當(dāng)代中國水泥業(yè)的重要使命——破解水泥耐海水腐蝕難題

——紀(jì)念中華人民共和國誕生70周年

原國家建材局局長王燕謀

　編者按：在新中國成立70周年之際，水泥業(yè)老前輩、老領(lǐng)導(dǎo)王燕謀先生專為《中國水泥網(wǎng)》、《中國建材報(bào)》撰寫紀(jì)念文章“當(dāng)代中國水泥業(yè)的重要使命——破解水泥耐海水腐蝕難題”。

王燕謀親自參與和見證了幾乎整部新中國水泥發(fā)展歷史。在實(shí)現(xiàn)我國水泥產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級，尤其在推進(jìn)水泥預(yù)分解窯新型干法的發(fā)展上功績卓著。王燕謀以高度責(zé)任感提出，新時(shí)代要求水泥行業(yè)在性能與品種方面也要有所突破。在建設(shè)海洋強(qiáng)國中要破解水泥耐海水腐蝕難題。早在國發(fā)〔2013〕41號(hào)文件中國家就提出要求，鼓勵(lì)依托現(xiàn)有水泥生產(chǎn)線，綜合利用廢渣發(fā)展高標(biāo)號(hào)水泥和滿足海洋、港口、核電、隧道等工程需要的特種水泥等新產(chǎn)品。滿足海洋工程最基本要求必須應(yīng)對海水腐蝕。

王燕謀提出，當(dāng)前破解水泥耐海水難題的基本方法是推廣鐵鋁酸鹽（特種）水泥，取代當(dāng)前世界各國海洋工程中都采用的摻各種混合材和外加劑的硅酸鹽水泥。這一方法實(shí)施相對簡潔、流程順暢，可取得工程業(yè)主、建筑施工方、水泥供貨商等多方共贏的局面。水泥從業(yè)者則要以高度時(shí)代使命感、滿足海洋工程需要的責(zé)任感為己任，在建設(shè)海洋強(qiáng)國中作出新貢獻(xiàn)！

中華人民共和國成立70年以來，中國人民在中國共產(chǎn)黨領(lǐng)導(dǎo)下經(jīng)歷了計(jì)劃經(jīng)濟(jì)和社會(huì)主義市場經(jīng)濟(jì)兩個(gè)發(fā)展階段，在實(shí)現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興的征程上取得了舉世矚目的成就。

中國水泥工業(yè)實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)技術(shù)由落后的立窯和濕法向先進(jìn)的預(yù)分解窯新型干法的華麗轉(zhuǎn)變；創(chuàng)建了6條日產(chǎn)12，000噸熟料生產(chǎn)線、6個(gè)千萬噸級水泥和熟料生產(chǎn)基地、長江和珠江現(xiàn)代水泥物流體系，這些先進(jìn)設(shè)施在世界各國獨(dú)一無二；一大批現(xiàn)代化水泥企業(yè)已經(jīng)崛起，其經(jīng)營業(yè)績，令世人刮目相看。彈指一揮間，中國水泥行業(yè)面貌煥然一新。在社會(huì)主義思想指引下，水泥生產(chǎn)技術(shù)正朝著大數(shù)據(jù)、智能化方向發(fā)展。

黨的十八大、黨的十九大都提出建設(shè)海洋強(qiáng)國的目標(biāo)，21世紀(jì)“海上絲綢之路”倡議得到廣泛響應(yīng)，我國海洋工程日益增多。在這新形勢下，水泥耐海水腐蝕問題充分凸現(xiàn)，提高海工混凝土耐久性迫在眉睫。水泥科學(xué)研究分兩大方面：生產(chǎn)技術(shù)、性能。水泥耐海水腐蝕課題屬性能與品種研究范疇。中國水泥行業(yè)在生產(chǎn)技術(shù)的研究和開發(fā)，已取得舉世公認(rèn)的巨大成就；新時(shí)代要求水泥行業(yè)在性能與品種方面也要有所突破。破解水泥耐海水腐蝕難題是當(dāng)代中國水泥業(yè)的重要使命。

　1、世界難題

早在20世紀(jì)初，人們就發(fā)現(xiàn)硅酸鹽水泥水化體在海水和地下水中的腐蝕問題。一個(gè)多世紀(jì)以來，研究者針對海工混凝土腐蝕問題采取了許多技術(shù)改進(jìn)措施。然而，海工水泥混凝土的耐久性問題依然存在，并已成為世界性難題。近期，國外媒體有關(guān)水泥混凝土腐蝕事故的報(bào)道屢見不鮮。

