膨脹混凝土歷經(jīng)國內(nèi)外眾多學(xué)者半個多世紀(jì)的潛心研究，已經(jīng)成為水泥基材料科學(xué)的一個重要分支，僅我國長期或短暫從事過該領(lǐng)域的研究者就不下千人。對膨脹混凝土研究和應(yīng)用比較多的國家是前蘇聯(lián)、美國、中國和日本。中國建筑材料科學(xué)研究總院已故總工程師吳中偉教授于上世紀(jì)五十年代將該技術(shù)介紹到國內(nèi)，我國開始了這方面的研究與應(yīng)用工作，并一直活躍在國際研究和應(yīng)用的前沿。中國建筑材料科學(xué)研究總院的幾代科技工作者謹(jǐn)遵吳中偉先生的教誨，不斷發(fā)展膨脹混凝土技術(shù)，引領(lǐng)著國內(nèi)的發(fā)展方向。目前我國在這一領(lǐng)域無論是從事研究和生產(chǎn)應(yīng)用的人員數(shù)量，還是膨脹混凝土的用量和使用范圍、相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)體系的完善程度都處于國際領(lǐng)先地位。
我國正處于大規(guī)模建設(shè)階段，膨脹混凝土用量巨大。當(dāng)前膨脹混凝土的研究熱點集中在新型膨脹材料的研發(fā)、簡化施工工藝的工程技術(shù)應(yīng)用技術(shù)以及節(jié)材減排等方面。
新型膨脹材料的研發(fā)
膨脹混凝土的關(guān)鍵材料是膨脹性膠凝材料，過去都是使用膨脹水泥配制膨脹混凝土，現(xiàn)在普遍采用在普通水泥中摻加膨脹劑的技術(shù)路線。我國膨脹劑行業(yè)雖然經(jīng)過20多年的發(fā)展，但產(chǎn)品技術(shù)水平還較低。國內(nèi)現(xiàn)有膨脹劑生產(chǎn)企業(yè)近百家，膨脹劑年銷售量約100萬噸。目前我國生產(chǎn)的膨脹劑，其膨脹源大都是水化硫鋁酸鈣（鈣礬石）。從水化機(jī)理來看，在水泥石中，由各種CaO、Al2O3、SO3來源所形成的鈣礬石都可能引起膨脹。我國大多數(shù)的膨脹劑采取的是固定CaO、SO3來源，變換Al2O3來源的技術(shù)路線，即CaO由硅酸鹽水泥水化提供，SO3由硬石膏提供，通過改變Al2O3 來源，如鋁酸鈣（高鋁水泥熟料）、硫鋁酸鈣（硫鋁水泥熟料）、明礬石、含鋁礦渣、煅燒礬土、高鋁煤矸石、高鋁粉煤灰、煅燒高嶺土、地開石，等等，各生產(chǎn)廠據(jù)此制定不同的生產(chǎn)配方，形成不同的膨脹劑。所以我國的膨脹劑一般是用硬石膏和含可溶Al2O3的礦物配制而成，且很多企業(yè)基于成本考慮，大多采用價格較低的含Al2O3礦物原料，這類膨脹劑的膨脹能比較小。國外只有日本生產(chǎn)膨脹劑，年產(chǎn)量約7萬噸，性能很好，代表性產(chǎn)品是日本電氣化學(xué)公司的CSA。
膨脹劑的現(xiàn)行產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)是JC476-2001《混凝土膨脹劑》，2010年3月1日起實施GB23439-2009《混凝土膨脹劑》，JC476-2001《混凝土膨脹劑》即行廢止。
根據(jù)GB23439-2009《混凝土膨脹劑》的規(guī)定，膨脹劑檢驗摻量統(tǒng)一為10%，按限制膨脹率的大小，將其分為兩種類型，Ⅰ型的限制膨脹率為 0.025%，是目前市場用量最廣的普通膨脹劑，Ⅱ型限制膨脹率為0.050%，是高品質(zhì)膨脹劑，基本達(dá)到日本JISA6202《混凝土膨脹劑》標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)要求。新標(biāo)準(zhǔn)既鼓勵高膨脹能膨脹劑的發(fā)展，又顧及到低端產(chǎn)品，允許用工業(yè)廢渣制造膨脹劑，體現(xiàn)了節(jié)能減排的主旨思想，并增加了快速檢驗膨脹性能的參考試驗方法，是一部先進(jìn)實用的標(biāo)準(zhǔn)。
