早在20世纪初，人们就发现硅酸盐水泥水化体在海水和地下水中的腐蚀问题。一个多世纪以来，研究者针对海工混凝土腐蚀问题采取了许多技术改进措施。然而，海工水泥混凝土的耐久性问题依然存在，并已成为世界性难题。近期，国外媒体有关水泥混凝土腐蚀事故的报道屡见不鲜。

美国切萨皮克湾隧桥由桥梁和水下隧道组成（图1），全长37公里，穿过切萨皮克海湾，将德玛瓦半岛的弗吉尼亚东海岸连接到弗吉尼亚海滩与弗吉尼亚汉普顿锚地的大都会区，被称为“现代世界七大工程奇迹之一”。隧桥是钢筋混凝土结构，分北向和南向两部分，北向部分于1964年建成，耗资2亿美元，有2523个桥墩；南向部分于1999年建成，耗资2.5亿美元，有2951个桥墩。1989年对北向部分进行检测后发现其混凝土桥墩腐蚀严重。经评估，有623个桥墩应进行修补，须耗资1250万美元，历时两年（图2）。其他桥墩的腐蚀在进一步扩大中，若干年后有待继续维修。

图1 美国切萨皮克湾隧桥

图2 美国切萨皮克湾隧桥桥墩在修理中

巴西北部亚马逊地区的莫居河桥，全长860m，桥墩腐蚀严重，政府有关部门未能及时修缮。2019年4月一艘渡船将桥墩连同200 m桥面撞塌（图3），两辆小汽车落入水中，还影响了北部港口的农产品运输。

图3 巴西北部亚马逊地区莫居河桥桥墩和桥面被渡轮撞塌情况

在中国，交通部有关单位的调查发现：南部沿海18座使用7年到25年的码头中，有16座存在明显腐蚀，9座腐蚀严重；东南沿海22座使用8年到32年的码头中，有55.6%的码头，其混凝土保护层严重脱落；北方沿海14座使用2年到57年的码头中，几乎所有码头都有混凝土腐蚀现象。

当代世界各国普遍存在海工水泥混凝土腐蚀引起的耐久性问题。

为提高海工水泥混凝土耐久性，近代研究者开发出一系列技术措施。主要从两方面着手：一是增强钢筋抗氯离子锈蚀能力，如采用环氧涂层钢筋、不锈钢包层钢筋、掺钢筋腐蚀抑制剂和设置电阴极保护系统等等；二是提高水泥混凝土抗腐蚀能力。

世界各国的海工水泥混凝土都采用通用硅酸盐水泥。为提高其耐久性所用主要措施是——在水泥中掺高炉矿渣、粉煤灰和硅灰等火山灰质混合材；在混凝土制作时掺减水剂、引气剂等有机外加剂；在混凝土构件表面涂环氧树脂保护层等等。

在工业发达国家，混凝土工程界普遍认为海洋工程的腐蚀主要是海水中氯离子的渗透，导致钢筋生锈，使混凝土崩裂。基于这样的认识，都采用氯离子渗透系数DRCM控制混凝土抗腐蚀性能。

我国当前的重要海洋工程所用水泥混凝土防腐措施和监控参数，都与工业发达国家相同。

当今世界有三大类水泥品种。第一类是1824年英国人发明的硅酸盐水泥。该类水泥分通用硅酸盐水泥和特种硅酸盐水泥两大系列。特种硅酸盐水泥系列分油井水泥、包括中热和低热硅酸盐水泥在内的水工水泥、抗硫酸盐硅酸盐水泥、海工硅酸盐水泥等等。硅酸盐水泥是当前人类社会应用最广、最多的建筑胶结材料。第二类是1908年法国人发明的铝酸盐水泥，分CA-50、CA-60、CA-70和CA-80四个品种。由于高品位矾土资源稀缺、水泥售价昂贵，所以主要用作耐火材料，建筑业很少应用。第三类是20世纪80年代中国建筑材料科学研究院发明的硫（铁）铝酸盐水泥，此类水泥分普通硫铝酸盐水泥和铁铝酸盐水泥两个系列，后者又称高铁硫铝酸盐水泥。中国建筑材料科学研究院和建筑材料工业技术情报研究所在硫（铁）铝酸盐水泥的科研、生产和应用等方面，与有关单位密切协作，取得了很大成绩。为适应新时代的发展，该水泥仍然是一个待开发的品种。

在水泥工艺学教科书中，水泥的耐腐蚀性能用耐腐蚀系数Kn值表示。K值是在腐蚀液中养护的抗折强度R液除以在淡水中养护的抗折强度R水。n是指养护龄期，一般都采用6个月龄期，也有12个月和24个月的。K值表示式：

