《硅酸盐学报》23年第十一期丨先进海洋材料研究进展专题
编 者 按
先进海洋材料服务海洋强国建设
张 鹏，董必钦，元 强
海洋作为高质量发展战略要地，蕴藏着重要的战略资源。当前海洋经济对全球经济的促进作用愈发凸显。我国拥有1.8万多公里海岸线，300万平方公里海域国土面积。进入21世纪，国家高度重视海洋经济高质量发展对我国可持续发展和安全的战略意义。党的二十大报告特别指出：发展海洋经济，保护海洋生态环境，加快建设海洋强国。2022年，习总书记在考察海南时指出，建设海洋强国是实现中华民族伟大复兴的重大战略任务，并强调要推动海洋科技实现高水平自立自强，加强原创性、引领性科技攻关，把装备制造牢牢抓在自己手里。海洋资源的开发和利用对人类社会的可持续发展至关重要。
海洋材料作为各类海洋工程的基础结构材料，是开发利用海洋资源的物质和技术基础，是我国当前的战略性支柱产业，是先进海洋装备的物质基础，即一代材料一代装备。发展先进海洋材料对有效利用海洋资源、促进经济发展、保障国家安全、保护生态环境意义重大。为加快实现海洋强国建设，必须加速推进海洋先进材料的科技攻关与关键核心技术突破，以国家战略需求为导向，自觉履行海洋科技高水平自立自强的使命担当。然而，海洋极端环境条件对海洋材料的安全服役提出了巨大挑战。为满足海洋工程高质量发展需求，先进海洋材料的研发和应用刻不容缓。
高湿高盐的海洋环境，加之海水冲刷、化学侵蚀、生物腐蚀等多因素、强耦合作用，海洋材料和海工装备面临过早失效的难题，相适应的先进海洋材料的研发也存在重大挑战。尽管我国在海洋防腐涂层材料、钛合金和磁性材料、浮力材料等领域已取得一定成就，但距离海洋强国仍有一段距离，多数海洋材料仍无法自主可控，一些甚至成为“卡脖子”问题。为加快先进海洋材料的研发和使用，还需从如下多方面入手：1) 加快水泥、陶瓷、玻璃等传统材料的升级转型，聚焦“严酷海洋环境下，混凝土材料与结构易过早失效”的问题，研发具有超高耐久性的海工水泥基复合材料和长效、稳定的结构健康监测技术；2) 攻克海洋防护、环境治理及减阻、降噪、密封等特种功能的高端海洋新材料，达到技术先进、质量稳定、自主可控，建立海洋新材料支撑体系，形成专精特新的海洋材料；3) 研发高效利用海水海砂、珊瑚、贝壳等海洋资源的新型高性能海洋材料，研究海洋环境下海洋材料及工程结构退化机理，如氯离子侵蚀、盐雾湿润‒干燥循环作用、腐蚀等因素；4) 推动海洋材料与腐蚀、污损防护等技术的交叉融合，通过涂层与表面防护技术提高海洋材料在恶劣环境下的服役寿命；5) 加强海洋科研投入、建立海洋科研平台、培养海洋高层次人才、构建我国先进海洋材料标准体系。
鉴于新材料研发及应用周期长、风险因素多，需加强顶层设计、进行前瞻性探索并避免“卡脖子”问题出现。为交流先进海洋材料最新成果，快速突破技术瓶颈，特邀请中国建筑材料科学研究总院、湖南大学、西湖大学、中南大学、深圳大学、中国民航大学、中国科学院青岛生物能源与过程研究所、济南大学、广西大学、武汉科技大学、集美大学、海军勤务学院、青岛理工大学等高校和科研院所的专家学者，研究对象涵盖了我国南北方海域，详细报道了先进海洋材料的创新与应用情况，形成了本专题的框架内容。本专题包含13篇论文，涉及的研究对象包括水泥及水泥基材料领域中的铁铝酸盐水泥、高硫型贝利特硫铝酸盐水泥、低碳胶凝体系、海水海砂混凝土、高抗裂水泥基材料、聚合物水泥基防护涂层及新能源新材料领域中的钙镁铝硅酸盐陶瓷涂层、贝壳粉-铝酸钙胶凝体系、固体浮力材料、深潜器用蓄电池等，从材料研发、微观结构特性、抗腐蚀机理、性能劣化等多维度展示了先进海洋材料的国内外现状、创新成果及未来发展趋势，为服务和推动海洋强国建设提供了重要支撑。
