特种水泥系列报道ㅣ海工水泥：​为建设“海洋强国”添砖加瓦

中国建材杂志专题报道组 原创

2003年，国务院明确提出“要发展海洋工程和港口建设用水泥”（国发〔2003〕41号文）。党的十八大更是提出了建设“海洋强国”的目标，开拓海洋经济和保卫海疆已成为当今国家重要发展战略。战略的实施，需要大量抗海水侵蚀的水泥用于构建海洋工程和沿海能源基础设施建设，如海港工程、岛礁建设、桥梁及隧道项目、海洋油气开发、海工平台等。

从2010年起，中国建筑材料科学研究总院有限公司（以下简称“中国建材总院”或“总院”）为了适应国家的海洋开发战略需求，着手开展海工硅酸盐水泥的研究、试制和使用。历经数千次的试验，终于成功研制出海工硅酸盐水泥，并荣获国家和交通部与中交集团颁发的优质工程奖，为实现国家建设“海洋强国”的目标，开拓海洋经济和保卫海疆做出了重大贡献。

“十三五”以来，为了适应国家海洋开发的战略需求，中国建材总院牵头，在国内展开了“高抗蚀水泥基材料关键技术”的研究。海洋工程建设所需水泥（简称“海工水泥”）相较于普通水泥，最重要的是要求所制备的混凝土密实，抗氯离子渗透性高。适宜的水泥熟料矿物组成、混合材的选择、石膏的溶解速率与水泥水化速率相匹配、成本等都是研发、生产高品质海工水泥需要思考的问题。针对此，中国建材总院提出了“三大体系和五大应用”，基于硅酸盐、铝酸盐、硫铝酸盐三大水泥体系，提出了针对海洋工程普通结构大体积混凝土浇筑、抗冲磨的混凝土预制构件的生产与制备、水下施工、特定海洋环境下所需的快速施工、海洋工程的修补与防护的“五大应用”。

宁波—舟山港梅山港区6号至10号集装箱码头

港口基建需要“高抗蚀”

与产量最大的水泥品种——普通硅酸盐水泥相比较，矿渣水泥等复合水泥具有水化热低、抗蚀性好的性能特征，因此被广泛应用于大体积混凝土工程；但在使用时存在混凝土易泌水等问题。为解决早期强度由于水泥过细、干缩大、抗冻性差而导致一系列耐久性问题，总院研究人员不断探寻，试图通过技术手段将已经被成功应用于陆地大体积工程的水泥进行优化设计，形成适用于诸如海岛、港口、桥梁等海洋工程建设的专用产品。

在海洋环境中进行工程建设，要优先考虑混凝土材料的抗钢筋锈蚀问题。而普通水泥受限于氯离子扩散系数较大，更容易受到海水中氯离子的侵蚀，因此其抗蚀性并不能满足海洋工程作业的标准。一般而言，普通硅酸盐水泥的氯离子扩散系数只能达到1.8～3.6×10～12m2/s，而氯离子扩散系数越低，水泥的抗蚀性越强。总院研究人员针对这种情况展开了相关研究，最终使氯离子扩散系数降低到至0.5×10～12m2/s。

对混凝土造成侵蚀的不仅仅只有海水中的氯离子，镁盐、硫酸根离子、二氧化碳等在不同程度上都会对混凝土造成侵蚀。通过成千上万次的实验和改进，研究人员最终找到了不同混合料的最佳配比与生产工艺，并专门研制出可显著提高材料抗侵蚀性的性能调节组分，使得改进后的水泥能在最大程度上满足苛刻的施工环境。

研究人员还考虑到，海工硅酸盐水泥不仅应具备较强的抗侵蚀能力，为了确保施工能够顺利进行，施工单位可能还会对水泥与外加剂的适应性、水化热等提出不同的要求。在此基础上，研究人员做了大量的工作，以保证海工硅酸盐水泥配置的混凝土的和易性、可泵性，并且无明显的泌水和离散现象。

