海洋工程用水泥混凝土材料應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展對(duì)策

管娟，王坤芳

（1.丹陽市建設(shè)工程質(zhì)量檢測中心，江蘇 鎮(zhèn)江 212333；2.江蘇省建工建材質(zhì)量檢測中心有限公司，江蘇 南京 210009）

0 引言

海工混凝土是指應(yīng)用于海洋工程建設(shè)的一種具有高性能、高工作性、高耐久性的特種水泥混凝土材料，主要用于構(gòu)建海洋工程中的各種建筑物。海洋工程中的混凝土建筑物按照所處位置分類，可劃分為離岸和近岸兩大類。 海工近岸混凝土建筑物主要包括港口、跨海橋梁、沿?？坎椿蛳挡丛O(shè)施、防波堤或擋潮閘、干船塢及碼頭、集裝箱碼頭、海底隧道等；離岸建筑物主要包括海上人工島嶼、海上浮動(dòng)功能平臺(tái)、海上鉆井平臺(tái)、海上石油及天然氣儲(chǔ)運(yùn)平臺(tái)、 海上風(fēng)電基礎(chǔ)、 移動(dòng)海上基地（MOB）等[1]。

水泥混凝土、 木材、 鋼材是三大傳統(tǒng)建筑材料，其中水泥混凝土是中國乃至全球使用最廣泛、產(chǎn)量最大的材料，也是目前海工建筑物中使用最多的， 對(duì)全球海洋經(jīng)濟(jì)和海洋產(chǎn)業(yè)的發(fā)展影響重大。水泥混凝土在海洋環(huán)境應(yīng)用中展示出優(yōu)異的抗海水腐蝕能力，并應(yīng)用于眾多的海工建筑物中，如碼頭、橋梁、海底隧道、防浪堤、海上鉆采平臺(tái)等。國外專家預(yù)測，21世紀(jì)將是水泥混凝土在海洋工程中大規(guī)模應(yīng)用的世紀(jì)。 另一方面，從水泥混凝土開始被應(yīng)用到海洋工程中， 混凝土在海洋環(huán)境中的耐久性就是一個(gè)不可避免的問題。 處于海洋環(huán)境下的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)， 其耐久性問題的主要因素包括氯離子滲透、碳化、鹽類侵蝕、凍融破壞等。 因此，混凝土在海洋環(huán)境中的抗腐蝕也是亟待解決的問題[2]。

1 混凝土材料在海洋工程領(lǐng)域的研發(fā)與應(yīng)用現(xiàn)狀

海洋工程用水泥混凝土是發(fā)展海洋產(chǎn)業(yè)的重要基礎(chǔ)支撐，世界發(fā)達(dá)國家已有多年的研究和工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。 其中，領(lǐng)先的國家有日本、韓國、美國和加拿大及部分歐洲國家（挪威、荷蘭、瑞典、英國、丹麥及德國等），其中以地處北歐的挪威最為典型；全球代表性研究應(yīng)用機(jī)構(gòu)包括： 挪威科技大學(xué)（NTNU）、挪威工業(yè)科學(xué)研究院（SINTEF）、荷蘭代爾夫特理工大學(xué) （TUDELFT）、 加拿大國家研究院（NRC）等。 按照所處位置的分類，海洋工程中的混凝土建筑物可劃分為離岸和近岸兩大類。

1.1 海上離岸混凝土平臺(tái)

海上油氣鉆采儲(chǔ)平臺(tái)等離岸構(gòu)建物被海洋油氣業(yè)界稱為“流動(dòng)的國土”。1972年之前，全球所有的海上采油平臺(tái)都是以鋼鐵為主要材料， 而中國目前約200多座海上油氣鉆采及儲(chǔ)運(yùn)平臺(tái)都是鋼平臺(tái)[3]。

