我国碱激发混凝土标准研制与应用

引言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、碱激发混凝土，在我国已有40多年研究应用历史，对碱激发矿渣混凝土和碱激发矿渣粉煤灰混凝土研究的较多，但碱激发水泥和碱激发混凝土的应用量非常少。这既有材料性能与技术方面的原因又有经济能力的原因，其中，较为重要的原因是缺乏碱激发材料相关标准，影响了碱激发混凝土的工业化生产，但标准的制订又是需要大量碱激发混凝土技术研究和应用的支撑，而反过来会增加标准制订的难度。前苏联对碱激发水泥和碱激发混凝土的研究起步早，应用规模较大，既有现场施工又有预制件的生产，实现了碱激发材料的工业化，这得益于碱激发材料的标准化程度高，前苏联先后颁布了60多个有关碱激发矿渣水泥、碱激发混凝土的规范和标准。为满足碱激发混凝土制品质量及耐久性的要求，2009年开始，嘉兴学院土木工程研究所牵头制定了GB/T29423—2012《用于耐腐蚀水泥制品的碱矿渣粉煤灰混凝土》。该标准实施后，在技术标准的支撑下，耐腐蚀水泥制品的企业生产规模不断提高，取得了较大的经济效益和社会效益，近年来国内掀起了碱激发材料研究与应用的新高潮。2014年重庆市《碱矿渣混凝土应用技术规程》工程建设地方标准制订起草完成，并于当年发布；由重庆大学等主编单位牵头编制的JG/T439—2018《碱矿渣混凝土应用技术标准》2018年正式发布。近十年来，我国的碱激发混凝土相关标准从无到有，已有多部国家标准、行业标准、地方标准、团体标准等发布和正在制定，涉及到产品、施工技术等标准类别，尽管标准体系还未建立，但碱激发材料标准正在逐步制定，碱激发材料的应用量也日益扩大。