海工硅酸盐水泥研究的成功，标志着在特殊的海洋条件下可以进行大体积的混凝土施工，除此之外，此类水泥还可应用到海洋工程的预制结构件的生产中。在杭州湾大桥、宁波北仑港等项目中成功应用该类水泥，还曾获得国家和交通部与中交集团颁发的优质工程奖。

回归海工水泥“初心”

90多年前，法国拉法基公司利用熔融法生产出铝酸盐水泥，其初衷是利用该类水泥抗硫酸盐侵蚀优异、抗海水侵蚀能力强的特点应用于海洋工程。但由于其水化物在烧结后表现出耐高温的显著特性，因此，这一水泥品种在被发明后至今，被广泛用作钢铁、化工、水泥等工业高温窑炉的耐火材料。而铝酸酸水泥由于其水泥产物在湿热环境下易发生相转变、导致混凝土后期强度导缩，被工程界几乎完全禁用于结构工程，也使其优异的抗海水侵蚀性也几乎被人完全遗忘。

中国建材总院特种水泥团队的研究人员在“十三五”国家重点研发计划“海洋工程用高抗蚀水泥基材料关键技术”科研立项调研时发现，欧美早期使用铝酸盐水泥建设的海洋工程，“服役”达80年之久，至今其水下部分的结构与性能仍保持良好；而前期预研的大量试验证实，利用铝酸盐水泥制备的新拌混凝土，在模拟水下施工环境时，表现出高抗离散性，同时相较于一般空气环境的结构工程中存在的后期强度倒缩问题则大幅减轻。

为充分发挥铝酸盐水泥抗海水侵蚀性好、有利于水下施工的特性，实现其在海洋结构工程中应用的初衷，并从根本上解决铝酸盐水泥后期强度倒缩的问题，中国建材总院的研究人员面对困难并提出设想：是否可以将“熟料矿相设计与掺杂活化—水泥组成优化与改性—工程设计—施工方法”这一系列工作进行全面改进，在保证材料后期强度及长期性能的基础之上，使铝酸盐水泥更符合当初的设计要求，从而将此类水泥应用到更加广泛的海洋工程建设中。项目实施在2019年取得的研究结果证实了立项时的设想，取得了重要突破，所制备水泥胶砂28天龄期的氯离子扩散系数降低至0.44×10～12m2/s的超低水平、抗海水侵蚀系数高达1.18；模拟湿热环境50℃养护条件下水泥28天强度的保留率从一般铝酸盐水泥不足30%的水平提高至80%以上，实际抗压强度在60MPa以上且实现后期强度的持续稳定。

总院海洋工程材料研发与工程应用

如果把硅酸盐水泥称为第一类水泥、铝酸盐水泥称为第二类水泥，那么硫铝酸盐水泥就是第三类水泥。硫铝酸盐水泥的特征是含有大量的无水硫铝酸钙（C4A3S）矿物，因此该类具有早强、高强、高抗冻、抗蚀、快硬、微膨胀等性能特征，非常适合于海洋工程特定环境下的快速施工、低温施工和工程修补与防护的建设需求。

在“十三五”国家重点研发计划的支持下，总院研究人员和济南大学、清华大学、重庆大学及中交上海三航科学研究院等单位的紧密合作下，分别在高抗蚀硫铝酸盐熟料工业化生产示范、硫铝酸盐水泥专用外加剂、抗海水侵蚀高性能混凝土以及修补防护用抗侵蚀硫铝酸盐水泥砂浆等方面均取得重要进展，实现了硫铝酸盐水泥凝结时间任意可调、4小时抗压强度18MPa以上、修补砂浆28天抗折粘结强度高于3MPa等一系列高要求，并在宁波—舟山港梅山港区6～10号集装箱码头、深圳湾滨海休闲带西端延长段G2段、浙江三门核电站工程海工工程防护的建设中实现了工程示范应用。

