《工業(yè)固廢混凝土盾構(gòu)管片》編制說(shuō)明

《工業(yè)固廢混凝土盾構(gòu)管片》

編制說(shuō)明

一、標(biāo)準(zhǔn)制定的必要性

隨著城市化進(jìn)程的加速和工程建設(shè)的不斷發(fā)展，對(duì)于地下交通、排水、供水

等基礎(chǔ)設(shè)施的需求日益增加，而傳統(tǒng)的原材料資源逐漸減少，對(duì)環(huán)境的影響也日

益顯著。我國(guó)工業(yè)固廢大量堆存，不但侵占了大面積的土地資源，對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)和

環(huán)境造成了嚴(yán)重的破壞，當(dāng)前面臨的固廢處置問(wèn)題已制約了城市健康、穩(wěn)定、有

序發(fā)展，急需加快提升固廢資源化利用和處置能力，謀求構(gòu)建循環(huán)經(jīng)濟(jì)，實(shí)現(xiàn)固

廢資源化處置。工業(yè)固廢材料作為一種潛在的水泥或砂石骨料替代材料具有存量

巨大、使用成本較低、對(duì)改善生態(tài)環(huán)境有積極的影響等特點(diǎn)，逐漸在各類混凝土

構(gòu)件中應(yīng)用。

將工業(yè)固廢材料作為混凝土盾構(gòu)管片的原材料，不僅能夠有效減少固廢堆存

和降低碳排放量，還能夠節(jié)約大量的天然資源，降低盾構(gòu)管片生產(chǎn)成本，實(shí)現(xiàn)資

源循環(huán)利用和能源節(jié)約的雙重效應(yīng)。同時(shí)，一些工業(yè)固廢的添加有助于改善混凝

土盾構(gòu)管片的性能和品質(zhì)，通過(guò)合理選擇工業(yè)固廢種類、控制工業(yè)固廢摻入量以

及調(diào)整養(yǎng)護(hù)方式等方法，可以調(diào)控混凝土的力學(xué)性能，提高其抗壓強(qiáng)度、耐久性、

抗?jié)B性等方面的性能，從而提高混凝土盾構(gòu)管片的使用壽命和安全性。此外，工

業(yè)固廢材料的應(yīng)用還有助于降低混凝土的密實(shí)性和收縮性，改善混凝土的可加工

性和施工性，減少混凝土裂縫和變形的風(fēng)險(xiǎn)，提高盾構(gòu)管片的質(zhì)量。通過(guò)將工業(yè)

固廢材料應(yīng)用于混凝土盾構(gòu)管片構(gòu)件制作中，可以有效減少對(duì)自然環(huán)境的破壞和

對(duì)社會(huì)資源的消耗，推動(dòng)城市化進(jìn)程和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)朝著更加環(huán)保、可持續(xù)的方

向發(fā)展。

編制組將在標(biāo)準(zhǔn)中反映出最新創(chuàng)新成果，標(biāo)準(zhǔn)將從原材料、設(shè)計(jì)和構(gòu)造等角

度予以規(guī)范，此舉將完善工業(yè)固廢混凝土盾構(gòu)管片的應(yīng)用，解決工程實(shí)際問(wèn)題，

對(duì)固廢混凝土的應(yīng)用提供理論依據(jù)，以達(dá)到有利于便利經(jīng)貿(mào)往來(lái)，支撐產(chǎn)業(yè)發(fā)展，

促進(jìn)科技進(jìn)步，規(guī)范社會(huì)治理的目的。

二、標(biāo)準(zhǔn)編制原則及依據(jù)

1.按照GB/T1.1-2020《標(biāo)準(zhǔn)化工作導(dǎo)則第1部分：標(biāo)準(zhǔn)化文件的結(jié)構(gòu)和起

草規(guī)則》要求進(jìn)行編寫(xiě)。

2．參照相關(guān)法律、法規(guī)和規(guī)定，在編制過(guò)程中著重考慮了科學(xué)性、適用性

和可操作性。

三、項(xiàng)目背景及工作情況

（一）任務(wù)來(lái)源

根據(jù)《中國(guó)國(guó)際科技促進(jìn)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)化工作委員會(huì)團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)管理辦法》的有關(guān)規(guī)

定，經(jīng)中國(guó)國(guó)際科技促進(jìn)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)化工作委員會(huì)及相關(guān)專家技術(shù)審核，批準(zhǔn)《工業(yè)

固廢混凝土盾構(gòu)管片》團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)制定計(jì)劃，計(jì)劃編號(hào)為：CI2023492。本標(biāo)準(zhǔn)由

