膨胀混凝土的发展

　　膨胀混凝土历经国内外众多学者半个多世纪的潜心研究，已经成为水泥基材料科学的一个重要分支，仅我国长期或短暂从事过该领域的研究者就不下千人。对膨胀混凝土研究和应用比较多的国家是前苏联、美国、中国和日本。中国建筑材料科学研究总院已故总工程师吴中伟教授于上世纪五十年代将该技术介绍到国内，我国开始了这方面的研究与应用工作，并一直活跃在国际研究和应用的前沿。中国建筑材料科学研究总院的几代科技工作者谨遵吴中伟先生的教诲，不断发展膨胀混凝土技术，引领着国内的发展方向。目前我国在这一领域无论是从事研究和生产应用的人员数量，还是膨胀混凝土的用量和使用范围、相关标准体系的完善程度都处于国际领先地位。

　　我国正处于大规模建设阶段，膨胀混凝土用量巨大。当前膨胀混凝土的研究热点集中在新型膨胀材料的研发、简化施工工艺的工程技术应用技术以及节材减排等方面。

　　新型膨胀材料的研发

　　膨胀混凝土的关键材料是膨胀性胶凝材料，过去都是使用膨胀水泥配制膨胀混凝土，现在普遍采用在普通水泥中掺加膨胀剂的技术路线。我国膨胀剂行业虽然经过20多年的发展，但产品技术水平还较低。国内现有膨胀剂生产企业近百家，膨胀剂年销售量约100万吨。目前我国生产的膨胀剂，其膨胀源大都是水化硫铝酸钙（钙矾石）。从水化机理来看，在水泥石中，由各种CaO、Al2O3、SO3来源所形成的钙矾石都可能引起膨胀。我国大多数的膨胀剂采取的是固定CaO、SO3来源，变换Al2O3来源的技术路线，即CaO由硅酸盐水泥水化提供，SO3由硬石膏提供，通过改变Al2O3 来源，如铝酸钙（高铝水泥熟料）、硫铝酸钙（硫铝水泥熟料）、明矾石、含铝矿渣、煅烧矾土、高铝煤矸石、高铝粉煤灰、煅烧高岭土、地开石，等等，各生产厂据此制定不同的生产配方，形成不同的膨胀剂。所以我国的膨胀剂一般是用硬石膏和含可溶Al2O3的矿物配制而成，且很多企业基于成本考虑，大多采用价格较低的含Al2O3矿物原料，这类膨胀剂的膨胀能比较小。国外只有日本生产膨胀剂，年产量约7万吨，性能很好，代表性产品是日本电气化学公司的CSA。

　　膨胀剂的现行产品标准是JC476-2001《混凝土膨胀剂》，2010年3月1日起实施GB23439-2009《混凝土膨胀剂》，JC476-2001《混凝土膨胀剂》即行废止。

　　根据GB23439-2009《混凝土膨胀剂》的规定，膨胀剂检验掺量统一为10％，按限制膨胀率的大小，将其分为两种类型，Ⅰ型的限制膨胀率为 0.025％，是目前市场用量最广的普通膨胀剂，Ⅱ型限制膨胀率为0.050％，是高品质膨胀剂，基本达到日本JISA6202《混凝土膨胀剂》标准的技术要求。新标准既鼓励高膨胀能膨胀剂的发展，又顾及到低端产品，允许用工业废渣制造膨胀剂，体现了节能减排的主旨思想，并增加了快速检验膨胀性能的参考试验方法，是一部先进实用的标准。

　　目前，在我国的商品混凝土中，掺加30％～50％矿物掺合料渐成趋势，掺合料在水化过程中要吸收水泥中的Ca(OH)2，才能形成次生C-S-H，一些水泥生产企业往往在水泥生产过程中就掺加了大量的混合材，因此混凝土可能存在“贫钙”的潜在问题。基于这种状况，以CaO为主要膨胀源的膨胀剂是今后膨胀剂的发展方向，如中国建筑材料科学研究总院研制的HCSA双膨胀源膨胀剂，其性能已经超过了日本的CSA。但是必须指出，不是用一般生石灰做原料，而是用特殊配料的、经过高温煅烧的含CaO较多的专用膨胀熟料做原料。这类膨胀剂的膨胀相是通过固相反应过程形成，其反应条件不如溶解扩散析晶严苛，因此用于补偿收缩混凝土有以下优点：

　　（1）膨胀速度快、膨胀能大；

　　（2）对水养护的依赖程度相对较低；

　　（3）原料来源广，成本低，可以节约大量高品质铝矾土和石膏资源；

　　（4）膨胀相Ca(OH)2在完成膨胀作用之后，可以进一步与高性能混凝土中掺合料所含的活性SiO2反应，生成C-S-H凝胶，对补充大掺量掺合料混凝土的Ca(OH)2、提高混凝土抵抗碳化具有重要作用。

