淺談水泥品種創(chuàng)新

編者按：本網(wǎng)鄭重推出水泥業(yè)權(quán)威王燕謀及硫鐵鋁酸鹽水泥重點實驗室團(tuán)隊撰寫題為“淺談水泥品種創(chuàng)新”文章。

硫鋁酸鹽水泥和鐵鋁酸鹽水泥與硅酸鹽水泥相比，屬不同的礦物體系，是水泥技術(shù)革命性突破。這一突破使鐵鋁酸鹽水泥具有海水、鹽堿不腐蝕和負(fù)溫施工等性能優(yōu)勢，還有突出的節(jié)能低碳特點。

隨著檢測體系的完善以及大量的實驗室數(shù)據(jù)和四十多年工程案例檢測數(shù)據(jù)的積累，都已充分表明鐵鋁酸鹽水泥具有海水、鹽堿不腐蝕的特殊性能。更令人興奮的是，隨時間的推移，強(qiáng)度不降反升。真可美譽(yù)為水泥中的“不銹鋼”。

我國要建設(shè)成為海洋強(qiáng)國，離不開海洋基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，離不開對海水和鹽堿環(huán)境下不腐蝕的水泥的支撐。《產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整指導(dǎo)目錄（2024年本）》明確海洋工程用混凝土為鼓勵類。國發(fā)〔2013〕41號在對產(chǎn)能嚴(yán)重過剩行業(yè)，要根據(jù)行業(yè)特點，開展有選擇、有側(cè)重、有針對性的化解工作。針對水泥行業(yè)施策之一是，發(fā)展?jié)M足海洋、港口、核電、隧道等工程需要的特種水泥等新產(chǎn)品。

在加快技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)化中發(fā)揮國家實驗室、全國行業(yè)重點實驗室等創(chuàng)新載體作用，相信具有新質(zhì)生產(chǎn)力革命性突破特征的鐵鋁酸鹽水泥在我國工程建設(shè)領(lǐng)域?qū)⒋箫@神通、大顯身手、大有作為！

兩百年前，英國人發(fā)明了硅酸鹽水泥，為人類文明建設(shè)做出了重大貢獻(xiàn)。然而，在長期的使用中發(fā)現(xiàn)，硅酸鹽水泥尚有性能缺陷，主要是海水腐蝕、鹽堿侵蝕和無法負(fù)溫施工等問題。

二十世紀(jì)七十年代和八十年代，中國人先后發(fā)明了硫鋁酸鹽水泥和鐵鋁酸鹽水泥，該類水泥與硅酸鹽水泥相比，屬不同的礦物體系，見表1。

表1 不同水泥品種的主要礦物

從表1可看出，硅酸鹽水泥的主要礦物是C₃S，硫鋁酸鹽水泥主要礦物是C₄A₃S，鐵鋁酸鹽水泥主要礦物是 C₄A₃S和C₆AF₂。不同的礦物組成賦予了水泥不同的性能。

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(hù)的抗折強(qiáng)度R_液除以試體在淡水中養(yǎng)護(hù)的抗折強(qiáng)度R_水，即K_n=R_液/R_水。n是指養(yǎng)護(hù)齡期，一般采用28天、6個月、12個月或24個月。K值的物理含義是，其數(shù)值小于1，說明水泥試體在腐蝕液中已被腐蝕，數(shù)值越低被腐蝕程度越大；數(shù)值大于1，說明水泥試體未被腐蝕，數(shù)值越大，水泥試體在腐蝕液中強(qiáng)度增長越高。K_n值是最能準(zhǔn)確表征水泥水化試體是否會發(fā)生腐蝕或發(fā)生腐蝕程度的指標(biāo)。不同品種水泥在典型腐蝕溶液中的K值見表2、表3。

表2 不同品種水泥在羅布泊地區(qū)鹽堿地浸漬水中養(yǎng)護(hù)的K6m值

從表2可以看到，硫鋁酸鹽水泥經(jīng)不同鹽堿地浸漬水浸泡6個月后，其強(qiáng)度都不會降低，反而顯著升高；普通硅酸鹽水泥則大幅度降低。

表3 不同水泥品種在東山島海水中養(yǎng)護(hù)的Kn值

從表3可以得出，鐵鋁酸鹽水泥在東山島海水中浸泡28天后，其強(qiáng)度非但不降，反而升高了3%，浸泡12個月后升高了9%，浸泡24個月后，進(jìn)一步升高了17%；普通硅酸鹽水泥強(qiáng)度則大幅下降，浸泡28天后下降了23%，浸泡12個月后下降了29%，浸泡24個月后進(jìn)一步下降了42%。

1982年秋，研究人員在福建省東山島西埔灣海灘放置了同期采用硅酸鹽水泥和鐵鋁酸鹽水泥制作的自應(yīng)力管進(jìn)行自然暴露試驗。2023年考察發(fā)現(xiàn)，硅酸鹽水泥管已嚴(yán)重腐蝕，幾乎無強(qiáng)度（見圖1），內(nèi)部鋼筋銹蝕嚴(yán)重；而鐵鋁酸鹽水泥管則沒有任何腐蝕，內(nèi)部鋼筋無明顯銹蝕，水泥管切割取樣檢測強(qiáng)度結(jié)果見表4。

