[摘要] 本文介紹了2000～2005 年期間我國膨脹劑的研制、生產和應用的概況,提出今后的發(fā)展方向和如何正確使用膨脹劑等問題。
[關鍵詞] 混凝土膨脹劑;補償收縮;抗裂防滲;耐久性
1 前言
我國混凝土膨脹劑開發(fā)應用已有20 多年的歷史,在吳中偉院士的補償收縮混凝土理論的指導下[1 ][2 ] ,取得很大成績,膨脹劑的質量從高堿到低堿,從高摻到低摻;摻膨脹劑的補償收縮混凝土的性能研究更系統(tǒng),其應用技術更完善,應用范圍不斷擴大,尤其在混凝土裂滲控制方面已成為一個有效技術措施。但是,膨脹劑質量在穩(wěn)定性和應用技術上仍存在不足之處,有待進一步改進。
二、混凝土膨脹劑的研制
中國建筑材料科學研究總院和其他科研、高校等單位對提高我國混凝土膨脹劑質量做了許多工作,回顧20 多年歷程,膨脹劑的質量發(fā)展經歷了高堿高摻、中堿中摻和低堿低摻的三個階段,見表1 。
膨脹劑的質量與其生產工藝有密切關系。我國絕大多數廠家生產硫鋁酸鹽型膨脹劑, 其膨脹源是鈣礬石( C3A ·3CaSO4 ·32H2O) ,除石膏質量外,其活性高低主要取決于鋁質膨脹熟料的質量。
我院研究表明[3 ][4 ] ,鈣礬石的形態(tài)、生成速度和數量對水泥膨脹有直接影響。當水泥2膨脹劑系統(tǒng)中CaO 和CaSO4 滿足要求條件下,膨脹速率和大小主要決定于含鋁組分的活性高低和數量。所以,膨脹劑的質量與含鋁組分有直接關系,由此形成我國混凝土膨脹劑研究的發(fā)展史,見表2 。
在80 年代初,安徽省建筑科學研究院在我院的明礬石膨脹水泥基礎上,研制成功明礬石膨脹劑( EA - L) ,它以明礬石作含鋁組分,但這種膨脹劑效能較低,摻量為15 %～20 % ,堿含量達215 %～310 % ,目前已被淘汰。
1985～1988 年, 中國建材院先后研制成功復合膨脹劑(CEA) ,鋁酸鈣膨脹劑(AEA) 和U 型膨脹劑(UEA) 。國內大多數廠家生產UEA 或以此改進的膨脹劑,AEA 是具有一定特色的膨脹劑。CEA 膨脹劑已被淘汰。膨脹劑與減水劑組成的復合膨脹劑已從JC476 - 2001 標準中刪掉,但根據用戶要求,有些廠家仍生產,有的改稱為抗裂防水劑。
1990 年后,山東省建科院和山東省建材院分別研制成功PNC 和J EA 膨脹劑。浙江工業(yè)大學的TEA ,江西省建材院和江西省武冠新材料公司的HEA 等10 多個牌號膨脹劑進入市場。
為適應市場之需,我院北京中巖特材公司在2000 年研制成功第四代UEA ,又名ZYÒ膨脹劑[6 ] 。它是用特制鋁酸鈣水泥熟料或鋁酸鈣2硫鋁酸鈣熟料和石膏磨制而成,其中熟料是用礬土、石灰石和石膏配制成生料, 在回轉窯中經1340 ～1380 ℃煅燒成特種膨脹熟料,其主要礦物組成為鋁酸鈣CA 和CA2 ,以及硫鋁酸鈣C4A3 S ,這三種含鋁礦物的水化速度不同,它們分別與CaSO4 水化生成鈣礬石:
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膨脹劑具有較大的膨脹能,其摻量為6 %～8 % ,堿含量為012 %～014 % ,屬于低堿低摻量膨脹劑,2000 年投入生產。近幾年來,深圳陸基建材技術公司、重慶江北特種建材公司、浙江合力新型建材公司、上海天愷特種材料公司和鄭州中陽建材技術公司,與我院中巖特材公司合作生產“中巖”牌ZY膨脹劑,有利于全面提升我國混凝土膨脹劑的質量。
