論我國混凝土膨脹劑的發(fā)展新方向

  【摘 要】為適應(yīng)我國現(xiàn)代混凝土技術(shù)的發(fā)展，提出研制和生產(chǎn)氧化鈣-硫鋁酸鈣類膨脹劑，不斷提高膨脹劑的質(zhì)量和應(yīng)用技術(shù)水平是我國混凝土膨脹劑的發(fā)展新方向。

  【關(guān)鍵詞】現(xiàn)代混凝土；氧化鈣-硫鋁酸鈣類膨脹劑

  混凝土膨脹劑是在膨脹水泥基礎(chǔ)上發(fā)展而來的一種混凝土外加劑，在現(xiàn)場摻入硅酸鹽水泥中可拌制成膨脹混凝土，其主要功能是能提高混凝土的抗裂防滲性能和耐久性。

  日本是最先開發(fā)膨脹劑的國家。1962年，日本大成建筑技術(shù)研究所購置了美國A.Klein的K型膨脹水泥的專利，在此基礎(chǔ)上研制成功硫鋁酸鈣膨脹劑（CSA），其膨脹源主要是鈣礬石（C3A·3CaSO₄·32H₂O）。1970年，日本小野田水泥公司研發(fā)成功石灰系膨脹劑，其膨脹源主要是Ca(OH)₂。在水泥中摻入這兩種膨脹劑（等量取代水泥重量）8%～10%可拌制成補(bǔ)償收縮混凝土，內(nèi)摻15%～20%可拌制成自應(yīng)力混凝土。

  我國是在1975年開始研制膨脹劑，中國建筑材料科學(xué)研究總院游寶坤等研制成功類似日本CSA硫鋁酸鈣膨脹劑，與日本電融法的區(qū)別是，采用回轉(zhuǎn)窯燒結(jié)法制成CSA熟料，粉磨至比面積為（200-300）m²/kg而成膨脹劑。由于當(dāng)時(shí)建筑市場需求量很小，沒有投入生產(chǎn)。1979年，安徽省建科院在我院明礬石膨脹水泥基礎(chǔ)上，研制成功明礬石膨脹劑，但由于它的膨脹效能低，含堿量高，后來被淘汰。1988年后，中國建筑材料科學(xué)研究總院先后研制成功UEA、AEA和CEA三種膨脹劑，在水泥中內(nèi)摻10%～12%可拌制成補(bǔ)償收縮混凝土。隨后，同濟(jì)大學(xué)、長江科學(xué)院、山東省建科院和浙江大學(xué)等先后也研制成功硫鋁酸鈣類膨脹劑。但是，主導(dǎo)產(chǎn)品是UEA、AEA膨脹劑，生產(chǎn)廠家有30個，占國內(nèi)總銷量的80%左右。

  1992年，我國制定了《混凝土膨脹劑》（JC476）建材行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)一了實(shí)驗(yàn)方法和技術(shù)指標(biāo)。隨后，在1998年到2001年對該標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了修改。通過了對膨脹劑的更新?lián)Q代，尤其是HSCA和ZY兩種高效膨脹劑的出現(xiàn)，以及大規(guī)模的工程實(shí)踐，2009年，國家頒布實(shí)施兩項(xiàng)本行業(yè)的核心標(biāo)準(zhǔn)：一是首部產(chǎn)品國家標(biāo)準(zhǔn)GB23439-2009《混凝土膨脹劑》，二是我國首部補(bǔ)償收縮混凝土應(yīng)用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)JGJ/T178-2009《補(bǔ)償收縮混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》。這兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)對規(guī)范和提高我國膨脹劑質(zhì)量和膨脹劑混凝土的應(yīng)用技術(shù)水平具有重要作用。

  從膨脹劑生產(chǎn)規(guī)模來看，2008年我國膨脹劑銷量達(dá)到100萬噸左右，而日本膨脹劑銷量在6噸～8噸。由于新標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施和用戶對膨脹劑的質(zhì)量重視，前些年充斥建筑市場的假冒偽劣膨脹劑大為減少，山寨廠大多垮臺，膨脹劑生產(chǎn)供應(yīng)逐漸集中在幾個有信譽(yù)的大企業(yè)中，這是本行業(yè)健康發(fā)展的可喜現(xiàn)象。

