中國(guó)建材總院雙膨脹源高性能混凝土膨脹劑制備與產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用紀(jì)實(shí)

  HCSA雙膨脹源高性能混凝土膨脹劑與應(yīng)用成套技術(shù)是中國(guó)建筑材料科學(xué)研究總院(以下簡(jiǎn)稱中國(guó)建材總院)趙順增教授團(tuán)隊(duì)歷經(jīng)14年深入研發(fā)的，填補(bǔ)了我國(guó)解決混凝土變形開裂世界性難題在關(guān)鍵材料和應(yīng)用技術(shù)上的空白。該項(xiàng)成果經(jīng)中國(guó)建筑材料聯(lián)合會(huì)組織鑒定，專家認(rèn)為成果整體達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平，并獲得2014年度建筑材料科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)。項(xiàng)目已累計(jì)制備系列材料230余萬噸，成功應(yīng)用于地鐵、高層建筑等地下空間及高鐵、核電、橋隧、水工建筑等上百項(xiàng)重點(diǎn)工程，達(dá)到混凝土結(jié)構(gòu)抗裂防滲的預(yù)期目的，極大地推動(dòng)了我國(guó)高性能混凝土和建筑、建工行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步，提升了高鐵、核電等戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)建設(shè)水平與國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，市場(chǎng)前景廣闊。

  瞄準(zhǔn)市場(chǎng)立項(xiàng)

  混凝土是基礎(chǔ)設(shè)施、房屋建設(shè)不可或缺的材料，我國(guó)每年用量高達(dá)40億~50億立方米，提高混凝土性能和安全、耐久性是業(yè)內(nèi)同行長(zhǎng)期追求的目標(biāo)?；炷灵_裂是迄今未能有效解決的世界性工程技術(shù)難題，引起的原因包括：載荷（結(jié)構(gòu)性裂縫）、變形（非結(jié)構(gòu)性裂縫）、載荷與變形耦合及堿骨料反應(yīng)、凍融、安定性差等，其中變形（非結(jié)構(gòu)性裂縫）所占比例高達(dá)80%以上。變形開裂是混凝土主要組分水泥凝固干縮和水化熱溫升引起的。摻加膨脹材料補(bǔ)償混凝土收縮變形，是業(yè)界公認(rèn)的有效技術(shù)途徑，但國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的膨脹材料，存在膨脹劑膨脹能低、絕濕膨脹小、膨脹速率慢、膨脹期長(zhǎng)、與活性礦物摻合料適應(yīng)性差、防裂效果不佳等問題?？販厥┕て毡椴捎梦锢斫禍?，拌料預(yù)冷卻、內(nèi)部預(yù)埋冷卻管、外保溫、保濕養(yǎng)護(hù)等復(fù)雜措施，不僅消耗水資源且費(fèi)時(shí)費(fèi)力，代價(jià)高昂，平均每立方米耗資40~60元，仍未防止水化熱溫升變形?；炷磷冃危ǜ煽s、溫升）導(dǎo)致開裂、滲漏，不僅影響工程的安全性和耐久性，每年會(huì)造成1800億～3600億元經(jīng)濟(jì)損失，嚴(yán)重的還會(huì)威脅人民群眾的生命安全。因此，無論從解決混凝土開裂技術(shù)角度來看，還是市場(chǎng)對(duì)膨脹能高、水化放熱慢、絕濕環(huán)境膨脹率高的變形控制材料替代現(xiàn)有材料的需求，都十分迫切。

