編者按：本網(wǎng)全文刊出王燕謀、齊冬有撰寫“開發(fā)鐵鋁酸鹽水泥完善建筑用水泥性能”文章。

鐵鋁酸鹽水泥具有：1.耐海水腐蝕性能；2.負溫施工和應(yīng)用性能；3. 快硬高強性能的性能特點。鐵鋁酸鹽水泥的性能特點造就了其具有廣闊的市場前景。

雖有大好前景，但文章同時指出，為在工程上廣泛推廣，尚需做好應(yīng)用技術(shù)開發(fā)工作。在國家發(fā)改委和中國建材聯(lián)合會的支持下，鐵鋁酸鹽水泥的首個國家重大工程應(yīng)用示范項目已經(jīng)實施，并已取得很好進展。今年8月，工信部也已擬將制定“鐵鋁酸鹽水泥在海洋工程中應(yīng)用技術(shù)規(guī)范”列入2022年第三批行業(yè)標準制修訂計劃。主要起草單位有建筑材料工業(yè)技術(shù)情報研究所、中國建筑材料科學研究總院有限公司、宜城安達特種水泥有限公司、廣西云燕特種水泥建材有限公司、鄭州市建文特材科技有限公司。8月30日，國家發(fā)改委產(chǎn)業(yè)司一級巡視員夏農(nóng)一行到中國建材聯(lián)合會調(diào)研列入國家專項支持的鐵鋁酸鹽水泥推廣應(yīng)用示范工程建設(shè)情況。夏農(nóng)表示，國家十分重視關(guān)鍵新材料和新技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化，正在實施的鐵鋁酸鹽水泥推廣應(yīng)用示范工程具有重要戰(zhàn)略意義，工程建設(shè)取得了積極進展。下一步要總結(jié)工作經(jīng)驗和成果，加快鐵鋁酸鹽水泥相關(guān)技術(shù)標準的研制，形成完善的產(chǎn)品、應(yīng)用工程標準體系，進一步擴大鐵鋁酸鹽水泥在更多領(lǐng)域的示范和推廣應(yīng)用。

現(xiàn)在，為在工程上廣泛推廣應(yīng)用鐵鋁酸鹽水泥的開局十分良好，相信，鐵鋁酸鹽水泥叫好也叫座的局面可期。

水泥是當今人類社會物質(zhì)文明建設(shè)中不可或缺的原材料。近兩個世紀以來，建筑工程中普遍采用的是硅酸鹽水泥，俗稱波特蘭水泥。

硅酸鹽水泥在應(yīng)用過程中所表現(xiàn)的和人們所關(guān)注的主要性能有：流動性、凝結(jié)時間、強度、抗?jié)B性、耐腐蝕性和氣候環(huán)境適應(yīng)性等等。

硅酸鹽水泥抗壓強度高而抗折強度低，配以鋼筋后大大改善了它的力學性能，使其可以應(yīng)用于各種建筑結(jié)構(gòu)工程；通過調(diào)整熟料和水泥組成，降低水化熱，可用于江河大壩工程；通過調(diào)整熟料組成和添加外加劑，提高流動度，用于油田油井建設(shè)。在長期應(yīng)用中，采取各種措施，其性能不斷改進，用途隨之擴大，硅酸鹽水泥成為當今社會唯一被廣泛使用的建筑工程用水泥。

然而，在實踐中可以看到，硅酸鹽水泥在性能上尚存在當前無法解決的明顯缺點。  

美國弗吉尼亞州的切薩皮克灣跨海隧橋，分南北向兩部分，單向全長37公里。北向部分于1964年建成，耗資2億美元。1989年對其進行檢查，發(fā)現(xiàn)橋墩混凝土有腐蝕問題，當時即實施修補。2000年再次檢查時發(fā)現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象進一步擴大，決定對其全面維修。2007年動工，2009年完工，歷時2年，耗資1250萬美元。

日本運輸省通過對103座水泥混凝土海港碼頭進行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)凡服役超過20年的都有嚴重腐蝕現(xiàn)象，必須修補。日本國立土木研究所在一份調(diào)查報告中指出，1965建成的一座海上混凝土橋梁，使用16年后開始產(chǎn)生維修費用，35年后維修費用增加到建橋成本的250％，于是決定將其拆除。

2021年6月24日美國佛羅里達州邁阿密一棟1981年建造的12層海邊公寓樓發(fā)生倒塌造成重大人員傷亡?！都~約時報》和《經(jīng)濟學人》援引權(quán)威科學機構(gòu)的初步調(diào)查顯示：氣候變化帶來海平面上升，引起海水倒灌，導致公寓建筑地基內(nèi)和周邊區(qū)域大量海水長期滯留，對建筑結(jié)構(gòu)的水泥混凝土及內(nèi)部的加強鋼筋造成腐蝕破壞，是公寓倒塌的可能原因。  