離岸混凝土平臺(tái)主要用于海上原油或天然氣的鉆探、抽取或儲(chǔ)存單元(FSO、LNG TANK、FPSO)或移動(dòng)海上基地（MOB）等功能平臺(tái)。 離岸混凝土平臺(tái)分為浮動(dòng)式和固定式 （附著在海底， 含人工島）。浮動(dòng)式混凝土平臺(tái)單元作為生產(chǎn)裝置、儲(chǔ)油和卸油裝置（FSO、FPSO）或原油、液化天然氣（LNG Tank）終端。 而固定式大多為混凝土重力基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)（CGS，也被稱為沉箱類型），負(fù)載直接承受在最上面的土層。 沉箱在施工期間和牽引中提供浮力，也可作為在運(yùn)營階段的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，并作為油或其他液體的中轉(zhuǎn)存儲(chǔ)單元；因無需額外儲(chǔ)油設(shè)施（對(duì)鋼材平臺(tái)而言，需要額外的儲(chǔ)油船配合使用，增加額外運(yùn)營成本）。 此外，沉箱自重大，不用油水置換就可獲得較大的儲(chǔ)油空間，提高了平臺(tái)面積使用率。 用標(biāo)準(zhǔn)化、系列化方法制造的混凝土沉箱通過拼并建設(shè)大型邊鉆邊采平臺(tái)和構(gòu)筑人工島具有可重復(fù)使用功能。 即使在混凝土平臺(tái)服役期結(jié)束后，也可作為存放、?？康闹挝?，不至由于銹蝕而污染環(huán)境、犧牲海灘。 這種離岸混凝土結(jié)構(gòu)適用于軟土地區(qū)，尤其在水深大于150 m的海域更顯示其經(jīng)濟(jì)性。 另外，由于其大底座尺寸、自重大、重心低、抗海浪沖擊及冰凍擠壓能力強(qiáng)，大多數(shù)重力式混凝土平臺(tái)不需要額外的固定設(shè)施。

1.2 超級(jí)大跨度混凝土懸臂橋

對(duì)于跨度在120～200 m的橋梁，預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋梁比鋼結(jié)構(gòu)橋梁更經(jīng)濟(jì)。 挪威在1973～1983年建設(shè)了16座跨度為150 m左右的預(yù)應(yīng)力混凝土梁跨海橋梁；1987年， 跨度為230 m的Norddalsfjorden大橋采用預(yù)應(yīng)力混凝土梁建成。 其后，隨著高強(qiáng)輕質(zhì)混凝土技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，更大跨度的預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋梁得以建設(shè)。 1990年， 跨度為390 m的Helgeland大橋（連接挪威和Alsta島）建成，采用高強(qiáng)輕質(zhì)混凝土技術(shù)制備預(yù)應(yīng)力混凝土梁[4]。

1.3 海底隧道

海底隧道雖坐落于海底土壤中，但是同樣被海水所包圍，加上其內(nèi)部的熱量、氧氣、潮濕及交通工具所造成的震動(dòng)和沖擊，其所受的腐蝕及因此造成泄漏的幾率較大。 日本的Kanmon 隧道（連接本州和九州）、Hong Kong隧道、迪拜Al-Shidagha隧道及Suez隧道等都曾被報(bào)道有嚴(yán)重泄漏發(fā)生。

1988年建成的世界最長海底隧道-日本Seikan鐵路隧道，全長54 km，海底深度100 m（圖1）。 英法國之間的英吉利海峽隧道建成于1992年， 全長50 km，是20世紀(jì)私人融資建設(shè)的最大的基礎(chǔ)設(shè)施。 1987年，挪威在西海岸Aalesund建設(shè)了兩條4 km長的公路隧道，最深處位于海平面下約140 m[5]。

1.4 風(fēng)暴潮屏障和防波堤

風(fēng)暴潮屏障和防波堤常用于防止高海浪對(duì)重要海岸設(shè)施或離岸設(shè)施沖擊。如挪威的東斯海爾德風(fēng)暴潮屏障（Oosterscheldekering），位于Schouwen-Duiveland 和Noord-Beveland之間，長度3 km，是世界最大的13個(gè)Delta系列水壩和風(fēng)暴潮屏障之一，保護(hù)當(dāng)?shù)孛馐鼙焙：樗┡啊?建設(shè)于1973年的Ekofisk油田，是世界第一個(gè)混凝土平臺(tái)，位于挪威北海水深70 m、距離挪威海岸170 km位置。 同期在其平臺(tái)四周建設(shè)了混凝土防浪堤以保護(hù)其免受百年一遇的海浪沖擊，可承壓為60 t/m2，混凝土抗壓強(qiáng)度為60～70 MPa。 隨著該地區(qū)石油和天然氣的持續(xù)開采， 海床沉降超出預(yù)期， Ekofisk混凝土平臺(tái)被整體抬高，1989年在其周圍安裝了高度108 m、直徑140 m的混凝土環(huán)狀防浪堤（混凝土在Rotterdam的干船塢中預(yù)制）[6]。