目前，在我國的商品混凝土中，摻加30%～50%礦物摻合料漸成趨勢，摻合料在水化過程中要吸收水泥中的Ca(OH)2，才能形成次生C-S-H，一些水泥生產(chǎn)企業(yè)往往在水泥生產(chǎn)過程中就摻加了大量的混合材，因此混凝土可能存在“貧鈣”的潛在問題?；谶@種狀況，以CaO為主要膨脹源的膨脹劑是今后膨脹劑的發(fā)展方向，如中國建筑材料科學(xué)研究總院研制的HCSA雙膨脹源膨脹劑，其性能已經(jīng)超過了日本的CSA。但是必須指出，不是用一般生石灰做原料，而是用特殊配料的、經(jīng)過高溫煅燒的含CaO較多的專用膨脹熟料做原料。這類膨脹劑的膨脹相是通過固相反應(yīng)過程形成，其反應(yīng)條件不如溶解擴(kuò)散析晶嚴(yán)苛，因此用于補(bǔ)償收縮混凝土有以下優(yōu)點：
?。?）膨脹速度快、膨脹能大；
?。?）對水養(yǎng)護(hù)的依賴程度相對較低；
（3）原料來源廣，成本低，可以節(jié)約大量高品質(zhì)鋁礬土和石膏資源；
（4）膨脹相Ca(OH)2在完成膨脹作用之后，可以進(jìn)一步與高性能混凝土中摻合料所含的活性SiO2反應(yīng)，生成C-S-H凝膠，對補(bǔ)充大摻量摻合料混凝土的Ca(OH)2、提高混凝土抵抗碳化具有重要作用。
另外，輕燒氧化鎂膨脹劑作為一種用于大壩混凝土裂縫控制的新材料，將會有很大的發(fā)展前途。但是由于氧化鎂膨脹劑具有延遲膨脹的性質(zhì)，目前對其膨脹穩(wěn)定性還缺乏科學(xué)合理的評價方法，出于安全考慮，氧化鎂膨脹劑還不能用于一般的工業(yè)與民用建筑。
簡化施工工藝的工程應(yīng)用技術(shù)
膨脹混凝土在工程應(yīng)用領(lǐng)域的主要作用是超長混凝土結(jié)構(gòu)連續(xù)施工和大體積混凝土裂縫控制。
為解決超長混凝土結(jié)構(gòu)連續(xù)施工過程中混凝土的收縮開裂問題，常用的辦法是設(shè)置后澆帶，但是設(shè)置后澆帶的弊端很多，首先影響施工進(jìn)度，按照規(guī)范規(guī)定，后澆帶至少需要42天以后，才能用膨脹混凝土回填；其次施工工藝繁雜，后澆帶貫穿于整個地下、地上結(jié)構(gòu)，所到之處遇梁斷梁，遇板斷板，給施工帶來很多不便，模板支撐、處理工藝繁瑣，另外在后澆帶留置期間，將不可避免地落進(jìn)各種垃圾雜物和施工用水，鋼筋將會出現(xiàn)銹蝕，在后澆帶填充混凝土之前，需將兩側(cè)混凝土鑿毛、清理，由于此處鋼筋密布，鑿毛、清理異常艱難、極其麻煩，處理不好往往會成為小滲漏和結(jié)構(gòu)安全的隱患。另外，在施工大體積混凝土?xí)r，一般采取分層澆筑或鋪裝冷卻水管或加冰等降溫措施，施工工藝復(fù)雜，影響工程進(jìn)度。采用膨脹混凝土后，這些問題迎刃而解，可以實現(xiàn)連續(xù)澆筑混凝土，不僅提高了工程質(zhì)量，而且極大地簡化了施工工藝，節(jié)約大量工期。
由中國建筑材料科學(xué)研究總院主持制定的《補(bǔ)償收縮混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》JGJ/T178-2009，是國內(nèi)外首部膨脹混凝土應(yīng)用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)總結(jié)了我國膨脹混凝土20多年的使用經(jīng)驗，從結(jié)構(gòu)設(shè)計、原材料、混凝土配合比、生產(chǎn)、施工及驗收等方面對膨脹混凝土應(yīng)用技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的規(guī)定，具有很強(qiáng)的實用性和可操作性，是指導(dǎo)膨脹混凝土應(yīng)用的重要技術(shù)文件。未來一段時期內(nèi)，宣傳和貫徹該標(biāo)準(zhǔn)將是工程應(yīng)用領(lǐng)域的重要工作。
節(jié)材減排
膨脹混凝土另一個重要作用體現(xiàn)在節(jié)材減排方面，推廣膨脹混凝土技術(shù)，符合發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)的要求。
