堿激發高韌性混凝土在橋梁工程中的應用

摘 要：堿激發混凝土是一種類似于水泥混凝土的環境友好型建筑材料，它能夠延遲混凝土的裂縫，提高其韌性和延性，區別于一般的水泥混凝土，堿激發高韌性混凝土具有更高的耐蝕性，國內已經有許多公司開始制造耐蝕混凝土排水管、電桿等產品。該文闡述我國GB/T 29423—2012《用于耐腐蝕水泥制品的堿礦渣粉煤灰混凝土》的堿性激發物質標準，為進一步規范生產、使用、銷售和質量檢驗提供依據，并建立健全相應的標準從現代橋梁審美需求出發，結合一座橋梁工程實例，簡單介紹項目的基本概況，并對其施工工藝進行研究。著重對堿激發混凝土的各項性能測試，堿激發混凝土的生產、運輸和泵送，以及堿激發混凝土的施工等幾個方面進行深入探討，希望能夠為類似的工程提供一些參考。

關鍵詞：堿激發混凝土；高韌性；橋梁工程；建筑材料；施工工藝

中圖分類號：TU997 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2024）31-0172-05

Abstract： Alkali-excited concrete is an environmentally friendly building material similar to cement concrete. It can delay cracks in concrete and improve its toughness and ductility. Different from ordinary cement concrete， alkali-excited high-toughness concrete has higher corrosion resistance. Many companies in China have begun to manufacture corrosion-resistant concrete drainage pipes， poles and other products. This paper expounds the alkaline stimulating substance standard in China's GB/T 29423—2012 "Alkali-activated Slag-fly Ash Concrete for Anticorrosive Cement Products"， which provides a basis for further standardizing production， use， sales and quality inspection， and establishes and improves corresponding standards. Starting from the aesthetic needs of modern bridges， combined with an example of a bridge project， the basic overview of the project is briefly introduced and its construction technology is studied. This paper focuses on in-depth discussions on various performance tests of alkali-excited concrete， as well as the production， transportation and pumping of alkali-excited concrete， as well as the construction of alkali-excited concrete， hoping to provide some reference for similar projects.

Keywords： alkali-activated concrete; high toughness; bridge engineering; building materials; construction technology

針對環境保持和可持續發展的需求，近年來，基于堿性混凝土的研究取得了長足進展。經過十幾年的發展，國內已經出臺了相關的國家標準、行業標準、地方標準和團體標準等，涵蓋了產品、施工技術等多個領域，雖然目前還沒有形成統一的標準，但是，隨著堿激發材料標準的不斷完善，其使用范圍也在不斷增加。針對目前我國橋梁工程建設中存在的主要問題——混凝土存在自重大、抗拉強度差等不足，導致其使用時無法得到很好的保障。針對這一現狀，結合工程實際，對堿激發高韌性水泥混凝土在市政橋梁建設中的運用進行了剖析。

1 工程概況

大橋橋址地處西河與渭河交匯地段，原為渭河灘地，該處河谷平坦、寬闊，渭河兩側地勢均略向河心傾斜，橋址沿線地層分布規律性較強，結合現狀地形特征按里程劃分地貌單元。K6+980（橋梁設計起點）～K7+060渭河左岸一級階地。現狀為農田或草地，沿里程地勢降低，現地面高程介于1 722.41～1 724.21 m。

K7+060～K7+100現狀渭河河床。現狀過水寬度約6 m；K7+100～K7+300河漫灘。經調查，歷史上當地隴渭高速及堤壩修建時在河灘上曾大量采砂導致橋址區河床面平均下降約3 m，現狀基巖直接出露于地表，河床變窄改道至現狀渭河左岸岸邊田坎之下，使得橋址區原來的河床變為現狀河漫灘。

K7+300～K7+451（橋梁設計終點）原始地貌為渭河右岸一級階地。在里程K7+300～K7+360，為現狀藥都大道（市政主干路），在里程K7+360～K7+451段為拆遷區，沿線廢棄的市政管井較多，現地面高程介于1 723.32～1 727.95 m。

橋址區現狀渭河過水河槽左岸岸坡較平緩，階地高度小（不超1 m），階地臺坎下為泉水出露帶，蘆葦叢生，整個岸坡穩定性良好；右岸岸坡為泥巖陡坎，平均坎高約2.5 m，風化破碎較嚴重，在河水浸潤沖刷的影響下有開裂掉塊現象，岸坡整體處于欠穩定～不穩定狀態。