2 國外對(duì)海工用水泥混凝土材料的相關(guān)技術(shù)要求

2.1 海工用水泥混凝土的特點(diǎn)

對(duì)于用于海洋工程領(lǐng)域尤其是海工混凝土平臺(tái)建造的混凝土，有三個(gè)基本要求：①強(qiáng)度要求；②耐久性要求；③施工中的可構(gòu)造性要求。 其具體要求見表1[7]。

2.2 海工混凝土專用水泥

1978年之前，挪威建造的近?；炷敛捎推脚_(tái)都是采用SP30型普通波特蘭水泥來拌合混凝土，后來，隨著平臺(tái)設(shè)計(jì)工藝的發(fā)展和對(duì)混凝土強(qiáng)度的要求，開始采用一種特定的SP30-4A型水泥，這種水泥的優(yōu)點(diǎn)是后期強(qiáng)度高和水化熱低，但是存在凝固時(shí)間長和早期強(qiáng)度低的缺點(diǎn)，而這在滑模法施工中是致命的[8]。 為了縮短凝固時(shí)間、提高早期強(qiáng)度，1981年又生產(chǎn)了SP30-4A MOD型水泥， 它是在SP30-4A型水泥的基礎(chǔ)上把水泥顆粒進(jìn)一步磨細(xì)得到的。 這三種類型水泥的技術(shù)特性數(shù)據(jù)見表2。

表2 挪威用于制備海工平臺(tái)的三種專用水泥的基本性質(zhì)

2.3 海工混凝土用硅灰

挪威在海工混凝土采油平臺(tái)中使用的硅灰，是硅鐵金屬冶煉過程中的副產(chǎn)物，挪威盛產(chǎn)硅、鐵等硅金屬，其硅灰產(chǎn)量很大，品質(zhì)優(yōu)良，其中至少含90%的SiO2，細(xì)度約為20～25 m2/g。 硅灰的作用是提高混凝土的抗壓強(qiáng)度，改善混凝土的致密性，從而有效提高混凝土的最終強(qiáng)度。對(duì)于輕質(zhì)骨料混凝土而言，只需要摻入所用水泥重量5%～10%的硅灰就可以得到70～100 MPa的28 d抗壓強(qiáng)度。而對(duì)于普通等級(jí)的近?；炷敛捎推脚_(tái)，要得到55～65 MPa的混凝土強(qiáng)度并不需要太借助于硅灰。 此外，摻入少量的硅灰（水泥重量的1%～3%）就能使混凝土拌合物具有較好的泵送性[9]。 需要注意的是，摻入過多的硅灰會(huì)降低混凝土的粘性及和易性。

2.4 海工混凝土用骨料

骨料一般采用由冰川或河流作用形成的砂石骨料。 巖石勘探表明，骨料中主要的礦物成分是鉀長石和石英，如果要得到強(qiáng)度為70 MPa的混凝土，一定要控制好骨料的用量。骨料的分級(jí)是通過一種水力裝置得到的， 砂子被懸浮起來后通過沉淀裝置，被分成8種粒徑，組合這8種粒徑就可以得到預(yù)期的顆粒級(jí)配。 砂子的細(xì)度模數(shù)是2.064，粗骨料的細(xì)度模數(shù)是6.52[10]。 此外，高強(qiáng)輕質(zhì)集料一般為人造集料，其制備和生產(chǎn)技術(shù)對(duì)于高強(qiáng)輕質(zhì)混凝土的制備及性能尤為重要。

2.5 海工混凝土用化學(xué)外加劑

建造海工混凝土平臺(tái)用的混凝土中普遍使用化學(xué)外加劑, 挪威95%的預(yù)拌混凝土中添加了增塑劑，平均用量約為2 L/m3。 通常建造平臺(tái)使用的混凝土拌和物中, 骨料用量71.2% , 水含量16.0%, 水泥含量12.2% , 外加劑0.6% (皆指體積百分比)。 雖然外加劑只占拌和物總體積的0.6% , 對(duì)混凝土性能卻起非常重要的作用, 使用不當(dāng)( 過量或不足)就可能導(dǎo)致嚴(yán)重的后果; 這些外加劑的價(jià)值約占混凝土材料總價(jià)值的8%～10%[11]。在國外，海洋混凝土平臺(tái)制造中常用的是木質(zhì)素磺酸鹽增塑劑、萘系磺酸鹽增塑劑和密胺增塑劑等幾種，其中以萘系磺酸鹽增塑劑應(yīng)用最多。