俗話說，蒼蠅不叮無縫的蛋。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)如果產(chǎn)生有害裂縫，其耐久性就無從談起，而裂縫又恰恰是普通混凝土結(jié)構(gòu)的質(zhì)量通病，始終沒有得到很好的解決。膨脹混凝土就是為解決普通混凝土的收縮裂縫應(yīng)運而生的一種新材料，能夠顯著減少混凝土結(jié)構(gòu)的收縮裂縫，提高結(jié)構(gòu)混凝土耐久性，從而延長工程服役年限，這就是最大的節(jié)材。在可預(yù)見的一個時期，膨脹混凝土仍然是具有實用性的裂縫控制材料，而且其性價比也最優(yōu)。
膨脹混凝土另一個好的使用場所是地下工程防水，可以完全取消有機(jī)外防水，節(jié)約大量石化原料制造的有機(jī)防水材料。采用膨脹混凝土結(jié)構(gòu)自防水技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)工程防水與建筑結(jié)構(gòu)等壽命，比有機(jī)防水材料的壽命要長很多倍。膨脹混凝土結(jié)構(gòu)自防水技術(shù)施工簡便，特別適合在樁基礎(chǔ)、下反梁等復(fù)雜結(jié)構(gòu)中。
另外膨脹混凝土在灌注樁工程中也具有很大的節(jié)材潛力。在高層建筑、橋梁、高速鐵路的基礎(chǔ)部分都需要使用大量的灌注樁。中國建筑材料科學(xué)研究總院的研究表明，在這些樁中，如果用膨脹混凝土替代普通混凝土，能夠提高單樁承載力15%左右，也就是說，相同情況下，使用膨脹混凝土能夠減少15%的用樁量，節(jié)材潛力巨大。
膨脹混凝土是改性和提高的普通混凝土，也可以視作特種混凝土，所以要想把膨脹混凝土做好，必先把普通混凝土做精。在膨脹混凝土應(yīng)用過程中，一個關(guān)鍵技術(shù)是減少收縮，這就要求配制混凝土的過程中，在滿足性能要求的前提下，盡可能減少水泥用量。一般性能較好的膨脹混凝土，與相同強(qiáng)度等級的普通混凝土相比，其單方水泥用量約少50~100公斤，這對于減少二氧化碳排放具有十分重要的意義。
建筑、建材行業(yè)節(jié)能減排必須走堅持科學(xué)發(fā)展觀、堅持科技創(chuàng)新的道路，實現(xiàn)節(jié)能減排的目標(biāo)，要依靠技術(shù)進(jìn)步。膨脹混凝土在這方面具有顯著的技術(shù)優(yōu)勢，膨脹混凝土的技術(shù)進(jìn)步將引領(lǐng)水泥混凝土行業(yè)節(jié)材減排的發(fā)展。
我國正處于大規(guī)模建設(shè)階段，膨脹混凝土用量巨大。當(dāng)前膨脹混凝土的研究熱點集中在新型膨脹材料的研發(fā)、簡化施工工藝的工程技術(shù)應(yīng)用技術(shù)以及節(jié)材減排等方面。
新型膨脹材料的研發(fā)
膨脹混凝土的關(guān)鍵材料是膨脹性膠凝材料，過去都是使用膨脹水泥配制膨脹混凝土，現(xiàn)在普遍采用在普通水泥中摻加膨脹劑的技術(shù)路線。我國膨脹劑行業(yè)雖然經(jīng)過20多年的發(fā)展，但產(chǎn)品技術(shù)水平還較低。國內(nèi)現(xiàn)有膨脹劑生產(chǎn)企業(yè)近百家，膨脹劑年銷售量約100萬噸。目前我國生產(chǎn)的膨脹劑，其膨脹源大都是水化硫鋁酸鈣（鈣礬石）。從水化機(jī)理來看，在水泥石中，由各種CaO、Al2O3、SO3來源所形成的鈣礬石都可能引起膨脹。我國大多數(shù)的膨脹劑采取的是固定CaO、SO3來源，變換Al2O3來源的技術(shù)路線，即CaO由硅酸鹽水泥水化提供，SO3由硬石膏提供，通過改變Al2O3 來源，如鋁酸鈣（高鋁水泥熟料）、硫鋁酸鈣（硫鋁水泥熟料）、明礬石、含鋁礦渣、煅燒礬土、高鋁煤矸石、高鋁粉煤灰、煅燒高嶺土、地開石，等等，各生產(chǎn)廠據(jù)此制定不同的生產(chǎn)配方，形成不同的膨脹劑。所以我國的膨脹劑一般是用硬石膏和含可溶Al2O3的礦物配制而成，且很多企業(yè)基于成本考慮，大多采用價格較低的含Al2O3礦物原料，這類膨脹劑的膨脹能比較小。國外只有日本生產(chǎn)膨脹劑，年產(chǎn)量約7萬噸，性能很好，代表性產(chǎn)品是日本電氣化學(xué)公司的CSA。