硫（铁）铝酸盐水泥具有优良的耐腐蚀性能，硫（铁）铝酸盐水泥在不同液体中的K值分别列于表1、表2和表3，在海水中的氯离子扩散系数DRCM值列于表4。

表1指明，普通硫铝酸盐水泥在各种腐蚀液中，与铝酸盐水泥和矿渣硅酸盐水泥相比，具有最好的耐腐蚀性能。表2则说明，铁铝酸盐水泥的耐腐蚀性能比普通硫铝酸盐水泥更好。表3进一步说明，铁铝酸盐水泥的耐海水腐蚀性能远比海工硅酸盐水泥优秀。铁铝酸盐水泥在三亚海水中浸泡12个月后，其强度非但不降，反而提高了27%，浸泡24个月后强度提高了36%。海工硅酸盐水泥在同样海水中浸泡12个月后强度下降了50%，浸泡24个月后下降了52%。从表4可看出，两种水泥的氯离子渗透系数都比较低。但是，铁铝酸盐水泥经海水浸泡12个月后，其氯离子渗透系数与淡水中浸泡的相比增长很小，而海工硅酸盐水泥在海水中浸泡同样时间后的氯离子渗透系数则有较大增长。

图4 福建东山岛南门海堤

铁铝酸盐水泥耐海水腐蚀性能在实际应用中得到了验证。1983年用铁铝酸盐水泥成功砌筑了福建东山岛南门海堤（图4）。2018年5月实地考察中看到，海堤经35年的海水日夜浸泡和冲刷后，仍然完好无损，水泥浆体表面光滑圆润，看不出被腐蚀迹象。1996年，用铁铝酸盐水泥建设的江苏连云港大沙湾游乐园防浪堤，经20多年的海水浸泡和冲刷，其水泥混凝土表面保持如初，连养护用编织袋的印痕仍保留着（图5）。为铺设过海引水管，福建南平市水泥制管厂试制了一批自应力铁铝酸盐水泥压力管。1983年工厂在东山县西埔湾围垦工程外海滩将这批压力管进行海水浸泡和干湿循环试验，同时用自应力硅酸盐水泥压力管作对比。1985年考察时，自应力铁铝酸盐水泥压力管的承插口棱角分明，表面光亮，没有任何腐蚀迹象，而自应力硅酸盐水泥压力管承插口和其管面都已被腐蚀露沙。1995年考察时，自应力铁铝酸盐水泥压力管外观依旧，完好如初，砸开混凝土管壁后看到钢筋光滑，没有锈蚀迹象，自应力硅酸盐水泥压力管的钢筋已被严重锈蚀。

图5 江苏连云港大沙湾游乐园防浪堤

铁铝酸盐水泥优良的耐海水腐蚀性能的基本原因是其具有独特的水化产物组成，如表5所示。 

表5说明铁铝酸盐水泥水化产物与硅酸盐水泥相比有大区别。硅酸盐水泥水化产物主要是高碱度水化硅酸钙、氢氧化钙和水化铝酸钙，而铁铝酸盐水泥的水化产物主要是水化硫铝酸钙（AFt）。此外还有在硅酸盐水泥水化物中所缺的铝胶和铁胶。铝胶和氢氧化钙遇到海水中的硫酸盐后便化合成二次生成物水化硫铝酸钙（AFt）。该生成物对铁铝酸盐水泥水化体结构起密实作用，非但不会引起破坏，反而促使水化体强度增长。水泥化学界早已得出，铁胶的存在对提高水泥水化体的耐腐蚀性能具有正面作用。

表5还可看到，铁铝酸盐水泥水化产物与普通硫铝酸盐水泥相比也有一定差别。后者水化液相碱度较低（PH值为11.5），所以形成低碱度水化硅酸钙，而且水化物中不存在氢氧化钙。这些水化特征造成水泥制品表面起粉和制品内部钢筋有早期锈斑。铁铝酸盐水泥水化液相碱度较高（PH达12.5），形成高碱度水化硅酸钙，还析出氢氧化钙。因此铁铝酸盐水泥不存在表面起粉和钢筋锈蚀问题。

从理论和实践两方面都阐明，铁铝酸盐水泥在各种水泥品种中具有最优良的耐久性，应当是海洋工程所用胶结材料的最佳选择。

中国是当今世界生产铁铝酸盐水泥的唯一国家，已连续生产和应用近40年，可大批量供应市场。在一般情况下，铁铝酸盐水泥售价比同等级硅酸盐水泥贵30%，但这可用节省的修缮费得以补偿。

当前，铁铝酸盐水泥可在构件截面积较小的海洋混凝土工程中推广，如砌筑防波堤和制作扭工字块，以及其他构件等等。在大体积混凝土工程中推广，尚须做试点工作。围绕试点工程开展系列混凝土试验，取得设计参数和确定相应的施工方法。在过去的推广过程中，工程界提出两个问题，一是可工作时间；二是由于集中释放水化热而引起的破坏性温度应力。

可工作时间一般可采用掺硼酸等外加剂的办法进行大幅度调整，以满足施工要求，该措施已在一些大型工程中获得验证。解决温度应力问题可采取大体积混凝土施工中常用的设置冷却水管的办法。我国近期一些大型海洋混凝土工程中都采用该措施，取得了预期效果。掺外加剂和设置冷却水管的具体参数和实施方法，都应根据当时当地的施工条件通过实验而确定。

提高海工水泥混凝土耐久性，是一个具有很大社会经济效益的创新项目，但同时也是一个极具挑战性的项目，需要组织科研、生产、工程设计和工程施工等多部门多行业合作，共同攻克这个世界性难题。该项目的实施不仅由市场机制驱动，更需相关政府部门的支持。