美國(guó)邁阿密塌樓事件啟示：沿海高樓基礎(chǔ)建設(shè)中應(yīng)采用鐵鋁酸鹽水泥

編者按：建設(shè)項(xiàng)目要堅(jiān)持質(zhì)量第一，建筑質(zhì)量更是重中之重，乃百年大計(jì)。如果建筑材料選用不當(dāng)，則會(huì)造成建筑工程質(zhì)量下降、安全隱患增加。隱患乃潛伏著，剛竣工和使用初期并不顯露，但隨著時(shí)間推移，一旦“爆燃”，后果極其嚴(yán)重。即使沒(méi)有“爆燃”，而為避免其發(fā)生，需投入大量人、財(cái)、物，效果還不一定如人所愿。倒不如將隱患扼死在搖籃中，斷其根。本文作者是水泥界資深人士，鄭重建議“在沿海建筑新建工程和修繕工程中推廣應(yīng)用具有優(yōu)異耐海水腐蝕性能的鐵鋁酸鹽水泥，大幅度提升建筑的耐海水腐蝕能力，減少建筑物受海水腐蝕破壞的風(fēng)險(xiǎn)和降低維修維護(hù)成本”，的的確確是水泥精英的肺腑之言。

一、美國(guó)邁阿密海邊公寓樓倒塌事件及其原因

2021年6月24日凌晨，美國(guó)佛羅里達(dá)州邁阿密戴德縣瑟夫賽德鎮(zhèn)一棟公寓樓發(fā)生部分倒塌，造成重大人員傷亡事故，事故引起了全世界的廣泛關(guān)注。據(jù)報(bào)道，事故樓房為一棟1981年建造的12層海邊公寓，共有136套住房，其中55套在事故中發(fā)生雪崩式坍塌（圖1，圖2）。據(jù)新浪網(wǎng)7月8日?qǐng)?bào)導(dǎo)，7月7日已對(duì)塌樓停止搜救，事故共造成54人死亡，86人失蹤。據(jù)新華社報(bào)導(dǎo)，邁阿密-戴德縣消防救援部門23日宣布結(jié)束對(duì)遇難者遺體的搜尋行動(dòng)。事故迄今確認(rèn)至少97人遇難。

圖1倒塌公寓所處海邊位置

圖2 公寓樓部分倒塌現(xiàn)場(chǎng)

雖然目前官方尚未公布此次公寓樓倒塌的原因，但是相關(guān)報(bào)道以及專家分析都聚焦在海水對(duì)混凝土的腐蝕。6月26日，《紐約時(shí)報(bào)》報(bào)道指出，一家名為莫拉比托的建筑工程咨詢公司于2018年針對(duì)該大樓的工程檢測(cè)報(bào)告就指出，公寓泳池邊地板下的混凝土結(jié)構(gòu)板有“重大的結(jié)構(gòu)損壞”，地下停車場(chǎng)的柱子、橫梁和墻壁大量開(kāi)裂和崩塌。6月28日，《邁阿密先驅(qū)報(bào)》報(bào)道指出，在事發(fā)3天前一位泳池承包商曾參觀過(guò)倒塌大樓的地下區(qū)域，發(fā)現(xiàn)停車場(chǎng)到處都是積水，鋼筋發(fā)生銹蝕和混凝土存在開(kāi)裂（圖3）。6月28日，《經(jīng)濟(jì)學(xué)人》報(bào)道認(rèn)為，氣候變化帶來(lái)的海平面上升，引起海水倒灌，導(dǎo)致公寓建筑地基內(nèi)部和地基周邊區(qū)域大量海水長(zhǎng)期滯留，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)中的混凝土和鋼筋造成了腐蝕破壞，這是公寓倒塌可能的原因。

圖3 公寓樓倒塌前地下室積水腐蝕嚴(yán)重

美國(guó)國(guó)家廣播電視臺(tái)2021年7月3日播發(fā)，塌樓事件后，地方政府下令對(duì)所有40年及以上建筑物的檔案進(jìn)行審計(jì)。在審計(jì)中發(fā)現(xiàn)，2021年1月11日對(duì)北邁阿密一棟10層高公寓樓的認(rèn)證報(bào)告中指出，該樓房是不安全的，存在柱子和橫梁開(kāi)裂等結(jié)構(gòu)問(wèn)題。因此，7月2日北邁阿密市政府下令立即關(guān)閉這棟大樓并疏散居民。這棟大樓距離6月24日發(fā)生倒塌事故的公寓樓僅約8公里。

