我國(guó)混凝土膨脹劑發(fā)展回顧

  1980年以前，中國(guó)建筑材料科學(xué)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(yīng)的自應(yīng)力水泥。這些膨脹——自應(yīng)力水泥的膨脹相都是鈣礬石（C₃A-3CaSO₄·32H₂O）。為此，我院開(kāi)展了鈣礬石形成條件和水泥膨脹機(jī)理的系統(tǒng)研究。

  關(guān)于膨脹原理動(dòng)力，我本人對(duì)幾種膨脹水泥石進(jìn)行了X射線(xiàn)和電鏡分析，證明在水泥石孔縫存在鈣礬石結(jié)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(rèn)為，是凝膠狀鈣礬石的吸水膨脹和結(jié)晶狀鈣礬石對(duì)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(diǎn)可以把結(jié)晶膨脹學(xué)說(shuō)和吸水膨脹學(xué)說(shuō)統(tǒng)一起來(lái)，使鈣礬石膨脹機(jī)理得到了科學(xué)解釋?zhuān)玫皆S多學(xué)者贊許。

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

  雖然膨脹水泥研究成果很多，但卻很難推廣應(yīng)用？我作為膨脹——自應(yīng)力水泥研發(fā)者之一，為此也深感苦惱。后來(lái)我發(fā)現(xiàn)，是由于宣傳不力、生產(chǎn)成本較高、應(yīng)用技術(shù)不配套、只局限應(yīng)用于填縫灌注和修補(bǔ)工程等原因?qū)е拢ㄈ缒戤a(chǎn)量為4000~5000噸，工廠(chǎng)不敢多生產(chǎn)，用戶(hù)想用又不知到哪里去買(mǎi)）。為打破這一瓶頸，1975年，我和鄧填操、陳全行等人開(kāi)始研制類(lèi)似日本的CSA硫鋁酸鈣膨脹劑，但由于種種原因，沒(méi)有投入生產(chǎn)和應(yīng)用。1986年，我與王延生等人效法日本膨脹劑的研發(fā)經(jīng)驗(yàn)，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(jì)大學(xué)、浙江大學(xué)、長(zhǎng)江科學(xué)院、南京化工學(xué)院、江蘇省建科院、安徽省建科院、山東省建科院等單位也開(kāi)始研制膨脹劑，開(kāi)創(chuàng)了我國(guó)混凝土膨脹劑開(kāi)發(fā)應(yīng)用的新時(shí)代。

  科研應(yīng)用

  1986年，建材總院開(kāi)展了混凝土膨脹劑的研究，我翻譯了日本有關(guān)膨脹劑的資料，做到心中有底。在實(shí)驗(yàn)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(xiě)UEA）。隨后，找到我院房建所從事自應(yīng)力混凝土研究的吳萬(wàn)春項(xiàng)目組共同合作，成立了UEA研究組，在石家莊市特種水泥廠(chǎng)李乃珍總工程師的支持下，在該廠(chǎng)中試生產(chǎn)第一代UEA膨脹劑，初獲成功。當(dāng)時(shí)，由劉江寧博士主持UEA混凝土系統(tǒng)試驗(yàn)研究，并在北京、天津有關(guān)工程應(yīng)用，積累和總結(jié)施工的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)。吳中偉院士肯定了這一科研成果，在他的補(bǔ)償收縮混凝土理論指導(dǎo)下，我們開(kāi)展了摻UEA膨脹劑的混凝土性能的系統(tǒng)研究。經(jīng)過(guò)10多年的工程實(shí)踐，我院開(kāi)發(fā)了補(bǔ)償收縮混凝土三大應(yīng)用技術(shù)。首先提出結(jié)構(gòu)自防水是根本，抗裂比防滲更重要的新概念，開(kāi)發(fā)補(bǔ)償收縮混凝土結(jié)構(gòu)自防水技術(shù)。1992年，建設(shè)部把《UEA補(bǔ)償收縮混凝土防水工法》YJGF22-92列為國(guó)家級(jí)工法。隨后，根據(jù)“抗”“放”結(jié)合的原理，以膨脹加強(qiáng)帶代替后澆帶，提出《超長(zhǎng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)無(wú)縫設(shè)計(jì)和施工方法》專(zhuān)利技術(shù)（專(zhuān)利號(hào)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(shù)。這三大技術(shù)適應(yīng)我國(guó)大規(guī)模工程建設(shè)中裂滲控制的需要，在許多重大工程中得到推廣應(yīng)用。補(bǔ)償收縮混凝土主要應(yīng)用于高層建筑地下室、地鐵、水工構(gòu)筑物、隧道和港工等工程領(lǐng)域。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，自1988年起，我國(guó)混凝土膨脹劑從年銷(xiāo)5000噸，發(fā)展到2015年銷(xiāo)售100萬(wàn)噸，居世界之首。2002年，全國(guó)各種混凝土外加劑總銷(xiāo)售量為187萬(wàn)噸，其中膨脹劑為69萬(wàn)噸，占37%。由此可見(jiàn)，膨脹劑是我國(guó)混凝土外加劑的主要品種之一。

  我國(guó)混凝土膨脹劑從無(wú)到有，發(fā)展迅速，成績(jī)顯著。總結(jié)起來(lái)，有如下經(jīng)驗(yàn)：

  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(shù)轉(zhuǎn)讓給近40個(gè)生產(chǎn)企業(yè)，形成全國(guó)性的生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)，并派科技人員到工廠(chǎng)指導(dǎo)生產(chǎn)，協(xié)助工廠(chǎng)推廣應(yīng)用膨脹劑。