東北大學(xué)提出，中國(guó)國(guó)際科技促進(jìn)會(huì)歸口。

根據(jù)計(jì)劃要求，本標(biāo)準(zhǔn)完成時(shí)限為6個(gè)月。

（二）標(biāo)準(zhǔn)起草單位

本標(biāo)準(zhǔn)的主要起草單位是東北大學(xué)，負(fù)責(zé)標(biāo)準(zhǔn)文檔起草及相關(guān)文件的編制等。

沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)為主要參與單位，負(fù)責(zé)標(biāo)準(zhǔn)中重要技術(shù)點(diǎn)的研究和建議，并參與標(biāo)

準(zhǔn)內(nèi)容的討論。

（三）標(biāo)準(zhǔn)研制過(guò)程及相關(guān)工作計(jì)劃

1）前期準(zhǔn)備工作

項(xiàng)目立項(xiàng)前，標(biāo)準(zhǔn)編制小組查閱、研讀相關(guān)國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)，廣泛收集、固廢混

凝土、混凝土預(yù)制構(gòu)件、蓄熱混凝土技術(shù)相關(guān)的材料。同時(shí)，多次投身于蓄熱混

凝土預(yù)制構(gòu)件實(shí)驗(yàn)，并與該行業(yè)相關(guān)人員進(jìn)行調(diào)研、交流，廣泛征求標(biāo)準(zhǔn)制定方

面的意見(jiàn)和建議。

2）標(biāo)準(zhǔn)起草過(guò)程

2023年11月23日由中國(guó)國(guó)際科技促進(jìn)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)化工作委員會(huì)向國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)委全

國(guó)標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)平臺(tái)提交立項(xiàng)，立項(xiàng)編號(hào)為：CI2023492，并向全社會(huì)公示了十五日。

2023年12月9日由東北大學(xué)以視頻會(huì)議形式組織了第一次起草會(huì)議，分析了

工業(yè)固廢混凝土盾構(gòu)管片的市場(chǎng)需求、現(xiàn)有技術(shù)水平、環(huán)保要求等，以確保標(biāo)準(zhǔn)

的實(shí)用性和前瞻性；討論并確定標(biāo)準(zhǔn)的主要內(nèi)容和章節(jié)安排，如材料要求、生產(chǎn)

工藝、性能測(cè)試方法、環(huán)境保護(hù)措施、質(zhì)量控制等；根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的框架，將不同章

節(jié)或部分的起草工作分配給具有相關(guān)專業(yè)知識(shí)的組員，為每個(gè)分工明確編制詳細(xì)

的任務(wù)書(shū)，包括起草內(nèi)容、完成時(shí)間節(jié)點(diǎn)、所需資料和參考標(biāo)準(zhǔn)等。

2023年12月20日組織了第二次起草會(huì)議，確定下了標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容的草案；

2024年1月10日將標(biāo)準(zhǔn)草案提交中國(guó)國(guó)際科技促進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)化工作委員會(huì)，通過(guò)

審核，于3月報(bào)送了全國(guó)標(biāo)準(zhǔn)平臺(tái)，并向全社會(huì)公開(kāi)征求意見(jiàn)30日。

3）征求意見(jiàn)情況

標(biāo)準(zhǔn)編制小組先后通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)會(huì)議、電話、微信等多種形式征集?業(yè)專家相關(guān)

意見(jiàn)和建議。針對(duì)征集的意見(jiàn)，標(biāo)準(zhǔn)編制小組召開(kāi)了研討會(huì)，將收集到的意見(jiàn)進(jìn)

行匯總處理分析，在充分吸納合理意見(jiàn)的基礎(chǔ)上，先后修改和完成標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容，于

2024年3月根據(jù)在各單位反饋意見(jiàn)基礎(chǔ)上，形成了標(biāo)準(zhǔn)征求意見(jiàn)稿并由中國(guó)國(guó)際

科技促進(jìn)會(huì)提交全國(guó)標(biāo)準(zhǔn)信息平臺(tái)公示。

（四）主要試驗(yàn)（或驗(yàn)證）情況分析

1.工業(yè)固廢膠凝材料的制備及性能評(píng)價(jià)

鐵尾礦粉－粉煤灰－水泥工業(yè)固廢膠凝材料

以大宗工業(yè)固體廢棄物高硅型鐵尾礦粉和粉煤灰作為摻合料，制備鐵尾

礦粉－粉煤灰－水泥工業(yè)固廢膠凝材料。通過(guò)三因素四水平正交試驗(yàn)分析不

同因素對(duì)膠凝材料抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度性能、水化產(chǎn)物微觀結(jié)構(gòu)的影響，試

驗(yàn)配合比如表1所示。

表1鐵尾礦粉-粉煤灰-水泥膠凝體系配比（kg/m3）

編號(hào)鐵尾礦：粉煤灰水泥用量鐵尾礦用量粉煤灰用量

C0045000

RF00:13150135

R1501:531522.5112.5

R1201:23154590

R1101:131567.567.5

R2102:13159045

R5105:1315112.522.5

RI01:03151350

制備過(guò)程如下：根據(jù)《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法（ISO法）》（GB/T17671-1999）

