當代中國水泥業的重要使命——破解水泥耐海水腐蝕難題

2019-11-09 13:59:53 來源:中國建材報

圖為巴西北部亞馬遜地區莫居河橋橋墩和橋面被渡輪撞塌情況。

  當前,我國海洋工程日益增多,水泥耐海水腐蝕問題充分凸顯,提高海工混凝土耐久性迫在眉睫,破解水泥耐海水腐蝕難題成為當代中國水泥業的重要使命。

  全球范圍看,自20世紀初至今,一個多世紀以來,研究者針對海工混凝土腐蝕問題采取了許多技術改進措施,但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。

  在迎接新中國成立70周年之際,原國家建材局局長王燕謀作為一名老建材人,以專家的角度,撰寫此文,從世界難題、現行技術措施、海水腐蝕機理、不同水泥品種的耐海水腐蝕性能、破解難題的方法、相應措施6方面,與大家分享破解水泥耐海水腐蝕的現狀及方法與措施等,希望中國水泥業盡早完成破解水泥耐海水腐蝕難題的重要使命,為中國經濟的健康發展貢獻力量。

  中華人民共和國成立70年以來,中國人民在中國共產黨領導下經歷了計劃經濟和社會主義市場經濟兩個發展階段,在實現中華民族偉大復興的征程上取得了舉世矚目的成就。

  中國水泥工業實現了生產技術由落后的立窯和濕法向先進的預分解窯新型干法的華麗轉變;創建了6條日產12000噸熟料生產線、6個千萬噸級水泥和熟料生產基地、長江和珠江現代水泥物流體系,這些先進設施在世界各國獨一無二;一大批現代化水泥企業已經崛起,其經營業績,令世人刮目相看。彈指一揮間,中國水泥行業面貌煥然一新。在習近平新時代中國特色社會主義思想指引下,水泥生產技術正朝著大數據、智能化方向發展。

  黨的十八大、黨的十九大都提出建設海洋強國的目標,“21世紀海上絲綢之路”倡議得到廣泛響應,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顯,提高海工混凝土耐久性迫在眉睫。水泥科學研究分兩大方面:生產技術、性能與品種。水泥耐海水腐蝕課題屬性能與品種研究范疇。中國水泥行業在生產技術的研究和開發方面,已取得舉世公認的巨大成就;新時代要求水泥行業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代中國水泥業的重要使命。

  世界難題

  早在20世紀初,人們就發現硅酸鹽水泥水化體在海水和地下水中的腐蝕問題。一個多世紀以來,研究者針對海工混凝土腐蝕問題采取了許多技術改進措施。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,國外媒體有關水泥混凝土腐蝕事故的報道屢見不鮮。

  美國切薩皮克灣隧橋由橋梁和水下隧道組成,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區,被稱為“現代世界七大工程奇跡之一”。隧橋是鋼筋混凝土結構,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個橋墩;南向部分于1999年建成,耗資2.5億美元,有2951個橋墩。1989年對北向部分進行檢測后發現其混凝土橋墩腐蝕嚴重。經評估,有623個橋墩應進行修補,須耗資1250萬美元,歷時兩年。其他橋墩的腐蝕在進一步擴大中,若干年后有待繼續維修。

  巴西北部亞馬遜地區的莫居河橋,全場860米,橋墩腐蝕嚴重,政府有關部門未能及時修繕。2019年4月一艘渡船將橋墩連同200米橋面撞塌,兩輛小汽車落入水中,還影響了北部港口的農產品運輸。

  在中國,交通部有關單位的調查發現: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,其混凝土保護層嚴重脫落;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象。

  當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。

  現行技術措施

  為提高海工水泥混凝土耐久性,近代研究者開發出一系列技術措施,主要從兩方面著手:一是增強鋼筋抗氯離子銹蝕能力,如采用環氧涂層鋼筋、不銹鋼包層鋼筋、摻鋼筋腐蝕抑制劑和設置電陰極保護系統等。二是提高水泥混凝土抗腐蝕能力。

圖為美國切薩皮克灣隧橋。

  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混合材;在混凝土制作時摻減水劑、引氣劑等有機外加劑;在混凝土構件表面涂環氧樹脂保護層等。

  在工業發達國家,混凝土工程界普遍認為海工混凝土腐蝕主要由于海水中氯離子的滲透,導致鋼筋生銹,使混凝土崩裂。基于這樣的認識,都采用氯離子滲透系數DRCM控制混凝土抗腐蝕性能。

  我國當前的重要海洋工程所用水泥混凝土防腐措施和監控參數,都與工業發達國家相似。

  海水腐蝕機理

  為能找到正確防腐措施,首先應搞清楚水泥混凝土腐蝕機理。硅酸鹽水泥的主要水化產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生化學反應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生二次反應,形成水化硫鋁酸鈣,同時發生體積膨脹。新形成物的浸出效應和體積膨脹,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,從而造成混凝土構件進一步開裂,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。

