论我国混凝土膨胀剂的发展新方向

混凝土膨胀剂是在膨胀水泥基础上发展而来的一种混凝土外加剂，在现场掺入硅酸盐水泥中可拌制成膨胀混凝土，其主要功能是能提高混凝土的抗裂防渗性能和耐久性。

日本是最先开发膨胀剂的国家。1962年，日本大成建筑技术研究所购置了美国A.Klein的K型膨胀水泥的专利，在此基础上研制成功硫铝酸钙膨胀剂（CSA），其膨胀源主要是钙矾石（C3A·3CaSO  ₄·32H₂O）。1970年，日本小野田水泥公司研发成功石灰系膨胀剂，其膨胀源主要是Ca(OH)₂。在水泥中掺入这两种膨胀剂（等量取代水泥重量）8%～10%可拌制成补偿收缩混凝土，内掺15%～20%可拌制成自应力混凝土。

我国是在1975年开始研制膨胀剂，中国建筑材料科学研究总院游宝坤等研制成功类似日本CSA硫铝酸钙膨胀剂，与日本电融法的区别是，采用回转窑烧结法制成CSA熟料，粉磨至比面积为（200-300）m  ²/kg而成膨胀剂。由于当时建筑市场需求量很小，没有投入生产。1979年，安徽省建科院在我院明矾石膨胀水泥基础上，研制成功明矾石膨胀剂，但由于它的膨胀效能低，含碱量高，后来被淘汰。1988年后，中国建筑材料科学研究总院先后研制成功UEA、AEA和CEA三种膨胀剂，在水泥中内掺10%～12%可拌制成补偿收缩混凝土。随后，同济大学、长江科学院、山东省建科院和浙江大学等先后也研制成功硫铝酸钙类膨胀剂。但是，主导产品是UEA、AEA膨胀剂，生产厂家有30个，占国内总销量的80%左右。

1992年，我国制定了《混凝土膨胀剂》（JC476）建材行业标准，统一了实验方法和技术指标。随后，在1998年到2001年对该标准进行了修改。通过了对膨胀剂的更新换代，尤其是HSCA和ZY两种高效膨胀剂的出现，以及大规模的工程实践，2009年，国家颁布实施两项本行业的核心标准：一是首部产品国家标准GB23439-2009《混凝土膨胀剂》，二是我国首部补偿收缩混凝土应用技术标准JGJ/T178-2009《补偿收缩混凝土应用技术规程》。这两项标准对规范和提高我国膨胀剂质量和膨胀剂混凝土的应用技术水平具有重要作用。  

从膨胀剂生产规模来看，2008年我国膨胀剂销量达到100万吨左右，而日本膨胀剂销量在6吨～8吨。由于新标准的实施和用户对膨胀剂的质量重视，前些年充斥建筑市场的假冒伪劣膨胀剂大为减少，山寨厂大多垮台，膨胀剂生产供应逐渐集中在几个有信誉的大企业中，这是本行业健康发展的可喜现象。  

2008年以前，我国生产膨胀剂，其膨胀源大多是水化硫铝酸钙（钙矾石）。由各种CaO、Al  ₂O₃、SO₃来源形成的钙矾石都可能引起水泥石膨胀。CaO由硅酸盐水泥水化提供，SO₃由硬石膏提供，通过改变活性Al₂O₃来源，如铝酸钙（高铝水泥熟料）、硫铝酸钙（硫铝水泥熟料）、明矾石、高铝烧矸石、煅烧高岭土（地开石）、高铝粉煤灰等，配制不同的品牌膨胀剂。很多企业基于成本考虑，大多采用价格较低的含Al₂O₃矿物原料，因此膨胀剂的膨胀能较小。这种无熟料的膨胀剂会遭淘汰，而含有高铝熟料的膨胀剂受到工程界欢迎。不管怎样，这些膨胀剂掺入水泥中，都是以形成水化硫铝酸钙作为膨胀源，由于当时我国混凝土技术水平有待提高，所以硫铝酸钙类膨胀剂成为安全产品。

众所周知，目前在我国商品混凝土中，掺入30%～50%矿物掺合料成为趋势。矿渣粉和粉煤灰等掺合料在水化过程中吸收水泥中的Ca(OH)  ₂，一些水泥生产企业在生产水泥过程中就掺入了大量的混合材，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“贫钙”或“缺钙”潜在的问题。从长远来看，胶凝材料持续水化，混凝土中的氢氧化钙会进一步降低，钢筋锈蚀风险增大，这些问题会降低钢筋混凝土的结构耐久性，所以引起了工程界的关注和忧虑。基于我国商品混凝土的技术变化，膨胀剂种类也能适应这种变化，才可生存发展。2008年在上海年会上，我们就提出了CaO为主要膨胀源的膨胀剂应该是今后膨胀剂的发展方向，得到众多学者的赞同。