我國交通部有關(guān)單位調(diào)查發(fā)現(xiàn)，中國南部沿海18座使用7年到15年的水泥混凝土碼頭中，有16座存在明顯腐蝕現(xiàn)象，其中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%碼頭，其水泥混凝土保護層嚴重剝落；北方沿海14座使用2年到57年的碼頭中，幾乎所有碼頭都有水泥混凝土的腐蝕現(xiàn)象。

我國著名某海灣的跨海大橋，2008投入使用，2019年在考察中看到，橋梁混凝土的樹脂涂層已開始剝落；橋頭混凝土護坡的混凝土已被腐蝕，表面露出砂子和石子；混凝土橋墩的水位變動處也已出現(xiàn)腐蝕損壞。當前該橋就需投入資金，開展繁重的維修工作。  

世界各國的使用實例表明，硅酸鹽水泥不耐海水腐蝕的性能缺陷至今未能克服，人們?nèi)栽跒槠涓冻龃鷥r。

20世紀60年代國際水泥化學界最熱門的研究對象是硫鋁酸鈣、氟鋁酸鈣C₁₁A₇·CaF₂和氯鋁酸鈣C₁₁A₇·CaCl₂等3個復合礦物，我國曾開發(fā)出主要含礦物的混凝土膨脹劑，并在一定范圍內(nèi)獲得推廣應(yīng)用。

20世紀70年代，中國水泥化學研究單位開展礦物與硅酸鹽水泥熟料礦物相匹配的理論研究。1979年發(fā)明了硫鋁酸鹽水泥，首創(chuàng)以礦物為主的水泥新品種。1987年在硫鋁酸鹽水泥化學體系中引入了較高含量的Fe₂O₃，發(fā)明了鐵鋁酸鹽水泥，從此形成硫（鐵）鋁酸鹽水泥新體系，如表1所示。 

從表1可看到，在硫（鐵）鋁酸鹽水泥新體系中，硫鋁酸鹽水泥水化產(chǎn)物組成的特征主要是：形成了AFt、堿度較低的液相和低堿度的C-S-H(Ⅰ)。液相堿度較紙，無法使鋼筋表面形成純化膜，造成鋼筋銹蝕。低堿度C-S-H(Ⅰ)，遇到空氣中的CO₂發(fā)生碳化，形成質(zhì)地疏松的球狀方解石，使混凝土表面起粉。鐵鋁鹽水泥水化產(chǎn)物的主要組成雖然也是AFt，但不同的是，由于熟料中存在C₆AF₂，使水化液相堿度增高并形成高堿度C-S-H(Ⅱ)與Ca(OH)₂，另外還產(chǎn)生Fe(OH)₃。高堿度的液相可使鋼筋表面形成純化膜保護層，不產(chǎn)生銹蝕。高堿度C-S-H(Ⅱ)和Ca(OH)₂在空氣中碳化后形成致密結(jié)構(gòu)，使混凝土表面不會起粉。

可見，硫鋁酸鹽水泥性能尚不完善，屬于雛型產(chǎn)品，只能在一些特定條件下使用；鐵鋁酸鹽水泥無性能缺陷，屬終型產(chǎn)品，可在建筑工程中普遍推廣。

鐵鋁酸鹽水泥的熟料組成、水化物組成與硅酸鹽水泥相比有顯著不同，如表2所示。在此可得出，硅酸鹽水泥主要水化產(chǎn)物是C-S-H(Ⅱ)和Ca(OH)₂，而鐵鋁酸鹽水泥主要產(chǎn)物是AFt和Fe(OH)₃,因此必然具有自己的性能特點。  

通過科學試驗和工程試用，發(fā)現(xiàn)鐵鋁酸鹽水泥具有的性能特點主要是：

1.耐海水腐蝕性能

水泥的耐腐蝕性能通常用K_n值表示。K_n值是試體在腐蝕液中養(yǎng)護的抗折強度R_液除以在淡水中養(yǎng)護的抗折強度R_水。n是指養(yǎng)護齡期。一般采用6個月12個月或24個月。  

K值的表示式即：K=  

K值的物理含義是，其數(shù)值小于1，說明水泥體在腐蝕液中已被腐蝕，數(shù)值愈低被腐蝕程度愈大；數(shù)大于1，說明水泥體未被腐蝕，數(shù)值愈大，水泥體在腐蝕液中強度增長愈多。

從表3可看出，鐵鋁酸鹽水泥在Na₂S0₄和NaCl溶液內(nèi)浸泡6個月后強度不降，抗硫酸鹽硅酸鹽水泥強度則會下降。在表4則可得出，鐵鋁酸鹽水泥在三亞海水中浸泡后強度非但不降，反而增長，浸泡24個月抗折強度增加了36%；海工硅酸水泥經(jīng)海水浸泡后，其抗折強度急劇下降，浸泡24個月后強度下降了52％。