2 堿激發高韌性混凝土

2.1 堿激發高韌性混凝土的概念及研究現狀

堿激發高韌性混凝土（Alkali-activatedConcrete，AAC）是一種由富SiO2、氧化鋁等原材料與堿（水）作用形成的新型建筑的結構材料（圖1），把含鋁硅酸鹽的工業廢棄物，利用堿（水）將其與爐渣等原料進行凝膠化，在其表面生成強堿金屬硅氧化物，并在其表面生成具有立體微網狀的立體網狀結構。通過對粉煤灰、高爐礦渣、偏高嶺土、磨細鉛冶煉渣、氧化鋁精煉赤泥、硅灰等工業廢棄物的高效制備，使其在生產中所產生的CO減少了80%左右。同時，該產品的制備工藝簡單，不需要燒制，能耗小，速度快，強度高，是21世紀極具發展潛力的綠色建材。

圖1 堿激發高韌性混凝土

堿激發材料是以堿激發膠凝材料為基礎制得的一大類土木工程材料，如堿激發水泥、堿激發高韌性混凝土。雖然本項目在國內開展了40余年的研究與使用，主要集中在堿性礦渣及激發礦渣粉煤灰上，但對于它的研究還很缺乏。造成這種局面的一個主要因素是：由于堿性水泥基水泥有關標準的缺失，嚴重制約了其產業化進程，而該標準的制定又離不開大量的基礎研究與應用，這就使得制定新的標準變得更加困難。

由于堿激發混凝土的標準化水平高，蘇聯在堿激發混凝土方面的研究起步較早，已具有一定的產業化潛力，發布60余項堿激發水泥及堿激發混凝土技術標準。為了適應我國對堿骨料混凝土產品的品質和耐久性能的需求，自2009年起嘉興大學土木工程學院主導編制了GB/T 29423—2012《用于耐腐蝕水泥制品的堿礦渣粉煤灰混凝土》。在此基礎上，隨著我國抗侵蝕混凝土產品的發展，我國抗侵蝕混凝土產品制造企業的規模化發展，并產生了巨大的經濟和社會效應。重慶市于2014年制定并發布DBJ50/T-205—2014《堿礦渣混凝土應用技術規程》；JG/T 439—2018《堿礦渣混凝土應用技術標準》，于2018年正式公布。

2.2 堿激發高韌性混凝土的分類

為了方便堿渣-粉煤灰混凝土的應用，將其分為耐酸、耐鹽和耐堿性3種類型。根據堿礦渣-粉煤灰混凝土中堿礦渣-粉煤灰混凝土的類型，將其與非水玻璃-粉煤灰混凝土進行了比較。水泥基堿渣-粉煤灰砼適用于耐酸、耐鹽、耐堿性的環境，而非水硅基堿渣砼則適用于耐鹽、耐堿性的環境，而不適用于耐酸的環境。

2.3 原材料

“礦渣粉”的堿性系數、比表面積和活性指數等可作為反映鋼渣的易發性標志，低堿性的鋼渣并不必然具有更高的活性指數，而具有低堿性、高比表面積的鋼渣微粉則具有更高的活性。本團隊對十余種爐渣進行了試驗，發現大部分爐渣的堿度指數均大于1.0，但也有少數堿度指數在1.0以下的爐渣，由于堿系數太低，難以被活化，所以需要0.95的堿度。一些比表面積大于500 m2/kg的礦渣微粉應用在堿渣-粉煤灰混凝土中會引起很大的收縮，不宜使用。綜合考慮后，確定礦渣粉需滿足堿性系數MO>0.95，比表面積400 m2/kg，S95以上等級的要求。此外，“粉煤灰”要應用于堿礦渣-粉煤灰混凝土，還應滿足GB/T 1596—2017《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》F級I級的要求。研究發現，F型亞級灰不能滿足堿礦渣-粉煤灰混凝土的性能要求，而C型灰耐酸性較差，不適合使用。同時，為保證涂層的耐腐蝕性，還對涂層的化學成分進行了規范。

本規范對常見的堿激發劑的基礎物理性能作了詳細的說明，并提出了激發劑的構成物質要滿足相關的生產要求。堿渣-粉煤灰混合料是一種活性較高的堿性材料，堿活化骨料易發生堿-骨料反應，降低了混凝土的耐久性能。因此，對于需要防止堿骨料作用的水泥產品、耐酸性的水泥產品，則不適用。

2.4 技術要求

抗侵蝕水泥產品除了需要比一般的水泥產品具有更高的抗腐蝕性，還需要對水泥產品的密實成型以及成品的機械特性有要求。在制定該標準時，將膠凝材料的凝結時間，強度，抗腐蝕性作為其基本的工藝指標。

2.4.1 混凝土的和易性

按照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》的規定，對新拌混凝土進行工作性試驗，測定其強度尺寸，以達到水泥制品成型的要求，而混凝土的單位體積黏度不得大于30 Pa·s。其膠凝及持水性能也應符合GB/T 50080—2016的有關要求。

