[摘要] 本文介绍了2000～2005 年期间我国膨胀剂的研制、生产和应用的概况,提出今后的发展方向和如何正确使用膨胀剂等问题。
[关键词] 混凝土膨胀剂;补偿收缩;抗裂防渗;耐久性
1 前言
我国混凝土膨胀剂开发应用已有20 多年的历史,在吴中伟院士的补偿收缩混凝土理论的指导下[1 ][2 ] ,取得很大成绩,膨胀剂的质量从高碱到低碱,从高掺到低掺;掺膨胀剂的补偿收缩混凝土的性能研究更系统,其应用技术更完善,应用范围不断扩大,尤其在混凝土裂渗控制方面已成为一个有效技术措施。但是,膨胀剂质量在稳定性和应用技术上仍存在不足之处,有待进一步改进。
二、混凝土膨胀剂的研制
中国建筑材料科学研究总院和其他科研、高校等单位对提高我国混凝土膨胀剂质量做了许多工作,回顾20 多年历程,膨胀剂的质量发展经历了高碱高掺、中碱中掺和低碱低掺的三个阶段,见表1 。
膨胀剂的质量与其生产工艺有密切关系。我国绝大多数厂家生产硫铝酸盐型膨胀剂, 其膨胀源是钙矾石( C3A ·3CaSO4 ·32H2O) ,除石膏质量外,其活性高低主要取决于铝质膨胀熟料的质量。
我院研究表明[3 ][4 ] ,钙矾石的形态、生成速度和数量对水泥膨胀有直接影响。当水泥2膨胀剂系统中CaO 和CaSO4 满足要求条件下,膨胀速率和大小主要决定于含铝组分的活性高低和数量。所以,膨胀剂的质量与含铝组分有直接关系,由此形成我国混凝土膨胀剂研究的发展史,见表2 。
在80 年代初,安徽省建筑科学研究院在我院的明矾石膨胀水泥基础上,研制成功明矾石膨胀剂( EA - L) ,它以明矾石作含铝组分,但这种膨胀剂效能较低,掺量为15 %～20 % ,碱含量达215 %～310 % ,目前已被淘汰。
1985～1988 年, 中国建材院先后研制成功复合膨胀剂(CEA) ,铝酸钙膨胀剂(AEA) 和U 型膨胀剂(UEA) 。国内大多数厂家生产UEA 或以此改进的膨胀剂,AEA 是具有一定特色的膨胀剂。CEA 膨胀剂已被淘汰。膨胀剂与减水剂组成的复合膨胀剂已从JC476 - 2001 标准中删掉,但根据用户要求,有些厂家仍生产,有的改称为抗裂防水剂。
1990 年后,山东省建科院和山东省建材院分别研制成功PNC 和J EA 膨胀剂。浙江工业大学的TEA ,江西省建材院和江西省武冠新材料公司的HEA 等10 多个牌号膨胀剂进入市场。
为适应市场之需,我院北京中岩特材公司在2000 年研制成功第四代UEA ,又名ZYÒ膨胀剂[6 ] 。它是用特制铝酸钙水泥熟料或铝酸钙2硫铝酸钙熟料和石膏磨制而成,其中熟料是用矾土、石灰石和石膏配制成生料, 在回转窑中经1340 ～1380 ℃煅烧成特种膨胀熟料,其主要矿物组成为铝酸钙CA 和CA2 ,以及硫铝酸钙C4A3 S ,这三种含铝矿物的水化速度不同,它们分别与CaSO4 水化生成钙矾石:
CA + 3CaSO4 + 2Ca (OH) 2 + 30H2O = C3A ·3CaSO4 ·32H2O
CA2 + 6CaSO4 + 5Ca (OH) 2 + 59H2O = 2 (C3A ·3CaSO4·32H2O)
C4A3 S + 8CaSO4 + 6Ca (OH) 2 + 90H2O = 3 ( C3A ·3CaSO4 ·32H2O)