水泥腐蝕的發(fā)生不僅有化學因素也有物理因素，物理因素主要是密實度，一般用抗?jié)B性能來觀察。鐵鋁酸鹽水泥的抗?jié)B性能示于表5。  

從表5可看到，鐵鋁酸鹽水泥試體加壓到3MPa時，其滲透高度僅5-6cm，而硅酸鹽水泥加壓到較低的1.5MPa時，其試體滲水高度就已達到12-14cm，加壓到2MPa已被打透，無抗?jié)B性。這些數(shù)據(jù)說明鐵鋁酸鹽水泥水化體具有很高密實度，這是提高抗海水腐蝕性能的重要因素之一。

在科學試驗的基礎(chǔ)上進行了工程試用。1983年用鐵鋁酸水泥砌筑了福建漳州東山島南門海堤；同時在碼頭建設(shè)中采用鐵鋁酸鹽水泥制作插入海水的立柱，用硅酸鹽水泥制作的蓋板；此外還在東山島西埔塆海灘放置了一批鐵鋁酸鹽水泥自應(yīng)力管，作干濕交替暴露試驗。2019年東山島考察時看到，海堤經(jīng)歷36年海水日夜沖刷和無數(shù)次颶風海浪襲擊，仍然完好無損，安全運行，保護著一方百姓平安。如圖1所示。碼頭的立柱36年海水侵蝕后其表面完好如初，無侵蝕跡象，而用硅酸鹽水泥制作的蓋板己被含鹽份的海風侵蝕剝落并露筋。如圖2所示。放置海灘的鐵鋁酸鹽水泥自應(yīng)力管經(jīng)36年海水浸泡和干濕交替后，外表依舊完好，鋸開混凝土管壁后露出的鋼筋毫無銹蝕跡象，如圖3所示。

科學試驗和工程試用的結(jié)果表明，鐵鋁酸鹽水泥具有硅酸鹽水泥所不具備的耐海水腐蝕性能。  

圖1東山島南門海堤  

圖2東山島上利用鐵鋁酸鹽水泥和硅酸鹽水泥修建的碼頭  

圖3東山島海水浸泡試驗的鐵鋁酸鹽水泥自應(yīng)力壓力管  

2.負溫施工和應(yīng)用性能

眾所周知，采用硅酸鹽水泥的工程一般都不進行冬季施工，此外還存在凍融問題。在調(diào)查海水腐蝕問題時看到我國北方地區(qū)因凍融循環(huán)而使沿海建筑損壞更加嚴重。改善水泥負溫施工和負溫下的應(yīng)用性能是一個必須要關(guān)注的課題。推廣鐵鋁酸鹽水泥取代硅酸鹽水泥是當前解決該課題的最佳選擇。

鐵鋁酸鹽水泥性能特征是水化熱釋放情況與硅酸鹽水泥有很大區(qū)別，如圖4所示。  

圖4各種水泥水化熱的釋放特征  

從圖4可看出，鐵鋁酸鹽水泥和硫鋁酸鹽水泥的水化放熱曲線與硅酸鹽水泥有明顯區(qū)別。前者放熱速度很快，在1天內(nèi)基本結(jié)束，硅酸鹽水泥放熱反應(yīng)較慢，要延續(xù)3天才基本完成。其反應(yīng)最高放熱峰，普通硅酸鹽水泥發(fā)生在水化后的1天左右，硫鋁酸鹽水泥較早，在水化后的10-12小時；鐵鋁酸鹽水泥更快，在水化后的8-10小時。水泥水化特征造就了鐵鋁酸鹽水泥和硫鋁酸鹽水泥具有負溫施工的性能。  

研究抗?jié)B性能時得出，鐵鋁酸鹽水泥水化體具有很高的密實度。硫鋁酸鹽水泥與其屬同一類水化體，都是以AFt水化物為主，因此也具有密實度優(yōu)勢，從而產(chǎn)生極佳的抗凍性，如表6所示。  

從表6可看到，硫鋁酸鹽水泥凍融270次后強度保留率仍高達97％，而硅酸鹽水泥凍融210次時強度僅保留59.9％，凍融270次時試體已經(jīng)全部破壞，無強度。就此可做出判斷，鐵鋁酸鹽水泥和硫鋁酸鹽水泥不僅能負溫施工，還具有負溫條件下良好的應(yīng)用性能。  

工程試用得出了與實驗室相同的結(jié)果。用硫鋁酸鹽水泥于1985年建造的中國南極長城站（示于圖5），1989年建造的中國南極中山站（示于圖6），至今仍在安全使用著，為國家科考事業(yè)繼續(xù)作貢獻。  