2.4.2 凝結時間

堿渣-粉煤灰混合料的初凝速度比普通水泥要早30～150 min，終凝階段為60～300 min，產品的成型加工通常為40～100 min。在制作過程中，對于初凝的時間不能少于成型完成的時間，這一規范中混凝土的初凝應該不少于45 min，而對于終凝的時間沒有任何的規定。

2.4.3 氯離子含量

為了改善砼的抗裂性能，在砼中嚴禁采用氯鹽作為摻合料，但是原料必須包含氯離子。

2.4.4 混凝土強度

水泥產品的最低強度應達到C30。在當前使用的堿渣-粉煤灰砼中，以水玻璃為基礎的堿激發砼，其強度為C30～C50，無水玻璃堿激發砼的強度為C30～C80。

2.4.5 耐化學腐蝕性

抗侵蝕的水泥產品適合在pH 3～13酸性和堿性條件下使用，并且在這種情況下，堿渣-粉煤灰混凝土的抗腐蝕性能比一般的水泥要好得多。堿渣-粉煤灰混凝土的抗酸堿性能大于0.8，而一般的水泥混凝土則在0.2～0.6之間。

3 橋梁施工中堿激發高韌性混凝土的應用

本次渭河1號橋擬采用“基于雙碳目標的堿激發高韌性混凝土關鍵技術”來提升橋梁工程建設品質，實現建筑業綠色低碳發展。堿激發混凝土作為一種新的混凝土，其產生的二氧化碳排放量僅為普通水泥的1/15～1/10，能夠實現大量的固廢資源化利用，環保節能優勢十分明顯。當前，澳大利亞等國家已經成功應用于市政、交通、海洋等工程建設，并將其應用實現“碳達峰”“碳中和”目標。

在測試之前，根據配合比設計的質量（表1），將所需要的原材料稱重備用，提前準備好堿激發溶液。向硅酸鈉溶液中添加氫氧化鈉，使其充分攪拌，然后放置24 h。首先，將粗細骨料、高爐礦渣粉、粉煤灰按順序加入混凝土攪拌機，攪拌均勻后再灑上鋼纖維，再向攪拌機中加入適量的堿激發溶液和水。將已拌好的堿激發混凝土灌入試件室中，用搖床振搗，然后涂膜。因為堿激發混凝土的凝固速率很快，所以要迅速澆筑，并且要做到振搗均勻。在試件上蓋一層膜進行一天的養護之后，就可以將其取出，28 d之后，對其進行機械性能的測試。

3.1 堿激發高韌性混凝土性能試驗檢測

3.1.1 水泥

本項目針對混凝土色澤的具體需求，提出了混凝土的需求，在對比了大橋施工圖紙色彩后，測試了其物理機械性質。試驗表明，該產品的細度為1.0%，符合有關規定的10%以內；其質量濃度為27.2%；其初凝時間為220 min；終凝時間為310 min；3 d抗壓強度25.5 MPa，28 d抗壓強度49.3 MPa。以上各項技術參數都達到了有關堿激發混凝土的規范要求。

3.1.2 粗骨料

本項目擬以高強度的堿水泥基材料為研究對象，通過對該材料的基本物理機械性質的測試，確定了該材料的主要結構參數：最大尺寸為5.25 mm，表面密度為2 740 kg/m3，堆積密度為1 580 kg/m3，孔隙度為42%，污泥濃度為0.5%，污泥質量分數為0.2%。以上各項技術參數都滿足有關的混凝土粗集料規范。

3.1.3 細骨料

在該項目中，細集選擇了同一種色澤的細粒細集料，并對細集料的物理機械性質進行了測試，檢測結果為：其表面密度為2 700 kg/m3，堆積密度為1 540 kg/m3，孔隙率為42%，污泥質量分數為1.9%，污泥體積分數為0.4%。以上各項技術參數都達到了對細集料的規范要求。

3.1.4 礦物摻和料

采用色澤均一的爐渣粉末，比表面積不低于4 000 cm3/g、密度2.5 g/cm3的S95級爐渣粉末；結果表明：飛灰的粒度為0.1～0.2 μm，燒蝕損失4.67%，水分需求率93%，水分含量0.1%。

3.1.5 外加劑

配合比采用高性能超塑化劑，其減水率不得低于20%，硫酸鹽用量不得大于5.0%，堿用量不得大于10%，泌水率不得大于90%，含氣量不超過堿激發混凝土3.0%。

3.2 堿激發高韌性混凝土生產、運輸與泵送

3.2.1 生產

在生產過程中，摻入168 kg/m3的水、400 kg/m3的水泥、112 kg/m3的粉煤灰、589 kg/m3的中砂、1 076 kg/m3的砂石和14.7 kg/m3的混合料。在制作混凝土時，要嚴格按規定的配合比例進行混凝土的制作，并對所用的水進行嚴格控制，在出廠后對混凝土的坍落度和顏色進行檢測，確保不會有任何的脫析現象發生。