最后对各位作者、审稿专家及编辑的辛苦付出表示衷心感谢。希望本专题内容可以有效促进我国海洋材料技术水平提升、助力海洋强国建设。由于专题篇幅限制，本专题仅涉及先进海洋材料的部分内容，疏漏之处在所难免，还请各位读者批评指正。
责任编辑介绍
张鹏，教授，博士研究生导师，青岛理工大学科技处处长，国家优青、德国“洪堡学者”、国家级一流课程负责人、国家“111”计划学科创新引智基地常务副主任、中国硅酸盐学会青年工作委员会委员等。承担国家基金等课题20余项，发表学术论文120余篇，多篇入选ESI热点和高被引论文，参编标准9部，担任5个SCI/EI期刊编委。主要从事基础设施工程耐久性领域的科学研究与工程应用，包括结构耐久性、绿色低碳材料、海工设施防护与修复等。
董必钦，深圳大学土木与交通工程学院教授。国家杰青，广东省滨海土木工程耐久性重点实验室副主任。承担自然科学基金原创探索计划项目、广东省联合基金、重大科研仪器研制项目、重大国际合作项目、广东省自然科学研究团队等多项国家、省部级项目。兼任中国混凝土与水泥制品协会自防护混凝土材料与工程技术分会副理事长、专委会委员和中国建筑学会建材分会常务理事等。发表学术论文100余篇。研究领域包括：固体废弃物资源化利用、极端环境重大基础设施可持续运维、绿色环保建筑材料设计理论与技术应用等。
元强，中南大学土木工程学院、高速铁路建造技术国家工程研究中心教授、博士研究生导师，国家优秀青年基金、中国硅酸盐学会青年科技奖获得者。兼任Journal of Sustainable Cement-Based Materials副主编、《硅酸盐学报》、《材料导报》编委。研究领域为铁路水泥混凝土材料，发表论文200余篇，其中SCI/EI检索论文150余篇，获省部级奖励5项，先后主持国家重点研发计划课题和国家自然科学基金优青项目及企业项目50余项，研究成果推广应用于我国近3 000公里高速铁路。
研究论文
硼/磷复合掺杂对高硫型贝利特硫铝酸盐熟料形成与性能的影响
张文生，安 楠，张洪滔，任雪红，叶家元，刘 垒，曹立学，钱觉时
导读：高硫型贝利特硫铝酸盐水泥在海洋工程快速施工具有显著的优势，但是该水泥熟料后期强度发展不足。本工作采用硼/磷复合掺杂的方法开展了提高后期强度的研究，并采用X射线衍射结合Rietveld全谱定量分析、扫描电镜、等温量热及热重分析等测试方法，研究了硼/磷复合掺杂对高硫型贝利特硫铝酸盐水泥熟料矿物形成、微观结构及水化等的影响。研究表明：硼、磷2种元素均能固溶到硅酸二钙的晶体结构中，形成结构缺陷，提高熟料中α-C2S含量，同时提高c-C4A3$的含量，促进了熟料早期的水化和后期强度的发展。
海水海砂碱激发混凝土与FRP筋的粘结性能
崔祎菲，屈士皓，张 鹏