和《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》（GB/T1596-2017）中附錄C制備尺寸為40mm

×40mm×160mm的標(biāo)準(zhǔn)水泥膠砂試塊。

（1）攪拌

預(yù)先按照表2.3試驗(yàn)方案準(zhǔn)備膠凝材料，在室溫下按照水膠比1:2稱量225g

水，按照膠砂比1:3準(zhǔn)備1350g標(biāo)準(zhǔn)砂，同時(shí)使JJ-5水泥膠砂攪拌機(jī)處于待工

作狀態(tài)；先把水加入攪拌鍋中，再加入膠凝材料。把鍋放到固定架上，上升至固

定位置；立即開(kāi)動(dòng)設(shè)備，先低速攪拌30秒，在第二個(gè)30秒開(kāi)始的同時(shí)均勻加入

標(biāo)準(zhǔn)砂，把設(shè)備轉(zhuǎn)至高速繼續(xù)攪拌30秒；停拌90秒，同時(shí)在第一個(gè)15秒內(nèi)用

膠砂刮板將葉片及鍋內(nèi)壁的膠砂刮入鍋中間；繼續(xù)高速攪拌60秒。各攪拌階段

的時(shí)間誤差應(yīng)保持±1秒內(nèi)。

（2）成型及脫模

膠砂制備后立即進(jìn)行成型。將經(jīng)過(guò)洗凈和刷油處理的空模具固定在ZT-96振

實(shí)臺(tái)上，用鏟子直接從攪拌鍋中將膠砂分兩次裝入模具中，第一層膠砂約裝滿每

個(gè)槽的一半空間，固定模套后，振實(shí)60次，再裝入第二層膠砂，振實(shí)60次后移

走模套，從振實(shí)臺(tái)上取下模具，用鋼尺一次性刮去超過(guò)模具的膠砂，并刮平試件

表面。然后，將模具用保鮮膜密封后標(biāo)明試件編號(hào)，置于HBY-40B水泥砼恒溫

恒濕養(yǎng)護(hù)箱，在溫度為20±1℃，濕度為≥95%的環(huán)境下養(yǎng)護(hù)至24小時(shí)后取出脫

模，在試塊表面均標(biāo)明試塊編號(hào)。

（3）水中養(yǎng)護(hù)

將做好標(biāo)記的試塊水平放入HBY-30型恒溫水養(yǎng)護(hù)箱，在20±1℃的水中養(yǎng)

護(hù)至目標(biāo)齡期。

XRD測(cè)試采用日本力學(xué)RigakuUltimaIV型衍射儀，測(cè)試范圍是10°~75°，

掃描速度是5°/min。TG-DTG分析采用NETZSCH5型熱重分析儀，測(cè)試溫度范

圍是30~1000℃，升溫速率是20℃/min。按照水膠比為0.5制備摻加二元摻合料

的水泥凈漿試塊，采用20mm×20mm×20mm試模成型，在標(biāo)準(zhǔn)水養(yǎng)條件下養(yǎng)護(hù)

7d、28d，將養(yǎng)護(hù)到齡期的水泥凈漿試塊破碎后用無(wú)水乙醇浸泡以終止水化，研

磨至-75μm，取10mg進(jìn)行XRD檢測(cè)，取10mg相同樣品進(jìn)行TG-DTG檢測(cè)。

不同配合比條件下的鐵尾礦粉－粉煤灰－水泥膠砂試塊的抗壓強(qiáng)度如圖1

所示。不同復(fù)摻比例的高硅型鐵尾礦－粉煤灰二元摻合料水泥膠砂試塊的活性指

數(shù)數(shù)據(jù)如表2所示。

圖1不同配合比條件下的鐵尾礦粉－粉煤灰－水泥膠砂試塊的抗壓強(qiáng)度

表2不同配合比條件下的鐵尾礦粉－粉煤灰－水泥膠砂試塊的抗壓強(qiáng)度

活性指數(shù)/%

編號(hào)

