我國混凝土膨脹劑發(fā)展回顧

  1980年以前，中國建筑材料科學研究總院先后研制成功硅酸鹽膨脹水泥、鋁酸鹽膨脹水泥、明礬石膨脹水泥和硫鋁酸鈣膨脹水泥，以及相應的自應力水泥。這些膨脹——自應力水泥的膨脹相都是鈣礬石（C₃A-3CaSO₄·32H₂O）。為此，我院開展了鈣礬石形成條件和水泥膨脹機理的系統(tǒng)研究。

  關于膨脹原理動力，我本人對幾種膨脹水泥石進行了X射線和電鏡分析，證明在水泥石孔縫存在鈣礬石結晶體，而在水泥凝膠區(qū)中生成難以分辨的凝膠鈣礬石。因此認為，是凝膠狀鈣礬石的吸水膨脹和結晶狀鈣礬石對孔縫產(chǎn)生的膨脹壓的共同作用使水泥石產(chǎn)生體積膨脹。這一觀點可以把結晶膨脹學說和吸水膨脹學說統(tǒng)一起來，使鈣礬石膨脹機理得到了科學解釋，得到許多學者贊許。

  以上關于膨脹——自應力水泥生產(chǎn)工藝和性能的研究，以及水化機理的理論研究，為我國混凝土膨脹劑的研發(fā)奠定了良好基礎。

  雖然膨脹水泥研究成果很多，但卻很難推廣應用？我作為膨脹——自應力水泥研發(fā)者之一，為此也深感苦惱。后來我發(fā)現(xiàn)，是由于宣傳不力、生產(chǎn)成本較高、應用技術不配套、只局限應用于填縫灌注和修補工程等原因?qū)е拢ㄈ缒戤a(chǎn)量為4000~5000噸，工廠不敢多生產(chǎn)，用戶想用又不知到哪里去買）。為打破這一瓶頸，1975年，我和鄧填操、陳全行等人開始研制類似日本的CSA硫鋁酸鈣膨脹劑，但由于種種原因，沒有投入生產(chǎn)和應用。1986年，我與王延生等人效法日本膨脹劑的研發(fā)經(jīng)驗，先后研制成功硫鋁酸鈣膨脹劑（UEA）、鋁酸鈣膨脹劑（AEA）和高鈣膨脹劑（CEA）。隨后，同濟大學、浙江大學、長江科學院、南京化工學院、江蘇省建科院、安徽省建科院、山東省建科院等單位也開始研制膨脹劑，開創(chuàng)了我國混凝土膨脹劑開發(fā)應用的新時代。

  科研應用

  1986年，建材總院開展了混凝土膨脹劑的研究，我翻譯了日本有關膨脹劑的資料，做到心中有底。在實驗室試制成功用硫鋁酸鈣膨脹熟料、明礬石和硬石膏研制成的U型膨脹劑（英文縮寫UEA）。隨后，找到我院房建所從事自應力混凝土研究的吳萬春項目組共同合作，成立了UEA研究組，在石家莊市特種水泥廠李乃珍總工程師的支持下，在該廠中試生產(chǎn)第一代UEA膨脹劑，初獲成功。當時，由劉江寧博士主持UEA混凝土系統(tǒng)試驗研究，并在北京、天津有關工程應用，積累和總結施工的經(jīng)驗教訓。吳中偉院士肯定了這一科研成果，在他的補償收縮混凝土理論指導下，我們開展了摻UEA膨脹劑的混凝土性能的系統(tǒng)研究。經(jīng)過10多年的工程實踐，我院開發(fā)了補償收縮混凝土三大應用技術。首先提出結構自防水是根本，抗裂比防滲更重要的新概念，開發(fā)補償收縮混凝土結構自防水技術。1992年，建設部把《UEA補償收縮混凝土防水工法》YJGF22-92列為國家級工法。隨后，根據(jù)“抗”“放”結合的原理，以膨脹加強帶代替后澆帶，提出《超長鋼筋混凝土結構無縫設計和施工方法》專利技術（專利號93117132.6）。緊接著，又提出采用膨脹劑、礦粉（粉煤灰、灰礦粉）和緩凝高效減水劑“三摻”方法的大體積混凝土裂滲控制技術。這三大技術適應我國大規(guī)模工程建設中裂滲控制的需要，在許多重大工程中得到推廣應用。補償收縮混凝土主要應用于高層建筑地下室、地鐵、水工構筑物、隧道和港工等工程領域。據(jù)不完全統(tǒng)計，自1988年起，我國混凝土膨脹劑從年銷5000噸，發(fā)展到2015年銷售100萬噸，居世界之首。2002年，全國各種混凝土外加劑總銷售量為187萬噸，其中膨脹劑為69萬噸，占37%。由此可見，膨脹劑是我國混凝土外加劑的主要品種之一。

  我國混凝土膨脹劑從無到有，發(fā)展迅速，成績顯著?？偨Y起來，有如下經(jīng)驗：

  1.努力把科技成果轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力。從1988年起，我院先后把UEA、AEA膨脹劑生產(chǎn)技術轉(zhuǎn)讓給近40個生產(chǎn)企業(yè)，形成全國性的生產(chǎn)網(wǎng)絡，并派科技人員到工廠指導生產(chǎn)，協(xié)助工廠推廣應用膨脹劑。

