中国建材总院双膨胀源高性能混凝土膨胀剂制备与产业化应用纪实
核心提示：HCSA双膨胀源高性能混凝土膨胀剂与应用成套技术是中国建筑材料科学研究总院赵顺增教授团队历经14年深入研发的，填补了我国解决混凝土变形开裂世界性难题在关键材料和应用技术上的空白。
HCSA双膨胀源高性能混凝土膨胀剂与应用成套技术是中国建筑材料科学研究总院(以下简称中国建材总院)赵顺增教授团队历经14年深入研发的，填补了我国解决混凝土变形开裂世界性难题在关键材料和应用技术上的空白。该项成果经中国建筑材料联合会组织鉴定，专家认为成果整体达到国际领先水平，并获得2014年度建筑材料科技进步一等奖。项目已累计制备系列材料230余万吨，成功应用于地铁、高层建筑等地下空间及高铁、核电、桥隧、水工建筑等上百项重点工程，达到混凝土结构抗裂防渗的预期目的，极大地推动了我国高性能混凝土和建筑、建工行业的技术进步，提升了高铁、核电等战略新兴产业建设水平与国际竞争力，取得了显著的经济和社会效益，市场前景广阔。
瞄准市场立项
混凝土是基础设施、房屋建设不可或缺的材料，我国每年用量高达40亿~50亿立方米，提高混凝土性能和安全、耐久性是业内同行长期追求的目标。混凝土开裂是迄今未能有效解决的世界性工程技术难题，引起的原因包括：载荷（结构性裂缝）、变形（非结构性裂缝）、载荷与变形耦合及碱骨料反应、冻融、安定性差等，其中变形（非结构性裂缝）所占比例高达80%以上。变形开裂是混凝土主要组分水泥凝固干缩和水化热温升引起的。掺加膨胀材料补偿混凝土收缩变形，是业界公认的有效技术途径，但国内外现有的膨胀材料，存在膨胀剂膨胀能低、绝湿膨胀小、膨胀速率慢、膨胀期长、与活性矿物掺合料适应性差、防裂效果不佳等问题。控温施工普遍采用物理降温，拌料预冷却、内部预埋冷却管、外保温、保湿养护等复杂措施，不仅消耗水资源且费时费力，代价高昂，平均每立方米耗资40~60元，仍未防止水化热温升变形。混凝土变形（干缩、温升）导致开裂、渗漏，不仅影响工程的安全性和耐久性，每年会造成1800亿～3600亿元经济损失，严重的还会威胁人民群众的生命安全。因此，无论从解决混凝土开裂技术角度来看，还是市场对膨胀能高、水化放热慢、绝湿环境膨胀率高的变形控制材料替代现有材料的需求，都十分迫切。
成果国际领先
1998年，赵顺增教授带领团队进行科技攻关，通过系统研究高性能混凝土膨胀剂和补偿收缩混凝土的基础理论、膨胀剂矿物成分设计和烧成工艺，完成实验室成果。首次提出了基于固相反应机理的双源膨胀设计理念，发明了一种以氧化钙为主要膨胀源、无水硫铝酸钙和石膏为次要膨胀源的HCSA双源高性能混凝土膨胀剂。经权威机构鉴定，HCSA膨胀剂的膨胀率高达0.17%，绝湿环境补偿收缩能力目前国内外最强，实现不浇水也能膨胀，膨胀期短（7～10天）、无后期延迟膨胀风险，干燥收缩小，且能激发掺合料活性，性能优于国内外同类产品，形成了从基础理论、产品制备、成果应用、建立标准体系成套技术体系。
产业化规模生产
双源膨胀熟料是制备HCSA系列高性能混凝土膨胀剂的母料和基础，稳定的熟料供应是规模化产业应用的前提。2003年中国建材总院与天津豹鸣股份有限公司就HCSA双源膨胀剂技术成果转化达成协议，着手实现双源高性能膨胀剂由实验室成果向产业化规模生产的转化。中国建材总院专家和企业组成专门的生产、管理和技术团队，依托企业现有的设备和工业基础，成果从小样、中样到批量生产的配方优化和烧成工艺，配套完成技术人员和工人的技术培训，首次实现了双源膨胀熟料的干法回转窑工业化生产，建成年产3万吨的熟料生产线。产品投入市场后，市场需求旺盛，供不应求。2012年，又与郑州建文特材科技有限公司达成技术转让协议，在新密市建成年产10万吨的熟料生产线，有效保障了高品质双源膨胀熟料的供应。