ZY膨胀剂具有较大的膨胀能,其掺量为6 %～8 % ,碱含量为012 %～014 % ,属于低碱低掺量膨胀剂,2000 年投入生产。近几年来,深圳陆基建材技术公司、重庆江北特种建材公司、浙江合力新型建材公司、上海天恺特种材料公司和郑州中阳建材技术公司,与我院中岩特材公司合作生产“中岩”牌ZY膨胀剂,有利于全面提升我国混凝土膨胀剂的质量。
与此同时,唐山北极熊特种水泥公司和天津豹鸣建材公司生产类似日本的硫铝酸盐膨胀剂(CSA) 。石家庄功能建材公司生产含高铝水泥熟料、硫铝酸盐熟料、石膏和分散剂的FEA膨胀剂。山东寿光利飞混凝土外加剂公司、南京特材公司、江西瑞州特种建材公司、上海白水泥公司、武汉三源特材公司、贵州省建材院实验厂、河南省建材院混凝土外加剂公司等也已生产低碱低掺膨胀剂。
研究和生产实践表明,低碱低掺膨胀剂必须采用回转窑生产的含铝膨胀熟料,不但膨胀性能高,而且质量较稳定,这应是我国膨胀剂生产的发展方向。但是,目前仍有部分厂家为了降低生产成本,使用廉价的明矾石、煤矸石或粉煤灰作铝质原料,膨胀剂质量达不到JC476 标准,并有“三无”小厂生产假冒伪劣膨胀剂,以低价冲击市场,这些都严重影响工程质量,败坏膨胀剂生产厂家声誉,必须由有关质检部门和工商行政管理局查处,才能使我国膨胀剂生产得到健康发展。
3 《混凝土膨胀剂》标准的修订
1992 年以前,我国尚未制定《混凝土膨胀剂建材行业标准》,只有企业标准,产品质量无法比较。为提高我国混凝土膨胀剂质量与监督,于1992 年制定了我国第一个《混凝土膨胀剂建材行业标准JC476 - 92》。
1998 年制定了我国第二个《混凝土膨胀剂建材行业标准JC476 - 1998》,这个修改标准第一次规定膨胀剂掺量≤12 % ,碱含量≤01075 % ,氯离子含量≤010050 %。把我国混凝土膨胀剂提高到一个新水平,淘汰一些落后产品。
1999 年,我国水泥标准发生巨大变化,向国际接轨,我国实施ISO 水泥标准。为了使混凝土膨胀剂标准与ISO 水泥标准接轨,于2001 年制定了第三个《混凝土膨胀剂建材行业标准JC476 - 2001》,这一新标准特点是采用ISO 标准砂,调整了水灰比,强度指标有所下调,要求膨胀性能更高,测量膨胀率的比长仪从百分表改为千分表,仪器的构造和精度更好。
我国《混凝土膨胀剂标准》在10 年内进行了三次修订,大大促进了我国膨胀剂质量水平的提高,与日本膨胀剂标准相接近。但是,许多厂家和建材质检中心反映,由于我国基准水泥和P. O. 4215 普通水泥的质量波动较大,按同一掺量膨胀剂检验,用基准水泥检验的水泥砂浆强度合格,而用普通水泥则不合格,有时却相反。因此,建议第四次修订标准时,改用7 天和28 天的抗压强度比,这样可消除水泥质量波动的影响,这一建议值得考虑。
4 混凝土膨胀剂生产发展
膨胀剂研究的不断进步和《混凝土膨胀剂标准》的三次修订,促进了我国膨胀剂的生产发展。从1998 年以后,我国开始生产低碱膨胀剂(R2O ≤0175 %) ,规定掺量≤12 %。这样,把我国膨胀剂质量提高到一个新水平。各厂家根据当地原料资源,采用高铝水泥熟料、硫铝酸盐熟料、煅烧高岭土、高铝煤矸石等含铝熟料生产膨胀剂。我国绝大多数厂家生产硫铝酸盐类膨胀剂。