　　另外，轻烧氧化镁膨胀剂作为一种用于大坝混凝土裂缝控制的新材料，将会有很大的发展前途。但是由于氧化镁膨胀剂具有延迟膨胀的性质，目前对其膨胀稳定性还缺乏科学合理的评价方法，出于安全考虑，氧化镁膨胀剂还不能用于一般的工业与民用建筑。

　　简化施工工艺的工程应用技术

　　膨胀混凝土在工程应用领域的主要作用是超长混凝土结构连续施工和大体积混凝土裂缝控制。

　　为解决超长混凝土结构连续施工过程中混凝土的收缩开裂问题，常用的办法是设置后浇带，但是设置后浇带的弊端很多，首先影响施工进度，按照规范规定，后浇带至少需要42天以后，才能用膨胀混凝土回填；其次施工工艺繁杂，后浇带贯穿于整个地下、地上结构，所到之处遇梁断梁，遇板断板，给施工带来很多不便，模板支撑、处理工艺繁琐，另外在后浇带留置期间，将不可避免地落进各种垃圾杂物和施工用水，钢筋将会出现锈蚀，在后浇带填充混凝土之前，需将两侧混凝土凿毛、清理，由于此处钢筋密布，凿毛、清理异常艰难、极其麻烦，处理不好往往会成为小渗漏和结构安全的隐患。另外，在施工大体积混凝土时，一般采取分层浇筑或铺装冷却水管或加冰等降温措施，施工工艺复杂，影响工程进度。采用膨胀混凝土后，这些问题迎刃而解，可以实现连续浇筑混凝土，不仅提高了工程质量，而且极大地简化了施工工艺，节约大量工期。

　　由中国建筑材料科学研究总院主持制定的《补偿收缩混凝土应用技术规程》JGJ/T178-2009，是国内外首部膨胀混凝土应用技术标准。该标准总结了我国膨胀混凝土20多年的使用经验，从结构设计、原材料、混凝土配合比、生产、施工及验收等方面对膨胀混凝土应用技术进行了详细的规定，具有很强的实用性和可操作性，是指导膨胀混凝土应用的重要技术文件。未来一段时期内，宣传和贯彻该标准将是工程应用领域的重要工作。

　　节材减排

　　膨胀混凝土另一个重要作用体现在节材减排方面，推广膨胀混凝土技术，符合发展低碳经济的要求。

　　俗话说，苍蝇不叮无缝的蛋。钢筋混凝土结构如果产生有害裂缝，其耐久性就无从谈起，而裂缝又恰恰是普通混凝土结构的质量通病，始终没有得到很好的解决。膨胀混凝土就是为解决普通混凝土的收缩裂缝应运而生的一种新材料，能够显著减少混凝土结构的收缩裂缝，提高结构混凝土耐久性，从而延长工程服役年限，这就是最大的节材。在可预见的一个时期，膨胀混凝土仍然是具有实用性的裂缝控制材料，而且其性价比也最优。

　　膨胀混凝土另一个好的使用场所是地下工程防水，可以完全取消有机外防水，节约大量石化原料制造的有机防水材料。采用膨胀混凝土结构自防水技术，能够实现工程防水与建筑结构等寿命，比有机防水材料的寿命要长很多倍。膨胀混凝土结构自防水技术施工简便，特别适合在桩基础、下反梁等复杂结构中。

　　另外膨胀混凝土在灌注桩工程中也具有很大的节材潜力。在高层建筑、桥梁、高速铁路的基础部分都需要使用大量的灌注桩。中国建筑材料科学研究总院的研究表明，在这些桩中，如果用膨胀混凝土替代普通混凝土，能够提高单桩承载力15%左右，也就是说，相同情况下，使用膨胀混凝土能够减少15%的用桩量，节材潜力巨大。

　　膨胀混凝土是改性和提高的普通混凝土，也可以视作特种混凝土，所以要想把膨胀混凝土做好，必先把普通混凝土做精。在膨胀混凝土应用过程中，一个关键技术是减少收缩，这就要求配制混凝土的过程中，在满足性能要求的前提下，尽可能减少水泥用量。一般性能较好的膨胀混凝土，与相同强度等级的普通混凝土相比，其单方水泥用量约少50~100公斤，这对于减少二氧化碳排放具有十分重要的意义。

　　建筑、建材行业节能减排必须走坚持科学发展观、坚持科技创新的道路，实现节能减排的目标，要依靠技术进步。膨胀混凝土在这方面具有显著的技术优势，膨胀混凝土的技术进步将引领水泥混凝土行业节材减排的发展。