导读：为了探究海水海砂碱激发混凝土与FRP筋的粘结性能发展规律，推动新型绿色建筑材料的应用，本研究通过对碳纤维增强塑料(CFRP)筋/玻璃纤维增强塑料(GFRP)筋与海水海砂碱激发混凝土(SSASC)试件进行中心拉拔试验，研究了FRP筋种类、直径、锚固长度及混凝土强度、养护龄期等因素对FRP筋-SSASC试件的粘结性能的影响。基于现有文献和实验所得数据统计分析，表明碱激发混凝土(ASC)与FRP筋的粘结性能明显优于普通硅酸盐混凝土(OPC)。同时使用多元线性方程将试验数据代入拟合出适用的粘结强度预测公式。结果表明：粘结强度随FRP筋直径和锚固长度的增大呈减小趋势，其中随直径的变化趋势不明显；ASC30混凝土大多为拔出破坏，ASC60混凝土大多为劈裂/筋断破坏，且强度较高的混凝土的粘结强度也较高；随养护龄期的增加其粘结强度有所上升；OPC与FRP筋的粘结强度小于ASC；所得粘结强度经验公式与实验数据具有良好的相关性。
NaAlO2对贻贝质碳铝酸盐胶凝材料水化和性能的影响
刘源涛，董必钦，邢 锋，王琰帅
导读：海洋是地球系统中最大的碳库，中国海水贝类总产量大。大部分贝类仅利用其食用价值，贝壳作为固体废弃物随意堆放或掩埋。为提升贝类废弃物利用率，本论文研究了NaAlO2对贝壳粉-铝酸钙胶凝体系水化进程、固液相组成、孔隙结构及力学性能的影响机理。结果表明：NaAlO2加速水化进程，缩短凝结时间，略微提高硬化基体的密实度与力学性能。NaAlO2显著影响固液相组成。NaAlO2的加入提升了孔溶液的碱度，增强了CaCO3的反应性，使胶凝体系更倾向生成稳定相单碳型水化碳铝酸钙(C4AcH11)，并降低不稳定相水化铝酸一钙(CAH10)的含量。养护28 d时，3.75‰、5.00‰NaAlO2组样品分别生成13.0%与13.6%的C4AcH11，且不含CAH10。但由于NaAlO2提升了碱度，微晶AH3相的晶粒尺寸增大、胶凝特性降低。因此，过量的NaAlO2会导致力学性能下降。贻贝质碳铝酸盐胶凝材料在海洋土木工程建设领域具有应用前景。
等离子喷涂钙镁铝硅酸盐陶瓷涂层制备及性能
王志平，曹雨函，程涛涛，罗 震，刘为东
导读：采用高温熔制法制备了1种CaO‒MgO‒Al2O3‒SiO2非晶陶瓷材料，利用高速破碎技术和等离子喷涂技术在45号钢基体上制备得到钙镁铝硅酸盐陶瓷涂层。对块状陶瓷和涂层的物相组成、显微硬度和微观形貌进行了分析，通过拉伸实验测试了涂层的结合强度。通过盐溶液浸泡腐蚀实验研究了涂层的耐腐蚀性能和腐蚀机理。结果表明：钙镁铝硅酸盐陶瓷涂层的孔隙率为7.93%±3.27%，无明显层状结构，涂层显微硬度值为6.63 GPa，与块体材料相比仅降低了3.89%，非孔隙区域具有类块体陶瓷材料的显微结构和力学性能；涂层结合强度为(16.25±2.11) MPa，断裂发生在涂层与金属过渡层的界面处，与等离子喷涂其它陶瓷涂层的结合性能相当；通过1 000 h的浸泡腐蚀实验得到涂层试样的腐蚀速率为0.1026 g∙m‒2∙h‒1，与基体试样相比降低了12.3倍，具有良好的耐腐蚀性能；分析腐蚀截面形貌发现，涂层的致密结构对腐蚀起机械隔绝作用，堆积在涂层孔隙与裂纹表面的腐蚀产物的溶解速率与腐蚀液渗至基体的速率达到平衡，减缓了腐蚀的发生。