美國切薩皮克灣隧橋由橋梁和水下隧道組成（如圖1），穿過切薩皮克海灣，將德瑪瓦半島的弗吉尼亞東海岸連接到弗吉尼亞海灘與弗吉尼亞漢普頓錨地的大都會(huì)區(qū)，被稱為“現(xiàn)代世界七大工程奇跡之一”。隧橋是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，分北向和南向兩部分，北向部分于1964年建成，全長37公里，耗資2億美元，有2523個(gè)橋墩；南向部分于1999年建成，耗資2.5億美元，有2951個(gè)橋墩。1989年對北向部分進(jìn)行檢測后發(fā)現(xiàn)其混凝土橋墩腐蝕嚴(yán)重。經(jīng)評估，有623個(gè)橋墩應(yīng)進(jìn)行修補(bǔ)，須耗資1250萬美元，歷時(shí)兩年（如圖2）。其他橋墩的腐蝕在進(jìn)一步擴(kuò)大中，若干年后有待繼續(xù)維修。

圖1美國切薩皮克灣隧橋

圖2美國切薩皮克灣隧橋橋墩在修理中

巴西北部亞馬遜地區(qū)的莫居河橋，全場860米，橋墩腐蝕嚴(yán)重，政府有關(guān)部門未能及時(shí)修繕。2019年4月一艘渡船將橋墩連同200米橋面撞塌（如圖3），兩輛小汽車落入水中，還影響了北部港口的農(nóng)產(chǎn)品運(yùn)輸。

圖3巴西北部亞馬遜地區(qū)莫居河橋橋墩和橋面被渡輪撞塌情況

在中國，交通部有關(guān)單位的調(diào)查發(fā)現(xiàn)：南部沿海18座使用7年到25年的碼頭中，有16座存在明顯腐蝕，9座腐蝕嚴(yán)重；東南沿海22座使用8年到32年的碼頭中，有55.6%的碼頭，其混凝土保護(hù)層嚴(yán)重脫落；北方沿海14座使用2年到57年的碼頭中，幾乎所有碼頭都有混凝土腐蝕現(xiàn)象。

當(dāng)今世界各國普遍存在因海水腐蝕水泥而引起的海工水泥混凝土的耐久性問題。

　2、現(xiàn)行技術(shù)措施

為提高海工水泥混凝土耐久性，近代研究者開發(fā)出一系列技術(shù)措施，主要從兩方面著手：一是增強(qiáng)鋼筋抗氯離子銹蝕能力，如采用環(huán)氧涂層鋼筋、不銹鋼包層鋼筋、摻鋼筋腐蝕抑制劑和設(shè)置陰極保護(hù)系統(tǒng)等。二是提高水泥混凝土抗腐蝕能力。

世界各國的海工水泥混凝土都采用通用硅酸鹽水泥。為提高其耐久性所用主要措施是：在水泥中摻高爐礦渣、粉煤灰和硅灰等火山灰質(zhì)混合材；在混凝土制作時(shí)摻減水劑、引氣劑等有機(jī)外加劑；在混凝土構(gòu)件表面涂環(huán)氧樹脂保護(hù)層等等。

在工業(yè)發(fā)達(dá)國家，混凝土工程界普遍認(rèn)為海工混凝土腐蝕主要由于海水中氯離子的滲透，導(dǎo)致鋼筋生銹，使混凝土崩裂。基于這樣的認(rèn)識(shí)，都采用氯離子滲透系數(shù)D_RCM控制混凝土抗腐蝕性能。

我國當(dāng)前的重要海洋工程所用水泥混凝土防腐措施和監(jiān)控參數(shù)，都與工業(yè)發(fā)達(dá)國家相似。

　3、海水腐蝕機(jī)理

為能找到正確防腐措施，首先應(yīng)搞清楚水泥混凝土腐蝕機(jī)理。硅酸鹽水泥的主要水化產(chǎn)物是高鈣型水化硅酸鈣C-S-H(II)、氫氧化鈣Ca(OH)₂和水化鋁酸鈣C₃AH₆。海水中的硫酸鹽與水泥中的氫氧化鈣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成硫酸鈣和氫氧化鎂等化合物析出。硫酸鈣與水泥中的氫氧化鈣和水化鋁酸鈣發(fā)生二次反應(yīng)，形成水化硫鋁酸鈣，同時(shí)發(fā)生體積膨脹。新形成物的浸出效應(yīng)和體積膨脹，造成海水對水泥的腐蝕。

