日美国佛罗里达州迈阿密一栋1981年建造的12层海边公寓楼发生倒塌造成重大人员伤亡。《纽约时报》和《经济学人》援引权威科学机构的初步调查显示：气候变化带来海平面上升，引起海水倒灌，导致公寓建筑地基内和周边区域大量海水长期滞留，对建筑结构的水泥混凝土及内部的加强钢筋造成腐蚀破坏，是公寓倒塌的可能原因。

我国交通部有关单位调查发现，中国南部沿海18座使用7年到15年的水泥混凝土码头中，有16座存在明显腐蚀现象，其中9座腐蚀严重；东南沿海22座使用8年到32年的码头中有55.6%码头，其水泥混凝土保护层严重剥落；北方沿海14座使用2年到57年的码头中，几乎所有码头都有水泥混凝土的腐蚀现象。

我国著名某海湾的跨海大桥，2008投入使用，2019年在考察中看到，桥梁混凝土的树脂涂层已开始剥落；桥头混凝土护坡的混凝土已被腐蚀，表面露出砂子和石子；混凝土桥墩的水位变动处也已出现腐蚀损坏。当前该桥就需投入资金，开展繁重的维修工作。

世界各国的使用实例表明，硅酸盐水泥不耐海水腐蚀的性能缺陷至今未能克服，人们仍在为其付出代价。

20世纪60年代国际水泥化学界最热门的研究对象是硫铝酸钙、氟铝酸钙C₁₁A₇·CaF₂和氯铝酸钙C₁₁A₇·CaCl₂等3个复合矿物，我国曾开发出主要含矿物的混凝土膨胀剂，并在一定范围内获得推广应用。

20世纪70年代，中国水泥化学研究单位开展矿物与硅酸盐水泥熟料矿物相匹配的理论研究。1979年发明了硫铝酸盐水泥，首创以矿物为主的水泥新品种。1987年在硫铝酸盐水泥化学体系中引入了较高含量的Fe₂O₃，发明了铁铝酸盐水泥，从此形成硫（铁）铝酸盐水泥新体系，如表1所示。

从表1可看到，在硫（铁）铝酸盐水泥新体系中，硫铝酸盐水泥水化产物组成的特征主要是：形成了AFt、碱度较低的液相和低碱度的C-S-H(Ⅰ)。液相碱度较纸，无法使钢筋表面形成纯化膜，造成钢筋锈蚀。低碱度C-S-H(Ⅰ)，遇到空气中的CO₂发生碳化，形成质地疏松的球状方解石，使混凝土表面起粉。铁铝盐水泥水化产物的主要组成虽然也是AFt，但不同的是，由于熟料中存在C₆AF₂，使水化液相碱度增高并形成高碱度C-S-H(Ⅱ)与Ca(OH)₂，另外还产生Fe(OH)₃。高碱度的液相可使钢筋表面形成纯化膜保护层，不产生锈蚀。高碱度C-S-H(Ⅱ)和Ca(OH)₂在空气中碳化后形成致密结构，使混凝土表面不会起粉。

可见，硫铝酸盐水泥性能尚不完善，属于雏型产品，只能在一些特定条件下使用；铁铝酸盐水泥无性能缺陷，属终型产品，可在建筑工程中普遍推广。

铁铝酸盐水泥的熟料组成、水化物组成与硅酸盐水泥相比有显著不同，如表2所示。在此可得出，硅酸盐水泥主要水化产物是C-S-H(Ⅱ)和Ca(OH)₂，而铁铝酸盐水泥主要产物是AFt和Fe(OH)₃,因此必然具有自己的性能特点。

通过科学试验和工程试用，发现铁铝酸盐水泥具有的性能特点主要是：

1.耐海水腐蚀性能

水泥的耐腐蚀性能通常用K_n值表示。K_n值是试体在腐蚀液中养护的抗折强度R_液除以在淡水中养护的抗折强度R_水。n是指养护龄期。一般采用6个月12个月或24个月。