钢筋在水泥‒蔗渣灰‒矿粉海砂砂浆中的腐蚀行为
莫耀鸿，刘剑辉，刘乐平，陈 正，史才军
导读：研究了水泥‒蔗渣灰(SCBA)‒矿粉(BFS)三元胶凝材料组成对海砂砂浆中钢筋交流阻抗谱、开路电位和腐蚀电流密度的影响，同时测定了砂浆的氯离子含量、pH值和水化产物。结果表明：随着蔗渣灰掺量增加，钢筋的腐蚀速率和[Cl‒]/[OH‒]值增大。随着矿粉掺量的增加，钢筋的腐蚀速率明显减小，[Cl‒]/[OH‒]值在养护早期增大，28 d后略微减小。复掺15%蔗渣灰和15%矿粉时两者具有较好的协同作用，有效增大了保护层电阻和电荷转移电阻，提高了钝化膜的稳定性，使砂浆中的钢筋腐蚀速率相比参照组降低了31.86%，其钢筋的抗腐蚀能力最佳。
盐雾湿润–干燥循环作用下水泥砂浆氯离子扩散特性
元 强，王玉曼，张 凯，张嘉嘉，饶惠明，陈其强，张 锋，张志鹏
导读：盐雾湿润‒干燥循环作用下，处于潮汐区、浪溅区、大气区等近海地区的海工混凝土耐久性加速劣化，内部钢筋锈蚀风险增高。考虑配合比、干湿比和暴露时间等参数影响，基于盐雾湿润‒干燥循环试验，结合分层磨粉‒电位滴定的测试方法，对近海环境水泥基材料中氯离子扩散规律展开研究。结果表明：盐雾湿润‒干燥循环作用下，砂浆内氯离子的沉积与传输主要受干湿比、水胶比和暴露时间等影响，其中，水胶比的影响最为显著，干湿比对其影响较小。氯离子峰值浓度Cmax与有效扩散系数Deff随着砂浆水胶比的增大而增加。提高粉煤灰掺量、增加干湿循环次数后，Cmax呈现典型先增高后降低的趋势。随着暴露时间的延长，Deff减小；随着粉煤灰掺量的增加，Deff先增后减。选用较低水胶比混凝土，引入粉煤灰可有效延缓氯离子的侵蚀速率，进而提升结构的耐久性能。
珊瑚海水海砂混凝土三轴力学性能
陈宇良，李培泽，陈宗平
导读：为研究珊瑚海水海砂混凝土的三轴力学性能，通过常规三轴试验研究了不同骨料组合与侧向围压对试件破坏形态、应力-应变曲线、屈服应力、屈服应变及损伤演变的影响规律。结果表明：珊瑚粗骨料试件更易受围压值影响，在9 MPa的围压值下试件表面出现裂缝形式转变与塑性流动，在12 MPa的围压值下其应力-应变曲线出现“应力平台段”，碎石粗骨料试件则分别在15 MPa与24 MPa的围压值下出现上述变化；在围压值达到15 MPa后，珊瑚粗骨料试件的应力-应变曲线呈现具有第二线性分支的双线性形状；随着围压值增加，试件的屈服应力、屈服应变及耗散能均逐渐提高，损伤发展逐渐延缓。最后，提出了珊瑚海水海砂混凝土的屈服应力计算式，可为相关理论分析与工程应用提供借鉴。
固体浮力材料应力–吸水率耦合
高 博，王 芳，姜 哲，王景泽，姜 磊，唐文燕，崔维成
导读：固体浮力材料具有密度低和抗压强度高等性能，是载人/无人深潜器一种重要材料。固体浮力材料在高压下空心玻璃微珠会逐步发生破坏，导致吸水率增加，从而降低潜水器的正浮力，进而影响到载人/无人深潜器的安全性和使用性。浮力材料的吸水率与应力之间存在耦合关系，对浮力材料吸水率的计算造成了困难。本研究以同心球壳单胞为研究对象，通过添加子程序，采用有限元数值分析吸水过程。研究了不同厚度点、不同时间时浮力材料的体应力、吸水率、吸水扩散系数的分布、变化和相互关系；发现吸水率与体应力、扩算系数与体应力存在线性关系。将有限元分析结果与实验数据进行比较，有限元计算结果与实验数据吻合较好，验证了简化模型的有效性。文章可为全海深固体浮力材料设计和应用提供理论指导。