2.6 超高性能混凝土技術(shù)在海洋工程中的應(yīng)用

超高性能混凝土具有強(qiáng)度高、負(fù)荷能力大、資源和能源消耗少、耐久性好等優(yōu)點(diǎn)，能滿足海洋工程應(yīng)用中對(duì)混凝土輕量化、大型化、大跨化、重載化以及耐久化等諸多方面的要求，是海工混凝土科學(xué)與技術(shù)發(fā)展的主要方向。 代表性技術(shù)如密實(shí)配筋復(fù)合材料（CRC)、活性粉末混凝土（RPC）、特殊工業(yè)混凝土（BSI）及高強(qiáng)輕質(zhì)混凝土技術(shù)等，其中以高強(qiáng)度輕質(zhì)混凝土技術(shù)最為典型（圖1），也是目前發(fā)達(dá)國家在海洋工程應(yīng)用中的主流技術(shù)[11]。

圖1 高強(qiáng)度輕質(zhì)混凝土組成示意圖

3 國外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)規(guī)范及認(rèn)證機(jī)構(gòu)

世界先進(jìn)海洋國家在海工混凝土領(lǐng)域尤其是離岸混凝土建筑方面具有大量的開發(fā)及應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，也建立了完善的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。 挪威船級(jí)社(DNV )、挪威石油指導(dǎo)委員會(huì)(NPD)、歐洲國際預(yù)應(yīng)力混凝土協(xié)會(huì)(FIP ) 、英國能源部(EDENG)、英國標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)(DSIDD55) 以及美國石油學(xué)會(huì)(API)、美國混凝土學(xué)會(huì)等團(tuán)體相繼制定海工混凝土平臺(tái)(結(jié)構(gòu)) 的設(shè)計(jì)與施工規(guī)范、規(guī)程、指導(dǎo)書，涵蓋了設(shè)計(jì)、材料選擇、生產(chǎn)制造、安全使用等各個(gè)領(lǐng)域，其中以挪威在該領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范最為完整[12]。

目前，國外在海洋工程用平臺(tái)及構(gòu)建物領(lǐng)域從事認(rèn)證的機(jī)構(gòu)主要是挪威船級(jí)社（DNV），其認(rèn)證內(nèi)容包含海上混凝土構(gòu)建物（如油氣平臺(tái)、海上風(fēng)電場混凝土基礎(chǔ)等）的設(shè)計(jì)、材料選擇、生產(chǎn)和制造過程、品質(zhì)檢測等。

4 水泥混凝土材料在海洋工程領(lǐng)域的重點(diǎn)發(fā)展方向

4.1 高強(qiáng)輕質(zhì)海工混凝土制備及生產(chǎn)技術(shù)

雖然目前發(fā)達(dá)國家的海工建筑物中如海上離岸油氣平臺(tái)、大跨度跨海橋梁等大規(guī)模使用高強(qiáng)度輕質(zhì)骨料混凝土技術(shù)，但混凝土材料本身自重大的缺點(diǎn)仍無法避免，限制了類似海工建筑物，如離岸混凝土鉆采平臺(tái)及儲(chǔ)運(yùn)平臺(tái)如混凝土LNG船、FPSO等的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用。高強(qiáng)輕質(zhì)骨料混凝土制備技術(shù)是現(xiàn)有海工混凝土材料應(yīng)用中的核心技術(shù)之一。 目前以挪威、美國及日本為代表的海洋發(fā)達(dá)國家將現(xiàn)有的高強(qiáng)度輕質(zhì)骨料混凝土生產(chǎn)技術(shù)進(jìn)一步提高作為重點(diǎn)研究，力圖達(dá)到1 500 kg/m3（設(shè)計(jì)強(qiáng)度70 MPa）。 而現(xiàn)有的高強(qiáng)度輕質(zhì)骨料混凝土大約在1 900 kg/m3（設(shè)計(jì)強(qiáng)度70 MPa）[13]。