二、海洋環(huán)境下建筑結(jié)構(gòu)的腐蝕是世界性難題

海洋環(huán)境對(duì)混凝土材料有著嚴(yán)重的腐蝕破壞作用。美國(guó)聯(lián)邦公路局公布的數(shù)據(jù)顯示，1998年美國(guó)公路橋梁因混凝土腐蝕導(dǎo)致的費(fèi)用高達(dá)276億美元。美國(guó)切薩皮克灣隧橋全長(zhǎng)37公里，分南北雙向兩部分，總投資2.5億美元。1998年對(duì)北向部分623個(gè)被海水侵蝕破壞的橋墩進(jìn)行修補(bǔ)，耗資1250萬(wàn)美元，歷時(shí)兩年。其他橋墩的侵蝕在進(jìn)一步擴(kuò)大，若干年后有待繼續(xù)維修。日本運(yùn)輸省對(duì)103座海港碼頭進(jìn)行調(diào)查后發(fā)現(xiàn)，凡是服役超過(guò)20年的混凝土碼頭都有嚴(yán)重腐蝕。歐洲調(diào)查顯示，英格蘭和威爾士75%的混凝土橋梁受到海水腐蝕，維修費(fèi)用高達(dá)建造費(fèi)用的兩倍。挪威沿海100多座混凝土橋梁和1萬(wàn)多座混凝土碼頭中，一半以上受到海水腐蝕的影響。我國(guó)交通部有關(guān)單位在調(diào)查報(bào)告中說(shuō)明：南部沿海18座使用7年到25年的水泥混凝土碼頭中，有16座存在明顯腐蝕現(xiàn)象，9座腐蝕嚴(yán)重；東南沿海22座使用8年到32年的碼頭中有55.6%的碼頭，其水泥混凝土保護(hù)層嚴(yán)重剝落；北方沿海14座使用2年到57年的碼頭中，幾乎所有碼頭都有水泥混凝土腐蝕現(xiàn)象。2020年我們對(duì)建成通車12年的某跨海大橋考察發(fā)現(xiàn)，該橋的橋墩、承臺(tái)、護(hù)坡堤等都發(fā)生了不同程度的明顯腐蝕（圖4）。

圖4 運(yùn)行12年的某跨海大橋已經(jīng)發(fā)生明顯的海水腐蝕

混凝土結(jié)構(gòu)受到海水腐蝕發(fā)生破壞的內(nèi)在原因是硅酸鹽水泥耐腐蝕性能較差，容易與海水中的某些鹽分如硫酸鹽、鎂鹽等發(fā)生化學(xué)反應(yīng)從而導(dǎo)致混凝土脫落、開(kāi)裂，進(jìn)而導(dǎo)致氯離子入侵、鋼筋銹蝕。海洋環(huán)境下硅酸鹽水泥建筑結(jié)構(gòu)發(fā)生腐蝕是普遍性問(wèn)題，解決這一問(wèn)題也是世界性難題。使用新型耐腐蝕的水泥是提高混凝土耐海水腐蝕的根本途徑。

三、具有高抗海水腐蝕性能的鐵鋁酸鹽水泥

鐵鋁酸鹽水泥是上世紀(jì)八十年代由我國(guó)自主發(fā)明的水泥品種，曾獲國(guó)家發(fā)明二等獎(jiǎng)。我國(guó)是世界上唯一實(shí)現(xiàn)連續(xù)工業(yè)化生產(chǎn)鐵鋁酸鹽水泥的國(guó)家。目前，我國(guó)已具備超過(guò)1000萬(wàn)噸的鐵鋁酸鹽水泥生產(chǎn)能力，并且普通水泥生產(chǎn)線經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單改造也可以生產(chǎn)鐵鋁酸鹽水泥。

鐵鋁酸鹽水泥具有早強(qiáng)、高強(qiáng)、抗凍、抗?jié)B、耐腐蝕等性能特點(diǎn)，尤其是具有優(yōu)異的抗?jié)B性能和耐海水腐蝕性能。鐵鋁酸鹽水泥混凝土的抗?jié)B性能顯著優(yōu)于同等級(jí)的硅酸鹽水泥混凝土（表1）。

