編者按：本網(wǎng)全文刊出王燕謀、齊冬有撰寫(xiě)“開(kāi)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(fù)溫施工和應(yīng)用性能；3. 快硬高強(qiáng)性能的性能特點(diǎn)。鐵鋁酸鹽水泥的性能特點(diǎn)造就了其具有廣闊的市場(chǎng)前景。

雖有大好前景，但文章同時(shí)指出，為在工程上廣泛推廣，尚需做好應(yīng)用技術(shù)開(kāi)發(fā)工作。在國(guó)家發(fā)改委和中國(guó)建材聯(lián)合會(huì)的支持下，鐵鋁酸鹽水泥的首個(gè)國(guó)家重大工程應(yīng)用示范項(xiàng)目已經(jīng)實(shí)施，并已取得很好進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)制修訂計(jì)劃。主要起草單位有建筑材料工業(yè)技術(shù)情報(bào)研究所、中國(guó)建筑材料科學(xué)研究總院有限公司、宜城安達(dá)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(guó)家發(fā)改委產(chǎn)業(yè)司一級(jí)巡視員夏農(nóng)一行到中國(guó)建材聯(lián)合會(huì)調(diào)研列入國(guó)家專(zhuān)項(xiàng)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(guó)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(shí)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(jìn)展。下一步要總結(jié)工作經(jīng)驗(yàn)和成果，加快鐵鋁酸鹽水泥相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的研制，形成完善的產(chǎn)品、應(yīng)用工程標(biāo)準(zhǔn)體系，進(jìn)一步擴(kuò)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(kāi)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(dāng)今人類(lèi)社會(huì)物質(zhì)文明建設(shè)中不可或缺的原材料。近兩個(gè)世紀(jì)以來(lái)，建筑工程中普遍采用的是硅酸鹽水泥，俗稱(chēng)波特蘭水泥。

硅酸鹽水泥在應(yīng)用過(guò)程中所表現(xiàn)的和人們所關(guān)注的主要性能有：流動(dòng)性、凝結(jié)時(shí)間、強(qiáng)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(qiáng)度高而抗折強(qiáng)度低，配以鋼筋后大大改善了它的力學(xué)性能，使其可以應(yīng)用于各種建筑結(jié)構(gòu)工程；通過(guò)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(guò)調(diào)整熟料組成和添加外加劑，提高流動(dòng)度，用于油田油井建設(shè)。在長(zhǎng)期應(yīng)用中，采取各種措施，其性能不斷改進(jìn)，用途隨之?dāng)U大，硅酸鹽水泥成為當(dāng)今社會(huì)唯一被廣泛使用的建筑工程用水泥。

然而，在實(shí)踐中可以看到，硅酸鹽水泥在性能上尚存在當(dāng)前無(wú)法解決的明顯缺點(diǎn)。  

美國(guó)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(zhǎng)37公里。北向部分于1964年建成，耗資2億美元。1989年對(duì)其進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)橋墩混凝土有腐蝕問(wèn)題，當(dāng)時(shí)即實(shí)施修補(bǔ)。2000年再次檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象進(jìn)一步擴(kuò)大，決定對(duì)其全面維修。2007年動(dòng)工，2009年完工，歷時(shí)2年，耗資1250萬(wàn)美元。

日本運(yùn)輸省通過(guò)對(duì)103座水泥混凝土海港碼頭進(jìn)行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)凡服役超過(guò)20年的都有嚴(yán)重腐蝕現(xiàn)象，必須修補(bǔ)。日本國(guó)立土木研究所在一份調(diào)查報(bào)告中指出，1965建成的一座海上混凝土橋梁，使用16年后開(kāi)始產(chǎn)生維修費(fèi)用，35年后維修費(fèi)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(guó)佛羅里達(dá)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(shí)報(bào)》和《經(jīng)濟(jì)學(xué)人》援引權(quán)威科學(xué)機(jī)構(gòu)的初步調(diào)查顯示：氣候變化帶來(lái)海平面上升，引起海水倒灌，導(dǎo)致公寓建筑地基內(nèi)和周邊區(qū)域大量海水長(zhǎng)期滯留，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的水泥混凝土及內(nèi)部的加強(qiáng)鋼筋造成腐蝕破壞，是公寓倒塌的可能原因。  