据不完全统计,我国约有100 多个膨胀剂生产厂家,年销万吨以上有30 多家骨干企业。膨胀剂品牌有UEA、ZY、AEA、CSA、PNC、HEA、FEA、TEA、J EA 等。其中UEA、ZY为我院注册商标。
鉴于1999 年以后,我国大规模的基础设施、城市改造和房地产业的兴起,涉及众多的抗裂防渗工程,因而促进了混凝土膨胀剂的生产,见图1 。据不完全统计,膨胀剂全国年销量为:1990 年约118 万吨,到2002 年达70 万吨,2005 年达到100 万吨。从1980～2005 年,我国在工程上应用膨胀剂已达500 万吨,其中UEA、ZY、AEA、PNC 和CSA 年销量约占70 %。以平均40kg/ m3 计,折合补偿收缩混凝土约112 亿立方米。由此可见,我国混凝土膨胀剂生产仍保持良好的发展势头,居世界之首。
据中国混凝土外加剂协会统计,2002 年全国混凝土外加剂总销量为187 万吨,膨胀剂销量占总销量的3619 %。此外,以膨胀剂为组分的无收缩高强灌注料(U GM、CGM) 、膨胀型速凝剂、膨胀型(抗裂) 防水剂、膨胀型快速堵漏剂等,它们的年销量约10 万吨左右。由此可见,膨胀剂在混凝土外加剂中占有突出的地位,这是我国与国外混凝土外加剂的不同之处。
然而,由于膨胀剂生产工艺技术和设备投入门槛低,市场上涌入了一些缺乏资质的竞争者。他们利欲熏心,粗制滥造,低价倾销,将膨胀剂市场搅乱。低劣的品质,对工程应用技术的无知,导致一些工程没能收到补偿收缩混凝土的效能,这也是部分工程界人士对膨胀剂持异议的主要原因之一。
为了正本清源,更好地使补偿收缩理论和技术在工程建设得到正确的应用,中国建材院承担膨胀剂技术开发和生产的直属企业———北京中岩特种公司做了大量的工作,如产品更新换代的开发、特种膨胀熟料的开发等。更具有意义的是以市场经济为原则,在长江、珠江三角洲和中原地区有选择地发展了5 、6 家加盟厂商,以统一的品质标准,统一的生产工艺控制,统一的ZY品牌和形象,统一的工程技术服务内容,在市场上从事膨胀剂生产和产品的应用推广工作。几年来在广州、深圳、杭州、宁波、上海、苏州和北京的大批工程实践表明,优良的品质和有效的工程服务,保证了补偿收缩混凝土功效的发挥,较好地解决了工程结构的裂缝问题,确立了用户的信心,同时也提高了品牌效应和企业的经济效益。
5 混凝土膨胀剂的应用
中国建材院与其他科研设计院所和高校一批科技人员,对混凝土膨胀剂的开发应用作出了积极贡献,通过大量工程实践,掺膨胀剂的补偿收缩混凝土结构自防水,少缝或无缝设计施工和大体积混凝土结构裂缝三大应用技术得到进一步完善,工程实践的经验更加丰富。建设部颁布的《混凝土外加剂应用技术规范》GBJ119 - 2002 ,比原规范更有指导意义,反映近十年来混凝土外加剂应用的技术进步。其中《混凝土膨胀剂》章节把对膨胀剂质量要求,掺膨胀剂混凝土配合比设计,对结构设计和施工等都提出了明确要求。该新规范对正确使用膨胀剂具有指导意义。
近年来,一些科研单位和商品混凝土公司开展了对膨胀剂与水泥和减水剂适应性研究,不同品牌膨胀剂对混凝土性能的影响研究,不同掺合料对掺膨胀剂的混凝土性能的影响。试验结果呈现较大的差异性,这是由于:
(1) 我国水泥品牌繁多,水泥熟料矿物(主要是C3 S 和C3A) 不同,粉磨成水泥时加入工业废渣(矿渣、粉煤灰、煤矸石、沸石) 不同,水泥比表面积有差异。