圖5 1985年建造的中國南極長城站  

圖6 1989年建設(shè)的中國南極中山站  

圖7 遼寧物產(chǎn)科貿(mào)大樓  

1994年10月到1995年4月在沈陽市南湖高科技開發(fā)區(qū)，用鐵鋁酸鹽水泥建造了遼寧物產(chǎn)科貿(mào)大樓，該樓28層、高100多米，（如圖7所示）經(jīng)近30年運行，至今仍安全使用著。  

3.快硬高強性能  

提高水泥的快硬、高強性能是現(xiàn)代建筑業(yè)在發(fā)展中提出的迫切要求。鐵鋁酸鹽水泥與硅酸鹽水泥相比具有快硬的特性，如表7所示。  

從該表可看出，鐵鋁酸鹽水泥12小時強度可達20.0MPa，占28天強度的33%；而硅酸鹽水泥相對應(yīng)的強度僅為5.8MPa，占28天強度的10%；鐵鋁酸鹽水泥1天強度為36MPa,為28強度的60%，相應(yīng)的硅酸鹽水泥強度為19.2MPa,占28天強度的33％，顯然，鐵鋁酸鹽水泥具有快硬早強的性能。鐵鋁酸水泥還有高強的特性，高強鐵鋁酸鹽水泥的強度指標，列于表8。  

從該表看出，鐵鋁酸鹽水泥抗壓強度1天可達65.0MPa，28天可達92.5MPa，既快硬又高強。1993年5月到1994年10月在北京三環(huán)路立交橋，如燕莎橋、蘇州橋和航天橋等立交橋的建造中，為加快施工進度，采用鐵鋁酸鹽水泥在工廠預制橋面橫梁，在現(xiàn)場澆筑橋墩。圖8為北京西三環(huán)航天橋現(xiàn)澆的墩柱和上方的工廠預制的橫梁。這些立交橋經(jīng)近30年日夜運行，從未進行維修，至今狀態(tài)良好，仍可為北京城市交通繼續(xù)服務(wù)。

圖8北京西三環(huán)航天橋橋墩和橋面橫梁  

鐵鋁酸鹽水泥具有明顯的性能特點，是硅酸鹽水泥性能的重要補充，從而使建筑用水泥性能更加完善。鐵鋁酸鹽水泥的性能特點造就了其具有廣闊的市場前景。地球70％的面積是海洋。我國海洋面積約470萬平方公里，海岸線長約1.8萬公里，開發(fā)海洋己成為國家重要發(fā)展戰(zhàn)略，近期海洋工程建設(shè)迅速增多。為確保工程的耐久和安全，用鐵鋁酸鹽水泥取代硅酸鹽水泥是必然的選擇。眾所周知，有關(guān)國家在北極地區(qū)的開發(fā)已爭相起步，北冰洋航道建設(shè)也已提上議事日程。在北極地區(qū)的開發(fā)中，鐵鋁酸鹽水泥大有用武之地。在當今數(shù)字化時代，傳統(tǒng)的建筑方式正在轉(zhuǎn)變，房屋建筑工程正朝著工廠化生產(chǎn)和現(xiàn)場模塊式裝配的現(xiàn)代技術(shù)方向發(fā)展。在國家雙碳目標的背景下，為取消工廠生產(chǎn)過程中蒸養(yǎng)環(huán)節(jié)，減少化石燃料使用，降低碳排放，必將采用快硬高強的鐵鋁酸鹽水泥。  

鐵鋁酸鹽水泥的科學試驗取得有價值的可喜成果。然而，為工程上廣泛推廣，尚需做好應(yīng)用技術(shù)開發(fā)工作。根據(jù)水泥應(yīng)用的特點，一般都是通過試點工程進行各項技術(shù)開發(fā)。為開發(fā)鐵鋁酸鹽水泥的應(yīng)用技術(shù)，試點工程可包括：跨海大橋、海港碼頭、海邊建筑、北極工程和裝配式房層建筑工程等等。在工程試點中要解決設(shè)計和施工中提出技術(shù)課題，如：混凝土可工作時間；混凝土溫度應(yīng)力問題以及不同環(huán)境的施工方法等等。在破解各種技術(shù)問題的基礎(chǔ)上要制定出設(shè)計和施工規(guī)范，以及水泥產(chǎn)品的國家標準，為水泥生產(chǎn)和工程應(yīng)用提供法規(guī)依據(jù)。  

在國家發(fā)改委和中國建材聯(lián)合會的支持下，鐵鋁酸鹽水泥的首個國家重大工程應(yīng)用示范項目已經(jīng)實施，并已取得很好進展。讓我們共同努力，為水泥品種的發(fā)展積極奮進。  

原國家建材局黨組書記、局長  王燕謀  

硫（鐵）鋁酸鹽水泥重點實驗室主任  齊冬有  

2022年8月