面对种种需要解决的问题，研究人员总是迎难而上，力争将海工铝酸盐水泥的改性和海工硫铝酸盐水泥的推广应用最大程度地推进。

海工硅酸盐水泥标准的制定者

2010年12月，国家标准化管理委员会下达了《海工硅酸盐水泥》国家标准的制定计划（项目编号20100973-T-609）。该项目由总院牵头，28家企业参与。经过两年的研究，2013年，该项目通过了全国水泥标准化技术委员会的审查。2014年12月22日，国家标准《海工硅酸盐水泥》（GB/T 31289—2014）发布，并于2015年10月1日起正式实施。

该标准的实施，以我国海洋工程建设的需求为出发点，为进一步推动并研制出海洋工程专用水泥做出了贡献。海工水泥直接与工程要求对接，填补了国内空白，打破了海洋工程现场配制胶凝物料搅拌混凝土的传统施工方法，使得海工混凝土质量进一步得到提升，并将制作变得方便、高效、成本低。

自标准的立项再到标准的顺利发布，总院相关研究人员并没有将标准制定作为研究的最终目标。他们苦心钻研，就是想在标准的框架范围之内，帮助特种水泥生产企业、建筑施工单位等解决海洋工程建设施工相关的种种难题。

在总院的研究人员看来，特种水泥的生产并不像普通水泥一样，它具有更高的要求，这无疑需要生产企业对生产制备的全流程进行优化。海工水泥并不是普通的矿渣水泥，生产的时候要与通用水泥进行区分，对熟料和矿渣、粉煤灰等混合材料做针对性设计或优选，并控制缓凝组分——石膏的品质、添加比例及其生产过程中可能发生的化学变化。这就需要对每个生产过程都进行严格把控，才能生产出理想品质的海工水泥。

海工水泥在施工性能上同样讲究。例如上述水泥中石膏控制的问题，对于新拌混凝土的流变学特性及混凝土工作性的保持具有重要影响，最终影响工程质量和混凝土材料在海洋服役环境中的长期安全性。能否从海工水泥的材料设计、生产工艺、材料应用的工程设计及施工方法等各个环节分别改进并形成规范，也是保障此类水泥在特殊环境中发挥更大优势的前提。长期实践证明，任何特种水泥产品的研究开发与推广应用，从生产到现场施工，都需要进行大量反复的工作，以对其最终工程应用的实践效果进行确认。对于海洋工程用特种水泥品种的研究开发，总院的研究人员已经不仅仅局限于某一类产品标准的制定，而是把更多的目光放在了此类水泥的生产施工和应用层面。

在山东华明水泥有限公司开展高抗蚀复合硅酸盐水泥生产示范

“海工水泥”未来可期

幅员辽阔的中华大地，不仅拥有960万平方公里的陆地面积，更拥有着1.8万公里海岸线、6500多个沿海岛屿。追溯历史，中华民族是世界上最早开发并利用海洋资源的民族之一，开发海底油气田和可燃冰，以及风能、潮汐能可以长久地满足人类对能源的需要。海洋是世界各大洲交通最经济的通道，世界上贸易运输的80%是靠海运完成的。因此，对海洋的开发和利用程度是综合国力的体现。建设海洋强国在当前具有深远的现实和战略意义，而且是民族永续发展、走向世界强国的必由之路。

总院特种水泥项目团队秉持“目标引导”的方针，将特种水泥成功地运用到大坝、油井、道路、核电站等建设当中。在未来，他们将继续握紧该方针，依托于自身的科研实力和大坝低热水泥的成功应用，不断提升海工水泥性能。相信在不远的将来，总院海工水泥项目组开发的“低水化热高抗蚀性水泥”，同海工硅酸盐水泥、海工铝酸盐水泥、海工硫铝酸盐水泥一样，一定能够在更多的海洋建设和维护领域中大显身手，为实现建设“海洋强国”的目标添砖加瓦。