與此同時,唐山北極熊特種水泥公司和天津豹鳴建材公司生產類似日本的硫鋁酸鹽膨脹劑(CSA) 。石家莊功能建材公司生產含高鋁水泥熟料、硫鋁酸鹽熟料、石膏和分散劑的FEA膨脹劑。山東壽光利飛混凝土外加劑公司、南京特材公司、江西瑞州特種建材公司、上海白水泥公司、武漢三源特材公司、貴州省建材院實驗廠、河南省建材院混凝土外加劑公司等也已生產低堿低摻膨脹劑。
研究和生產實踐表明,低堿低摻膨脹劑必須采用回轉窯生產的含鋁膨脹熟料,不但膨脹性能高,而且質量較穩(wěn)定,這應是我國膨脹劑生產的發(fā)展方向。但是,目前仍有部分廠家為了降低生產成本,使用廉價的明礬石、煤矸石或粉煤灰作鋁質原料,膨脹劑質量達不到JC476 標準,并有“三無”小廠生產假冒偽劣膨脹劑,以低價沖擊市場,這些都嚴重影響工程質量,敗壞膨脹劑生產廠家聲譽,必須由有關質檢部門和工商行政管理局查處,才能使我國膨脹劑生產得到健康發(fā)展。
3 《混凝土膨脹劑》標準的修訂
1992 年以前,我國尚未制定《混凝土膨脹劑建材行業(yè)標準》,只有企業(yè)標準,產品質量無法比較。為提高我國混凝土膨脹劑質量與監(jiān)督,于1992 年制定了我國第一個《混凝土膨脹劑建材行業(yè)標準JC476 - 92》。
1998 年制定了我國第二個《混凝土膨脹劑建材行業(yè)標準JC476 - 1998》,這個修改標準第一次規(guī)定膨脹劑摻量≤12 % ,堿含量≤01075 % ,氯離子含量≤010050 %。把我國混凝土膨脹劑提高到一個新水平,淘汰一些落后產品。
1999 年,我國水泥標準發(fā)生巨大變化,向國際接軌,我國實施ISO 水泥標準。為了使混凝土膨脹劑標準與ISO 水泥標準接軌,于2001 年制定了第三個《混凝土膨脹劑建材行業(yè)標準JC476 - 2001》,這一新標準特點是采用ISO 標準砂,調整了水灰比,強度指標有所下調,要求膨脹性能更高,測量膨脹率的比長儀從百分表改為千分表,儀器的構造和精度更好。
我國《混凝土膨脹劑標準》在10 年內進行了三次修訂,大大促進了我國膨脹劑質量水平的提高,與日本膨脹劑標準相接近。但是,許多廠家和建材質檢中心反映,由于我國基準水泥和P. O. 4215 普通水泥的質量波動較大,按同一摻量膨脹劑檢驗,用基準水泥檢驗的水泥砂漿強度合格,而用普通水泥則不合格,有時卻相反。因此,建議第四次修訂標準時,改用7 天和28 天的抗壓強度比,這樣可消除水泥質量波動的影響,這一建議值得考慮。
4 混凝土膨脹劑生產發(fā)展
膨脹劑研究的不斷進步和《混凝土膨脹劑標準》的三次修訂,促進了我國膨脹劑的生產發(fā)展。從1998 年以后,我國開始生產低堿膨脹劑(R2O ≤0175 %) ,規(guī)定摻量≤12 %。這樣,把我國膨脹劑質量提高到一個新水平。各廠家根據當地原料資源,采用高鋁水泥熟料、硫鋁酸鹽熟料、煅燒高嶺土、高鋁煤矸石等含鋁熟料生產膨脹劑。我國絕大多數廠家生產硫鋁酸鹽類膨脹劑。
據不完全統(tǒng)計,我國約有100 多個膨脹劑生產廠家,年銷萬噸以上有30 多家骨干企業(yè)。膨脹劑品牌有UEA、ZY、AEA、CSA、PNC、HEA、FEA、TEA、J EA 等。其中UEA、ZY為我院注冊商標。