海水拌和与偏高岭土对铁铝酸盐水泥水化的影响
廖宜顺，叶 建，汤盛文
导读：铁铝酸盐水泥具有优异的抗海水侵蚀性能，在海洋工程应用中具有突出优势。研究了海水拌和与掺入偏高岭土对铁铝酸盐水泥浆体的流动度、凝结时间、水化热、电阻率、内部温度、化学收缩、抗压强度和水化产物的影响。结果表明，掺入偏高岭土减小了水泥浆体的流动度，缩短了凝结时间，72 h化学收缩、24 h电阻率均减小，浆体内部温度峰值降低。偏高岭土掺量小于20%时可加快早期水化放热速率、化学收缩和电阻率，并可促进钙矾石生成。海水拌和能加快水泥水化，使得水泥浆体的流动度显著降低，凝结时间显著缩短，并生成水化产物Friedel盐。海水和适量的偏高岭土拌和促进了更多的钙矾石生成，提高了铁铝酸盐水泥浆体的抗压强度。各试样的180 d抗压强度与淡水拌和时相比提高48.6%~80.2%。
海洋环境下混凝土氯离子渗透性评价
刘 镇
导读：海洋环境下，温度和干湿循环等复杂因素会加速混凝土中氯离子的传输过程，从而引发混凝土结构的耐久性失效破坏。因此，加强对该特殊腐蚀环境下混凝土耐久性评价的研究具有重要意义。目前，通常采用单一指标(氯离子扩散系数)量化环境因素对混凝土耐久性的影响，不能综合反映环境因素对氯离子传输过程的影响。基于Fick第二定律的控制方程，从扩散通量入手，推导出进入混凝土氯离子总量(累计氯离子含量)的解析解；基于累计氯离子含量，综合考虑温度、干湿循环 2个典型的海洋环境因素，建立了混凝土氯离子渗透性量化指标“l值”，构建了混凝土耐久性综合评价方法，分析了温度、干湿循环等环境因素对混凝土l值的影响；揭示了28-d表观氯离子扩散系数D28与月平均温度的最大值Tmax以及龄期系数m与年温差ΔTy之间的线性关系，从而建立了综合考虑干湿循环和温度影响的混凝土氯离子渗透性量化指标的简化计算公式，该公式物理意义明确、参数便于获取，适用于评价温度、干湿循环等复杂环境因素对混凝土氯离子渗透性的影响。
改性聚丙烯酸酯乳液的制备及聚合物水泥基涂层耐久性评价
卢 烁，姜东兵，李琦琦，侯鹏坤，荣 辉，赵丕琪
导读：水泥基涂层疏水化改性处理是提高其防护效果的有效途径，然而有机硅烷类疏水性材料存在分散性差、弱化涂层物理性能及耐久性的问题。以含羟基聚二甲基硅氧烷为第二油相(PDMS)，采用一步法高速剪切乳化工艺实现了高稳定/疏水型改性聚丙烯酸酯乳液的制备，并进一步构建了高耐久聚合物水泥基防护涂层。研究结果表明：相匹配的PDMS分子量、掺量、剪切速率可获得兼具良好稳定性和疏水性的改性乳液，乳液30 d未见分层现象、乳胶膜接触角提高24.9%、吸水率降低28.94%；制备的聚合物水泥基涂层展现了优异的力学性能、疏水性、耐紫外老化、耐海水和碱溶液浸泡性能，氯离子渗透系数仅为0.193×10–6 mm2/s；分析了乳液的改性机理与涂层耐久性增强机制。
综合评述
深潜器用蓄电池的研究进展
苑志祥，张 浩，张 雪，杨志林，张波涛，张建军，吴天元，崔光磊
