浅谈水泥品种创新
水泥 王燕谋 齐冬有 何昌毓 汪智勇 刘立 李长成 2024-07-17
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编者按：本网郑重推出水泥业权威王燕谋及硫铁铝酸盐水泥重点实验室团队撰写题为“浅谈水泥品种创新”文章。
硫铝酸盐水泥和铁铝酸盐水泥与硅酸盐水泥相比，属不同的矿物体系，是水泥技术革命性突破。这一突破使铁铝酸盐水泥具有海水、盐碱不腐蚀和负温施工等性能优势，还有突出的节能低碳特点。
随着检测体系的完善以及大量的实验室数据和四十多年工程案例检测数据的积累，都已充分表明铁铝酸盐水泥具有海水、盐碱不腐蚀的特殊性能。更令人兴奋的是，随时间的推移，强度不降反升。真可美誉为水泥中的“不锈钢”。
我国要建设成为海洋强国，离不开海洋基础设施建设，离不开对海水和盐碱环境下不腐蚀的水泥的支撑。《产业结构调整指导目录（2024年本）》明确海洋工程用混凝土为鼓励类。国发〔2013〕41号在对产能严重过剩行业，要根据行业特点，开展有选择、有侧重、有针对性的化解工作。针对水泥行业施策之一是，发展满足海洋、港口、核电、隧道等工程需要的特种水泥等新产品。
在加快技术创新和产业化中发挥国家实验室、全国行业重点实验室等创新载体作用，相信具有新质生产力革命性突破特征的铁铝酸盐水泥在我国工程建设领域将大显神通、大显身手、大有作为！
两百年前，英国人发明了硅酸盐水泥，为人类文明建设做出了重大贡献。然而，在长期的使用中发现，硅酸盐水泥尚有性能缺陷，主要是海水腐蚀、盐碱侵蚀和无法负温施工等问题。
二十世纪七十年代和八十年代，中国人先后发明了硫铝酸盐水泥和铁铝酸盐水泥，该类水泥与硅酸盐水泥相比，属不同的矿物体系，见表1。
表1 不同水泥品种的主要矿物
从表1可看出，硅酸盐水泥的主要矿物是C3S，硫铝酸盐水泥主要矿物是C4A3S，铁铝酸盐水泥主要矿物是 C4A3S和C6AF2。不同的矿物组成赋予了水泥不同的性能。
水泥的耐腐蚀性能通常用Kn值表示。Kn值是试体在腐蚀液中养护的抗折强度R液除以试体在淡水中养护的抗折强度R水，即Kn=R液/R水。n是指养护龄期，一般采用28天、6个月、12个月或24个月。K值的物理含义是，其数值小于1，说明水泥试体在腐蚀液中已被腐蚀，数值越低被腐蚀程度越大；数值大于1，说明水泥试体未被腐蚀，数值越大，水泥试体在腐蚀液中强度增长越高。Kn值是最能准确表征水泥水化试体是否会发生腐蚀或发生腐蚀程度的指标。不同品种水泥在典型腐蚀溶液中的K值见表2、表3。
表2 不同品种水泥在罗布泊地区盐碱地浸渍水中养护的K6m值
从表2可以看到，硫铝酸盐水泥经不同盐碱地浸渍水浸泡6个月后，其强度都不会降低，反而显著升高；普通硅酸盐水泥则大幅度降低。
表3 不同水泥品种在东山岛海水中养护的Kn值
从表3可以得出，铁铝酸盐水泥在东山岛海水中浸泡28天后，其强度非但不降，反而升高了3%，浸泡12个月后升高了9%，浸泡24个月后，进一步升高了17%；普通硅酸盐水泥强度则大幅下降，浸泡28天后下降了23%，浸泡12个月后下降了29%，浸泡24个月后进一步下降了42%。