(2) 减水剂品牌众多,萘系减水剂中的Na2 SO4 含量在5 %～22 %范围内变化,对混凝土减水率和坍落度有直接影响。
(3)掺入混凝土中的细磨掺合料的品种和掺量不同。(4) 膨胀剂的矿物成分不同。上述因素都存在正与负的效应。在GB50119- 2002 规范中,明确规定掺膨胀剂的补偿收缩混凝土的第一特性是限制膨胀率(水中14d > 01015 %) ,同时保证混凝土其他性能。这就必须通过试验才能确定膨胀剂掺量和优选出混凝土的配合比。
近年来,也开展了补偿收缩高性能混凝土的研究及其工程应用、补偿收缩纤维混凝土的研究与应用、补偿收缩重混凝土在核设施的应用、膨胀剂在高强钢管混凝土的研究与应用、以及补偿收缩混凝土在超大面积预应力楼板的应用等,这些科研成果都拓宽了膨胀剂的应用范围。
膨胀剂作为建筑结构裂渗控制一个有效的技术措施,已受到设计施工界的认可。有些科研设计者根据具体的超长结构,对补偿收缩混凝土裂缝控制进行了计算分析,合理分布膨胀加强带和后浇带,提出了构造钢筋的合理布置。在施工方面,提出了墙体混凝土的浇筑、控制拆模时间和加强养护的措施。完善了粉煤灰(或矿渣粉) 、膨胀剂和缓凝高效减水剂“三掺”技术在大体积混凝土的应用技术。
根据十多年的经验教训,我院提出《如何正确使用混凝土膨胀剂》,要从材料、设计、施工和维护四方面着手,才能达到控制结构有害裂缝的效果。
近年来,掺膨胀剂的补偿收缩混凝土已成功应用于2008年北京奥运会国家体育场,国家游泳馆,奥林匹克国际会议中心,首都和广州白云机场新航站,北京、天津地铁,深圳华为科研中心,苏州科技新天地,三峡水电量站,秦山、田湾核电站等数千个抗裂防渗工程。
6 学术活动
为促进我国膨胀剂及其补偿收缩混凝土的发展,为企业和用户提供一个技术交流平台。2004 年中国硅酸盐学会混凝土与水泥制品分会膨胀与自应力混凝土专业委员会在北京正式成立,并召开了第一次膨胀剂应用技术交流会。2005 年10 月又召开第二次技术交流会,有26 个单位的50 位科研工作者和企业家参加。与会代表重点讨论了《补偿收缩混凝土设计和施工应用技术导则》,作为指导广大工程技术与管理人员如何用好膨胀剂的重要指导文件。与会者还对《混凝土膨胀剂》列入国标提出修改意见,主要把绝对强度改为强度比。同时,确定于2006 年11 月在深圳召开全国第四届混凝土膨胀剂学术交流会。
中国建材院科龙抗裂防渗中心仍然一如既往地作为我院膨胀剂技术咨询和技术支持的平台,为广大转让我院该技术的厂家提供生产和应用技术的咨询和支持服务,也应相关厂家的要求,对其承担的具体工程项目提供技术方案等。北京中岩特材公司、深圳陆基建材技术公司、江西瑞州特材公司、武汉三源特材公司、浙江合力新型建材公司、山东寿光利飞混凝土外加剂公司分别在北京、深圳、广州、东莞、珠海、南海、南昌、长沙、武汉、黄石、杭州、苏州、兰溪、乌鲁木齐、山东聊城等城市召开技术交流会,请我院专家作学术报告,从而使设计界和工程界进一步了解我国膨胀剂的发展近况,促进膨胀剂的开发应用,也提高了厂家的知名度。
