我国混凝土膨胀剂发展回顾

  1980年以前，中国建筑材料科学研究总院先后研制成功硅酸盐膨胀水泥、铝酸盐膨胀水泥、明矾石膨胀水泥和硫铝酸钙膨胀水泥，以及相应的自应力水泥。这些膨胀——自应力水泥的膨胀相都是钙矾石（C₃A-3CaSO₄·32H₂O）。为此，我院开展了钙矾石形成条件和水泥膨胀机理的系统研究。

  关于膨胀原理动力，我本人对几种膨胀水泥石进行了X射线和电镜分析，证明在水泥石孔缝存在钙矾石结晶体，而在水泥凝胶区中生成难以分辨的凝胶钙矾石。因此认为，是凝胶状钙矾石的吸水膨胀和结晶状钙矾石对孔缝产生的膨胀压的共同作用使水泥石产生体积膨胀。这一观点可以把结晶膨胀学说和吸水膨胀学说统一起来，使钙矾石膨胀机理得到了科学解释，得到许多学者赞许。

  以上关于膨胀——自应力水泥生产工艺和性能的研究，以及水化机理的理论研究，为我国混凝土膨胀剂的研发奠定了良好基础。

  虽然膨胀水泥研究成果很多，但却很难推广应用？我作为膨胀——自应力水泥研发者之一，为此也深感苦恼。后来我发现，是由于宣传不力、生产成本较高、应用技术不配套、只局限应用于填缝灌注和修补工程等原因导致（如年产量为4000~5000吨，工厂不敢多生产，用户想用又不知到哪里去买）。为打破这一瓶颈，1975年，我和邓填操、陈全行等人开始研制类似日本的CSA硫铝酸钙膨胀剂，但由于种种原因，没有投入生产和应用。1986年，我与王延生等人效法日本膨胀剂的研发经验，先后研制成功硫铝酸钙膨胀剂（UEA）、铝酸钙膨胀剂（AEA）和高钙膨胀剂（CEA）。随后，同济大学、浙江大学、长江科学院、南京化工学院、江苏省建科院、安徽省建科院、山东省建科院等单位也开始研制膨胀剂，开创了我国混凝土膨胀剂开发应用的新时代。

  科研应用

  1986年，建材总院开展了混凝土膨胀剂的研究，我翻译了日本有关膨胀剂的资料，做到心中有底。在实验室试制成功用硫铝酸钙膨胀熟料、明矾石和硬石膏研制成的U型膨胀剂（英文缩写UEA）。随后，找到我院房建所从事自应力混凝土研究的吴万春项目组共同合作，成立了UEA研究组，在石家庄市特种水泥厂李乃珍总工程师的支持下，在该厂中试生产第一代UEA膨胀剂，初获成功。当时，由刘江宁博士主持UEA混凝土系统试验研究，并在北京、天津有关工程应用，积累和总结施工的经验教训。吴中伟院士肯定了这一科研成果，在他的补偿收缩混凝土理论指导下，我们开展了掺UEA膨胀剂的混凝土性能的系统研究。经过10多年的工程实践，我院开发了补偿收缩混凝土三大应用技术。首先提出结构自防水是根本，抗裂比防渗更重要的新概念，开发补偿收缩混凝土结构自防水技术。1992年，建设部把《UEA补偿收缩混凝土防水工法》YJGF22-92列为国家级工法。随后，根据“抗”“放”结合的原理，以膨胀加强带代替后浇带，提出《超长钢筋混凝土结构无缝设计和施工方法》专利技术（专利号93117132.6）。紧接着，又提出采用膨胀剂、矿粉（粉煤灰、灰矿粉）和缓凝高效减水剂“三掺”方法的大体积混凝土裂渗控制技术。这三大技术适应我国大规模工程建设中裂渗控制的需要，在许多重大工程中得到推广应用。补偿收缩混凝土主要应用于高层建筑地下室、地铁、水工构筑物、隧道和港工等工程领域。据不完全统计，自1988年起，我国混凝土膨胀剂从年销5000吨，发展到2015年销售100万吨，居世界之首。2002年，全国各种混凝土外加剂总销售量为187万吨，其中膨胀剂为69万吨，占37%。由此可见，膨胀剂是我国混凝土外加剂的主要品种之一。

  我国混凝土膨胀剂从无到有，发展迅速，成绩显著。总结起来，有如下经验：

  1.努力把科技成果转化为生产力。从1988年起，我院先后把UEA、AEA膨胀剂生产技术转让给近40个生产企业，形成全国性的生产网络，并派科技人员到工厂指导生产，协助工厂推广应用膨胀剂。