  在水泥工藝學教科書中,水泥的耐腐蝕性能用耐腐蝕系數Kn值表示。K值是在腐蝕液中養護的抗折強度R液除以在淡水中養護的抗折強度R水。n是指養護齡期,一般都采用6個月齡期,也有12個月和24個月的。K值表示式見報紙。

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

  根據腐蝕機理,評價水泥的耐腐蝕性能不僅要看DRCM,更重要的必須考察Kn。

圖為美國切薩皮克灣隧橋橋墩在修理中。

  不同水泥品種的耐海水腐蝕性能

  當今世界有三大類水泥品種。第一類是1824年英國人發明的硅酸鹽水泥。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的水工水泥、抗硫酸鹽硅酸鹽水泥、海工硅酸鹽水泥等。硅酸鹽水泥是當前人類社會應用最廣、最多的建筑膠凝材料。第二類是1908年法國人發明的鋁酸鹽水泥,分CA-50、CA-60、CA-70和CA-80四個品種。由于高品位礬土資源稀缺、水泥售價昂貴,所以主要用作耐火材料,建筑業很少應用。第三類是20世紀80年代中國建筑材料科學研究總院發明的硫(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系列,后者又稱高鐵硫鋁酸鹽水泥。中國建筑材料科學研究總院和建筑材料工業技術情報研究所在硫(鐵)鋁酸鹽水泥的科研、生產和應用等方面,與有關單位密切協作,取得了很大業績。為適應新時代的發展,該水泥仍然是一個待開發的水泥品種。

  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個月后,其強度非但不降,反而提高了27%,浸泡24個月后強度提高了36%。海工硅酸鹽水泥在同樣條件下浸泡12個月后強度下降了50%,浸泡24個月后下降了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都比較低,比港珠澳大橋橋墩水泥混凝土所控制的數值(4.5~6.5×10-12m2/s)小一個數量級。此外,鐵鋁酸鹽水泥經海水浸泡12個月后,其氯離子滲透系數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間后的氯離子滲透系數則有較大增長

 

  鐵鋁酸鹽水泥耐海水腐蝕性能在實際應用中得到了驗證。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月實地考察中看到,海堤經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的江蘇連云港大沙灣游樂園防浪堤,經20多年的海水浸泡和沖刷,其水泥混凝土表面保持如初,連養護用編織袋的印痕仍保留著。為鋪設過海引水管,福建南平市水泥制管廠試制了一批自應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行海水浸泡和干濕循環試驗,同時用自應力硅酸鹽水泥壓力管作對比。1985年考察時,自應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,自應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,自應力硅酸鹽水泥壓力管的鋼筋已被嚴重銹蝕。

  破解難題的方法

  比較兩種水泥的耐腐蝕性能后得出,當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件截面積較小的海洋混凝土工程中推廣,如砌筑護坡、制作扭工字塊,以及其他構件和制品等。

  在大體積混凝土工程中推廣,工程界提出了三個問題:一是可工作時間;二是水泥水化熱集中釋放而引起的破壞性溫度應力;三是大體積構件設計參數尚不完整。這些問題在一般情況下是可以解決的,例如:用外加劑可調整到施工所要求的工作時間;預埋冷卻水管可解決溫度應力問題。但是,在大型工程上采用鐵鋁酸鹽水泥時,尚需開展系統的大量試驗工作,包括實驗室研究和工程試點。此外,為全面、正常推廣鐵鋁酸鹽水泥,還需要在試點工作的基礎上制訂出設計和施工規范。

  相應措施

  第一,建材工業技術情報研究所是堅持硫(鐵)鋁酸鹽水泥研究開發的事業單位,又是工信部授予的產業技術基礎公共服務平臺。在政府部門支持下,由該研究所聯合有關單位,創建科研、生產、設計和應用相結合的海洋工程用水泥創新平臺。

  第二,開展海洋水泥混凝土工程腐蝕情況的廣泛調研。

  第三,建設先進的、配套的、開放式的海工水泥混凝土國家實驗室。

  第四,由于破解水泥耐海水腐蝕難題是一個具有巨大社會經濟效益的創新項目,開展此類項目不僅要靠市場機制,激勵企業的創新意愿;更為重要的尚需政府的資助和支持。

  在這迎接新中國成立70周年的日子里,遵照以習近平同志為核心的黨中央關于“不忘初心、牢記使命”的教導,我們展望未來,明確方向,同心協力,為實現中華民族偉大復興作出新貢獻!(王燕謀)

  見習編輯:王威娜 監審:王怡潔


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