鐵鋁酸鹽水泥在海南省三亞海邊試驗(yàn)站進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間海水浸泡試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。結(jié)果表明，鐵鋁酸鹽水泥試塊在三亞海水中浸泡12個(gè)月后，其抗折強(qiáng)度非但不降低，反而提高了27%，浸泡24個(gè)月后強(qiáng)度提高了36%；而普通硅酸鹽水泥試塊在海水浸泡下腐蝕嚴(yán)重，即便是改性過(guò)的海工硅酸鹽水泥在同一條件下浸泡12個(gè)月后抗折強(qiáng)度還是下降了50%；浸泡24個(gè)月后下降了52%。

近四十年的海洋工程應(yīng)用案例驗(yàn)證了鐵鋁酸鹽水泥具有長(zhǎng)期耐海水腐蝕性能。福建東山島1983年用鐵鋁酸鹽水泥搶修的南門海堤在經(jīng)受了38年的海浪沖刷下依然完好，未見(jiàn)腐蝕跡象（圖5）。與南門海堤同期修建的還有島上的一座小碼頭，該碼頭為高樁梁板結(jié)構(gòu)，海水中的立柱由鐵鋁酸鹽水泥混凝土建造，上方梁板由硅酸鹽水泥混凝土建造。2019年現(xiàn)場(chǎng)考察發(fā)現(xiàn)，碼頭的鐵鋁酸鹽水泥立柱經(jīng)歷近四十年的海浪沖刷、干濕交替后依然完好，未出現(xiàn)明顯腐蝕；而上方未直接接觸海水的硅酸鹽水泥梁板則混凝土破損剝落，鋼筋銹蝕嚴(yán)重（圖6）。這個(gè)工程實(shí)例表明，鐵鋁酸鹽水泥具有獨(dú)特的、優(yōu)異的長(zhǎng)期耐海水腐蝕性能。

圖5 用鐵鋁酸鹽水泥修建的東山島南門海堤

圖6-1 東山島上利用鐵鋁酸鹽水泥和硅酸鹽水泥修建的小碼頭

圖6-2 東山島上利用鐵鋁酸鹽水泥和硅酸鹽水泥修建的小碼頭

除了海洋工程外，鐵鋁酸鹽水泥還在房屋建筑工程和市政工程中長(zhǎng)期應(yīng)用。1993年施工的22層沈陽(yáng)電信樞紐工程全部主體結(jié)構(gòu)；1994年施工的28層遼寧物產(chǎn)大廈全部主體結(jié)構(gòu)（圖7）；1994年修建的北京西三環(huán)航天橋“Y”型墩柱、預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土蓋梁（圖8）等。這些建筑結(jié)構(gòu)工程的應(yīng)用案例表明，鐵鋁酸鹽水泥用于建筑結(jié)構(gòu)是長(zhǎng)期安全可靠的。

圖7 遼寧物產(chǎn)科貿(mào)大樓

圖8 北京西三環(huán)航天橋“Y”型墩柱

四、提高沿海高樓安全性的材料解決方案

在“海洋強(qiáng)國(guó)”和“一帶一路”戰(zhàn)略下，沿海經(jīng)濟(jì)帶快速發(fā)展，我們必須提高沿海建筑的混凝土耐腐蝕性能，提升沿海建筑的安全性，保證人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全。

建議在沿海建筑新建工程和修繕工程中推廣應(yīng)用具有優(yōu)異耐海水腐蝕性能的鐵鋁酸鹽水泥，大幅度提升建筑的耐海水腐蝕能力，減少建筑物受海水腐蝕破壞的風(fēng)險(xiǎn)和降低維修維護(hù)成本。

1、使用鐵鋁酸鹽水泥替代硅酸鹽水泥生產(chǎn)高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力管樁，解決沿海建筑樁基礎(chǔ)因海水腐蝕而造成的承載力下降甚至破壞的問(wèn)題。

2、使用鐵鋁酸鹽水泥替代硅酸鹽水泥建設(shè)沿海建筑中梁、柱等重要承重結(jié)構(gòu)，解決沿海建筑梁、柱等關(guān)鍵承重結(jié)構(gòu)因海水腐蝕而造成的承載力下降甚至破壞的問(wèn)題。

3、開(kāi)展鐵鋁酸鹽水泥在沿海建筑工程中的應(yīng)用示范及相關(guān)研究工作，建立完善的應(yīng)用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系。