  2008年以前，我國生產(chǎn)膨脹劑，其膨脹源大多是水化硫鋁酸鈣（鈣礬石）。由各種CaO、Al₂O₃、SO₃來源形成的鈣礬石都可能引起水泥石膨脹。CaO由硅酸鹽水泥水化提供，SO₃由硬石膏提供，通過改變活性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、高鋁燒矸石、煅燒高嶺土（地開石）、高鋁粉煤灰等，配制不同的品牌膨脹劑。很多企業(yè)基于成本考慮，大多采用價(jià)格較低的含Al₂O₃礦物原料，因此膨脹劑的膨脹能較小。這種無熟料的膨脹劑會遭淘汰，而含有高鋁熟料的膨脹劑受到工程界歡迎。不管怎樣，這些膨脹劑摻入水泥中，都是以形成水化硫鋁酸鈣作為膨脹源，由于當(dāng)時(shí)我國混凝土技術(shù)水平有待提高，所以硫鋁酸鈣類膨脹劑成為安全產(chǎn)品。

  眾所周知，目前在我國商品混凝土中，摻入30%～50%礦物摻合料成為趨勢。礦渣粉和粉煤灰等摻合料在水化過程中吸收水泥中的Ca(OH)₂，一些水泥生產(chǎn)企業(yè)在生產(chǎn)水泥過程中就摻入了大量的混合材，也要吸收了Ca(OH)₂才能形成次生C-S-H。因此，混凝土就存在“貧鈣”或“缺鈣”潛在的問題。從長遠(yuǎn)來看，膠凝材料持續(xù)水化，混凝土中的氫氧化鈣會進(jìn)一步降低，鋼筋銹蝕風(fēng)險(xiǎn)增大，這些問題會降低鋼筋混凝土的結(jié)構(gòu)耐久性，所以引起了工程界的關(guān)注和憂慮?；谖覈唐坊炷恋募夹g(shù)變化，膨脹劑種類也能適應(yīng)這種變化，才可生存發(fā)展。2008年在上海年會上，我們就提出了CaO為主要膨脹源的膨脹劑應(yīng)該是今后膨脹劑的發(fā)展方向，得到眾多學(xué)者的贊同。

  但是必須指出，不是用一般生石灰做原料，而是用特殊原料，經(jīng)過高溫煅燒的含CaO較多的專用膨脹熟料做原料。2014年初，中國建材聯(lián)合會組織了由中國建筑材料科學(xué)研究總院、天津豹鳴股份有限公司、武漢三源特種建材公司、鄭州建文特材科技公司共同承擔(dān)的《雙膨脹高性能混凝土膨脹劑制備與應(yīng)用技術(shù)》項(xiàng)目的鑒定。該膨脹熟料是用石灰石、石膏和鋁礬土配制成生料，在新型干法回轉(zhuǎn)窯煅燒而成，其礦物組成：f-CaO 40%～50%，CaSO415%～25%，2%～12%。用該熟料和其他原料粉磨而成的膨脹劑，其膨脹率比現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)高3～4倍，這種以Ca(OH)₂和C3A·3CaSO4·32H₂O為雙膨脹源的新型HCSA膨脹劑標(biāo)志著我國膨脹劑行業(yè)技術(shù)水平又上了一個新臺階，達(dá)到國際領(lǐng)先水平。石家莊功能建材公司也研制成功全補(bǔ)償收縮型混凝土膨脹劑FEA100。其核心技術(shù)的膨脹熟料是由f-CaO 30%～50%，10%～30%，CaSO₄15%～40%。它與其他原料粉磨成膨脹劑，在摻量10%以下，7天水中限制膨脹率為0.05%～0.06%，它以Ca(OH)2補(bǔ)償早期冷縮，以鈣礬石補(bǔ)償后期干縮。

  近年來，在游寶坤教授指導(dǎo)下，武漢三源特種建材公司研制開發(fā)一種高鈣膨脹熟料，在新型水泥干法生產(chǎn)線（預(yù)熱分解窯）中燒制成功，該熟料是由40%～50%f-CaO，35%～40%C3S和10%～20%C4AF等礦物組成，將此膨脹熟料與硬石膏，高鋁燒矸石、明礬石共同組成新型膨脹劑，其各項(xiàng)性能技術(shù)優(yōu)于膨脹劑國標(biāo)Ⅱ型產(chǎn)品。近年，該公司與中國建筑材料科學(xué)研究總院合作，生產(chǎn)雙膨脹源高性能膨脹劑，商品名稱是FQY。目前，該公司在浙江和湖北分別建立了日產(chǎn)200t高鈣膨脹熟料生產(chǎn)基地，年產(chǎn)膨脹熟料約60萬噸，預(yù)計(jì)可年產(chǎn)100萬FQY膨脹劑，這將大大提高該公司混凝土膨脹劑質(zhì)量和技術(shù)服務(wù)水平。