1982年秋，研究人员在福建省东山岛西埔湾海滩放置了同期采用硅酸盐水泥和铁铝酸盐水泥制作的自应力管进行自然暴露试验。2023年考察发现，硅酸盐水泥管已严重腐蚀，几乎无强度（见图1），内部钢筋锈蚀严重；而铁铝酸盐水泥管则没有任何腐蚀，内部钢筋无明显锈蚀，水泥管切割取样检测强度结果见表4。
图1 不同品种水泥管海水自然暴露试验41年后的腐蚀情况对比
表4 不同水泥品种自应力管在东山岛海水自然暴露试验41年后的强度值
大量的实验室数据和四十多年工程实际案例都表明，铁铝酸盐水泥具有海水、盐碱不腐蚀的特殊性能。
不同水泥品种表现出不同的性能，是因其具有不同的水泥水化矿物组成。
表5 不同水泥品种的水化矿物组成
从表5可看到，硫铝酸盐水泥的主要水化矿物与硅酸盐水泥有很大不同，硅酸盐水泥的主要水化矿物主要含Ca(OH)2 ，在浸泡液和海水作用发生浸出，水泥石结构遭破坏，从而导致水泥混凝土被腐蚀。硫铝酸盐水泥的主要水化矿物是C3A·3CaSO4·32H2O，在浸渍液和海水中非常稳定，因此水泥混凝土保持完好无损。
从表5还可以得出，硫铝酸盐水泥主要水化矿物中除C3A·3CaSO4·32H2O外还含有低碱度水化硅酸钙CSH(І)，液相碱度为pH 11.5~12.0。由于液相碱度低，产生钢筋早期锈斑和水泥石表面起粉等现象；铁铝酸盐水泥主要水化产物与硫铝酸盐水泥一样都是C3A·3CaSO4·32H2O，不同的是其所含水化硅酸钙是高碱度的CSH(II)，液相碱度较高pH 12.0~12.5，在此条件下不会产生钢筋早期锈斑和水泥石表面起粉等缺陷。
铁铝酸盐水泥既不会发生海水和盐碱腐蚀，又无钢筋早期锈斑和表面起粉等缺陷。
硫铝酸盐水泥和铁铝酸盐水泥的放热通常发生在水化开始后的12小时内（见图2），这使他们具有负温施工的特性，硫铝酸盐水泥曾在夏季平均温度达到-25℃的南极施工建设考察站。铁铝酸盐水泥水化放热更早，具有更好的负温施工性能。
图2 不同水泥品种的水化放热曲线
经硫铁铝酸盐水泥重点实验室科研团队数十年的研发，证明铁铝酸盐水泥具有海水、盐碱不腐蚀和负温施工等性能优势，还有突出的节能低碳特点，开拓铁铝酸盐水泥产业是建材工业发展新质生产力的重要内容。
2020年和2022年，何立峰副总理在担任国家发改委主任时对铁铝酸盐水泥产业工作两次做出重要批示。国家发改委通过重大专项支持铁铝酸盐水泥在华龙一号核电站示范应用，目前项目已顺利完成并取得了一系列重要成果。2023年，国家发改委办公厅来函表示还将继续支持铁铝酸盐水泥在核电站等国家重大工程中的示范应用等工作。
国家十分重视铁铝酸盐水泥产品技术应用。2023年铁铝酸盐水泥作为重大技术装备产品之一列入国家相关实施方案中，这也是建材行业唯一被列入的产品技术。技术单位是国务院国资委所属中国建筑材料联合会代管的事业单位——建筑材料工业技术监督研究中心。
可以预见，铁铝酸盐水泥在未来人类文明建设中将大有作为。
2024年7月5日
作者介绍
王燕谋，原国家建材局党组书记、局长，留苏副博士，铁铝酸盐水泥第一发明人，硫铁铝酸盐水泥重点实验室首席专家。
齐冬有：建筑材料工业技术监督研究中心副主任，硫铁铝酸盐水泥重点实验室主任。
刘立：建筑材料工业技术监督研究中心副总工。
何昌毓、汪智勇、李长成：硫铁铝酸盐水泥重点实验室副主任。
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