在人类社会生产发展中水泥仍需继续进步

建筑材料行业硫（铁）铝酸盐水泥重点实验室

齐冬有王燕谋汪智勇何昌毓

一、前言

人类文明是伴随着材料进步发展起来的。材料既是人类社会现代化的物质基础，同时也是人类社会进步的里程碑。历史学家用每个时代最重要的材料作为标志物来记录社会文明发展的阶段，如石器时代、陶器时代、青铜器时代、铁器时代等等，如果按此划分时代，那么现代文明正处于水泥时代。水泥是人类近代历史上最伟大的发明之一，是现代社会构建物质文明的重要基石。高速公路、高速铁路、机场跑道、港口码头、水库大坝、桥梁隧道以及城市里的高楼大厦、市政设施等基础设施建造都必须使用水泥，它托起了人类社会的现代文明。

地球70%的面积是海洋，在陆地开发资源的同时，必然向海洋拓展。我国海疆面积万平方公里，海岸线长17.7万公里，海洋资源十分丰富。中共十八大已提出建设海洋强国目标，开发海洋已成为国家重要战略。为此，必然要建设相应的基础设施。伴随海洋经济发展，其基础设施建设量越来越大。这些设施主要包括海上交通设施、海上能源设施以及海边建筑三大类。

海上交通设施主要包括保障海上船舶运输所需的海港码头及其附属设施；海上陆运交通设施如海上桥梁、海底隧道、人造岛礁等等。交通部发布的《全国沿海港口布局规划》对我国沿海港口进行了空间分布规划，将全国沿海港口规划为环渤海、长江三角洲、东南沿海、珠三角洲和西南沿海5个规模化、集约化、现代化的港口群体，形成煤炭、石油、铁矿石、集装箱、粮食、商品汽车、陆岛滚装和旅客运输等8个运输系统布局。

截止年底，全国港口已经建成码头泊位2.2万余个，全年完成货物吞吐量.50亿吨。跨海大桥、海底隧道是跨海湾、海峡交通运输最便捷的方式。自年中国第一座跨海大桥建成以来，已建成和在建跨海大桥共计百余座，其中规模最大的有港珠澳大桥、杭州湾大桥以及正在建设中的深中通道等。部分跨海大桥虽然名为大桥，但实际上是大桥加隧道甚至还有人工岛，如海中部分长29.6公里的港珠澳大桥就是由22.9公里的海上桥梁、6.7公里的海底隧道以及东西两座人工岛构成，正在建设的深中通道主体由16.9公里的海上桥梁、7.1公里的海底隧道以及两座人工岛构成。

海洋蕴含着丰富的能量，据估计我国海洋能源蕴藏量高达8亿多千瓦。这些能量可以进行电力生产利用，如利用风能、潮汐能、破浪能、热能、海流能、盐差等进行发电。风力发电是目前最主要的海洋能源开发利用的形式，年我国海上风力发电新增装机容量万千瓦。

我国拥有14个沿海省市自治区（含特别行政区），仅大陆就有地级以上沿海城市55个，个区县，人口占全国人口的1/5。沿海地区是我国人口最密集、经济最发达的区域，大量的沿海建筑为快速发展的经济和密集的人口提供了物质基础支撑。

二、水泥在人类生存活动中不断进步

水泥的进步体现在两大方面，一是生产技术的进步，二是水泥品种的创新。水泥生产技术随着社会发展而不断进步，在经历了工业社会后，现已提高到自动化的高水平，正在向大数据、智能化的更高水平发展。水泥品种随着人类生产活动的需要而不断改进质量和增加品种。

年，英国人发明了波特兰水泥即硅酸盐水泥，按社会生产发展的需要，其质量逐步提高，品种不断增加。经过近二百年的发展，目前已形成通用硅酸盐水泥和特种硅酸盐水泥两大系列及众多品种，如表1所示。

年，法国人在研究硅酸盐水泥的硫酸盐腐蚀问题时，发明了铝酸盐水泥。年拉法基公司将其批量工业化生产，当时主要用于军事工程和民用抢修工程，也曾在海洋工程上试用。铝酸盐水泥生产需要选用含Al2O%以上的高品位矾土，造成成本较高，此外在性能上还存在长期强度倒缩的问题，所以未能在建筑工程上推广。后来，发现其耐火性能优良，且随Al2O3含量增加，其耐火度相应提高。所以，铝酸盐水泥除少量用作化学建材与混凝土外加剂外，主要用于制作不定形耐火材料。铝酸盐水泥分4个品种，如表2所示。

