作者:王超 来源:中国科学报 发布时间:2016/8/2 9:29:45
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海工强国 重任在肩

▲扫描电镜下的专用矿物掺合料的水化产物体系

▲“用海水海砂等离岸地材制备素混凝土技术”制备的扭王字块

■本报记者 王超

它是陆与海的交界,蜿蜒缠绵,伸向遥远的地平线。

它是岛屿拥抱大洋的见证,浪花拍岸,呵护着脚下的银滩。

它就是海岸线,1.8万千米的大陆海岸线与1.4万千米的岛屿海岸线,共同构筑了我国沿海、岛屿3.2万千米曲折蜿蜒的基线。建设好、利用好如此磅礴的海岸线资源,对于堤防安全、沿海经济和国防建设来说都不无裨益。

一场围绕海岸线建设的会战就此打响。对于中国建材科研工作者来说,如何占领国际建材领域制高点,掌握海洋工程建设(以下简称海工建设)所需的建材核心技术,提供既满足功能需求又成本低廉的优质混凝土,成了摆在他们面前的重大命题。

海工建设的迫切需求

海洋工程建设的环境复杂,目前我国海工建设所用的水泥基材料大多是淡水河砂混凝土,所用水泥也是普通硅酸盐水泥,这些现有的水泥基材料并不能满足就地取材的经济性,对近乎枯竭的河砂资源形成了挑战,存在诸多问题。

2014年,国家发改委、财政部、工信部、科技部联合制定了《关键材料升级换代工程实施方案》,支持南海岛礁建设用海水拌养型混凝土产业化,珊瑚礁、砂集料、海水拌养混凝土就地取材利用率大于75%,方向明确。

“特别是在我国南海进行的远海岛礁、沿海国防及港工混凝土工程的建设,‘就地取材’远比从内陆运料经济得多,研究‘用海水和离岸地材为集料制备素混凝土’等海工水泥建材关键技术和工程应用,对我国国防事业、地区经济发展意义重大。”中国建筑材料科学研究总院(以下简称中国建材总院)院长姚燕说。

所谓素混凝土,是指由无筋或不配置受力钢筋的混凝土制成的结构,它是海工建设中一种常见的水泥基材料。海水、海砂等地材并不是像淡水、河砂一样拿来就能用的,它们含有的大量盐分会对混凝土的新拌性能和耐久性能造成一系列影响。对于素混凝土而言,如果按原来的方法直接用海水拌养混凝土,将存在新拌性能差、不能满足施工要求、部分耐久性能差等问题。

“对于离岸岛礁、远海和无替代砂源地区,迫切需要攻克海水、海砂应用存在的技术问题,研发海水海砂素混凝土制备技术。”中国建材总院水泥科学与新型建筑材料研究院教授王玲说。

破解“就地取材”的科学难题

海水与淡水、海砂与河砂、珊瑚礁石与碎石在组成、形貌、级配等方面存在的差异,严重影响了混凝土微结构、工作性、强度和耐久性能。一是海水拌养混凝土时,混凝土坍落度损失快、工作性差,须解决凝结时间短、坍落度损失过快的问题;二是海水海砂拌养素混凝土时,须解决混凝土的抗硫酸盐侵蚀、抗碱骨料反应等耐久性问题;三是珊瑚礁石(贝壳)直接使用影响混凝土的工作性能、界面强度和力学性能,须解决表面附着物和界面结合能力差的问题。

“我们制定了详细的工作内容和研究方案,对混凝土的强度等级,初始坍落度、凝结时间等工作性能,抗氯离子渗透、无碱骨料反应破坏等耐久性方面的指标制定了明确的技术开发目标,解决了直接利用海水海砂制备素混凝土的技术难题,使海水海砂混凝土的性能达到并部分超越现有淡水河砂混凝土的性能。”姚燕说。

通过理论技术攻关和一系列的对比试验,中国建材总院相继解决了混凝土快凝无法施工、过细海砂吸附外加剂影响流动性、贝壳和珊瑚礁石表面生物残留物影响强度、混凝土耐久性差及寿命短等难题,从而解决了用海水和离岸地材为集料制备素混凝土的科学难题。