水泥的腐蝕，為海水中氯離子的入侵打開了大門。氯離子沿腐蝕形成的裂隙向混凝土深部滲透，遇到鋼筋，使其生銹，從而造成混凝土構(gòu)件進(jìn)一步開裂，甚至剝落。顯然，為阻止氯離子滲透，首先需提高水泥的耐腐蝕性能。

在水泥工藝學(xué)教科書中，水泥的耐腐蝕性能用耐腐蝕系數(shù)Kn值表示。K值是在腐蝕液中養(yǎng)護(hù)的抗折強(qiáng)度R_液除以在淡水中養(yǎng)護(hù)的抗折強(qiáng)度R_水。n是指養(yǎng)護(hù)齡期，一般都采用6個(gè)月齡期，也有12個(gè)月和24個(gè)月的。K值表示式：

K的物理含義是：其數(shù)值小于1，說明水泥體已被腐蝕，數(shù)值愈低，被腐蝕程度越大；K值大于1，說明水泥體未被腐蝕，數(shù)值愈大，說明水泥體在腐蝕液中強(qiáng)度非但不降，反而增長愈大。

根據(jù)腐蝕機(jī)理，評價(jià)水泥的耐腐蝕性能不僅要看D_RCM，更重要的必須考察Kn。

4、不同水泥品種的耐海水腐蝕性能

當(dāng)今世界有三大類水泥品種。第一類是1824年英國人發(fā)明的硅酸鹽水泥。該類水泥分通用硅酸鹽水泥和特種硅酸鹽水泥兩大系列。特種硅酸鹽水泥系列分油井水泥、包括中熱和低熱硅酸鹽水泥在內(nèi)的水工水泥、抗硫酸鹽硅酸鹽水泥、海工硅酸鹽水泥等等。硅酸鹽水泥是當(dāng)前人類社會(huì)應(yīng)用最廣、最多的建筑膠凝材料。第二類是1908年法國人發(fā)明的鋁酸鹽水泥，分CA-50、CA-60、CA-70和CA-80四個(gè)品種。由于高品位礬土資源稀缺、水泥售價(jià)昂貴，所以主要用作耐火材料，建筑業(yè)很少應(yīng)用。第三類是20世紀(jì)80年代中國建筑材料科學(xué)研究總院發(fā)明的硫（鐵）鋁酸鹽水泥，此類水泥分普通硫鋁酸鹽水泥和鐵鋁酸鹽水泥兩個(gè)系列，后者又稱高鐵硫鋁酸鹽水泥。中國建筑材料科學(xué)研究總院和建筑材料工業(yè)技術(shù)情報(bào)研究所在硫（鐵）鋁酸鹽水泥的科研、生產(chǎn)和應(yīng)用等方面，與有關(guān)單位密切協(xié)作，取得了很大業(yè)績。為適應(yīng)新時(shí)代的發(fā)展，該水泥仍然是一個(gè)待開發(fā)的水泥品種。

鐵鋁酸鹽水泥和海工硅酸鹽水泥的K值示于表1。

表1說明鐵鋁酸鹽水泥的耐海水腐蝕性能遠(yuǎn)比海工硅酸鹽水泥好。鐵鋁酸鹽水泥在三亞海水中浸泡12個(gè)月后，其強(qiáng)度非但不降，反而提高了27%，浸泡24個(gè)月后強(qiáng)度提高了36%。海工硅酸鹽水泥在同樣條件下浸泡12個(gè)月后強(qiáng)度下降了50%，浸泡24個(gè)月后下降了52%。

二種水泥的DRCM，值示于表2。鐵鋁酸鹽水泥和海工硅酸鹽水泥的氯離子滲透系數(shù)都比較低，比港珠澳大橋橋墩水泥混凝土所控制的數(shù)值（4.5~6.5X10^-12m²/s）小一個(gè)數(shù)量級。此外，鐵鋁酸鹽水泥經(jīng)海水浸泡12個(gè)月后，其氯離子滲透系數(shù)與淡水中浸泡的相比增長很小，而海工硅酸鹽水泥在海水中浸泡同樣時(shí)間后的氯離子滲透系數(shù)則有較大增長。

