碱激发高韧性混凝土在桥梁工程中的应用

摘 要：碱激发混凝土是一种类似于水泥混凝土的环境友好型建筑材料，它能够延迟混凝土的裂缝，提高其韧性和延性，区别于一般的水泥混凝土，碱激发高韧性混凝土具有更高的耐蚀性，国内已经有许多公司开始制造耐蚀混凝土排水管、电杆等产品。该文阐述我国GB/T 29423—2012《用于耐腐蚀水泥制品的碱矿渣粉煤灰混凝土》的碱性激发物质标准，为进一步规范生产、使用、销售和质量检验提供依据，并建立健全相应的标准从现代桥梁审美需求出发，结合一座桥梁工程实例，简单介绍项目的基本概况，并对其施工工艺进行研究。着重对碱激发混凝土的各项性能测试，碱激发混凝土的生产、运输和泵送，以及碱激发混凝土的施工等几个方面进行深入探讨，希望能够为类似的工程提供一些参考。

关键词：碱激发混凝土；高韧性；桥梁工程；建筑材料；施工工艺

中图分类号：TU997 文献标志码：A 文章编号：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

针对环境保持和可持续发展的需求，近年来，基于碱性混凝土的研究取得了长足进展。经过十几年的发展，国内已经出台了相关的国家标准、行业标准、地方标准和团体标准等，涵盖了产品、施工技术等多个领域，虽然目前还没有形成统一的标准，但是，随着碱激发材料标准的不断完善，其使用范围也在不断增加。针对目前我国桥梁工程建设中存在的主要问题——混凝土存在自重大、抗拉强度差等不足，导致其使用时无法得到很好的保障。针对这一现状，结合工程实际，对碱激发高韧性水泥混凝土在市政桥梁建设中的运用进行了剖析。

1 工程概况

大桥桥址地处西河与渭河交汇地段，原为渭河滩地，该处河谷平坦、宽阔，渭河两侧地势均略向河心倾斜，桥址沿线地层分布规律性较强，结合现状地形特征按里程划分地貌单元。K6+980（桥梁设计起点）～K7+060渭河左岸一级阶地。现状为农田或草地，沿里程地势降低，现地面高程介于1 722.41～1 724.21 m。

K7+060～K7+100现状渭河河床。现状过水宽度约6 m；K7+100～K7+300河漫滩。经调查，历史上当地陇渭高速及堤坝修建时在河滩上曾大量采砂导致桥址区河床面平均下降约3 m，现状基岩直接出露于地表，河床变窄改道至现状渭河左岸岸边田坎之下，使得桥址区原来的河床变为现状河漫滩。

K7+300～K7+451（桥梁设计终点）原始地貌为渭河右岸一级阶地。在里程K7+300～K7+360，为现状药都大道（市政主干路），在里程K7+360～K7+451段为拆迁区，沿线废弃的市政管井较多，现地面高程介于1 723.32～1 727.95 m。

桥址区现状渭河过水河槽左岸岸坡较平缓，阶地高度小（不超1 m），阶地台坎下为泉水出露带，芦苇丛生，整个岸坡稳定性良好；右岸岸坡为泥岩陡坎，平均坎高约2.5 m，风化破碎较严重，在河水浸润冲刷的影响下有开裂掉块现象，岸坡整体处于欠稳定～不稳定状态。

2 碱激发高韧性混凝土

2.1 碱激发高韧性混凝土的概念及研究现状

碱激发高韧性混凝土（Alkali-activatedConcrete，AAC）是一种由富SiO2、氧化铝等原材料与碱（水）作用形成的新型建筑的结构材料（图1），把含铝硅酸盐的工业废弃物，利用碱（水）将其与炉渣等原料进行凝胶化，在其表面生成强碱金属硅氧化物，并在其表面生成具有立体微网状的立体网状结构。通过对粉煤灰、高炉矿渣、偏高岭土、磨细铅冶炼渣、氧化铝精炼赤泥、硅灰等工业废弃物的高效制备，使其在生产中所产生的CO减少了80%左右。同时，该产品的制备工艺简单，不需要烧制，能耗小，速度快，强度高，是21世纪极具发展潜力的绿色建材。

图1 碱激发高韧性混凝土

碱激发材料是以碱激发胶凝材料为基础制得的一大类土木工程材料，如碱激发水泥、碱激发高韧性混凝土。虽然本项目在国内开展了40余年的研究与使用，主要集中在碱性矿渣及激发矿渣粉煤灰上，但对于它的研究还很缺乏。造成这种局面的一个主要因素是：由于碱性水泥基水泥有关标准的缺失，严重制约了其产业化进程，而该标准的制定又离不开大量的基础研究与应用，这就使得制定新的标准变得更加困难。