20世纪70年代到80年代，中国人在水泥化学理论研究中先后发明了以硫铝酸钙4CaO·3Al2O3·CaSO4

为主要矿物的普通硫铝酸盐水泥和以

矿物与铁相6CaO·Al2O3·2Fe2O3(C6AF2)为主要矿物的铁铝酸盐水泥（又称高铁硫铝酸盐水泥），这两种水泥统称硫（铁）铝酸盐水泥。随着应用研究和技术开发工作的深入，分别形成了快硬、膨胀、自应力硫铝酸盐和铁铝酸盐水泥系列，造就了一个崭新的水泥种类问世。硫（铁）铝酸盐水泥各品种见表3。

水泥自发明以来，不断研究开发，无论是生产技术还是水泥品种都取得了巨大进步，有力推动了人类社会向前发展。

三、海洋工程的水泥混凝土腐蚀问题

海洋环境中的盐分、气候、生物等多重复杂因素相互叠加，是公认的材料最为严酷的服役环境，对于建设海洋基础设施用的主要材料水泥混凝土而言更是如此。海水中平均含盐量为3.5%，主要是Na+、Mg2+、Cl-、SO42-等。一方面，海水中的这些盐分能与水泥硬化体的主要成分发生化学反应，如Mg2+与水泥硬化体中的C-S-H（Ⅱ）凝胶发生反应，使其变成胶凝性较弱甚至无胶凝性的M-S-H；另一方面，海水长期浸泡造成水泥硬化体中相对易溶的组分如羟钙石Ca(OH)2发生溶解，从而造成硬化体碱度降低和密实结构出现破坏。这些就是海洋环境对水泥混凝土的化学腐蚀。

海洋环境除了对其中服役的水泥混凝土有化学腐蚀之外，还有物理腐蚀和生物腐蚀。物理腐蚀主要是动态的海水与环境共同作用对水泥混凝土造成物理性破坏，如海水及其中的泥沙等夹杂物随着海浪、潮汐长期对水泥混凝土的冲刷作用；潮汐、海浪作用下处在水位变动区及浪溅区的水泥混凝土反复经历被海水浸湿-水分蒸发干燥过程，盐分不断的浓缩析出和结晶生长造成水泥混凝土破坏；冬季海水结冰造成水泥混凝土冻融破坏等等。生物腐蚀是海洋生物如贝类、藻类以及微生物在水泥混凝土表面附着生活，并产生酸性物质对水泥混凝土产生腐蚀作用。海洋环境的这些腐蚀作用往往都是同时发生且相互促进，极大的加剧了破坏程度，海洋工程以及海边建筑面临着极大的挑战。

海洋工程结构的腐蚀问题是世界性难题，全世界海洋建构筑物都因海洋腐蚀而造成严重的损失。美国联邦公路局公布的数据显示，年美国公路桥梁因混凝土腐蚀导致的费用高达亿美元；日本运输省曾对座海港码头进行调查，发现凡是服役超过20年的混凝土码头都有严重腐蚀；欧洲相关调查显示，英格兰和威尔士75%的混凝土桥梁受到海水腐蚀，维修费用高达建造费用的两倍，挪威沿海多座混凝土桥梁和1万多座混凝土码头中一半以上受到海水腐蚀的影响和破坏。我国海洋工程腐蚀情况同样严重，交通部有关单位调查发现，南部沿海18座使用7年到25年的水泥混凝土码头中，有16座存在明显腐蚀现象，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%的码头，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腐蚀现象。

随着混凝土及外加剂技术的进步，海洋工程的耐腐蚀性能得到了很大提升，但海水腐蚀问题依然存在。天津某跨河大桥（海水交汇处），年通车，年考察时桥墩发现显著的盐吸附现象，年考察时，盐吸附区域表层混凝土全部剥落，见图1。

图1天津某跨河大桥桥墩发生显著的表层剥落破坏

天津某货运铁路桥年运行，年伸缩缝部位出现严重腐蚀，见图2。

图2天津某货运铁路桥运行一年伸缩缝部位出现严重腐蚀

年，对我国建成通车12年的某著名跨海大桥考察发现，该桥的水泥混凝土树脂保护层已剥落；桥墩、承台和护坡堤等都发生不同程度的腐蚀，见图3。

图3运行12年的某跨海大桥已经发生明显的海水腐蚀

年6月24日凌晨，美国佛罗里达州迈阿密一栋年建造的12层海边公寓楼发生倒塌（图4、图5），造成重大人员伤亡事故，事故引起了全世界的广泛

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