鐵鋁酸鹽水泥耐海水腐蝕性能在實(shí)際應(yīng)用中得到了驗(yàn)證。1983年用鐵鋁酸鹽水泥成功砌筑了福建東山島南門海堤。2018年5月實(shí)地考察中看到，海堤經(jīng)35年的海水日夜浸泡和沖刷后，仍然完好無損，水泥漿體表面光滑圓潤，看不出被腐蝕跡象。1996年，用鐵鋁酸鹽水泥建設(shè)的江蘇連云港大沙灣游樂園防浪堤，經(jīng)20多年的海水浸泡和沖刷，其水泥混凝土表面保持如初，連養(yǎng)護(hù)用編織袋的印痕仍保留著。為鋪設(shè)過海引水管，福建南平市水泥制管廠試制了一批自應(yīng)力鐵鋁酸鹽水泥壓力管。1983年工廠在東山縣西埔灣圍墾工程外海灘將這批壓力管進(jìn)行海水浸泡和干濕循環(huán)試驗(yàn)，同時(shí)用自應(yīng)力硅酸鹽水泥壓力管作對比。1985年考察時(shí)，自應(yīng)力鐵鋁酸鹽水泥壓力管的承插口棱角分明，表面光亮，沒有任何腐蝕跡象，而自應(yīng)力硅酸鹽水泥壓力管承插口和其管面都已被腐蝕露沙。1995年考察時(shí)，自應(yīng)力鐵鋁酸鹽水泥壓力管外觀依舊，完好如初，砸開混凝土管壁后看到鋼筋光滑，沒有銹蝕跡象，自應(yīng)力硅酸鹽水泥壓力管的鋼筋已被嚴(yán)重銹蝕。

5、破解難題的方法

比較兩種水泥的耐腐蝕性能后得出，當(dāng)前破解水泥耐海水難題的基本方法是推廣鐵鋁酸鹽水泥，取代當(dāng)前世界各國海洋工程中都采用的摻各種混合材和外加劑的硅酸鹽水泥。

目前，鐵鋁酸鹽水泥可在構(gòu)件截面積較小的海洋混凝土工程中推廣，如砌筑護(hù)坡、制作扭工字塊，以及其他構(gòu)件和制品等等。

在大體積混凝土工程中推廣，工程界提出了三個(gè)問題：一是可工作時(shí)間；二是水泥水化熱集中釋放而引起的破壞性溫度應(yīng)力；三是大體積構(gòu)件設(shè)計(jì)參數(shù)尚不完整。這些問題在一般情況下是可以解決的，例如：用外加劑可調(diào)整到施工所要求的工作時(shí)間；預(yù)埋冷卻水管可解決溫度應(yīng)力問題。但是，在大型工程上采用鐵鋁酸鹽水泥時(shí)，尚需開展系統(tǒng)的大量試驗(yàn)工作，包括實(shí)驗(yàn)室研究和工程試點(diǎn)。此外，為全面、正常推廣鐵鋁酸鹽水泥，還需要在試點(diǎn)工作的基礎(chǔ)上制訂出設(shè)計(jì)和施工規(guī)范。

　6、相應(yīng)措施

第一、建材工業(yè)技術(shù)情報(bào)研究所是堅(jiān)持硫（鐵）鋁酸鹽水泥研究開發(fā)的事業(yè)單位，又是工信部授予的產(chǎn)業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)公共服務(wù)平臺(tái)。在政府部門支持下，由該研究所聯(lián)合有關(guān)單位，創(chuàng)建科研、生產(chǎn)、設(shè)計(jì)和應(yīng)用相結(jié)合的海洋工程用水泥創(chuàng)新平臺(tái)。

第二、開展海洋水泥混凝土工程腐蝕情況的廣泛調(diào)研。

第三、建設(shè)先進(jìn)的、配套的、開放式的海工水泥混凝土國家實(shí)驗(yàn)室。

第四、由于破解水泥耐海水腐蝕難題是一個(gè)具有巨大社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益的創(chuàng)新項(xiàng)目，開展此類項(xiàng)目不僅要靠市場機(jī)制，激勵(lì)企業(yè)的創(chuàng)新意愿；更為重要的尚需政府的資助和支持。

在這紀(jì)念建國70周年的日子里，遵照以習(xí)近平同志為核心的黨中央關(guān)于“不忘初心、牢記使命”的教導(dǎo)，我們展望未來，明確方向，同心協(xié)力，為實(shí)現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興作出新貢獻(xiàn)！