由于碱激发混凝土的标准化水平高，苏联在碱激发混凝土方面的研究起步较早，已具有一定的产业化潜力，发布60余项碱激发水泥及碱激发混凝土技术标准。为了适应我国对碱骨料混凝土产品的品质和耐久性能的需求，自2009年起嘉兴大学土木工程学院主导编制了GB/T 29423—2012《用于耐腐蚀水泥制品的碱矿渣粉煤灰混凝土》。在此基础上，随着我国抗侵蚀混凝土产品的发展，我国抗侵蚀混凝土产品制造企业的规模化发展，并产生了巨大的经济和社会效应。重庆市于2014年制定并发布DBJ50/T-205—2014《碱矿渣混凝土应用技术规程》；JG/T 439—2018《碱矿渣混凝土应用技术标准》，于2018年正式公布。

2.2 碱激发高韧性混凝土的分类

为了方便碱渣-粉煤灰混凝土的应用，将其分为耐酸、耐盐和耐碱性3种类型。根据碱矿渣-粉煤灰混凝土中碱矿渣-粉煤灰混凝土的类型，将其与非水玻璃-粉煤灰混凝土进行了比较。水泥基碱渣-粉煤灰砼适用于耐酸、耐盐、耐碱性的环境，而非水硅基碱渣砼则适用于耐盐、耐碱性的环境，而不适用于耐酸的环境。

2.3 原材料

“矿渣粉”的碱性系数、比表面积和活性指数等可作为反映钢渣的易发性标志，低碱性的钢渣并不必然具有更高的活性指数，而具有低碱性、高比表面积的钢渣微粉则具有更高的活性。本团队对十余种炉渣进行了试验，发现大部分炉渣的碱度指数均大于1.0，但也有少数碱度指数在1.0以下的炉渣，由于碱系数太低，难以被活化，所以需要0.95的碱度。一些比表面积大于500 m2/kg的矿渣微粉应用在碱渣-粉煤灰混凝土中会引起很大的收缩，不宜使用。综合考虑后，确定矿渣粉需满足碱性系数MO>0.95，比表面积400 m2/kg，S95以上等级的要求。此外，“粉煤灰”要应用于碱矿渣-粉煤灰混凝土，还应满足GB/T 1596—2017《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》F级I级的要求。研究发现，F型亚级灰不能满足碱矿渣-粉煤灰混凝土的性能要求，而C型灰耐酸性较差，不适合使用。同时，为保证涂层的耐腐蚀性，还对涂层的化学成分进行了规范。

本规范对常见的碱激发剂的基础物理性能作了详细的说明，并提出了激发剂的构成物质要满足相关的生产要求。碱渣-粉煤灰混合料是一种活性较高的碱性材料，碱活化骨料易发生碱-骨料反应，降低了混凝土的耐久性能。因此，对于需要防止碱骨料作用的水泥产品、耐酸性的水泥产品，则不适用。

2.4 技术要求

抗侵蚀水泥产品除了需要比一般的水泥产品具有更高的抗腐蚀性，还需要对水泥产品的密实成型以及成品的机械特性有要求。在制定该标准时，将胶凝材料的凝结时间，强度，抗腐蚀性作为其基本的工艺指标。

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试验方法标准》的规定，对新拌混凝土进行工作性试验，测定其强度尺寸，以达到水泥制品成型的要求，而混凝土的单位体积黏度不得大于30 Pa·s。其胶凝及持水性能也应符合GB/T 50080—2016的有关要求。

2.4.2 凝结时间

碱渣-粉煤灰混合料的初凝速度比普通水泥要早30～150 min，终凝阶段为60～300 min，产品的成型加工通常为40～100 min。在制作过程中，对于初凝的时间不能少于成型完成的时间，这一规范中混凝土的初凝应该不少于45 min，而对于终凝的时间没有任何的规定。

2.4.3 氯离子含量

为了改善砼的抗裂性能，在砼中严禁采用氯盐作为掺合料，但是原料必须包含氯离子。

2.4.4 混凝土强度

水泥产品的最低强度应达到C30。在当前使用的碱渣-粉煤灰砼中，以水玻璃为基础的碱激发砼，其强度为C30～C50，无水玻璃碱激发砼的强度为C30～C80。

2.4.5 耐化学腐蚀性

抗侵蚀的水泥产品适合在pH 3～13酸性和碱性条件下使用，并且在这种情况下，碱渣-粉煤灰混凝土的抗腐蚀性能比一般的水泥要好得多。碱渣-粉煤灰混凝土的抗酸碱性能大于0.8，而一般的水泥混凝土则在0.2～0.6之间。