圖1 不同品種水泥管海水自然暴露試驗41年后的腐蝕情況對比

表4 不同水泥品種自應(yīng)力管在東山島海水自然暴露試驗41年后的強(qiáng)度值

大量的實驗室數(shù)據(jù)和四十多年工程實際案例都表明，鐵鋁酸鹽水泥具有海水、鹽堿不腐蝕的特殊性能。

不同水泥品種表現(xiàn)出不同的性能，是因其具有不同的水泥水化礦物組成。

表5 不同水泥品種的水化礦物組成

從表5可看到，硫鋁酸鹽水泥的主要水化礦物與硅酸鹽水泥有很大不同，硅酸鹽水泥的主要水化礦物主要含Ca(OH)₂ ，在浸泡液和海水作用發(fā)生浸出，水泥石結(jié)構(gòu)遭破壞，從而導(dǎo)致水泥混凝土被腐蝕。硫鋁酸鹽水泥的主要水化礦物是C₃A·3CaSO₄·32H₂O，在浸漬液和海水中非常穩(wěn)定，因此水泥混凝土保持完好無損。

從表5還可以得出，硫鋁酸鹽水泥主要水化礦物中除C₃A·3CaSO₄·32H₂O外還含有低堿度水化硅酸鈣CSH(?)，液相堿度為pH 11.5~12.0。由于液相堿度低，產(chǎn)生鋼筋早期銹斑和水泥石表面起粉等現(xiàn)象；鐵鋁酸鹽水泥主要水化產(chǎn)物與硫鋁酸鹽水泥一樣都是C₃A·3CaSO₄·32H₂O，不同的是其所含水化硅酸鈣是高堿度的CSH(II)，液相堿度較高pH 12.0~12.5，在此條件下不會產(chǎn)生鋼筋早期銹斑和水泥石表面起粉等缺陷。

鐵鋁酸鹽水泥既不會發(fā)生海水和鹽堿腐蝕，又無鋼筋早期銹斑和表面起粉等缺陷。

硫鋁酸鹽水泥和鐵鋁酸鹽水泥的放熱通常發(fā)生在水化開始后的12小時內(nèi)（見圖2），這使他們具有負(fù)溫施工的特性，硫鋁酸鹽水泥曾在夏季平均溫度達(dá)到-25℃的南極施工建設(shè)考察站。鐵鋁酸鹽水泥水化放熱更早，具有更好的負(fù)溫施工性能。

圖2 不同水泥品種的水化放熱曲線

經(jīng)硫鐵鋁酸鹽水泥重點實驗室科研團(tuán)隊數(shù)十年的研發(fā)，證明鐵鋁酸鹽水泥具有海水、鹽堿不腐蝕和負(fù)溫施工等性能優(yōu)勢，還有突出的節(jié)能低碳特點，開拓鐵鋁酸鹽水泥產(chǎn)業(yè)是建材工業(yè)發(fā)展新質(zhì)生產(chǎn)力的重要內(nèi)容。

2020年和2022年，何立峰副總理在擔(dān)任國家發(fā)改委主任時對鐵鋁酸鹽水泥產(chǎn)業(yè)工作兩次做出重要批示。國家發(fā)改委通過重大專項支持鐵鋁酸鹽水泥在華龍一號核電站示范應(yīng)用，目前項目已順利完成并取得了一系列重要成果。2023年，國家發(fā)改委辦公廳來函表示還將繼續(xù)支持鐵鋁酸鹽水泥在核電站等國家重大工程中的示范應(yīng)用等工作。

國家十分重視鐵鋁酸鹽水泥產(chǎn)品技術(shù)應(yīng)用。2023年鐵鋁酸鹽水泥作為重大技術(shù)裝備產(chǎn)品之一列入國家相關(guān)實施方案中，這也是建材行業(yè)唯一被列入的產(chǎn)品技術(shù)。技術(shù)單位是國務(wù)院國資委所屬中國建筑材料聯(lián)合會代管的事業(yè)單位——建筑材料工業(yè)技術(shù)監(jiān)督研究中心。

可以預(yù)見，鐵鋁酸鹽水泥在未來人類文明建設(shè)中將大有作為。

2024年7月5日

作者介紹

王燕謀，原國家建材局黨組書記、局長，留蘇副博士，鐵鋁酸鹽水泥第一發(fā)明人，硫鐵鋁酸鹽水泥重點實驗室首席專家。

齊冬有：建筑材料工業(yè)技術(shù)監(jiān)督研究中心副主任，硫鐵鋁酸鹽水泥重點實驗室主任。

劉立：建筑材料工業(yè)技術(shù)監(jiān)督研究中心副總工。

何昌毓、汪智勇、李長成：硫鐵鋁酸鹽水泥重點實驗室副主任。