但是必须指出，不是用一般生石灰做原料，而是用特殊原料，经过高温煅烧的含CaO较多的专用膨胀熟料做原料。2014年初，中国建材联合会组织了由中国建筑材料科学研究总院、天津豹鸣股份有限公司、武汉三源特种建材公司、郑州建文特材科技公司共同承担的《双膨胀高性能混凝土膨胀剂制备与应用技术》项目的鉴定。该膨胀熟料是用石灰石、石膏和铝矾土配制成生料，在新型干法回转窑煅烧而成，其矿物组成：f-CaO 40%～50%，CaSO415%～25%，2%～12%。用该熟料和其他原料粉磨而成的膨胀剂，其膨胀率比现行标准高3～4倍，这种以Ca(OH)  ₂和C3A·3CaSO4·32H₂O为双膨胀源的新型HCSA膨胀剂标志着我国膨胀剂行业技术水平又上了一个新台阶，达到国际领先水平。石家庄功能建材公司也研制成功全补偿收缩型混凝土膨胀剂FEA100。其核心技术的膨胀熟料是由f-CaO 30%～50%，10%～30%，CaSO₄15%～40%。它与其他原料粉磨成膨胀剂，在掺量10%以下，7天水中限制膨胀率为0.05%～0.06%，它以Ca(OH)2补偿早期冷缩，以钙矾石补偿后期干缩。

近年来，在游宝坤教授指导下，武汉三源特种建材公司研制开发一种高钙膨胀熟料，在新型水泥干法生产线（预热分解窑）中烧制成功，该熟料是由40%～50%f-CaO，35%～40%C3S和10%～20%C4AF等矿物组成，将此膨胀熟料与硬石膏，高铝烧矸石、明矾石共同组成新型膨胀剂，其各项性能技术优于膨胀剂国标Ⅱ型产品。近年，该公司与中国建筑材料科学研究总院合作，生产双膨胀源高性能膨胀剂，商品名称是FQY。目前，该公司在浙江和湖北分别建立了日产200t高钙膨胀熟料生产基地，年产膨胀熟料约60万吨，预计可年产100万FQY膨胀剂，这将大大提高该公司混凝土膨胀剂质量和技术服务水平。  

2012，重庆三圣特种建材公司李光明、潘先文等发明了利用石膏制硫酸工艺中将氧化钙废渣制成高钙膨胀熟料，用该熟料与其他硫铝原料粉磨成高效膨胀剂。据该专利（2012013493637）介绍，以88%～95%的石膏，4%～8%焦炭，1%～4%铁粉配制成生料，在新型干法回转窑中煅烧，制成硫酸和高钙膨胀熟料，熟料的矿物组成为30%～70%f-CaO，15%～40%C3S，6%～12%C4AF，1%～8%f-CaSO  ₄。该发明开辟了利用国我国资源丰富的石膏矿为主要原料生产膨胀剂的全新技术。目前，该公司已投产这种高钙膨胀剂熟料，年产10万多吨，除供给该公司生产膨胀剂外，也可供应给其他兄弟厂家。

综上所述，目前我国投入市场的高钙膨胀剂熟料有两种：  

（1）钙铝熟料：以f-CaO为主，以f-CaSO4和为包裹矿物；  

（2）钙硅熟料：以f-CaO为主，以C3S和C4AF为包裹矿物。  

一般来说，熟料中的f-CaO控制在50%左右，它与含铝原料和石膏粉磨成膨胀剂。1吨高钙熟料可生产2吨Ⅱ型膨胀剂。它以10%掺入水泥中，7d水中膨胀率大于0.05%，其膨胀源主要是Ca(OH)  ₂，其次为钙矾石，具有补偿早期冷缩和后期干缩的双膨胀作用。故此类膨胀剂称氧化钙－硫铝酸钙类膨胀剂。目前，本文介绍的几个生产厂家都有窑外分解的新型干法窑生产线，大概可形成80万吨膨胀熟料的生产能力，可生产160吨～200吨高效膨胀剂。这是我国膨胀剂行业一大技术进步，值得庆贺！

从技术－经济角度分析，这类膨胀剂有如下优点：  

（1）膨胀速度快，膨胀能大；  

（2）绝湿膨胀性能好，对水养护的依赖程度相对较低；  

（3）原料来源广，成本较低，可以节约大量高品质铝矾土资源；  

（4） 膨胀相Ca(OH)  ₂在完成膨胀作用后，可以进一步与高性能混凝土中掺合料含活性SiO₂反应，生成C-S-H凝胶，对补充大量掺合料混凝土的Ca(OH)₂，提高其抗碳化性能和耐久性有重要作用。因此，生产氧化钙-硫铝酸钙类膨胀剂已成为我国膨胀剂行业的发展方向。

JGJ/T178-2009《补偿收缩混凝土应用技术规程》，从结构设计、原材料、混凝土设计和制造，以及施工等方面对补偿收缩混凝土的使用进行了详细规定，尤其新增了无缝设计和结构自防水等新内容，具有更强的实用性和操作性，是指导补偿收缩混凝土应用的重要技术文件。由武汉三源特种建材有限公司举办的“2014混凝土抗裂防水高端讨论”于4月22日在武汉举办。来自行业的专家、学者、推销商和客户等，大家畅所欲言，通过技术交流，对未来混凝土膨胀剂及其应用技术发展指明了方向。近年来，由于我国膨胀剂质量有较大的提高，契合了商品混凝土的技术发展，补偿缩混凝土在各种抗裂防水工程的应用成功大大提高，社会信誉增强。当然，我们不应满足目前的成绩，应该对氧化钙－硫铝酸钙类膨胀剂的质量控制方法进行研究，对其应用技术普及化。我们相信，我国混凝土膨胀剂行业将会健康地继续发展！ 

编辑：小薇