3 桥梁施工中碱激发高韧性混凝土的应用

本次渭河1号桥拟采用“基于双碳目标的碱激发高韧性混凝土关键技术”来提升桥梁工程建设品质，实现建筑业绿色低碳发展。碱激发混凝土作为一种新的混凝土，其产生的二氧化碳排放量仅为普通水泥的1/15～1/10，能够实现大量的固废资源化利用，环保节能优势十分明显。当前，澳大利亚等国家已经成功应用于市政、交通、海洋等工程建设，并将其应用实现“碳达峰”“碳中和”目标。

在测试之前，根据配合比设计的质量（表1），将所需要的原材料称重备用，提前准备好碱激发溶液。向硅酸钠溶液中添加氢氧化钠，使其充分搅拌，然后放置24 h。首先，将粗细骨料、高炉矿渣粉、粉煤灰按顺序加入混凝土搅拌机，搅拌均匀后再洒上钢纤维，再向搅拌机中加入适量的碱激发溶液和水。将已拌好的碱激发混凝土灌入试件室中，用摇床振捣，然后涂膜。因为碱激发混凝土的凝固速率很快，所以要迅速浇筑，并且要做到振捣均匀。在试件上盖一层膜进行一天的养护之后，就可以将其取出，28 d之后，对其进行机械性能的测试。

3.1 碱激发高韧性混凝土性能试验检测

3.1.1 水泥

本项目针对混凝土色泽的具体需求，提出了混凝土的需求，在对比了大桥施工图纸色彩后，测试了其物理机械性质。试验表明，该产品的细度为1.0%，符合有关规定的10%以内；其质量浓度为27.2%；其初凝时间为220 min；终凝时间为310 min；3 d抗压强度25.5 MPa，28 d抗压强度49.3 MPa。以上各项技术参数都达到了有关碱激发混凝土的规范要求。

3.1.2 粗骨料

本项目拟以高强度的碱水泥基材料为研究对象，通过对该材料的基本物理机械性质的测试，确定了该材料的主要结构参数：最大尺寸为5.25 mm，表面密度为2 740 kg/m3，堆积密度为1 580 kg/m3，孔隙度为42%，污泥浓度为0.5%，污泥质量分数为0.2%。以上各项技术参数都满足有关的混凝土粗集料规范。

3.1.3 细骨料

在该项目中，细集选择了同一种色泽的细粒细集料，并对细集料的物理机械性质进行了测试，检测结果为：其表面密度为2 700 kg/m3，堆积密度为1 540 kg/m3，孔隙率为42%，污泥质量分数为1.9%，污泥体积分数为0.4%。以上各项技术参数都达到了对细集料的规范要求。

3.1.4 矿物掺和料

采用色泽均一的炉渣粉末，比表面积不低于4 000 cm3/g、密度2.5 g/cm3的S95级炉渣粉末；结果表明：飞灰的粒度为0.1～0.2 μm，烧蚀损失4.67%，水分需求率93%，水分含量0.1%。

3.1.5 外加剂

配合比采用高性能超塑化剂，其减水率不得低于20%，硫酸盐用量不得大于5.0%，碱用量不得大于10%，泌水率不得大于90%，含气量不超过碱激发混凝土3.0%。

3.2 碱激发高韧性混凝土生产、运输与泵送

3.2.1 生产

在生产过程中，掺入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。在制作混凝土时，要严格按规定的配合比例进行混凝土的制作，并对所用的水进行严格控制，在出厂后对混凝土的坍落度和颜色进行检测，确保不会有任何的脱析现象发生。

3.2.2 运输

碱性水泥的运输使用特殊的运输车，在进行水泥搅拌之前要先将储存槽清洗干净，以防止有杂物进入；混凝土从出厂直至运抵工地，应在2 h以内，在输送过程中不得混入非配比的清水；进场后，对混凝土的性能及色泽进行检验。

3.2.3 泵送

1）安排专门人员进行混凝土浇筑工作，开动混凝土泵车，首先用水泵注入一定数量的水使其湿润，然后检验混凝土泵车中有没有杂物堵塞。

2）在常规抽吸时，要对抽气速率进行合理调节，使抽气均匀，连续缓慢抽吸；如果出现特别状况，必须停止输送时，同时确保料仓中有足够的混凝土。

3）抽吸时，应注意柱塞行程，将其行程限制在最大行程，漏斗中砼表面不能比头高出20 cm；在抽吸之后，对运输管道和泵车进行清洗。

3.3 碱激发高韧性混凝土施工

3.3.1 主梁混凝土施工

1）箱梁按分段分层浇注的方式进行，一次浇注的方式为一次浇注成型，包括横隔梁、底板等；前道工序浇注成型后，进行二次浇注，主要是腹板分上、下两层进行连续不间断浇筑，并严格控制间歇时间，对浇筑时出现的裂缝进行控制。

