沿海高楼基础建设中应采用铁铝酸盐水泥——美国迈阿密塌楼事件启示

  编者按：建设项目要坚持质量第一，建筑质量更是重中之重，乃百年大计。如果建筑材料选用不当，则会造成建筑工程质量下降、安全隐患增加。隐患乃潜伏着，刚竣工和使用初期并不显露，但随着时间推移，一旦“爆燃”，后果极其严重。即使没有“爆燃”，而为避免其发生，需投入大量人、财、物，效果还不一定如人所愿。倒不如将隐患扼死在摇篮中，断其根。本文作者是水泥界资深人士，郑重建议“在沿海建筑新建工程和修缮工程中推广应用具有优异耐海水腐蚀性能的铁铝酸盐水泥，大幅度提升建筑的耐海水腐蚀能力，减少建筑物受海水腐蚀破坏的风险和降低维修维护成本”，的的确确是水泥精英的肺腑之言。

  一、美国迈阿密海边公寓楼倒塌事件及其原因

  2021年6月24日凌晨，美国佛罗里达州迈阿密戴德县瑟夫赛德镇一栋公寓楼发生部分倒塌，造成重大人员伤亡事故，事故引起了全世界的广泛关注。据报道，事故楼房为一栋1981年建造的12层海边公寓，共有136套住房，其中55套在事故中发生雪崩式坍塌（图1，图2）。据新浪网7月8日报导，7月7日已对塌楼停止搜救，事故共造成54人死亡，86人失踪。据新华社报导，迈阿密-戴德县消防救援部门23日宣布结束对遇难者遗体的搜寻行动。事故迄今确认至少97人遇难。

图1倒塌公寓所处海边位置

图2 公寓楼部分倒塌现场

  虽然目前官方尚未公布此次公寓楼倒塌的原因，但是相关报道以及专家分析都聚焦在海水对混凝土的腐蚀。6月26日，《纽约时报》报道指出，一家名为莫拉比托的建筑工程咨询公司于2018年针对该大楼的工程检测报告就指出，公寓泳池边地板下的混凝土结构板有“重大的结构损坏”，地下停车场的柱子、横梁和墙壁大量开裂和崩塌。6月28日，《迈阿密先驱报》报道指出，在事发3天前一位泳池承包商曾参观过倒塌大楼的地下区域，发现停车场到处都是积水，钢筋发生锈蚀和混凝土存在开裂（图3）。6月28日，《经济学人》报道认为，气候变化带来的海平面上升，引起海水倒灌，导致公寓建筑地基内部和地基周边区域大量海水长期滞留，对建筑结构中的混凝土和钢筋造成了腐蚀破坏，这是公寓倒塌可能的原因。

图3 公寓楼倒塌前地下室积水腐蚀严重

  美国国家广播电视台2021年7月3日播发，塌楼事件后，地方政府下令对所有40年及以上建筑物的档案进行审计。在审计中发现，2021年1月11日对北迈阿密一栋10层高公寓楼的认证报告中指出，该楼房是不安全的，存在柱子和横梁开裂等结构问题。因此，7月2日北迈阿密市政府下令立即关闭这栋大楼并疏散居民。这栋大楼距离6月24日发生倒塌事故的公寓楼仅约8公里。

  二、海洋环境下建筑结构的腐蚀是世界性难题

  海洋环境对混凝土材料有着严重的腐蚀破坏作用。美国联邦公路局公布的数据显示，1998年美国公路桥梁因混凝土腐蚀导致的费用高达276亿美元。美国切萨皮克湾隧桥全长37公里，分南北双向两部分，总投资2.5亿美元。1998年对北向部分623个被海水侵蚀破坏的桥墩进行修补，耗资1250万美元，历时两年。其他桥墩的侵蚀在进一步扩大，若干年后有待继续维修。日本运输省对103座海港码头进行调查后发现，凡是服役超过20年的混凝土码头都有严重腐蚀。欧洲调查显示，英格兰和威尔士75%的混凝土桥梁受到海水腐蚀，维修费用高达建造费用的两倍。挪威沿海100多座混凝土桥梁和1万多座混凝土码头中，一半以上受到海水腐蚀的影响。我国交通部有关单位在调查报告中说明：南部沿海18座使用7年到25年的水泥混凝土码头中，有16座存在明显腐蚀现象，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，其水泥混凝土保护层严重剥落；北方沿海14座使用2年到57年的码头中，几乎所有码头都有水泥混凝土腐蚀现象。2020年我们对建成通车12年的某跨海大桥考察发现，该桥的桥墩、承台、护坡堤等都发生了不同程度的明显腐蚀（图4）。