  成果國(guó)際領(lǐng)先

  1998年，趙順增教授帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行科技攻關(guān)，通過系統(tǒng)研究高性能混凝土膨脹劑和補(bǔ)償收縮混凝土的基礎(chǔ)理論、膨脹劑礦物成分設(shè)計(jì)和燒成工藝，完成實(shí)驗(yàn)室成果。首次提出了基于固相反應(yīng)機(jī)理的雙源膨脹設(shè)計(jì)理念，發(fā)明了一種以氧化鈣為主要膨脹源、無水硫鋁酸鈣和石膏為次要膨脹源的HCSA雙源高性能混凝土膨脹劑。經(jīng)權(quán)威機(jī)構(gòu)鑒定，HCSA膨脹劑的膨脹率高達(dá)0.17%，絕濕環(huán)境補(bǔ)償收縮能力目前國(guó)內(nèi)外最強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)不澆水也能膨脹，膨脹期短（7～10天）、無后期延遲膨脹風(fēng)險(xiǎn)，干燥收縮小，且能激發(fā)摻合料活性，性能優(yōu)于國(guó)內(nèi)外同類產(chǎn)品，形成了從基礎(chǔ)理論、產(chǎn)品制備、成果應(yīng)用、建立標(biāo)準(zhǔn)體系成套技術(shù)體系。

  產(chǎn)業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)

  雙源膨脹熟料是制備HCSA系列高性能混凝土膨脹劑的母料和基礎(chǔ)，穩(wěn)定的熟料供應(yīng)是規(guī)?；a(chǎn)業(yè)應(yīng)用的前提。2003年中國(guó)建材總院與天津豹鳴股份有限公司就HCSA雙源膨脹劑技術(shù)成果轉(zhuǎn)化達(dá)成協(xié)議，著手實(shí)現(xiàn)雙源高性能膨脹劑由實(shí)驗(yàn)室成果向產(chǎn)業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)的轉(zhuǎn)化。中國(guó)建材總院專家和企業(yè)組成專門的生產(chǎn)、管理和技術(shù)團(tuán)隊(duì)，依托企業(yè)現(xiàn)有的設(shè)備和工業(yè)基礎(chǔ)，成果從小樣、中樣到批量生產(chǎn)的配方優(yōu)化和燒成工藝，配套完成技術(shù)人員和工人的技術(shù)培訓(xùn)，首次實(shí)現(xiàn)了雙源膨脹熟料的干法回轉(zhuǎn)窯工業(yè)化生產(chǎn)，建成年產(chǎn)3萬噸的熟料生產(chǎn)線。產(chǎn)品投入市場(chǎng)后，市場(chǎng)需求旺盛，供不應(yīng)求。2012年，又與鄭州建文特材科技有限公司達(dá)成技術(shù)轉(zhuǎn)讓協(xié)議，在新密市建成年產(chǎn)10萬噸的熟料生產(chǎn)線，有效保障了高品質(zhì)雙源膨脹熟料的供應(yīng)。

  典型工程應(yīng)用

  依不同工程提供的混凝土配制技術(shù)要求，通過雙源膨脹劑的組成與用量變化，調(diào)整混凝土膨脹率，中國(guó)建材總院開發(fā)了一系列工程應(yīng)用技術(shù)，成功用于地下空間結(jié)構(gòu)自防水、超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)、自密實(shí)混凝土、大體積混凝土、灌注樁等不同現(xiàn)代混凝土工程，極大地推動(dòng)了我國(guó)高性能混凝土和建筑、建工行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步，顯著提高了我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施的安全性和耐久性。迄今為止，累計(jì)節(jié)約水泥約492萬噸，減排CO₂約400萬噸，節(jié)約了大量由石化原料制備的有機(jī)防水材料，環(huán)保意義巨大。研究成果提升了高鐵、核電等戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)建設(shè)水平與國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力，社會(huì)效益顯著。

  規(guī)范引領(lǐng)市場(chǎng)

  為了規(guī)范混凝土膨脹劑的生產(chǎn)和應(yīng)用，趙順增教授一直致力于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范制定工作，經(jīng)過多年努力，制定了產(chǎn)品、應(yīng)用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)6部。尤其是2009年制定的我國(guó)首部混凝土膨脹劑產(chǎn)品國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB23439-2009《混凝土膨脹劑》和首部補(bǔ)償收縮混凝土應(yīng)用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)JGJ/T178-2009《補(bǔ)償收縮混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》，對(duì)規(guī)范和提高我國(guó)膨脹劑質(zhì)量和膨脹劑混凝土的應(yīng)用技術(shù)水平具有重要作用。新標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施和用戶對(duì)膨脹劑質(zhì)量的重視，使得前些年充斥建筑市場(chǎng)的假冒偽劣膨脹劑大為減少，山寨廠大多垮臺(tái)，膨脹劑生產(chǎn)供應(yīng)逐漸集中在幾個(gè)有信譽(yù)的大企業(yè)中，起到規(guī)范、凈化和引領(lǐng)和市場(chǎng)走向作用，為雙源膨脹劑成果規(guī)?；瘧?yīng)用提供了保障。

