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,得到許多學(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(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始研制膨脹劑,開創(chuàng)了我國(guó)混凝土膨脹劑開發(fā)應(yīng)用的新時(shí)代。
科研應(yīng)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(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(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》專利技術(shù)(專利號(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5000噸,發(fā)展到2015年銷售100萬(wàn)噸,居世界之首。2002年,全國(guó)各種混凝土外加劑總銷售量為187萬(wàn)噸,其中膨脹劑為69萬(wàn)噸,占37%。由此可見,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指導(dǎo)生產(chǎn),協(xié)助工廠推廣應(yīng)用膨脹劑。
2.開展技術(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_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,給予鼓勵(lì)和指導(dǎo)。我作為膨脹混凝土的主要開創(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)注和憂慮,而基于我國(guó)商品混凝土的技術(shù)變化,膨脹劑種類也要適應(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,主要廠家在我院的指導(dǎo)下,成功生產(chǎn)氧化鈣——硫鋁酸鈣類膨脹劑,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)新的專業(yè)學(xué)科,中國(guó)土木工程學(xué)會(huì)混凝土外加劑專業(yè)委員會(huì)和中國(guó)硅酸鹽學(xué)會(huì)膨脹與自應(yīng)力混凝土專業(yè)委員會(huì)分別在1994年至2014年,召開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)。
編輯:徐潔
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