鑒于1999 年以后,我國大規(guī)模的基礎設施、城市改造和房地產業(yè)的興起,涉及眾多的抗裂防滲工程,因而促進了混凝土膨脹劑的生產,見圖1 。據不完全統(tǒng)計,膨脹劑全國年銷量為:1990 年約118 萬噸,到2002 年達70 萬噸,2005 年達到100 萬噸。從1980～2005 年,我國在工程上應用膨脹劑已達500 萬噸,其中UEA、ZY、AEA、PNC 和CSA 年銷量約占70 %。以平均40kg/ m3 計,折合補償收縮混凝土約112 億立方米。由此可見,我國混凝土膨脹劑生產仍保持良好的發(fā)展勢頭,居世界之首。
據中國混凝土外加劑協(xié)會統(tǒng)計,2002 年全國混凝土外加劑總銷量為187 萬噸,膨脹劑銷量占總銷量的3619 %。此外,以膨脹劑為組分的無收縮高強灌注料(U GM、CGM) 、膨脹型速凝劑、膨脹型(抗裂) 防水劑、膨脹型快速堵漏劑等,它們的年銷量約10 萬噸左右。由此可見,膨脹劑在混凝土外加劑中占有突出的地位,這是我國與國外混凝土外加劑的不同之處。
然而,由于膨脹劑生產工藝技術和設備投入門檻低,市場上涌入了一些缺乏資質的競爭者。他們利欲熏心,粗制濫造,低價傾銷,將膨脹劑市場攪亂。低劣的品質,對工程應用技術的無知,導致一些工程沒能收到補償收縮混凝土的效能,這也是部分工程界人士對膨脹劑持異議的主要原因之一。
為了正本清源,更好地使補償收縮理論和技術在工程建設得到正確的應用,中國建材院承擔膨脹劑技術開發(fā)和生產的直屬企業(yè)———北京中巖特種公司做了大量的工作,如產品更新?lián)Q代的開發(fā)、特種膨脹熟料的開發(fā)等。更具有意義的是以市場經濟為原則,在長江、珠江三角洲和中原地區(qū)有選擇地發(fā)展了5 、6 家加盟廠商,以統(tǒng)一的品質標準,統(tǒng)一的生產工藝控制,統(tǒng)一的ZY品牌和形象,統(tǒng)一的工程技術服務內容,在市場上從事膨脹劑生產和產品的應用推廣工作。幾年來在廣州、深圳、杭州、寧波、上海、蘇州和北京的大批工程實踐表明,優(yōu)良的品質和有效的工程服務,保證了補償收縮混凝土功效的發(fā)揮,較好地解決了工程結構的裂縫問題,確立了用戶的信心,同時也提高了品牌效應和企業(yè)的經濟效益。
5 混凝土膨脹劑的應用
中國建材院與其他科研設計院所和高校一批科技人員,對混凝土膨脹劑的開發(fā)應用作出了積極貢獻,通過大量工程實踐,摻膨脹劑的補償收縮混凝土結構自防水,少縫或無縫設計施工和大體積混凝土結構裂縫三大應用技術得到進一步完善,工程實踐的經驗更加豐富。建設部頒布的《混凝土外加劑應用技術規(guī)范》GBJ119 - 2002 ,比原規(guī)范更有指導意義,反映近十年來混凝土外加劑應用的技術進步。其中《混凝土膨脹劑》章節(jié)把對膨脹劑質量要求,摻膨脹劑混凝土配合比設計,對結構設計和施工等都提出了明確要求。該新規(guī)范對正確使用膨脹劑具有指導意義。
近年來,一些科研單位和商品混凝土公司開展了對膨脹劑與水泥和減水劑適應性研究,不同品牌膨脹劑對混凝土性能的影響研究,不同摻合料對摻膨脹劑的混凝土性能的影響。試驗結果呈現(xiàn)較大的差異性,這是由于:
(1) 我國水泥品牌繁多,水泥熟料礦物(主要是C3 S 和C3A) 不同,粉磨成水泥時加入工業(yè)廢渣(礦渣、粉煤灰、煤矸石、沸石) 不同,水泥比表面積有差異。
(2) 減水劑品牌眾多,萘系減水劑中的Na2 SO4 含量在5 %～22 %范圍內變化,對混凝土減水率和坍落度有直接影響。
(3)摻入混凝土中的細磨摻合料的品種和摻量不同。(4) 膨脹劑的礦物成分不同。上述因素都存在正與負的效應。在GB50119- 2002 規(guī)范中,明確規(guī)定摻膨脹劑的補償收縮混凝土的第一特性是限制膨脹率(水中14d > 01015 %) ,同時保證混凝土其他性能。這就必須通過試驗才能確定膨脹劑摻量和優(yōu)選出混凝土的配合比。
近年來,也開展了補償收縮高性能混凝土的研究及其工程應用、補償收縮纖維混凝土的研究與應用、補償收縮重混凝土在核設施的應用、膨脹劑在高強鋼管混凝土的研究與應用、以及補償收縮混凝土在超大面積預應力樓板的應用等,這些科研成果都拓寬了膨脹劑的應用范圍。
膨脹劑作為建筑結構裂滲控制一個有效的技術措施,已受到設計施工界的認可。有些科研設計者根據具體的超長結構,對補償收縮混凝土裂縫控制進行了計算分析,合理分布膨脹加強帶和后澆帶,提出了構造鋼筋的合理布置。在施工方面,提出了墻體混凝土的澆筑、控制拆模時間和加強養(yǎng)護的措施。完善了粉煤灰(或礦渣粉) 、膨脹劑和緩凝高效減水劑“三摻”技術在大體積混凝土的應用技術。
根據十多年的經驗教訓,我院提出《如何正確使用混凝土膨脹劑》,要從材料、設計、施工和維護四方面著手,才能達到控制結構有害裂縫的效果。
近年來,摻膨脹劑的補償收縮混凝土已成功應用于2008年北京奧運會國家體育場,國家游泳館,奧林匹克國際會議中心,首都和廣州白云機場新航站,北京、天津地鐵,深圳華為科研中心,蘇州科技新天地,三峽水電量站,秦山、田灣核電站等數千個抗裂防滲工程。
6 學術活動
為促進我國膨脹劑及其補償收縮混凝土的發(fā)展,為企業(yè)和用戶提供一個技術交流平臺。2004 年中國硅酸鹽學會混凝土與水泥制品分會膨脹與自應力混凝土專業(yè)委員會在北京正式成立,并召開了第一次膨脹劑應用技術交流會。2005 年10 月又召開第二次技術交流會,有26 個單位的50 位科研工作者和企業(yè)家參加。與會代表重點討論了《補償收縮混凝土設計和施工應用技術導則》,作為指導廣大工程技術與管理人員如何用好膨脹劑的重要指導文件。與會者還對《混凝土膨脹劑》列入國標提出修改意見,主要把絕對強度改為強度比。同時,確定于2006 年11 月在深圳召開全國第四屆混凝土膨脹劑學術交流會。
中國建材院科龍抗裂防滲中心仍然一如既往地作為我院膨脹劑技術咨詢和技術支持的平臺,為廣大轉讓我院該技術的廠家提供生產和應用技術的咨詢和支持服務,也應相關廠家的要求,對其承擔的具體工程項目提供技術方案等。北京中巖特材公司、深圳陸基建材技術公司、江西瑞州特材公司、武漢三源特材公司、浙江合力新型建材公司、山東壽光利飛混凝土外加劑公司分別在北京、深圳、廣州、東莞、珠海、南海、南昌、長沙、武漢、黃石、杭州、蘇州、蘭溪、烏魯木齊、山東聊城等城市召開技術交流會,請我院專家作學術報告,從而使設計界和工程界進一步了解我國膨脹劑的發(fā)展近況,促進膨脹劑的開發(fā)應用,也提高了廠家的知名度。