2）先从梁的两边往中心进行，然后再进行分层均匀浇筑；对底板的内模采取一种压模板法，通过拉头和下模来确定浇注面积，并对其浇注厚度进行严格控制，使其在模具中的底面要低于两边的高度，并按照设计的规定，留下5 cm厚的收浆抹平层。

3）在对箱梁进行浇筑后，先用钢筋敲打模板，确定其是否密实，若有空洞声音，应及时进行振捣，使其达到不漏浆、不空洞的程度；表层收浆抹面，在收浆期内不得洒水，主要是提起砂浆和抹面。通过手工抹面，保证了在水泥初凝之前进行收浆抹面，从而保证了桥梁的平整度；在浇注完毕后进行洒水养护，防止因砼产生干缩开裂而破坏桥梁外观。

4）两个区间的混凝土间歇时间不大于30 min，二次浇注之前要对首次浇注的混凝土顶面进行振捣，振捣厚度15 cm，确保前、后两层混凝土的黏结紧密。浇筑过程中，应采取错开的梅花型振捣方式，避免漏振，各振点的作用时间以10～15 s为宜；当摇杆运动时，其运动距离应以振捣棒工作范围1.5倍为宜，并要将振捣棒从下部混凝土中穿过，直至深入下部5 cm，确保砼完全黏结，无裂缝；振动结束后，慢慢抬起振击器，且不能触及模板。

3.3.2 碱激发混凝土养护

1）混凝土初凝之前进行养护，在外露的混凝土表面铺上塑料薄膜，维持一定的湿度，然后及时浇水，防止混凝土产生收缩开裂；对同一面积的混凝土进行养护，应采取统一的养护方法，以确保这一地区的砼表面色泽一致。

2）当混凝土强度达到设计要求后，将垂直结构模板拆下，及时进行养护，不用任何养护药剂，用特殊的塑胶膜将其包起来；梁板的混凝土分段抹平后，应及时用塑料薄膜盖住，待混凝土达到硬化期后，再进行蓄水养护。

3）清水贴面的养护时间为14 d，要用特殊的塑胶膜，不能用稻草等遮盖，否则会影响到混凝土的色泽。当温度变化大时，可先盖上塑料膜，然后盖上草帘进行保温。

4 结论

碱激发混凝土是一种新型的抗侵蚀材料。根据我国GB/T 29423—2012《用于耐腐蚀水泥制品的碱矿渣粉煤灰混凝土》的标准，建立完善的激发材料体系，为我国今后的发展提供参考。在桥梁工程中，对碱激发混凝土的颜色、气泡、裂纹和光泽等指标提出了更高的要求，因此，在施工中，需要对混凝土的原材料进行质量控制，并对其进行施工工艺的管理。桥梁的每一个施工环节都要采取适合的施工方式，这样才能确保桥梁主体的颜色统一，同时，混凝土的质量也能达到预期的效果。

参考文献：

[1]  mqwQrHEXAopHEZVPtafaerZCwTzBbUhN7KsYg5IHKSk=;江璐璐，万小梅，车雪萍.碱激发混凝土配合比设计方法研究综述[J].混凝土，202４（１）：１３９－１４３.

[2] 查文华，李杰莲，吕文芳，等.碱激发粉煤灰-矿渣基煤矸石透水混凝土制备及性能研究[J/OL].铁道科学与工程学报，1-12[2024-10-23].https：//doi.org/10.19713/j.cnki.43-1423/u.T2024 1007.

[3] 刘帆，赵容晨，管怡喆.碱激发材料与混凝土收缩之间的相互作用研究综述[J].山西交通科技，２０２４（３）：１８－22.

[4] 王玉卿.基于碱激发利用建筑垃圾协同盾构渣土制备可控性低强度材料（CLSM）[D].济南：山东建筑大学，2024.

[5] 杨煊，马芹永，施宇航，等.碱激发绿色超高性能混凝土早期力学性能研究[J].河南城建学院学报，２０２４，３３（２）：２７－３4.

[6] 周雪琼，彭海松，赵帅.京沪高铁桥梁墩台外观质量控制的探讨[J].四川水力发电，2012（4）：48-50.

[7] 陈越，丁会敏，唐诗洋，等.粉煤灰基碱激发胶凝材料的制备及应用的研究进展[J].黑龙江科学，２０２４，１５（８）：３２－３4，38.