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、海上浮動功能平臺、海上鉆井平臺、海上石油及天然氣儲運(yùn)平臺、 海上風(fēng)電基礎(chǔ)、 移動海上基地（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。 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

海上油氣鉆采儲平臺等離岸構(gòu)建物被海洋油氣業(yè)界稱為“流動的國土”。1972年之前，全球所有的海上采油平臺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運(yùn)平臺都是鋼平臺[3]。

離岸混凝土平臺主要用于海上原油或天然氣的鉆探、抽取或儲存單元(FSO、LNG TANK、FPSO)或移動海上基地（MOB）等功能平臺。 離岸混凝土平臺分為浮動式和固定式 （附著在海底， 含人工島）。浮動式混凝土平臺單元作為生產(chǎn)裝置、儲油和卸油裝置（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)存儲單元；因無需額外儲油設(shè)施（對鋼材平臺而言，需要額外的儲油船配合使用，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油空間，提高了平臺面積使用率。 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)重力式混凝土平臺不需要額外的固定設(shè)施。

1.2 超級大跨度混凝土懸臂橋

對于跨度在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，是世界第一個混凝土平臺，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)

對于用于海洋工程領(lǐng)域尤其是海工混凝土平臺建造的混凝土，有三個基本要求：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_都是采用SP30型普通波特蘭水泥來拌合混凝土，后來，隨著平臺設(shè)計工藝的發(fā)展和對混凝土強(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。而對于普通等級的近海混凝土采油平臺，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; 這些外加劑的價值約占混凝土材料總價值的8%～10%[11]。在國外，海洋混凝土平臺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，也建立了完善的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。 挪威船級社(DNV )、挪威石油指導(dǎo)委員會(NPD)、歐洲國際預(yù)應(yīng)力混凝土協(xié)會(FIP ) 、英國能源部(EDENG)、英國標(biāo)準(zhǔn)委員會(DSIDD55) 以及美國石油學(xué)會(API)、美國混凝土學(xué)會等團(tuán)體相繼制定海工混凝土平臺(結(jié)構(gòu)) 的設(shè)計與施工規(guī)范、規(guī)程、指導(dǎo)書，涵蓋了設(shè)計、材料選擇、生產(chǎn)制造、安全使用等各個領(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、海上風(fēng)電場混凝土基礎(chǔ)等）的設(shè)計、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、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及儲運(yùn)平臺如混凝土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)計強(qiáng)度70 MPa）[13]。

4.2 海工混凝土平臺的小型化

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)的油氣鉆采平臺要求能適應(yīng)淺水深、 可移動、可多次利用等特殊要求?，F(xiàn)有大型海工混凝土鉆探平臺，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)的小型化平臺將納入需求[14]。 Exxon公司的CIDS平臺是一個典型的成功案例， 其結(jié)合了鋼平臺與混凝土平臺的優(yōu)點(diǎn)，兼具移動靈活、質(zhì)輕、可多次利用等優(yōu)點(diǎn)。

4.3 海上功能平臺建設(shè)的大型化和多樣化

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

目前海洋工程上最尖端的技術(shù)就是浮動式天然氣（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設(shè)施，分析師估計其造價將高達(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，前期造價及后期維護(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)如挪威船級社（DNV）等的認(rèn)證，而國內(nèi)目前對應(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)計和建造的專業(yè)化。 國外對于海工混凝土的研究和應(yīng)用時間較長，積累了豐富的設(shè)計、施工及管理經(jīng)驗，并逐漸形成了專業(yè)的海工平臺設(shè)計公司、技術(shù)咨詢公司及EPC工程建造公司， 可實(shí)施項目的全球化設(shè)計和建造；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)、移動的大型建筑機(jī)械設(shè)備及配套裝備均為陸地使用，而對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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