堿激發(fā)高韌性混凝土在橋梁工程中的應用

摘 要：堿激發(fā)混凝土是一種類似于水泥混凝土的環(huán)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(qū)別于一般的水泥混凝土，堿激發(fā)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(fā)物質標準，為進一步規(guī)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(fā)，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(fā)混凝土的各項性能測試，堿激發(fā)混凝土的生產、運輸和泵送，以及堿激發(fā)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(fā)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(huán)境保持和可持續(xù)發(fā)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(fā)展，國內已經出臺了相關的國家標準、行業(yè)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(tǒng)一的標準，但是，隨著堿激發(fā)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(fā)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(guī)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?，F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?，F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(qū)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(qū)原來的河床變?yōu)楝F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(qū)，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(qū)現狀渭河過水河槽左岸岸坡較平緩，階地高度?。ú怀? m），階地臺坎下為泉水出露帶，蘆葦叢生，整個岸坡穩(wěn)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(wěn)定～不穩(wěn)定狀態(tài)。

2 堿激發(fā)高韌性混凝土

2.1 堿激發(fā)高韌性混凝土的概念及研究現狀

堿激發(fā)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(yè)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(yè)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(fā)展?jié)摿Φ木G色建材。

圖1 堿激發(fā)高韌性混凝土

堿激發(fā)材料是以堿激發(fā)膠凝材料為基礎制得的一大類土木工程材料，如堿激發(fā)水泥、堿激發(fā)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(fā)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(yè)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(fā)混凝土的標準化水平高，蘇聯(lián)在堿激發(fā)混凝土方面的研究起步較早，已具有一定的產業(yè)化潛力，發(fā)布60余項堿激發(fā)水泥及堿激發(fā)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(fā)展，我國抗侵蝕混凝土產品制造企業(yè)的規(guī)?；l(fā)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(fā)布DBJ50/T-205—2014《堿礦渣混凝土應用技術規(guī)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(fā)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(huán)境，而非水硅基堿渣砼則適用于耐鹽、耐堿性的環(huán)境，而不適用于耐酸的環(huán)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(fā)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(fā)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(fā)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(guī)范。

本規(guī)范對常見的堿激發(fā)劑的基礎物理性能作了詳細的說明，并提出了激發(fā)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(fā)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(guī)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(guī)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(guī)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(fā)砼，其強度為C30～C50，無水玻璃堿激發(fā)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(fā)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(fā)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(yè)綠色低碳發(fā)展。堿激發(fā)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(huán)保節(jié)能優(yōu)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(fā)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(fā)溶液和水。將已拌好的堿激發(fā)混凝土灌入試件室中，用搖床振搗，然后涂膜。因為堿激發(fā)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(yǎng)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(fā)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(guī)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(fā)混凝土的規(guī)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(guī)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(guī)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(fā)混凝土3.0%。

3.2 堿激發(fā)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(guī)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(fā)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(guī)抽吸時，要對抽氣速率進行合理調節(jié)，使抽氣均勻，連續(xù)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(fā)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(xù)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(guī)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(yǎng)護，防止因砼產生干縮開裂而破壞橋梁外觀。

4）兩個區(qū)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(fā)混凝土養(yǎng)護

1）混凝土初凝之前進行養(yǎng)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(yǎng)護，應采取統(tǒng)一的養(yǎng)護方法，以確保這一地區(qū)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(yǎng)護，不用任何養(yǎng)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(yǎng)護。

3）清水貼面的養(yǎng)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(fā)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(fā)材料體系，為我國今后的發(fā)展提供參考。在橋梁工程中，對堿激發(fā)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(huán)節(jié)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(tǒng)一，同時，混凝土的質量也能達到預期的效果。

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