1、国家标准制定项目与应用

1.1《用于耐腐蚀水泥制品的碱矿渣粉煤灰混凝土》标准的制定1.1.1总体思路GB/T29423—2012《用于耐腐蚀水泥制品的碱矿渣粉煤灰混凝土》是我国碱激发绿色材料和耐腐蚀水泥制品方面的第一个标准，由于没有现成标准供参考，范围、术语和定义、分类、技术要求、试验方法等内容都存在较大的可变性，再加上缺少碱激发矿渣粉煤灰胶凝材料商品及其产品标准，给标准制定带来很大困难。我们的总体思路是按照GB/T1.1—2009《标准化工作导则》给出的规则制定，力求标准反映耐腐蚀水泥制品的现实情况，力求标准技术要求合理、检验方法适用准确，可操作性强。采用引用其他标准和标准创新相结合，提高本标准的可操作性。1.1.2主要创新点标准抓住耐腐蚀混凝土制品的特点，重点体现对碱矿渣粉煤灰混凝土性能（和易性、力学性能、耐化学腐蚀性）的要求。创新点体现在：（1）明确了对原材料的要求；（2）提出了干硬性混凝土凝结时间的试验方法；（3）提出了碱矿渣粉煤灰混凝土耐化学腐蚀性的试验方法。1.2标准内容的确定1.2.1术语和定义列出了碱性激发剂、碱矿渣粉煤灰耐腐蚀胶凝材料、碱矿渣粉煤灰混凝土等术语，给出了矿渣粉碱性系数和耐腐蚀系数的定义。1.2.2分类为便于使用碱矿渣粉煤灰混凝土，按耐腐蚀用途碱矿渣粉煤灰混凝土分为耐酸混凝土、耐盐混凝土和耐碱混凝土。按所使用碱性激发剂种类分为水玻璃类碱矿渣粉煤灰混凝土、非水玻璃类碱矿渣粉煤灰混凝土。水玻璃类碱矿渣粉煤灰混凝土可用于耐酸、耐盐和耐碱的场合，非水玻璃类碱矿渣粉煤灰混凝土一般用于耐盐和耐碱的场合，不宜用于耐酸场合。1.2.3原材料因没有碱矿渣粉煤灰胶凝材料标准，在制定《用于耐腐蚀水泥制品的碱矿渣粉煤灰混凝土》标准时，提出了对碱矿渣粉煤灰混凝土中粉煤灰、矿渣粉、激发剂的要求，及粗细骨料、水、外加剂、掺合料等原材料的要求。“粉煤灰”应达到GB/T1596《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》F类Ⅰ级和Ⅱ级规定的粉煤灰可用于碱矿渣粉煤灰混凝土。F类Ⅲ级粉煤灰不能满足碱矿渣粉煤灰混凝土的要求，C类粉煤灰的耐酸腐蚀性能较差，不建议使用。为保证耐腐蚀性，还对粉煤灰的化学成分提出了要求。“矿渣粉”的碱性系数、比表面积、活性指数都是反映矿渣粉易于激发的指标，碱性系数小，活性指数不一定低，碱性系数小但比表面积大的矿渣粉也有较好的性能。标准起草小组测试了十几种矿渣粉，其碱性系数大都在1.0以上，但也有少量碱性系数小于1.0的酸性矿渣，碱性系数过低比较难激发活性，0.95是最低要求。有些矿渣粉的比表面积超过500m2/kg，用于碱矿渣粉煤灰混凝土会产生较大收缩，不宜使用。综合考虑后，确定矿渣粉需满足碱性系数M0＞0.95，比表面积（400±80）m2/kg，S95以上等级的要求。标准对常用的碱性激发剂的基本物理性质做了规定，激发剂组成材料应符合相应产品标准的规定。碱矿渣粉煤灰混凝土的碱含量高，在游离碱和水作用下，碱活性集料可能会产生碱集料反应，从而影响混凝土耐久性，对有预防碱骨料反应使用要求的水泥制品，不宜使用碱活性集料，用于有耐酸要求的水泥制品不应使用碳酸盐类粗集料。1.2.4技术要求耐腐蚀水泥制品除要求其制品的耐腐蚀性远好于普通水泥制品外，对水泥制品密实成型和最终的力学性能要求与普通水泥制品是相同的，本标准制定时将胶凝材料和混凝土的凝结时间、强度、耐腐蚀性作为主要性能指标。（1）混凝土的和易性新拌混凝土的和易性按GB/T50080《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》的规定，稠度大小应满足水泥制品成型的要求，干硬性混凝土维勃稠度值不宜大于30s。黏聚性和保水性也应符合GB/T50080相应的要求。（2）凝结时间碱矿渣粉煤灰混凝土的凝结时间快于普通混凝土，初凝一般30～150min，终凝一般60～300min，制品成型制作一般40～100min。生产时对初凝时间要求不短于成型结束所需时间，该标准对混凝土提出初凝应不小于45min，终凝时间未做要求。（3）氯离子含量为提高混凝土的护筋性，混凝土禁止使用氯盐作外加剂，但原材料中可能含有氯离子，碱矿渣粉煤灰混凝土氯离子含量应不大于胶凝材料重量的0.15％。（4）混凝土强度水泥制品的最低强度等级为C30，目前所用的碱矿渣粉煤灰混凝土中，水玻璃类碱性激发混凝土强度等级C30～C50，非水玻璃类碱性激发混凝土强度等级C30～C80。（5）耐化学腐蚀性耐腐蚀水泥制品适用于pH2～pH13酸碱盐的环境下，此时碱矿渣粉煤灰混凝土具有明显优于普通水泥混凝土的耐腐蚀性。