  為了克服施工現(xiàn)場(chǎng)無法測(cè)量補(bǔ)償收縮混凝土限制膨脹率的難題，指導(dǎo)混凝土膨脹劑正確使用，杜絕攪拌站少摻或不摻膨脹劑。團(tuán)隊(duì)開發(fā)了水泥混凝土膨脹收縮變形及凝結(jié)時(shí)間測(cè)定裝置，可以實(shí)時(shí)自動(dòng)測(cè)量混凝土強(qiáng)度發(fā)展全程的變形量，編制的相應(yīng)計(jì)算機(jī)軟件，利用互聯(lián)網(wǎng)通訊技術(shù)，實(shí)現(xiàn)混凝土變形全程遠(yuǎn)程監(jiān)控，為混凝土工程控制變形提供了快捷簡(jiǎn)便有效的檢測(cè)手段，為成果推廣提供檢測(cè)利器。

  建設(shè)示范工程

  建設(shè)雙源高性能膨脹劑應(yīng)用示范工程，為科技成果轉(zhuǎn)化提供示范窗口，是加快成果轉(zhuǎn)化的有利途徑。團(tuán)隊(duì)積極與北京、天津、山東等地的建筑設(shè)計(jì)研究院溝通，保持良好合作關(guān)系。通過結(jié)構(gòu)自防水、超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)連續(xù)施工及大體積混凝土控溫等典型工程應(yīng)用技術(shù)在國(guó)家奧林匹克體育場(chǎng)（鳥巢）、高鐵北京南站、南京長(zhǎng)江四橋、天津梅江暢水園、山東聊城市民文化中心等多項(xiàng)重點(diǎn)工程的示范建設(shè)，擴(kuò)大了社會(huì)影響，展示了雙膨脹源高性能混凝土膨脹劑與應(yīng)用成套技術(shù)的優(yōu)勢(shì)和經(jīng)濟(jì)價(jià)值，讓觀摩考察的人更加直觀、真實(shí)地認(rèn)識(shí)該成果的好處，使得成果能更快速推廣。

  著力宣傳推廣

  對(duì)雙源高性能膨脹劑的性能及配套應(yīng)用技術(shù)，市場(chǎng)需要一個(gè)認(rèn)知、了解和認(rèn)可的過程。為了更加有助于推廣科研成果，團(tuán)隊(duì)一方面積極與國(guó)內(nèi)相關(guān)科研院所和高校的知名專家保持緊密合作，利用高性能膨脹劑的優(yōu)異性能，解決困擾各個(gè)領(lǐng)域?qū)＜业牧芽p控制難題，提升雙源膨脹劑的科學(xué)價(jià)值，同時(shí)拓寬了其應(yīng)用范圍。另一方面，由中國(guó)硅酸鹽學(xué)會(huì)水泥制品分會(huì)膨脹與自應(yīng)力專業(yè)委員會(huì)主辦，趙順增教授擔(dān)任主編的《膨脹劑與膨脹混凝土》于2004年創(chuàng)刊。該刊主要收攬了國(guó)內(nèi)外混凝土膨脹劑領(lǐng)域內(nèi)的最新科研及工程應(yīng)用成果，積極宣導(dǎo)膨脹劑和補(bǔ)償收縮混凝土知識(shí)。借助該平臺(tái)，團(tuán)隊(duì)可以及時(shí)將雙源膨脹劑的科研成果及應(yīng)用技術(shù)傳遞到設(shè)計(jì)、業(yè)主、施工方和生產(chǎn)商手中，為成果的推廣提供科學(xué)指導(dǎo)依據(jù)，有利推動(dòng)了科技成果的轉(zhuǎn)化，引領(lǐng)行業(yè)技術(shù)進(jìn)步。