  2.開展技術交流，互利合作。1988年，以我院為核心，成立科龍抗裂防滲技術中心，由35個科研、設計和生產(chǎn)單位組成，每兩年召開一次技術交流會。這些舉措，讓更多人了解了膨脹劑的抗裂防滲原理和應用技術，樂意推銷膨脹劑，從中受益。

  3.建設一支技術服務隊伍。膨脹劑應用有它的特殊性，要得到設計單位的認可，用于抗裂防滲的鋼筋混凝土結構。技術人員參與制定施工方案，參與混凝土配合比實驗和指導現(xiàn)場施工，以保證工程質(zhì)量。為此，我們通過技術培訓，建設全國性技術服務網(wǎng)絡，使用戶放心。

  4.不斷提高膨脹劑產(chǎn)品質(zhì)量，打擊假冒偽劣產(chǎn)品。2000年以前，人們多利用明礬石、偏高齡土作為鋁質(zhì)原料生產(chǎn)膨脹劑，其質(zhì)量水平較低，摻量為10%～12%。由于其價格較低，適應了當時建筑市場的需要。但隨著高性能混凝土的發(fā)展，要求補償收縮更有效，膨脹劑的限制膨脹率就更高一些。為此，我院采用窯外分解回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)高鈣的硫鋁酸鹽膨脹熟料和高鈣熟料，配制成HCSA、ZY等高效膨脹劑。與此同時，我們于2009年制定了新的產(chǎn)品國家標準《混凝土膨脹劑》GB23439-2009。這些技術措施，大大提高了我國混凝土膨脹劑的質(zhì)量，打擊了假冒偽劣產(chǎn)品，保證了膨脹劑行業(yè)的健康發(fā)展。此外，我院還先后研制成功灌注樁膨脹劑、無收縮高強灌注料和抗裂防水劑等，擴大了膨脹劑的品種。

  展望未來

  膨脹劑的發(fā)展得到了中國混凝土外加劑協(xié)會的大力支持，黃大能、姚燕等領導多次到會講話，給予鼓勵和指導。我作為膨脹混凝土的主要開創(chuàng)者，多次參加協(xié)會主辦的技術交流會，他們聘我為協(xié)會的專家組成員，并擔任兩屆中國土木學會混凝土外加劑專業(yè)委員會副主任委員。因此，結識了不少良師益友，幫助我們推動膨脹劑的發(fā)展，我非常感謝他們。

  由于我國高性能減水劑研發(fā)成功，促進了商品混凝土和高性能混凝土的廣泛應用。目前，在混凝土中摻入30%～50%的礦物摻和料已成趨勢，大多數(shù)企業(yè)在生產(chǎn)水泥過程中也摻入25%～35%的混合材。這些硅鋁摻和料在水泥水化過程中要吸收Ca(OH2)，才能形成次生水化硅酸鈣C-S-H，因比，混凝土就存在“貧鈣”或“缺鈣”的潛在風險，這將會降低鋼筋混凝土的結構耐久性。以上問題，引起工程界的關注和憂慮，而基于我國商品混凝土的技術變化，膨脹劑種類也要適應這種變化。為此，在2010年上海年會上，我們提出了以CaO為主膨脹劑源的膨脹劑，應該是發(fā)展的新方向，得到眾多學者的贊同。經(jīng)過幾年的努力，在2014年武漢年會上，主要廠家在我院的指導下，成功生產(chǎn)氧化鈣——硫鋁酸鈣類膨脹劑，它已成為我國膨脹劑行業(yè)的發(fā)展方向。

  混凝土膨脹劑的補償收縮混凝土已發(fā)展成為一個新的專業(yè)學科，中國土木工程學會混凝土外加劑專業(yè)委員會和中國硅酸鹽學會膨脹與自應力混凝土專業(yè)委員會分別在1994年至2014年，召開6屆全國混凝土膨脹劑學術交流會，出版6部論文集。2009年制定頒布應用技術標準《補償收縮混凝土應用技術規(guī)程》JGJ/T178-2009。本專委會還創(chuàng)辦了《膨脹劑與膨脹混凝土》科技期刊。2005年，我和李乃珍合著《膨脹劑及其補償收縮混凝土》專著，2010年趙順增和我合著《補償收縮混凝土裂滲控制技術及其應用》，這兩本書總結了國內(nèi)外膨脹劑發(fā)展歷史的成就。2010年10月，行業(yè)組織——中國混凝土與水泥制品協(xié)會膨脹混凝土分會成立，分會負責人趙順增、劉立、李光明、劉加平等中青年專家，已成為我國新一代混凝土膨脹劑研發(fā)的中堅力量。這一系列工作，進一步提高了混凝土膨脹劑的技術指標，規(guī)范了補償收縮混凝土的應用技術，把我國混凝土膨脹劑的質(zhì)量和補償收縮混凝土的應用提升到一個新水平，為我國混凝土外加劑行業(yè)的發(fā)展及國家建設作出了貢獻。