海洋工程高抗蝕水泥基材料關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)紀(jì)實(shí)

  “建設(shè)海洋強(qiáng)國”是我國重大戰(zhàn)略之一，未來中國將從海洋資源開發(fā)、海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展、海洋科技創(chuàng)新、海洋生態(tài)文明建設(shè)、海洋權(quán)益維護(hù)等方面推動(dòng)海洋強(qiáng)國的建成。而海洋的復(fù)雜環(huán)境給工程建筑材料帶來巨大挑戰(zhàn)。2016年7月，由中國建筑材料科學(xué)研究總院（簡稱中國建材總院）牽頭項(xiàng)目“海洋工程高抗蝕水泥基材料關(guān)鍵技術(shù)”脫穎而出，獲得立項(xiàng)和經(jīng)費(fèi)支持。該項(xiàng)目以解決海洋因素作用下水化產(chǎn)物穩(wěn)定性和微結(jié)構(gòu)劣變機(jī)制等科學(xué)問題為研究目標(biāo)，建立“高抗蝕、低收縮、早強(qiáng)快硬”的海工水泥基材料新體系、相應(yīng)評(píng)價(jià)方法、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和生產(chǎn)示范，使我國海洋工程水泥基材料整體達(dá)到國際先進(jìn)水平。

  海洋工程建設(shè)的迫切需求

  水泥基材料是海洋工程基礎(chǔ)建設(shè)不可或缺的重要原材料，然而傳統(tǒng)水泥基材料由于長期處于嚴(yán)苛海洋環(huán)境中受海浪沖刷、化學(xué)侵蝕、干濕循環(huán)及微生物腐蝕等因素的影響，極易導(dǎo)致工程結(jié)構(gòu)的過早劣化破壞，給國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和國防安全造成不可估量的損失。與此同時(shí)，由于專用水泥基材料的缺乏，國內(nèi)在海洋工程快速施工、結(jié)構(gòu)修補(bǔ)等方面的能力也明顯不足。這些狀況均嚴(yán)重制約了我國海洋戰(zhàn)略的實(shí)施。

  針對(duì)上述發(fā)展現(xiàn)狀和問題，“海洋工程高抗蝕水泥基材料關(guān)鍵技術(shù)”項(xiàng)目根據(jù)復(fù)雜海洋環(huán)境對(duì)水泥基材料的性能要求，研究開發(fā)適用于不同海域、不同海洋環(huán)境（凍融、高溫、干濕等）、不同結(jié)構(gòu)部位（水下區(qū)、浪濺區(qū)等）和適用于特殊施工（水下、快速施工、修補(bǔ)等）要求的高抗蝕水泥基材料。例如適用于不同海域、不同工程普通結(jié)構(gòu)用的高抗蝕硅酸鹽水泥，適用于嚴(yán)酷條件（如浪濺區(qū)）下結(jié)構(gòu)預(yù)制件用早強(qiáng)快硬、高抗沖磨要求的高抗蝕硅酸鹽水泥新體系，適用于水下結(jié)構(gòu)高耐久性設(shè)計(jì)的高抗蝕鋁酸鹽水泥和用于快速施工、修補(bǔ)和防護(hù)的硫鋁酸鹽水泥等新一代海洋工程用水泥基材料。結(jié)合產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)、工程應(yīng)用示范及相關(guān)材料性能評(píng)價(jià)體系的建立，將形成具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、“高抗蝕、低收縮、早強(qiáng)快硬”的高抗蝕水泥基材料關(guān)鍵技術(shù)和完備的海洋工程高抗蝕水泥基膠凝材料體系，大幅提升海洋環(huán)境下水泥基材料使用壽命，使我國海洋工程材料整體達(dá)到國際先進(jìn)水平。

  產(chǎn)學(xué)研用聯(lián)合攻關(guān)

  中國建材總院攜手武漢理工大學(xué)、華南理工大學(xué)、濟(jì)南大學(xué)、清華大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)、浙江大學(xué)、重慶大學(xué)等11所知名院校，以及中國建材集團(tuán)中聯(lián)水泥有限公司、華潤水泥投資有限公司、中冶建筑研究總院有限公司、海軍工程設(shè)計(jì)研究院、中交四航工程研究院、中交上海三航科學(xué)研究院有限公司等12家科研單位、生產(chǎn)企業(yè)、工程設(shè)計(jì)和應(yīng)用單位，組成了產(chǎn)學(xué)研用一體化的聯(lián)合攻關(guān)團(tuán)隊(duì)開展項(xiàng)目研究。