K值的表示式即：K=

K值的物理含义是，其数值小于1，说明水泥体在腐蚀液中已被腐蚀，数值愈低被腐蚀程度愈大；数大于1，说明水泥体未被腐蚀，数值愈大，水泥体在腐蚀液中强度增长愈多。

从表3可看出，铁铝酸盐水泥在Na₂S0₄和NaCl溶液内浸泡6个月后强度不降，抗硫酸盐硅酸盐水泥强度则会下降。在表4则可得出，铁铝酸盐水泥在三亚海水中浸泡后强度非但不降，反而增长，浸泡24个月抗折强度增加了36%；海工硅酸水泥经海水浸泡后，其抗折强度急剧下降，浸泡24个月后强度下降了52％。

水泥腐蚀的发生不仅有化学因素也有物理因素，物理因素主要是密实度，一般用抗渗性能来观察。铁铝酸盐水泥的抗渗性能示于表5。

从表5可看到，铁铝酸盐水泥试体加压到3MPa时，其渗透高度仅5-6cm，而硅酸盐水泥加压到较低的1.5MPa时，其试体渗水高度就已达到12-14cm，加压到2MPa已被打透，无抗渗性。这些数据说明铁铝酸盐水泥水化体具有很高密实度，这是提高抗海水腐蚀性能的重要因素之一。

在科学试验的基础上进行了工程试用。1983年用铁铝酸水泥砌筑了福建漳州东山岛南门海堤；同时在码头建设中采用铁铝酸盐水泥制作插入海水的立柱，用硅酸盐水泥制作的盖板；此外还在东山岛西埔塆海滩放置了一批铁铝酸盐水泥自应力管，作干湿交替暴露试验。2019年东山岛考察时看到，海堤经历36年海水日夜冲刷和无数次飓风海浪袭击，仍然完好无损，安全运行，保护着一方百姓平安。如图1所示。码头的立柱36年海水侵蚀后其表面完好如初，无侵蚀迹象，而用硅酸盐水泥制作的盖板己被含盐份的海风侵蚀剥落并露筋。如图2所示。放置海滩的铁铝酸盐水泥自应力管经36年海水浸泡和干湿交替后，外表依旧完好，锯开混凝土管壁后露出的钢筋毫无锈蚀迹象，如图3所示。

科学试验和工程试用的结果表明，铁铝酸盐水泥具有硅酸盐水泥所不具备的耐海水腐蚀性能。

图1东山岛南门海堤

图2东山岛上利用铁铝酸盐水泥和硅酸盐水泥修建的码头

图3东山岛海水浸泡试验的铁铝酸盐水泥自应力压力管

2.负温施工和应用性能

众所周知，采用硅酸盐水泥的工程一般都不进行冬季施工，此外还存在冻融问题。在调查海水腐蚀问题时看到我国北方地区因冻融循环而使沿海建筑损坏更加严重。改善水泥负温施工和负温下的应用性能是一个必须要关注的课题。推广铁铝酸盐水泥取代硅酸盐水泥是当前解决该课题的最佳选择。

铁铝酸盐水泥性能特征是水化热释放情况与硅酸盐水泥有很大区别，如图4所示。

图4各种水泥水化热的释放特征

从图4可看出，铁铝酸盐水泥和硫铝酸盐水泥的水化放热曲线与硅酸盐水泥有明显区别。前者放热速度很快，在1天内基本结束，硅酸盐水泥放热反应较慢，要延续3天才基本完成。其反应最高放热峰，普通硅酸盐水泥发生在水化后的1天左右，硫铝酸盐水泥较早，在水化后的10-12小时；铁铝酸盐水泥更快，在水化后的8-10小时。水泥水化特征造就了铁铝酸盐水泥和硫铝酸盐水泥具有负温施工的性能。

研究抗渗性能时得出，铁铝酸盐水泥水化体具有很高的密实度。硫铝酸盐水泥与其属同一类水化体，都是以AFt水化物为主，因此也具有密实度优势，从而产生极佳的抗冻性，如表6所示。

从表6可看到，硫铝酸盐水泥冻融270次后强度保留率仍高达97％，而硅酸盐水泥冻融210次时强度仅保留59.9％，冻融270次时试体已经全部破坏，无强度。就此可做出判断，铁铝酸盐水泥和硫铝酸盐水泥不仅能负温施工，还具有负温条件下良好的应用性能。