  2012，重慶三圣特種建材公司李光明、潘先文等發(fā)明了利用石膏制硫酸工藝中將氧化鈣廢渣制成高鈣膨脹熟料，用該熟料與其他硫鋁原料粉磨成高效膨脹劑。據(jù)該專利（2012013493637）介紹，以88%～95%的石膏，4%～8%焦炭，1%～4%鐵粉配制成生料，在新型干法回轉(zhuǎn)窯中煅燒，制成硫酸和高鈣膨脹熟料，熟料的礦物組成為30%～70%f-CaO，15%～40%C3S，6%～12%C4AF，1%～8%f-CaSO₄。該發(fā)明開辟了利用國我國資源豐富的石膏礦為主要原料生產(chǎn)膨脹劑的全新技術(shù)。目前，該公司已投產(chǎn)這種高鈣膨脹劑熟料，年產(chǎn)10萬多噸，除供給該公司生產(chǎn)膨脹劑外，也可供應(yīng)給其他兄弟廠家。

  綜上所述，目前我國投入市場的高鈣膨脹劑熟料有兩種：

  （1）鈣鋁熟料：以f-CaO為主，以f-CaSO4和為包裹礦物；

  （2）鈣硅熟料：以f-CaO為主，以C3S和C4AF為包裹礦物。

  一般來說，熟料中的f-CaO控制在50%左右，它與含鋁原料和石膏粉磨成膨脹劑。1噸高鈣熟料可生產(chǎn)2噸Ⅱ型膨脹劑。它以10%摻入水泥中，7d水中膨脹率大于0.05%，其膨脹源主要是Ca(OH)₂，其次為鈣礬石，具有補(bǔ)償早期冷縮和后期干縮的雙膨脹作用。故此類膨脹劑稱氧化鈣－硫鋁酸鈣類膨脹劑。目前，本文介紹的幾個生產(chǎn)廠家都有窯外分解的新型干法窯生產(chǎn)線，大概可形成80萬噸膨脹熟料的生產(chǎn)能力，可生產(chǎn)160噸～200噸高效膨脹劑。這是我國膨脹劑行業(yè)一大技術(shù)進(jìn)步，值得慶賀！

  從技術(shù)－經(jīng)濟(jì)角度分析，這類膨脹劑有如下優(yōu)點(diǎn)：

  （1）膨脹速度快，膨脹能大；

  （2）絕濕膨脹性能好，對水養(yǎng)護(hù)的依賴程度相對較低；

  （3）原料來源廣，成本較低，可以節(jié)約大量高品質(zhì)鋁礬土資源；

  （4） 膨脹相Ca(OH)₂在完成膨脹作用后，可以進(jìn)一步與高性能混凝土中摻合料含活性SiO₂反應(yīng)，生成C-S-H凝膠，對補(bǔ)充大量摻合料混凝土的Ca(OH)₂，提高其抗碳化性能和耐久性有重要作用。因此，生產(chǎn)氧化鈣-硫鋁酸鈣類膨脹劑已成為我國膨脹劑行業(yè)的發(fā)展方向。

  JGJ/T178-2009《補(bǔ)償收縮混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、原材料、混凝土設(shè)計(jì)和制造，以及施工等方面對補(bǔ)償收縮混凝土的使用進(jìn)行了詳細(xì)規(guī)定，尤其新增了無縫設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)自防水等新內(nèi)容，具有更強(qiáng)的實(shí)用性和操作性，是指導(dǎo)補(bǔ)償收縮混凝土應(yīng)用的重要技術(shù)文件。由武漢三源特種建材有限公司舉辦的“2014混凝土抗裂防水高端討論”于4月22日在武漢舉辦。來自行業(yè)的專家、學(xué)者、推銷商和客戶等，大家暢所欲言，通過技術(shù)交流，對未來混凝土膨脹劑及其應(yīng)用技術(shù)發(fā)展指明了方向。近年來，由于我國膨脹劑質(zhì)量有較大的提高，契合了商品混凝土的技術(shù)發(fā)展，補(bǔ)償縮混凝土在各種抗裂防水工程的應(yīng)用成功大大提高，社會信譽(yù)增強(qiáng)。當(dāng)然，我們不應(yīng)滿足目前的成績，應(yīng)該對氧化鈣－硫鋁酸鈣類膨脹劑的質(zhì)量控制方法進(jìn)行研究，對其應(yīng)用技術(shù)普及化。我們相信，我國混凝土膨脹劑行業(yè)將會健康地繼續(xù)發(fā)展！