在专用化学外加剂的开发方面,中国建材总院的科研人员通过调控混凝土凝结时间和早期强度发展,解决了海水海砂拌养带来的坍落度降低、坍落度损失快等问题,制备出性能不低于使用淡水河砂的混凝土,并实现工业化生产中10小时脱模的要求;在专用矿物掺合料的开发方面,他们应用多元胶凝材料体系设计的思想,与水泥共同构建一个致密、耐腐蚀的胶凝材料体系,降低水化热,降低水泥用量,增加混凝土耐久性和长期强度;在珊瑚礁石骨料的改性方面,他们运用界面改性的设计思想,通过酸浸泡去除贝壳或珊瑚礁石表面的生物残留物进行了表面改性初步试验,力争解决贝壳或珊瑚礁石难以作为粗、细骨料直接利用的难题,为充分利用地材提供了技术支撑。

“该技术解决了海洋开发,尤其是南海岛礁建设过程中无淡水、无集料可用的难题。通过就地取材,利用原本‘不符合要求’的海水、海砂制备出满足要求的高性能混凝土,从而为我国的海洋开发和国防建设提供有力的技术保障。”姚燕说。

国际建材科技的下一座高峰

早在1988年,中国建材总院就开展了海洋环境下机场跑道、海岛、护岸工程用混凝土的研究。国家“九五”到“十二五”期间,中国建材总院又在多个国家“973”“863”科技支撑项目支持下,对高性能混凝土开展了深入研究,并承担了“高性能水泥制备和应用的基础研究”“水泥低能耗制备与高效应用的基础研究”“高性能水泥绿色制造工艺和装备”“重大工程水泥与混凝土关键技术研究和应用”“新型功能材料在岛礁工程中的应用研究”“多因素耦合作用下氯离子在水泥基材料中传输行为”等一系列水泥建材科研项目,并取得多项科技成果。

“同样是由于海水海砂中的氯盐,目前现有技术只允许应用于不使用钢筋的素混凝土中,用于钢筋混凝土结构的相关技术正在加紧研发中。”王玲坦言。

在侵蚀性离子、温差、海浪冲磨、干湿循环等复杂环境下,现有的水泥基材料容易出现锈蚀、溶蚀、膨胀、开裂、剥落等抗蚀性差、耐久性不足的问题,进而导致诸如港口工程中构件开裂、桥梁工程中桥墩破坏等。而直接使用海砂、珊瑚礁石、贝壳等离岸地材制备钢筋混凝土,海水、海砂中的氯离子会造成钢筋腐蚀,因此海水、海砂目前并不适合用于拌制钢筋混凝土。

从国内海洋工程用水泥基材料的相关研究来看,目前的研究尚不能满足海洋工程高抗蚀、高耐久、长寿命要求,海洋工程专用特种水泥研究也较少。纵观国际,虽然法国、英国等已经掌握了“水泥基材料的抗海水腐蚀及劣化机理”,也开发出了以高辅助胶凝材料掺量、抗化学腐蚀为特征的海工水泥,但仍存在着高辅助胶凝材料掺量会导致早期强度偏低、凝结慢等问题,且对海洋工程专用特种水泥的研究仍为空白。

“这暴露了水泥基材料在海洋环境中的劣化等基础研究不深入、不系统,满足各类海洋工程高抗蚀要求的水泥基材料体系尚未建立的共性问题。”姚燕说。

因此,深入系统研究海洋因素下水化产物稳定性及微结构劣化规律等理论问题,重点关注不同海洋工程用水泥基胶凝材料性能调控与制备等关键技术,开发高抗蚀水泥基材料在不同海洋工程中的应用技术,以实现海洋工程的高抗蚀、长寿命,成为了国内外研究海洋工程用水泥基材料共同努力的方向。

“‘十三五’期间,中国建材总院将牵头国家重大科技专项,以解决海洋因素作用下水化产物稳定性和微结构劣变机制等科学问题为研究目标,建立‘高抗蚀、低收缩、早强快硬’的海工水泥基材料新体系、相应评价方法、标准规范和生产示范,使我国海洋工程水泥基材料整体达到国际先进水平,向国际海工建材科技的下一座高峰发起冲击。”姚燕说。

《中国科学报》 (2016-08-02 第5版 技术经济周刊)
 
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