膨脹劑的現(xiàn)行產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)是JC476-2001《混凝土膨脹劑》，2010年3月1日起實施GB23439-2009《混凝土膨脹劑》，JC476-2001《混凝土膨脹劑》即行廢止。
根據(jù)GB23439-2009《混凝土膨脹劑》的規(guī)定，膨脹劑檢驗摻量統(tǒng)一為10%，按限制膨脹率的大小，將其分為兩種類型，Ⅰ型的限制膨脹率為 0.025%，是目前市場用量最廣的普通膨脹劑，Ⅱ型限制膨脹率為0.050%，是高品質(zhì)膨脹劑，基本達(dá)到日本JISA6202《混凝土膨脹劑》標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)要求。新標(biāo)準(zhǔn)既鼓勵高膨脹能膨脹劑的發(fā)展，又顧及到低端產(chǎn)品，允許用工業(yè)廢渣制造膨脹劑，體現(xiàn)了節(jié)能減排的主旨思想，并增加了快速檢驗膨脹性能的參考試驗方法，是一部先進(jìn)實用的標(biāo)準(zhǔn)。
目前，在我國的商品混凝土中，摻加30%～50%礦物摻合料漸成趨勢，摻合料在水化過程中要吸收水泥中的Ca(OH)2，才能形成次生C-S-H，一些水泥生產(chǎn)企業(yè)往往在水泥生產(chǎn)過程中就摻加了大量的混合材，因此混凝土可能存在“貧鈣”的潛在問題?；谶@種狀況，以CaO為主要膨脹源的膨脹劑是今后膨脹劑的發(fā)展方向，如中國建筑材料科學(xué)研究總院研制的HCSA雙膨脹源膨脹劑，其性能已經(jīng)超過了日本的CSA。但是必須指出，不是用一般生石灰做原料，而是用特殊配料的、經(jīng)過高溫煅燒的含CaO較多的專用膨脹熟料做原料。這類膨脹劑的膨脹相是通過固相反應(yīng)過程形成，其反應(yīng)條件不如溶解擴(kuò)散析晶嚴(yán)苛，因此用于補(bǔ)償收縮混凝土有以下優(yōu)點：
?。?）膨脹速度快、膨脹能大；
?。?）對水養(yǎng)護(hù)的依賴程度相對較低；
（3）原料來源廣，成本低，可以節(jié)約大量高品質(zhì)鋁礬土和石膏資源；
（4）膨脹相Ca(OH)2在完成膨脹作用之后，可以進(jìn)一步與高性能混凝土中摻合料所含的活性SiO2反應(yīng)，生成C-S-H凝膠，對補(bǔ)充大摻量摻合料混凝土的Ca(OH)2、提高混凝土抵抗碳化具有重要作用。
另外，輕燒氧化鎂膨脹劑作為一種用于大壩混凝土裂縫控制的新材料，將會有很大的發(fā)展前途。但是由于氧化鎂膨脹劑具有延遲膨脹的性質(zhì)，目前對其膨脹穩(wěn)定性還缺乏科學(xué)合理的評價方法，出于安全考慮，氧化鎂膨脹劑還不能用于一般的工業(yè)與民用建筑。
簡化施工工藝的工程應(yīng)用技術(shù)
膨脹混凝土在工程應(yīng)用領(lǐng)域的主要作用是超長混凝土結(jié)構(gòu)連續(xù)施工和大體積混凝土裂縫控制。
為解決超長混凝土結(jié)構(gòu)連續(xù)施工過程中混凝土的收縮開裂問題，常用的辦法是設(shè)置后澆帶，但是設(shè)置后澆帶的弊端很多，首先影響施工進(jìn)度，按照規(guī)范規(guī)定，后澆帶至少需要42天以后，才能用膨脹混凝土回填；其次施工工藝繁雜，后澆帶貫穿于整個地下、地上結(jié)構(gòu)，所到之處遇梁斷梁，遇板斷板，給施工帶來很多不便，模板支撐、處理工藝繁瑣，另外在后澆帶留置期間，將不可避免地落進(jìn)各種垃圾雜物和施工用水，鋼筋將會出現(xiàn)銹蝕，在后澆帶填充混凝土之前，需將兩側(cè)混凝土鑿毛、清理，由于此處鋼筋密布，鑿毛、清理異常艱難、極其麻煩，處理不好往往會成為小滲漏和結(jié)構(gòu)安全的隱患。另外，在施工大體積混凝土?xí)r，一般采取分層澆筑或鋪裝冷卻水管或加冰等降溫措施，施工工藝復(fù)雜，影響工程進(jìn)度。采用膨脹混凝土后，這些問題迎刃而解，可以實現(xiàn)連續(xù)澆筑混凝土，不僅提高了工程質(zhì)量，而且極大地簡化了施工工藝，節(jié)約大量工期。