我國(guó)交通部有關(guān)單位調(diào)查發(fā)現(xiàn)，中國(guó)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(yán)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(hù)層嚴(yán)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(guó)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(shù)脂涂層已開(kāi)始剝落；橋頭混凝土護(hù)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(dòng)處也已出現(xiàn)腐蝕損壞。當(dāng)前該橋就需投入資金，開(kāi)展繁重的維修工作。  

世界各國(guó)的使用實(shí)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(jià)。

20世紀(jì)60年代國(guó)際水泥化學(xué)界最熱門(mén)的研究對(duì)象是硫鋁酸鈣、氟鋁酸鈣C₁₁A₇·CaF₂和氯鋁酸鈣C₁₁A₇·CaCl₂等3個(gè)復(fù)合礦物，我國(guó)曾開(kāi)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(jì)70年代，中國(guó)水泥化學(xué)研究單位開(kāi)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(xué)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(wú)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(hù)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(huì)起粉。

可見(jiàn)，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(wú)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(diǎn)。  

通過(guò)科學(xué)試驗(yàn)和工程試用，發(fā)現(xiàn)鐵鋁酸鹽水泥具有的性能特點(diǎn)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(hù)的抗折強(qiáng)度R_液除以在淡水中養(yǎng)護(hù)的抗折強(qiáng)度R_水。n是指養(yǎng)護(hù)齡期。一般采用6個(gè)月12個(gè)月或24個(gè)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(shuō)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(shuō)明水泥體未被腐蝕，數(shù)值愈大，水泥體在腐蝕液中強(qiáng)度增長(zhǎng)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(gè)月后強(qiáng)度不降，抗硫酸鹽硅酸鹽水泥強(qiáng)度則會(huì)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(qiáng)度非但不降，反而增長(zhǎng)，浸泡24個(gè)月抗折強(qiáng)度增加了36%；海工硅酸水泥經(jīng)海水浸泡后，其抗折強(qiáng)度急劇下降，浸泡24個(gè)月后強(qiáng)度下降了52％。

水泥腐蝕的發(fā)生不僅有化學(xué)因素也有物理因素，物理因素主要是密實(shí)度，一般用抗?jié)B性能來(lái)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(shí)，其滲透高度僅5-6cm，而硅酸鹽水泥加壓到較低的1.5MPa時(shí)，其試體滲水高度就已達(dá)到12-14cm，加壓到2MPa已被打透，無(wú)抗?jié)B性。這些數(shù)據(jù)說(shuō)明鐵鋁酸鹽水泥水化體具有很高密實(shí)度，這是提高抗海水腐蝕性能的重要因素之一。

在科學(xué)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)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(mén)海堤；同時(shí)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(yàn)。2019年?yáng)|山島考察時(shí)看到，海堤經(jīng)歷36年海水日夜沖刷和無(wú)數(shù)次颶風(fēng)海浪襲擊，仍然完好無(wú)損，安全運(yùn)行，保護(hù)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(wú)侵蝕跡象，而用硅酸鹽水泥制作的蓋板己被含鹽份的海風(fēng)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(kāi)混凝土管壁后露出的鋼筋毫無(wú)銹蝕跡象，如圖3所示。

科學(xué)試驗(yàn)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(mén)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(yàn)的鐵鋁酸鹽水泥自應(yīng)力壓力管  

2.負(fù)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(jìn)行冬季施工，此外還存在凍融問(wèn)題。在調(diào)查海水腐蝕問(wèn)題時(shí)看到我國(guó)北方地區(qū)因凍融循環(huán)而使沿海建筑損壞更加嚴(yán)重。改善水泥負(fù)溫施工和負(fù)溫下的應(yīng)用性能是一個(gè)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(dāng)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(shí)；鐵鋁酸鹽水泥更快，在水化后的8-10小時(shí)。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(fù)溫施工的性能。  