  2.开展技术交流，互利合作。1988年，以我院为核心，成立科龙抗裂防渗技术中心，由35个科研、设计和生产单位组成，每两年召开一次技术交流会。这些举措，让更多人了解了膨胀剂的抗裂防渗原理和应用技术，乐意推销膨胀剂，从中受益。

  3.建设一支技术服务队伍。膨胀剂应用有它的特殊性，要得到设计单位的认可，用于抗裂防渗的钢筋混凝土结构。技术人员参与制定施工方案，参与混凝土配合比实验和指导现场施工，以保证工程质量。为此，我们通过技术培训，建设全国性技术服务网络，使用户放心。

  4.不断提高膨胀剂产品质量，打击假冒伪劣产品。2000年以前，人们多利用明矾石、偏高龄土作为铝质原料生产膨胀剂，其质量水平较低，掺量为10%～12%。由于其价格较低，适应了当时建筑市场的需要。但随着高性能混凝土的发展，要求补偿收缩更有效，膨胀剂的限制膨胀率就更高一些。为此，我院采用窑外分解回转窑生产高钙的硫铝酸盐膨胀熟料和高钙熟料，配制成HCSA、ZY等高效膨胀剂。与此同时，我们于2009年制定了新的产品国家标准《混凝土膨胀剂》GB23439-2009。这些技术措施，大大提高了我国混凝土膨胀剂的质量，打击了假冒伪劣产品，保证了膨胀剂行业的健康发展。此外，我院还先后研制成功灌注桩膨胀剂、无收缩高强灌注料和抗裂防水剂等，扩大了膨胀剂的品种。

  展望未来

  膨胀剂的发展得到了中国混凝土外加剂协会的大力支持，黄大能、姚燕等领导多次到会讲话，给予鼓励和指导。我作为膨胀混凝土的主要开创者，多次参加协会主办的技术交流会，他们聘我为协会的专家组成员，并担任两届中国土木学会混凝土外加剂专业委员会副主任委员。因此，结识了不少良师益友，帮助我们推动膨胀剂的发展，我非常感谢他们。

  由于我国高性能减水剂研发成功，促进了商品混凝土和高性能混凝土的广泛应用。目前，在混凝土中掺入30%～50%的矿物掺和料已成趋势，大多数企业在生产水泥过程中也掺入25%～35%的混合材。这些硅铝掺和料在水泥水化过程中要吸收Ca(OH2)，才能形成次生水化硅酸钙C-S-H，因比，混凝土就存在“贫钙”或“缺钙”的潜在风险，这将会降低钢筋混凝土的结构耐久性。以上问题，引起工程界的关注和忧虑，而基于我国商品混凝土的技术变化，膨胀剂种类也要适应这种变化。为此，在2010年上海年会上，我们提出了以CaO为主膨胀剂源的膨胀剂，应该是发展的新方向，得到众多学者的赞同。经过几年的努力，在2014年武汉年会上，主要厂家在我院的指导下，成功生产氧化钙——硫铝酸钙类膨胀剂，它已成为我国膨胀剂行业的发展方向。

  混凝土膨胀剂的补偿收缩混凝土已发展成为一个新的专业学科，中国土木工程学会混凝土外加剂专业委员会和中国硅酸盐学会膨胀与自应力混凝土专业委员会分别在1994年至2014年，召开6届全国混凝土膨胀剂学术交流会，出版6部论文集。2009年制定颁布应用技术标准《补偿收缩混凝土应用技术规程》JGJ/T178-2009。本专委会还创办了《膨胀剂与膨胀混凝土》科技期刊。2005年，我和李乃珍合著《膨胀剂及其补偿收缩混凝土》专著，2010年赵顺增和我合著《补偿收缩混凝土裂渗控制技术及其应用》，这两本书总结了国内外膨胀剂发展历史的成就。2010年10月，行业组织——中国混凝土与水泥制品协会膨胀混凝土分会成立，分会负责人赵顺增、刘立、李光明、刘加平等中青年专家，已成为我国新一代混凝土膨胀剂研发的中坚力量。这一系列工作，进一步提高了混凝土膨胀剂的技术指标，规范了补偿收缩混凝土的应用技术，把我国混凝土膨胀剂的质量和补偿收缩混凝土的应用提升到一个新水平，为我国混凝土外加剂行业的发展及国家建设作出了贡献。