经过试验验证，碱矿渣粉煤灰混凝土耐酸和耐碱腐蚀系数在0.8以上，而普通水泥混凝土耐酸和耐碱腐蚀系数约0.2～0.6，确定的耐酸和耐碱腐蚀系数为0.80，耐盐类腐蚀系数不小于0.75。1.2.5试验方法（1）凝结时间GB/T29423—2012中凝结时间的试验方法有：砂浆法（标准法）、净浆法（代用法）。砂浆法是标准试验方法，可在型式检验等正式检验时使用该法；日常检验可以用净浆法。砂浆法按塑性混凝土和干硬性混凝土分别进行凝结时间检验，对于塑性混凝土的凝结时间按GB/T50080的规定进行测定；对于干硬性混凝土或难以筛出砂浆的混凝土，采用与混凝土设计配合比相同的胶砂比和水胶比配制出砂浆，再用贯入阻力法来测定凝结时间。我们研究了配置砂浆和混凝土筛出砂浆的各组分变化和凝结时间进行比较，还研究了砂浆凝结时间和混凝土凝结时间的差异。在试验所用砂石材料条件下，水胶比对凝结时间影响较小，激发剂的用量对凝结时间影响较大。（2）耐化学腐蚀以往关于混凝土耐化学腐蚀的试验方法少，试验周期长，我们提出了在较短时间内判断混凝土耐腐蚀的试验方法，型式检验通常用标准法，日常检验可用代用法。试件：国内外相关标准中既有用砂浆试件也有用混凝土试件，标准起草小组使用砂浆试件和混凝土试件，经过试验验证与比较，确定了耐酸与耐碱试验用砂浆试件，耐盐试验采用混凝土（标准法）或砂浆试件（代用法）。试件养护：为与耐腐蚀水泥制品生产条件一致，标准中抗压强度试验和耐腐蚀试验均采用蒸汽养护加标养的方式，为加快腐蚀速度缩短耐腐蚀试验周期，采用蒸汽养护加7d标养。侵蚀方法：一是酸和碱侵蚀。通过反复比较耐腐蚀试验效果，制定出与常温耐腐蚀试验效果基本一致，能够反映制品厂构件耐腐蚀性能的快速方法。为判断腐蚀条件的严重程度，确定侵蚀结束的时间，在耐腐蚀试验时，将碱矿渣粉煤灰混凝土与相同强度等级的普通水泥混凝土在相同侵蚀条件下进行，当普通水泥混凝土已明显腐蚀时，即可停止侵蚀试验。我们通过提高侵蚀的浓度和温度，加快了侵蚀过程，再对比普通硅酸盐水泥胶砂试件和碱矿渣粉煤灰胶砂试件耐腐蚀系数，从而判断试件的耐腐蚀能力。碱矿渣粉煤灰耐腐蚀系数仍在0.8以上，整个侵蚀周期为2d，与常温侵蚀整个侵蚀周期为28d相比，大幅度缩短了试验周期。二是盐侵蚀。盐类对混凝土的腐蚀速度较慢，我们开展了浸泡法和干湿循环试验的比较，浸泡法需要很长时间才能看出腐蚀现象，有时经过6～12个月侵蚀的耐腐蚀系数仍在0.9以上，养护条件对试件的盐侵蚀影响比较大，同配比的混凝土试件在标准养护时密实度高于蒸汽养护的混凝土试件，盐侵蚀的速度随着密实度的提高而减缓，强度越高的混凝土盐侵蚀的速度也慢。使用尺寸较小的胶砂试件，可加快腐蚀的过程，干湿循环法的循环次数应在120次以上能判断出盐侵蚀性的差别。1.3标准实施应用1.3.1碱矿渣粉煤灰混凝土应用面和用量扩大标准实施后，更多的人对碱矿渣粉煤灰混凝土有了进一步的认识，企业有了技术标准的支撑，耐腐蚀水泥制品的质量和生产规模不断提高，碱矿渣粉煤灰混凝土应用范围从制造预制的耐腐蚀混凝土管、杆、桩扩大到钢筋混凝土检查井、混凝土井盖、预制异形管道、现场预制和现浇耐腐蚀结构等，取得了较大的经济效益和社会效益。因此《用于耐腐蚀水泥制品的碱矿渣粉煤灰混凝土》国家标准获得了“2015年建材行业标准创新奖”。1.3.2新制定了《碱矿渣混凝土应用技术标准》及相关标准GB/T29423—2012的颁布实施打破了我国碱激发材料缺少国家标准的发展瓶颈，推动了我国碱激发材料的标准化和碱激发混凝土的工程应用，碱激发材料相关标准的制定从无到有，再延伸扩大，重庆市工程建设标准DBJ-50T-205—2014《碱矿渣混凝土应用技术规程》2015年2月正式实施；重庆大学等主编单位又与嘉兴学院等参编单位合作完成了国家行业标准JG/T439—2018《碱矿渣混凝土应用技术标准》，2016年通过住建部的审查，2018年发布。1.3.3新增加效益《用于耐腐蚀水泥制品的碱矿渣粉煤灰混凝土》国家标准的发布实施，改变了耐腐蚀水泥制品没有标准的局面，明确了对原材料的要求，为产品生产应用打下了基础。按照标准生产了耐腐蚀混凝土管、电杆、管桩、接触网支柱、钢筋混凝土检查井、混凝土井盖、预制异形管道等耐腐蚀水泥制品和碱矿渣粉煤灰混凝土外加剂等相关产品，年增加产值超4亿元。耐腐蚀水泥制品由于耐久性增加而在工程上产生的经济效益应在几十亿元以上。耐腐蚀水泥制品采用碱性激发粉煤灰、矿渣作胶凝材料，取代了普通混凝土中的硅酸盐水泥，不但利用了大量工业废料，而且不向环境排放二氧化碳等污染气体，是一种绿色低碳建材产品，环境效益和社会效益突出。利用碱矿渣粉煤灰混凝土的耐腐蚀能力强这一特点，不仅加大碱激发混凝土在高耐久性的场合应用，还将使碱激发混凝土技术经济性更加合理，在与其他的高能耗、高价格、表面防腐蚀材料的竞争中优势更加显著。