导读：深海蕴藏着人类远未认知和开发的自然资源和宝藏，要想得到这些，就必须在深海进入、深海探测、深海开发等方面掌握关键技术。耕海探洋、装备先行。鉴于深海具有超高压、低温等极端苛刻环境，深潜器成为探索和开发深海资源的重要利器。深海电源系统是深潜器的核心动力，其性能直接影响到深潜器的作业能力和安全可靠性。因此，世界海洋强国高度重视深海电源的研发。截至目前，深海电源先后经历了铅酸电池、银锌电池、锂离子电池、高能量密度固态锂电池等不同蓄电池发展阶段。因此本文从深海电源用蓄电池主要分类等方面进行系统阐述，并在文末对深潜器用蓄电池等方面所存在的挑战和未来发展趋势进行了详细论述。
水泥基材料多尺度抗裂增韧机理研究进展
雷东移，李明昂，张 鹏，尹斌斌，李 莹，宋淋萍，张吉庆，张秀才，卢桂霞，钱 凯，刘加平
导读：水泥基材料为多相多尺度结构，各组分均不同程度影响整体韧性，将相关组分按宏观、介观、纳观3个尺度分类概述其对水泥基材料的抗裂增韧机理。宏观尺度如胶凝组分、集料、外加剂、纤维、水胶比、养护制度等，分析其物化效应对水泥基材料抗裂增韧特性的影响机理；介观尺度如微珠、晶须、渗透结晶材料等微米级增强材料，阐述其火山灰、填充、桥接、键合、渗透结晶等增强效应；纳观尺度如纳米SiO2、纳米CaCO3、石墨烯、碳纳米管及微生物、纳米聚合物等纳米级增强材料，介绍其对水化产物微观结构、生长方式及硬化浆体孔结构的增强及优化机理；并阐述‘碳纤维+碳纳米管’、‘纤维+晶须+石墨烯’等跨尺度组分的共轭增韧效应。最后，讨论不同尺度增韧组分当前应用、研究中的不足及发展趋势。
投稿方式
《硅酸盐学报》
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Journal of Materiomics
http://www.sciencedirect.com/journal/journal-of-materiomics
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《硅酸盐学报》(月刊)创刊于1957年，是由中国科学技术协会主管、中国硅酸盐学会主办的无机非金属材料领域综合性学术期刊，报道陶瓷、水泥基材料、玻璃、耐火材料、人工晶体、矿物材料、新能源材料、复合材料等相关领域的创新性科学研究成果。《学报》是“中文核心期刊”、“双效期刊”，被中国科学引文数据库、中国学术期刊综合评价数据库、中国核心期刊(遴选)数据库、EI(工程索引，美国)、CA(化学文摘，美国)、SA(科学文摘，英国)、Scopus(文摘与引文数据库，荷兰)、JST(日本科学技术振兴机构数据库，日本 )、 PЖ(文摘杂志，俄罗斯)等收录。多次被评为中国精品科技期刊、百种中国杰出学术期刊、最具国际影响力优秀期刊，并入选中国科技期刊卓越行动计划(2019-2023)，为无机非金属材料领域高质量科技期刊分级目录T1级期刊。
《学报》刊发以中文或英文撰写的科学研究论文、研究快报、综合评述等：
【研究论文】报道学术价值显著、实验数据完整的科学研究成果；
【研究快报】以简短篇幅迅速报道学术价值显著、具有原创性的最新科学研究成果；
【综合评述】报道无机非金属材料某一领域或某一专题的现状与进展的总结、评述和展望。