研究抗?jié)B性能時(shí)得出，鐵鋁酸鹽水泥水化體具有很高的密實(shí)度。硫鋁酸鹽水泥與其屬同一類(lèi)水化體，都是以AFt水化物為主，因此也具有密實(shí)度優(yōu)勢(shì)，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(qiáng)度保留率仍高達(dá)97％，而硅酸鹽水泥凍融210次時(shí)強(qiáng)度僅保留59.9％，凍融270次時(shí)試體已經(jīng)全部破壞，無(wú)強(qiáng)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(fù)溫施工，還具有負(fù)溫條件下良好的應(yīng)用性能。  

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

圖5 1985年建造的中國(guó)南極長(zhǎng)城站  

圖6 1989年建設(shè)的中國(guó)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(yáng)市南湖高科技開(kāi)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(yùn)行，至今仍安全使用著。  

3.快硬高強(qiáng)性能  

提高水泥的快硬、高強(qiáng)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(shí)強(qiáng)度可達(dá)20.0MPa，占28天強(qiáng)度的33%；而硅酸鹽水泥相對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度僅為5.8MPa，占28天強(qiáng)度的10%；鐵鋁酸鹽水泥1天強(qiáng)度為36MPa,為28強(qiáng)度的60%，相應(yīng)的硅酸鹽水泥強(qiáng)度為19.2MPa,占28天強(qiáng)度的33％，顯然，鐵鋁酸鹽水泥具有快硬早強(qiáng)的性能。鐵鋁酸水泥還有高強(qiáng)的特性，高強(qiáng)鐵鋁酸鹽水泥的強(qiáng)度指標(biāo)，列于表8。  

從該表看出，鐵鋁酸鹽水泥抗壓強(qiáng)度1天可達(dá)65.0MPa，28天可達(dá)92.5MPa，既快硬又高強(qiáng)。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(jìn)度，采用鐵鋁酸鹽水泥在工廠預(yù)制橋面橫梁，在現(xiàn)場(chǎng)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(yù)制的橫梁。這些立交橋經(jīng)近30年日夜運(yùn)行，從未進(jìn)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(diǎn)，是硅酸鹽水泥性能的重要補(bǔ)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(diǎn)造就了其具有廣闊的市場(chǎng)前景。地球70％的面積是海洋。我國(guó)海洋面積約470萬(wàn)平方公里，海岸線長(zhǎng)約1.8萬(wàn)公里，開(kāi)發(fā)海洋己成為國(guó)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(guó)家在北極地區(qū)的開(kāi)發(fā)已爭(zhēng)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(kāi)發(fā)中，鐵鋁酸鹽水泥大有用武之地。在當(dāng)今數(shù)字化時(shí)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(chǎng)模塊式裝配的現(xiàn)代技術(shù)方向發(fā)展。在國(guó)家雙碳目標(biāo)的背景下，為取消工廠生產(chǎn)過(guò)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(qiáng)的鐵鋁酸鹽水泥。  

鐵鋁酸鹽水泥的科學(xué)試驗(yàn)取得有價(jià)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(kāi)發(fā)工作。根據(jù)水泥應(yīng)用的特點(diǎn)，一般都是通過(guò)試點(diǎn)工程進(jìn)行各項(xiàng)技術(shù)開(kāi)發(fā)。為開(kāi)發(fā)鐵鋁酸鹽水泥的應(yīng)用技術(shù)，試點(diǎn)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(diǎn)中要解決設(shè)計(jì)和施工中提出技術(shù)課題，如：混凝土可工作時(shí)間；混凝土溫度應(yīng)力問(wèn)題以及不同環(huán)境的施工方法等等。在破解各種技術(shù)問(wèn)題的基礎(chǔ)上要制定出設(shè)計(jì)和施工規(guī)范，以及水泥產(chǎn)品的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，為水泥生產(chǎn)和工程應(yīng)用提供法規(guī)依據(jù)。  

在國(guó)家發(fā)改委和中國(guó)建材聯(lián)合會(huì)的支持下，鐵鋁酸鹽水泥的首個(gè)國(guó)家重大工程應(yīng)用示范項(xiàng)目已經(jīng)實(shí)施，并已取得很好進(jìn)展。讓我們共同努力，為水泥品種的發(fā)展積極奮進(jìn)。  

原國(guó)家建材局黨組書(shū)記、局長(zhǎng)  王燕謀  

硫（鐵）鋁酸鹽水泥重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任  齊冬有  

2022年8月