近四年来,在各种杂志上发表的有关膨胀剂及其应用文章有30 多篇,各公司举办的膨胀剂学术交流会约18 次。2005年,游宝坤、李乃珍合著的《膨胀剂及其补偿收缩混凝土》[7 ] ,王栋民著的《高性能膨胀混凝土》[8 ] ,2006 年史美东、史美生等编著的《补偿收缩混凝土的应用技术》[9 ] 分别已由中国建材工业出版社和中国水利水电出版社出版。这些著作反映了我国近年来膨胀剂及其补偿收缩混凝土的学术成就和在工程应用的业绩,是对吴中伟院士的补偿收缩混凝土理论与实践的提升。
7 膨胀剂的发展前景
随着我国商品和高性能混凝土的大规模应用,突出的矛盾是工程裂缝出现的机率增多,而有害裂缝与结构耐久性有直接关系,商品住宅已涉及民生问题,对此用户反映强烈。近年来,建设部和工程界对混凝土裂缝控制十分重视。从材料角度来说,混凝土膨胀剂、减缩剂、钢纤维和合成有机纤维都是减免或分散裂缝的有效措施,但从材料价格和施工便利方面,膨胀剂更有优势。
吴中伟院士指出[1 ] “, 混凝土内部微裂缝到可见裂缝,对安全使用期是有害的,尤其对腐蚀、反复荷载、动力作用等严酷条件,裂缝发展常是不耐久的主要原因,加入适量膨胀剂有利于减免早期内部裂缝”“, 到2010 年我国基础设施建设与住宅建筑需要大量优质混凝土,高性能混凝土( HPC) 将大量应用,将膨胀剂掺入HPC 是必然趋势,只有重视膨胀剂质量,积极创新,才能加速这一发展进程”。
尽管工程界对膨胀剂在实际工程中的效果存在一些疑议,但是,随着膨胀剂质量的提高和应用技术水平的提高,补偿收缩混凝土已被建设部和工程界认可为结构裂渗控制的有效技术措施,并已列入有关技术规范中。
遵照吴中伟院士生前的指引方向,不断提高混凝土膨胀剂的质量和补偿收缩混凝土的应用技术水平,我们有可能达到吴中伟院士提出的目标: 膨胀剂预计产量应可占普通水泥的10 %。估计我国应用于钢筋混凝土的水泥约3 亿吨,也即膨胀2自应力水泥在3000 万吨,如折合成膨胀剂则可有每年300万吨左右的市场容量。
世界建筑市场在中国,混凝土收缩开裂是客观存在的突出问题,以减免结构裂缝为目的的膨胀剂随之出现和发展,正好适应建筑市场之需要。黄大能教授曾提出“, 十五”计划将造就一个混凝土外加剂的时代,事实验证了这一点。我们相信,混凝土膨胀剂是有着广阔的应用前景,是可持续发展的行业。中国的补偿收缩混凝土的理论和实际,也将推广到国际建筑市场。
参考文献
[1 ] 吴中伟. 补偿收缩混凝土[M] . 北京:中国建筑工业出版社,19791
[2 ] 吴中伟. 膨胀混凝土[M] . 北京:中国铁道出版社,19901
[3 ] 游宝坤. 钙矾石与膨胀水泥[J ] . 硅酸盐通报,1985 , (3)1
[4 ] 薛君,吴中伟. 膨胀和自应力水泥及其应用[M] . 北京:中国建筑工业出版社,19851
[5 ] 游宝坤,吴万春,韩立林,等. U 型混凝土膨胀剂[J ] . 硅酸盐学报,1987 , (5)1
[6 ] 游宝坤,陈旭峰,等. 铝酸钙- 硫铝酸钙膨胀剂[ P ] . 申请专利号,20021
[7 ] 游宝坤,李乃珍. 膨胀剂及其补偿收缩混凝土[M] . 北京:中国建材工业出版社,20051
[8 ] 王栋民. 高性能膨胀混凝土[M] . 北京:中国水利水电出版社,20051
[9 ] 史美东,史美生. 补偿收缩混凝土的应用技术[M] . 北京:中国建材工业出版社,20061