3.2.2 運輸

堿性水泥的運輸使用特殊的運輸車，在進行水泥攪拌之前要先將儲存槽清洗干凈，以防止有雜物進入；混凝土從出廠直至運抵工地，應在2 h以內，在輸送過程中不得混入非配比的清水；進場后，對混凝土的性能及色澤進行檢驗。

3.2.3 泵送

1）安排專門人員進行混凝土澆筑工作，開動混凝土泵車，首先用水泵注入一定數量的水使其濕潤，然后檢驗混凝土泵車中有沒有雜物堵塞。

2）在常規抽吸時，要對抽氣速率進行合理調節，使抽氣均勻，連續緩慢抽吸；如果出現特別狀況，必須停止輸送時，同時確保料倉中有足夠的混凝土。

3）抽吸時，應注意柱塞行程，將其行程限制在最大行程，漏斗中砼表面不能比頭高出20 cm；在抽吸之后，對運輸管道和泵車進行清洗。

3.3 堿激發高韌性混凝土施工

3.3.1 主梁混凝土施工

1）箱梁按分段分層澆注的方式進行，一次澆注的方式為一次澆注成型，包括橫隔梁、底板等；前道工序澆注成型后，進行二次澆注，主要是腹板分上、下兩層進行連續不間斷澆筑，并嚴格控制間歇時間，對澆筑時出現的裂縫進行控制。

2）先從梁的兩邊往中心進行，然后再進行分層均勻澆筑；對底板的內模采取一種壓模板法，通過拉頭和下模來確定澆注面積，并對其澆注厚度進行嚴格控制，使其在模具中的底面要低于兩邊的高度，并按照設計的規定，留下5 cm厚的收漿抹平層。

3）在對箱梁進行澆筑后，先用鋼筋敲打模板，確定其是否密實，若有空洞聲音，應及時進行振搗，使其達到不漏漿、不空洞的程度；表層收漿抹面，在收漿期內不得灑水，主要是提起砂漿和抹面。通過手工抹面，保證了在水泥初凝之前進行收漿抹面，從而保證了橋梁的平整度；在澆注完畢后進行灑水養護，防止因砼產生干縮開裂而破壞橋梁外觀。

4）兩個區間的混凝土間歇時間不大于30 min，二次澆注之前要對首次澆注的混凝土頂面進行振搗，振搗厚度15 cm，確保前、后兩層混凝土的黏結緊密。澆筑過程中，應采取錯開的梅花型振搗方式，避免漏振，各振點的作用時間以10～15 s為宜；當搖桿運動時，其運動距離應以振搗棒工作范圍1.5倍為宜，并要將振搗棒從下部混凝土中穿過，直至深入下部5 cm，確保砼完全黏結，無裂縫；振動結束后，慢慢抬起振擊器，且不能觸及模板。

3.3.2 堿激發混凝土養護

1）混凝土初凝之前進行養護，在外露的混凝土表面鋪上塑料薄膜，維持一定的濕度，然后及時澆水，防止混凝土產生收縮開裂；對同一面積的混凝土進行養護，應采取統一的養護方法，以確保這一地區的砼表面色澤一致。

2）當混凝土強度達到設計要求后，將垂直結構模板拆下，及時進行養護，不用任何養護藥劑，用特殊的塑膠膜將其包起來；梁板的混凝土分段抹平后，應及時用塑料薄膜蓋住，待混凝土達到硬化期后，再進行蓄水養護。

3）清水貼面的養護時間為14 d，要用特殊的塑膠膜，不能用稻草等遮蓋，否則會影響到混凝土的色澤。當溫度變化大時，可先蓋上塑料膜，然后蓋上草簾進行保溫。

4 結論

堿激發混凝土是一種新型的抗侵蝕材料。根據我國GB/T 29423—2012《用于耐腐蝕水泥制品的堿礦渣粉煤灰混凝土》的標準，建立完善的激發材料體系，為我國今后的發展提供參考。在橋梁工程中，對堿激發混凝土的顏色、氣泡、裂紋和光澤等指標提出了更高的要求，因此，在施工中，需要對混凝土的原材料進行質量控制，并對其進行施工工藝的管理。橋梁的每一個施工環節都要采取適合的施工方式，這樣才能確保橋梁主體的顏色統一，同時，混凝土的質量也能達到預期的效果。

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