  2.開(kāi)展技術(shù)交流，互利合作。1988年，以我院為核心，成立科龍抗裂防滲技術(shù)中心，由35個(gè)科研、設(shè)計(jì)和生產(chǎn)單位組成，每?jī)赡暾匍_(kāi)一次技術(shù)交流會(huì)。這些舉措，讓更多人了解了膨脹劑的抗裂防滲原理和應(yīng)用技術(shù)，樂(lè)意推銷(xiāo)膨脹劑，從中受益。

  3.建設(shè)一支技術(shù)服務(wù)隊(duì)伍。膨脹劑應(yīng)用有它的特殊性，要得到設(shè)計(jì)單位的認(rèn)可，用于抗裂防滲的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。技術(shù)人員參與制定施工方案，參與混凝土配合比實(shí)驗(yàn)和指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工，以保證工程質(zhì)量。為此，我們通過(guò)技術(shù)培訓(xùn)，建設(shè)全國(guó)性技術(shù)服務(wù)網(wǎng)絡(luò)，使用戶(hù)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(jià)格較低，適應(yīng)了當(dāng)時(shí)建筑市場(chǎng)的需要。但隨著高性能混凝土的發(fā)展，要求補(bǔ)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(shí)，我們于2009年制定了新的產(chǎn)品國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《混凝土膨脹劑》GB23439-2009。這些技術(shù)措施，大大提高了我國(guó)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(wú)收縮高強(qiáng)灌注料和抗裂防水劑等，擴(kuò)大了膨脹劑的品種。

  展望未來(lái)

  膨脹劑的發(fā)展得到了中國(guó)混凝土外加劑協(xié)會(huì)的大力支持，黃大能、姚燕等領(lǐng)導(dǎo)多次到會(huì)講話(huà)，給予鼓勵(lì)和指導(dǎo)。我作為膨脹混凝土的主要開(kāi)創(chuàng)者，多次參加協(xié)會(huì)主辦的技術(shù)交流會(huì)，他們聘我為協(xié)會(huì)的專(zhuān)家組成員，并擔(dān)任兩屆中國(guó)土木學(xué)會(huì)混凝土外加劑專(zhuān)業(yè)委員會(huì)副主任委員。因此，結(jié)識(shí)了不少良師益友，幫助我們推動(dòng)膨脹劑的發(fā)展，我非常感謝他們。

  由于我國(guó)高性能減水劑研發(fā)成功，促進(jìn)了商品混凝土和高性能混凝土的廣泛應(yīng)用。目前，在混凝土中摻入30%～50%的礦物摻和料已成趨勢(shì)，大多數(shù)企業(yè)在生產(chǎn)水泥過(guò)程中也摻入25%～35%的混合材。這些硅鋁摻和料在水泥水化過(guò)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(fēng)險(xiǎn)，這將會(huì)降低鋼筋混凝土的結(jié)構(gòu)耐久性。以上問(wèn)題，引起工程界的關(guān)注和憂(yōu)慮，而基于我國(guó)商品混凝土的技術(shù)變化，膨脹劑種類(lèi)也要適應(yīng)這種變化。為此，在2010年上海年會(huì)上，我們提出了以CaO為主膨脹劑源的膨脹劑，應(yīng)該是發(fā)展的新方向，得到眾多學(xué)者的贊同。經(jīng)過(guò)幾年的努力，在2014年武漢年會(huì)上，主要廠(chǎng)家在我院的指導(dǎo)下，成功生產(chǎn)氧化鈣——硫鋁酸鈣類(lèi)膨脹劑，它已成為我國(guó)膨脹劑行業(yè)的發(fā)展方向。

  混凝土膨脹劑的補(bǔ)償收縮混凝土已發(fā)展成為一個(gè)新的專(zhuān)業(yè)學(xué)科，中國(guó)土木工程學(xué)會(huì)混凝土外加劑專(zhuān)業(yè)委員會(huì)和中國(guó)硅酸鹽學(xué)會(huì)膨脹與自應(yīng)力混凝土專(zhuān)業(yè)委員會(huì)分別在1994年至2014年，召開(kāi)6屆全國(guó)混凝土膨脹劑學(xué)術(shù)交流會(huì)，出版6部論文集。2009年制定頒布應(yīng)用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)《補(bǔ)償收縮混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》JGJ/T178-2009。本專(zhuān)委會(huì)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(bǔ)償收縮混凝土》專(zhuān)著，2010年趙順增和我合著《補(bǔ)償收縮混凝土裂滲控制技術(shù)及其應(yīng)用》，這兩本書(shū)總結(jié)了國(guó)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(guó)混凝土與水泥制品協(xié)會(huì)膨脹混凝土分會(huì)成立，分會(huì)負(fù)責(zé)人趙順增、劉立、李光明、劉加平等中青年專(zhuān)家，已成為我國(guó)新一代混凝土膨脹劑研發(fā)的中堅(jiān)力量。這一系列工作，進(jìn)一步提高了混凝土膨脹劑的技術(shù)指標(biāo)，規(guī)范了補(bǔ)償收縮混凝土的應(yīng)用技術(shù)，把我國(guó)混凝土膨脹劑的質(zhì)量和補(bǔ)償收縮混凝土的應(yīng)用提升到一個(gè)新水平，為我國(guó)混凝土外加劑行業(yè)的發(fā)展及國(guó)家建設(shè)作出了貢獻(xiàn)。