工程试用得出了与实验室相同的结果。用硫铝酸盐水泥于1985年建造的中国南极长城站（示于图5），1989年建造的中国南极中山站（示于图6），至今仍在安全使用着，为国家科考事业继续作贡献。

图5 1985年建造的中国南极长城站

图6 1989年建设的中国南极中山站

图7 辽宁物产科贸大楼

1994年10月到1995年4月在沈阳市南湖高科技开发区，用铁铝酸盐水泥建造了辽宁物产科贸大楼，该楼28层、高100多米，（如图7所示）经近30年运行，至今仍安全使用着。

3.快硬高强性能

提高水泥的快硬、高强性能是现代建筑业在发展中提出的迫切要求。铁铝酸盐水泥与硅酸盐水泥相比具有快硬的特性，如表7所示。

从该表可看出，铁铝酸盐水泥12小时强度可达20.0MPa，占28天强度的33%；而硅酸盐水泥相对应的强度仅为5.8MPa，占28天强度的10%；铁铝酸盐水泥1天强度为36MPa,为28强度的60%，相应的硅酸盐水泥强度为19.2MPa,占28天强度的33％，显然，铁铝酸盐水泥具有快硬早强的性能。铁铝酸水泥还有高强的特性，高强铁铝酸盐水泥的强度指标，列于表8。

从该表看出，铁铝酸盐水泥抗压强度1天可达65.0MPa，28天可达92.5MPa，既快硬又高强。1993年5月到1994年10月在北京三环路立交桥，如燕莎桥、苏州桥和航天桥等立交桥的建造中，为加快施工进度，采用铁铝酸盐水泥在工厂预制桥面横梁，在现场浇筑桥墩。图8为北京西三环航天桥现浇的墩柱和上方的工厂预制的横梁。这些立交桥经近30年日夜运行，从未进行维修，至今状态良好，仍可为北京城市交通继续服务。

图8北京西三环航天桥桥墩和桥面横梁

铁铝酸盐水泥具有明显的性能特点，是硅酸盐水泥性能的重要补充，从而使建筑用水泥性能更加完善。铁铝酸盐水泥的性能特点造就了其具有广阔的市场前景。地球70％的面积是海洋。我国海洋面积约470万平方公里，海岸线长约1.8万公里，开发海洋己成为国家重要发展战略，近期海洋工程建设迅速增多。为确保工程的耐久和安全，用铁铝酸盐水泥取代硅酸盐水泥是必然的选择。众所周知，有关国家在北极地区的开发已争相起步，北冰洋航道建设也已提上议事日程。在北极地区的开发中，铁铝酸盐水泥大有用武之地。在当今数字化时代，传统的建筑方式正在转变，房屋建筑工程正朝着工厂化生产和现场模块式装配的现代技术方向发展。在国家双碳目标的背景下，为取消工厂生产过程中蒸养环节，减少化石燃料使用，降低碳排放，必将采用快硬高强的铁铝酸盐水泥。

铁铝酸盐水泥的科学试验取得有价值的可喜成果。然而，为工程上广泛推广，尚需做好应用技术开发工作。根据水泥应用的特点，一般都是通过试点工程进行各项技术开发。为开发铁铝酸盐水泥的应用技术，试点工程可包括：跨海大桥、海港码头、海边建筑、北极工程和装配式房层建筑工程等等。在工程试点中要解决设计和施工中提出技术课题，如：混凝土可工作时间；混凝土温度应力问题以及不同环境的施工方法等等。在破解各种技术问题的基础上要制定出设计和施工规范，以及水泥产品的国家标准，为水泥生产和工程应用提供法规依据。

在国家发改委和中国建材联合会的支持下，铁铝酸盐水泥的首个国家重大工程应用示范项目已经实施，并已取得很好进展。让我们共同努力，为水泥品种的发展积极奋进。

原国家建材局党组书记、局长王燕谋

硫（铁）铝酸盐水泥重点实验室主任齐冬有

2022年8月

编辑：孙蕾

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投稿：news@ccement.com

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