由中國建筑材料科學(xué)研究總院主持制定的《補(bǔ)償收縮混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》JGJ/T178-2009，是國內(nèi)外首部膨脹混凝土應(yīng)用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)總結(jié)了我國膨脹混凝土20多年的使用經(jīng)驗，從結(jié)構(gòu)設(shè)計、原材料、混凝土配合比、生產(chǎn)、施工及驗收等方面對膨脹混凝土應(yīng)用技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的規(guī)定，具有很強(qiáng)的實用性和可操作性，是指導(dǎo)膨脹混凝土應(yīng)用的重要技術(shù)文件。未來一段時期內(nèi)，宣傳和貫徹該標(biāo)準(zhǔn)將是工程應(yīng)用領(lǐng)域的重要工作。
節(jié)材減排
膨脹混凝土另一個重要作用體現(xiàn)在節(jié)材減排方面，推廣膨脹混凝土技術(shù)，符合發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)的要求。
俗話說，蒼蠅不叮無縫的蛋。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)如果產(chǎn)生有害裂縫，其耐久性就無從談起，而裂縫又恰恰是普通混凝土結(jié)構(gòu)的質(zhì)量通病，始終沒有得到很好的解決。膨脹混凝土就是為解決普通混凝土的收縮裂縫應(yīng)運而生的一種新材料，能夠顯著減少混凝土結(jié)構(gòu)的收縮裂縫，提高結(jié)構(gòu)混凝土耐久性，從而延長工程服役年限，這就是最大的節(jié)材。在可預(yù)見的一個時期，膨脹混凝土仍然是具有實用性的裂縫控制材料，而且其性價比也最優(yōu)。
膨脹混凝土另一個好的使用場所是地下工程防水，可以完全取消有機(jī)外防水，節(jié)約大量石化原料制造的有機(jī)防水材料。采用膨脹混凝土結(jié)構(gòu)自防水技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)工程防水與建筑結(jié)構(gòu)等壽命，比有機(jī)防水材料的壽命要長很多倍。膨脹混凝土結(jié)構(gòu)自防水技術(shù)施工簡便，特別適合在樁基礎(chǔ)、下反梁等復(fù)雜結(jié)構(gòu)中。
另外膨脹混凝土在灌注樁工程中也具有很大的節(jié)材潛力。在高層建筑、橋梁、高速鐵路的基礎(chǔ)部分都需要使用大量的灌注樁。中國建筑材料科學(xué)研究總院的研究表明，在這些樁中，如果用膨脹混凝土替代普通混凝土，能夠提高單樁承載力15%左右，也就是說，相同情況下，使用膨脹混凝土能夠減少15%的用樁量，節(jié)材潛力巨大。
膨脹混凝土是改性和提高的普通混凝土，也可以視作特種混凝土，所以要想把膨脹混凝土做好，必先把普通混凝土做精。在膨脹混凝土應(yīng)用過程中，一個關(guān)鍵技術(shù)是減少收縮，這就要求配制混凝土的過程中，在滿足性能要求的前提下，盡可能減少水泥用量。一般性能較好的膨脹混凝土，與相同強(qiáng)度等級的普通混凝土相比，其單方水泥用量約少50~100公斤，這對于減少二氧化碳排放具有十分重要的意義。
建筑、建材行業(yè)節(jié)能減排必須走堅持科學(xué)發(fā)展觀、堅持科技創(chuàng)新的道路，實現(xiàn)節(jié)能減排的目標(biāo)，要依靠技術(shù)進(jìn)步。膨脹混凝土在這方面具有顯著的技術(shù)優(yōu)勢，膨脹混凝土的技術(shù)進(jìn)步將引領(lǐng)水泥混凝土行業(yè)節(jié)材減排的發(fā)展。