典型工程应用
依不同工程提供的混凝土配制技术要求，通过双源膨胀剂的组成与用量变化，调整混凝土膨胀率，中国建材总院开发了一系列工程应用技术，成功用于地下空间结构自防水、超长结构、自密实混凝土、大体积混凝土、灌注桩等不同现代混凝土工程，极大地推动了我国高性能混凝土和建筑、建工行业的技术进步，显著提高了我国基础设施的安全性和耐久性。迄今为止，累计节约水泥约492万吨，减排CO2约400万吨，节约了大量由石化原料制备的有机防水材料，环保意义巨大。研究成果提升了高铁、核电等战略新兴产业建设水平与国际竞争力，社会效益显著。
规范引领市场
为了规范混凝土膨胀剂的生产和应用，赵顺增教授一直致力于相关标准、规范制定工作，经过多年努力，制定了产品、应用技术标准6部。尤其是2009年制定的我国首部混凝土膨胀剂产品国家标准GB23439-2009《混凝土膨胀剂》和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》，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。新标准的实施和用户对膨胀剂质量的重视，使得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，起到规范、净化和引领和市场走向作用，为双源膨胀剂成果规模化应用提供了保障。
为了克服施工现场无法测量补偿收缩混凝土限制膨胀率的难题，指导混凝土膨胀剂正确使用，杜绝搅拌站少掺或不掺膨胀剂。团队开发了水泥混凝土膨胀收缩变形及凝结时间测定装置，可以实时自动测量混凝土强度发展全程的变形量，编制的相应计算机软件，利用互联网通讯技术，实现混凝土变形全程远程监控，为混凝土工程控制变形提供了快捷简便有效的检测手段，为成果推广提供检测利器。
建设示范工程
建设双源高性能膨胀剂应用示范工程，为科技成果转化提供示范窗口，是加快成果转化的有利途径。团队积极与北京、天津、山东等地的建筑设计研究院沟通，保持良好合作关系。通过结构自防水、超长结构连续施工及大体积混凝土控温等典型工程应用技术在国家奥林匹克体育场（鸟巢）、高铁北京南站、南京长江四桥、天津梅江畅水园、山东聊城市民文化中心等多项重点工程的示范建设，扩大了社会影响，展示了双膨胀源高性能混凝土膨胀剂与应用成套技术的优势和经济价值，让观摩考察的人更加直观、真实地认识该成果的好处，使得成果能更快速推广。
着力宣传推广
对双源高性能膨胀剂的性能及配套应用技术，市场需要一个认知、了解和认可的过程。为了更加有助于推广科研成果，团队一方面积极与国内相关科研院所和高校的知名专家保持紧密合作，利用高性能膨胀剂的优异性能，解决困扰各个领域专家的裂缝控制难题，提升双源膨胀剂的科学价值，同时拓宽了其应用范围。另一方面，由中国硅酸盐学会水泥制品分会膨胀与自应力专业委员会主办，赵顺增教授担任主编的《膨胀剂与膨胀混凝土》于2004年创刊。该刊主要收揽了国内外混凝土膨胀剂领域内的最新科研及工程应用成果，积极宣导膨胀剂和补偿收缩混凝土知识。借助该平台，团队可以及时将双源膨胀剂的科研成果及应用技术传递到设计、业主、施工方和生产商手中，为成果的推广提供科学指导依据，有利推动了科技成果的转化，引领行业技术进步。