  團(tuán)隊(duì)從基礎(chǔ)理論、制備與應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)開展系統(tǒng)研究，基礎(chǔ)理論研究主要包括：復(fù)雜海洋環(huán)境下水化產(chǎn)物的穩(wěn)定性及結(jié)構(gòu)劣化機(jī)制，以指導(dǎo)高抗蝕水泥基材料的組成設(shè)計(jì)；基于抗蝕性和特種功能化設(shè)計(jì)研究熟料礦物相的作用、協(xié)同機(jī)制及離子摻雜效應(yīng)，以及相關(guān)熟料新體系的燒成反應(yīng)熱動(dòng)力學(xué)；硫鋁酸鹽熟料相組成對(duì)漿體堿度及凝結(jié)的影響，重點(diǎn)解決海洋工程應(yīng)用中高抗侵蝕硫鋁酸鹽水泥基材料的施工性能及鋼筋銹蝕問題；研究水化鋁酸鹽晶型轉(zhuǎn)變機(jī)理，以解決鋁酸鹽水泥在結(jié)構(gòu)工程應(yīng)用中存在的水泥產(chǎn)物穩(wěn)定性問題。需要研究的關(guān)鍵技術(shù)包括：熟料礦物結(jié)構(gòu)調(diào)控技術(shù)；高鐵低鈣熟料的燒成動(dòng)力學(xué)及復(fù)合熟料體系的抗侵蝕性能優(yōu)化；基于組成、活性、顆粒級(jí)配等多層次匹配，高抗蝕低收縮水泥基材料的設(shè)計(jì)及制備技術(shù)；水化鋁酸鹽晶型轉(zhuǎn)化抑制方法及鋁酸鹽水泥的水下應(yīng)用技術(shù)；快速施工、修補(bǔ)/防護(hù)用硫鋁酸鹽熟料設(shè)計(jì)、穩(wěn)定燒成、性能調(diào)控和應(yīng)用技術(shù)等。

  廣闊的市場前景和經(jīng)濟(jì)效益

  我國海洋遼闊，隨著沿海經(jīng)濟(jì)發(fā)展和海洋資源的開發(fā)，跨海大橋、港口碼頭、島礁建設(shè)、海底隧道、海上石油鉆井平臺(tái)等工程越來越多。據(jù)有關(guān)部門規(guī)劃，近期重點(diǎn)工程中水路建設(shè)的港口碼頭有50余個(gè)，跨海大橋10余座。目前傳統(tǒng)水泥基材料的耐久性還難以滿足我國海洋工程開發(fā)的需求，如跨海大橋要求設(shè)計(jì)使用年限要達(dá)到100年甚至120年，而住建部的一項(xiàng)調(diào)查表明：嚴(yán)酷環(huán)境下的建筑物使用壽命僅為15~20年。嚴(yán)酷海洋環(huán)境下破壞的工程結(jié)構(gòu)，進(jìn)行維修或重建時(shí)受到自然條件制約很大，不僅耗費(fèi)大量資金，其他方面的代價(jià)也十分高昂。

  項(xiàng)目配合國家海洋戰(zhàn)略實(shí)施，為海洋工程建設(shè)提供高耐蝕水泥基材料及應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)，提高建筑結(jié)構(gòu)耐久性，為海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供厚實(shí)保障。在各類海洋工程中如果使用該項(xiàng)目研究開發(fā)的系列高抗蝕水泥基材料，預(yù)計(jì)可以使海洋工程全壽命周期維護(hù)成本降低20%，服役年限提高30年以上。據(jù)調(diào)查，我國海洋工程每年因腐蝕造成的損失高達(dá)1000億元以上，如果按工程設(shè)計(jì)使用年限要達(dá)到100年計(jì)算，若10%新建工程采用該項(xiàng)目研制的高抗蝕水泥基材料，預(yù)計(jì)每年可節(jié)約300億元以上，經(jīng)濟(jì)效益顯著。