2、《碱矿渣混凝土应用技术标准》制定与应用

碱矿渣混凝土是我国研究历史最久、最深入的一种碱激发材料，但由于缺乏标准，碱矿渣混凝土应用受到很大的影响，应用量一直很小。经过重庆大学等单位的积极申报，《碱矿渣混凝土应用技术标准》制定项目2011年在住房和城乡建设部立项，标准编制组经广泛调研征求意见，认真总结碱矿渣混凝土应用实践经验，参考有关国际标准和国外先进标准，围绕碱矿渣混凝土如何适用于现浇工业与民用建筑和构筑物中的应用，多次召开研讨会修改标准条款，2016年该标准通过了住建部的审查。但由于我国实行标准化改革，在标准制定过程中有些工作要求发生改变，直至2018年底，JG/T439—2018《碱矿渣混凝土应用技术标准》发布，2019年6月1日实施。《碱矿渣混凝土应用技术标准》主要技术内容：1.总则，2.术语和符号，3.基本规定，4.原材料，5.碱矿渣混凝土的性能，6.配合比设计，7.施工，8.质量检验与验收，以及附录A碱矿渣胶结材的试验方法。标准围绕碱矿渣混凝土的应用做了较详细规定，不仅涉及原材料，也包括碱矿渣混凝土的施工及质量验收。该标准是工程建设标准，按照中国工程建设标准的编写格式编排，附带了标准的编制说明，便于了解标准的编制背景资料。标准对于建筑工程主体结构中的碱矿渣混凝土应用关系重大，将有力推动我国碱矿渣混凝土制品的生产发展和技术进步。我国行业标准的编制程序严格，编制周期长，2014年重庆市建筑科学研究院等主编单位申报了《碱矿渣混凝土应用技术规程》重庆市工程建设标准制定项目，并得到重庆市城乡建设委员会的批准，于当年发布了DBJ50/T-205—2014《碱矿渣混凝土应用技术规程》。《碱矿渣混凝土应用技术规程》主要技术内容：1.总则，2.术语和符号，3.设计，4.材料，5.配合比设计，6.施工，7.质量检验及验收，8.安全要求。对碱矿渣混凝土的设计及混凝土强度取值做了详细规定，解决了碱矿渣混凝土应用时的无设计依据的问题，该标准用于指导重庆建科大厦工程的碱矿渣混凝土基础、墙板、楼板等施工，使用C20～C45碱矿渣混凝土1000多立方米。

3、其他碱激发材料标准简介

3.1《生态型混凝土鱼礁》行业标准碱激发混凝土以其优良的耐化学腐蚀性在耐腐蚀场合逐步扩大应用，在海洋工程有了用武之地，碱粉煤灰（矿渣）混凝土制作海洋鱼礁成为海洋牧场用的优质材料，笔者申报的《生态型混凝土鱼礁》行业标准于2018年立项，2019年11月通过了专家审查，标准已报批，2020年10月已由工业和信息化部报批公示，即将发布实施。为突出生态混凝土鱼礁的特点，该标准提出了原材料在生态方面的“一般要求”：生态型混凝土鱼礁的混凝土水泥、骨料、掺合料、外加剂等原材料应对水质无污染，对混凝土生态性无危害。不含有超标的重金属、甲醛、释放氨，放射性物质。混凝土鱼礁的生态性和耐久性技术指标包括混凝土保护层厚度、抗氯离子渗透性、抗硫酸盐侵蚀性、抗冻性、鱼礁混凝土pH值、有害物质限量、放射性限量等。碱激发混凝土易于满足这些这些指标的要求，比普通硅酸盐水泥在耐久性和低碱度方面有明显优势，是适宜生态混凝土鱼礁的材料。

3.2《碱矿渣锚固料应用技术标准》标准对新产品和新技术的支撑作用越来越被人们重视，碱激发材料相关的