近四年來,在各種雜志上發(fā)表的有關膨脹劑及其應用文章有30 多篇,各公司舉辦的膨脹劑學術交流會約18 次。2005年,游寶坤、李乃珍合著的《膨脹劑及其補償收縮混凝土》[7 ] ,王棟民著的《高性能膨脹混凝土》[8 ] ,2006 年史美東、史美生等編著的《補償收縮混凝土的應用技術》[9 ] 分別已由中國建材工業(yè)出版社和中國水利水電出版社出版。這些著作反映了我國近年來膨脹劑及其補償收縮混凝土的學術成就和在工程應用的業(yè)績,是對吳中偉院士的補償收縮混凝土理論與實踐的提升。
7 膨脹劑的發(fā)展前景
隨著我國商品和高性能混凝土的大規(guī)模應用,突出的矛盾是工程裂縫出現(xiàn)的機率增多,而有害裂縫與結構耐久性有直接關系,商品住宅已涉及民生問題,對此用戶反映強烈。近年來,建設部和工程界對混凝土裂縫控制十分重視。從材料角度來說,混凝土膨脹劑、減縮劑、鋼纖維和合成有機纖維都是減免或分散裂縫的有效措施,但從材料價格和施工便利方面,膨脹劑更有優(yōu)勢。
吳中偉院士指出[1 ] “, 混凝土內部微裂縫到可見裂縫,對安全使用期是有害的,尤其對腐蝕、反復荷載、動力作用等嚴酷條件,裂縫發(fā)展常是不耐久的主要原因,加入適量膨脹劑有利于減免早期內部裂縫”“, 到2010 年我國基礎設施建設與住宅建筑需要大量優(yōu)質混凝土,高性能混凝土( HPC) 將大量應用,將膨脹劑摻入HPC 是必然趨勢,只有重視膨脹劑質量,積極創(chuàng)新,才能加速這一發(fā)展進程”。
盡管工程界對膨脹劑在實際工程中的效果存在一些疑議,但是,隨著膨脹劑質量的提高和應用技術水平的提高,補償收縮混凝土已被建設部和工程界認可為結構裂滲控制的有效技術措施,并已列入有關技術規(guī)范中。
遵照吳中偉院士生前的指引方向,不斷提高混凝土膨脹劑的質量和補償收縮混凝土的應用技術水平,我們有可能達到吳中偉院士提出的目標: 膨脹劑預計產量應可占普通水泥的10 %。估計我國應用于鋼筋混凝土的水泥約3 億噸,也即膨脹2自應力水泥在3000 萬噸,如折合成膨脹劑則可有每年300萬噸左右的市場容量。
世界建筑市場在中國,混凝土收縮開裂是客觀存在的突出問題,以減免結構裂縫為目的的膨脹劑隨之出現(xiàn)和發(fā)展,正好適應建筑市場之需要。黃大能教授曾提出“, 十五”計劃將造就一個混凝土外加劑的時代,事實驗證了這一點。我們相信,混凝土膨脹劑是有著廣闊的應用前景,是可持續(xù)發(fā)展的行業(yè)。中國的補償收縮混凝土的理論和實際,也將推廣到國際建筑市場。
參考文獻
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[5 ] 游寶坤,吳萬春,韓立林,等. U 型混凝土膨脹劑[J ] . 硅酸鹽學報,1987 , (5)1
[6 ] 游寶坤,陳旭峰,等. 鋁酸鈣- 硫鋁酸鈣膨脹劑[ P ] . 申請專利號,20021
[7 ] 游寶坤,李乃珍. 膨脹劑及其補償收縮混凝土[M] . 北京:中國建材工業(yè)出版社,20051
[8 ] 王棟民. 高性能膨脹混凝土[M] . 北京:中國水利水電出版社,20051
[9 ] 史美東,史美生. 補償收縮混凝土的應用技術[M] . 北京:中國建材工業(yè)出版社,20061