4.2 海工混凝土平臺(tái)的小型化

隨著優(yōu)質(zhì)海洋油氣資源的逐漸減少，未來海洋油氣資源的開發(fā)趨勢將是小型化、邊際化，海上邊際油田的開發(fā)將逐漸成為主流。而用于邊際油田開發(fā)的油氣鉆采平臺(tái)要求能適應(yīng)淺水深、 可移動(dòng)、可多次利用等特殊要求?，F(xiàn)有大型海工混凝土鉆探平臺(tái)，從性能上而言更適合水深150 m及以上的大中型海上油氣田的鉆采。 因此，開發(fā)適合淺海區(qū)域邊際油田開發(fā)的小型化平臺(tái)將納入需求[14]。 Exxon公司的CIDS平臺(tái)是一個(gè)典型的成功案例， 其結(jié)合了鋼平臺(tái)與混凝土平臺(tái)的優(yōu)點(diǎn)，兼具移動(dòng)靈活、質(zhì)輕、可多次利用等優(yōu)點(diǎn)。

4.3 海上功能平臺(tái)建設(shè)的大型化和多樣化

海上功能平臺(tái)將呈現(xiàn)多樣化、大型化，如浮動(dòng)式海上機(jī)場、浮動(dòng)式海上工廠（原油加工和提煉）、海上污水處理廠、海上核電工廠、浮動(dòng)式海上軍事基地等，乃至于浮動(dòng)式海上城市[15]。

目前海洋工程上最尖端的技術(shù)就是浮動(dòng)式天然氣（LNG）處理廠。 處理廠通過采氣管道收集海底天然氣，液化之后再直接加壓裝船輸送到客戶手中[16]。韓國三星重工目前正在為荷蘭皇家殼牌有限公司打造巨型海上浮動(dòng)設(shè)施，分析師估計(jì)其造價(jià)將高達(dá)100億至120億美元，全長500 m，重量60萬t，相當(dāng)于六艘航母的體積[17]。而如果采用海工高強(qiáng)輕質(zhì)混凝土或砼鋼結(jié)合材料建造該類平臺(tái)，前期造價(jià)及后期維護(hù)費(fèi)用等將至少下降30%以上。

5 發(fā)展與展望

（1） 推進(jìn)材料與技術(shù)的國產(chǎn)化與本地化。推進(jìn)海工混凝土相關(guān)原材料的開發(fā)與生產(chǎn)及標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化。國外對(duì)于海洋混凝土工程所采用的各種材料如水泥、 摻和料及集料等進(jìn)行了特種化管理，并要求通過專業(yè)機(jī)構(gòu)如挪威船級(jí)社（DNV）等的認(rèn)證，而國內(nèi)目前對(duì)應(yīng)用于海工領(lǐng)域的水泥、集料、摻合料等原材料尚無嚴(yán)格的限制和要求。

（2） 海工混凝土相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的制定和完善。國內(nèi)在混凝土的海工領(lǐng)域的應(yīng)用研究較晚，目前尚未建立相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范體系。目前的近海建筑和港工建筑的設(shè)計(jì)和開發(fā)制造的依照規(guī)范以行業(yè)規(guī)范為主，而關(guān)系海工工程質(zhì)量的原材料生產(chǎn)和檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)則基本是依照企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。

（3） 海工混凝土建筑物的設(shè)計(jì)和建造的專業(yè)化。 國外對(duì)于海工混凝土的研究和應(yīng)用時(shí)間較長，積累了豐富的設(shè)計(jì)、施工及管理經(jīng)驗(yàn)，并逐漸形成了專業(yè)的海工平臺(tái)設(shè)計(jì)公司、技術(shù)咨詢公司及EPC工程建造公司， 可實(shí)施項(xiàng)目的全球化設(shè)計(jì)和建造；而國內(nèi)目前在該領(lǐng)域尚屬空白。

（4） 海工混凝土相關(guān)裝備的開發(fā)與研制。目前國內(nèi)絕大部分的混凝土拌合、泵送、吊運(yùn)、移動(dòng)的大型建筑機(jī)械設(shè)備及配套裝備均為陸地使用，而對(duì)于海上施工專用的相關(guān)裝備的開發(fā)研究較少。而國內(nèi)目前在近岸設(shè)施如橋梁、隧道等建設(shè)中使用的部分大型機(jī)械裝備中，進(jìn)口產(chǎn)品占據(jù)主流。 海上施工環(huán)境及變化性與陸地區(qū)別很大，國內(nèi)應(yīng)加強(qiáng)該領(lǐng)域?qū)Ｓ脵C(jī)械裝備的開發(fā)及生產(chǎn)。

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