图4 运行12年的某跨海大桥已经发生明显的海水腐蚀

  混凝土结构受到海水腐蚀发生破坏的内在原因是硅酸盐水泥耐腐蚀性能较差，容易与海水中的某些盐分如硫酸盐、镁盐等发生化学反应从而导致混凝土脱落、开裂，进而导致氯离子入侵、钢筋锈蚀。海洋环境下硅酸盐水泥建筑结构发生腐蚀是普遍性问题，解决这一问题也是世界性难题。使用新型耐腐蚀的水泥是提高混凝土耐海水腐蚀的根本途径。

  三、具有高抗海水腐蚀性能的铁铝酸盐水泥

  铁铝酸盐水泥是上世纪八十年代由我国自主发明的水泥品种，曾获国家发明二等奖。我国是世界上唯一实现连续工业化生产铁铝酸盐水泥的国家。目前，我国已具备超过1000万吨的铁铝酸盐水泥生产能力，并且普通水泥生产线经过简单改造也可以生产铁铝酸盐水泥。

  铁铝酸盐水泥具有早强、高强、抗冻、抗渗、耐腐蚀等性能特点，尤其是具有优异的抗渗性能和耐海水腐蚀性能。铁铝酸盐水泥混凝土的抗渗性能显著优于同等级的硅酸盐水泥混凝土（表1）。

  铁铝酸盐水泥在海南省三亚海边试验站进行长时间海水浸泡试验结果如表2所示。结果表明，铁铝酸盐水泥试块在三亚海水中浸泡12个月后，其抗折强度非但不降低，反而提高了27%，浸泡24个月后强度提高了36%；而普通硅酸盐水泥试块在海水浸泡下腐蚀严重，即便是改性过的海工硅酸盐水泥在同一条件下浸泡12个月后抗折强度还是下降了50%；浸泡24个月后下降了52%。

  近四十年的海洋工程应用案例验证了铁铝酸盐水泥具有长期耐海水腐蚀性能。福建东山岛1983年用铁铝酸盐水泥抢修的南门海堤在经受了38年的海浪冲刷下依然完好，未见腐蚀迹象（图5）。与南门海堤同期修建的还有岛上的一座小码头，该码头为高桩梁板结构，海水中的立柱由铁铝酸盐水泥混凝土建造，上方梁板由硅酸盐水泥混凝土建造。2019年现场考察发现，码头的铁铝酸盐水泥立柱经历近四十年的海浪冲刷、干湿交替后依然完好，未出现明显腐蚀；而上方未直接接触海水的硅酸盐水泥梁板则混凝土破损剥落，钢筋锈蚀严重（图6）。这个工程实例表明，铁铝酸盐水泥具有独特的、优异的长期耐海水腐蚀性能。

图5 用铁铝酸盐水泥修建的东山岛南门海堤

图6-1 东山岛上利用铁铝酸盐水泥和硅酸盐水泥修建的小码头

图6-2 东山岛上利用铁铝酸盐水泥和硅酸盐水泥修建的小码头

  除了海洋工程外，铁铝酸盐水泥还在房屋建筑工程和市政工程中长期应用。1993年施工的22层沈阳电信枢纽工程全部主体结构；1994年施工的28层辽宁物产大厦全部主体结构（图7）；1994年修建的北京西三环航天桥“Y”型墩柱、预应力钢筋混凝土盖梁（图8）等。这些建筑结构工程的应用案例表明，铁铝酸盐水泥用于建筑结构是长期安全可靠的。

图7 辽宁物产科贸大楼

图8 北京西三环航天桥“Y”型墩柱

  四、提高沿海高楼安全性的材料解决方案

  在“海洋强国”和“一带一路”战略下，沿海经济带快速发展，我们必须提高沿海建筑的混凝土耐腐蚀性能，提升沿海建筑的安全性，保证人民群众生命财产安全。

  建议在沿海建筑新建工程和修缮工程中推广应用具有优异耐海水腐蚀性能的铁铝酸盐水泥，大幅度提升建筑的耐海水腐蚀能力，减少建筑物受海水腐蚀破坏的风险和降低维修维护成本。

  1、使用铁铝酸盐水泥替代硅酸盐水泥生产高强预应力管桩，解决沿海建筑桩基础因海水腐蚀而造成的承载力下降甚至破坏的问题。

  2、使用铁铝酸盐水泥替代硅酸盐水泥建设沿海建筑中梁、柱等重要承重结构，解决沿海建筑梁、柱等关键承重结构因海水腐蚀而造成的承载力下降甚至破坏的问题。

  3、开展铁铝酸盐水泥在沿海建筑工程中的应用示范及相关研究工作，建立完善的应用技术标准规范体系。