7d28d

C0100100

RF072.0972.78

R15068.6977.82

R12079.6184.31

R11076.7380.72

R21074.2879.28

R5106569.75

RI058.6364.88

圖2為水泥及鐵尾礦粉-粉煤灰-水泥膠凝體系的28d齡期凈漿試樣X(jué)RD分

析圖。

(a)C0(b)R120

圖2水泥及鐵尾礦粉－粉煤灰-水泥膠凝體系28d凈漿試樣的XRD圖譜

由圖2可知，水泥水化產(chǎn)物主要為鈣礬石、Ca(OH)2、CaCO3和C-S-H等，

鐵尾礦粉-粉煤灰-水泥膠凝體系的凈漿水化產(chǎn)物種類與水泥幾乎一致。R120凈漿

試樣水化28d時(shí)Ca(OH)2的衍射峰強(qiáng)度低于水泥的Ca(OH)2的衍射峰強(qiáng)度，表

明R120凈漿試樣中的Ca(OH)2的含量低于水泥的Ca(OH)2的含量，這是由于摻

加鐵尾礦粉和粉煤灰后有部分的活性物質(zhì)參與火山灰反應(yīng)，消耗Ca(OH)2形成水

化產(chǎn)物，產(chǎn)生抗壓強(qiáng)度。但由于摻合料參與火山灰反應(yīng)產(chǎn)生的抗壓強(qiáng)度不能抵消，

因摻加摻合料后降低整個(gè)膠凝材料體系水泥活性組分的相對(duì)含量導(dǎo)致了膠凝材

料體系水化反應(yīng)減緩、反應(yīng)程度降低，從而引起的抗壓強(qiáng)度降低，故表現(xiàn)出R120

膠砂試塊抗壓強(qiáng)度降低的現(xiàn)象。

圖3為活性最優(yōu)的高硅型鐵尾礦－粉煤灰二元摻合料的28d齡期水泥凈漿試

樣的TG-DTG曲線。

(a)C0(b)R120

圖3鐵尾礦粉－粉煤灰-水泥膠凝體系28d凈漿試樣的TG-DTG曲線

從圖3中可看出，純水泥C0與鐵尾礦粉－粉煤灰-水泥膠凝體系R120在

TG-DTG曲線中表現(xiàn)出的質(zhì)量損失不同，曲線中出現(xiàn)了三個(gè)大的減重峰階段，分

別集中于200℃之前，450℃附近和600-850℃之間。在200℃之前為第一個(gè)減重峰

階段，C0、R120均出現(xiàn)2～3個(gè)小峰，主要由于鈣礬石和C-S-H凝膠的脫水。與對(duì)

照組C0相比，R120的峰值更小，這表明在加熱的過(guò)程中，試樣由于脫水引起的

質(zhì)量損失較小，證明了水化產(chǎn)物更少。這主要是由于鐵尾礦粉和粉煤灰的摻入導(dǎo)

致了水泥的稀釋，而水泥中的硅酸三鈣、硅酸二鈣等物質(zhì)是水化產(chǎn)物的主要來(lái)源，

水泥的減少意味著由硅酸三鈣、硅酸二鈣等物質(zhì)反應(yīng)產(chǎn)生的水化硅酸鈣含量明顯

降低，這也與抗壓強(qiáng)度結(jié)果相符。

第二個(gè)減重峰階段是在450℃附近，此處發(fā)生的減重是由于Ca(OH)2受熱分解

導(dǎo)致的?；趽胶狭吓cCa(OH)2的火山灰反應(yīng)，Ca(OH)2的消耗量間接反映了摻合

料參與二次水化反應(yīng)的程度。相比于對(duì)照組C0，含有二元摻合料的R120組在這

一溫度下質(zhì)量損失更小，造成這一結(jié)果的原因有兩點(diǎn)：（1）與水化硅酸鈣、鈣礬

石類似，Ca(OH)2也是水泥的水化產(chǎn)物之一，二元摻合料導(dǎo)致的稀釋作用引起了

各類水化產(chǎn)物含量的降低；（2）二元摻合料會(huì)發(fā)生火山灰活性反應(yīng)，與Ca(OH)2

反應(yīng)生成水化硅酸鈣和水化硅鋁酸鈣。

2.工業(yè)固廢混凝土的制備及性能評(píng)價(jià)

根據(jù)《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50081-2002）制備試塊，

試塊尺寸為150mm×150mm×150mm。主要試驗(yàn)材料包括水泥、鐵尾礦、粉

煤灰、機(jī)制石子、機(jī)制砂、外加劑等。

試驗(yàn)選用了設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C50的混凝土，按照J(rèn)GJ55-2011《普通混凝土

配合比設(shè)計(jì)規(guī)程配合比設(shè)計(jì)》進(jìn)行混凝土配合比設(shè)計(jì)，結(jié)果如表3所示。

表6.1工業(yè)固廢混凝土配合比設(shè)計(jì)（kg/m3）

廢石廢石

水膠砂率外加劑

編號(hào)水泥S120S121M121機(jī)制機(jī)制

比/%/%

砂碎石

C50-0480000

C50-R12014400

0.33563311760.76

C50-S12133601440

C50-M12100144

所用水灰比為0.3，因此需要額外摻加膠凝材料總質(zhì)量0.76%的外加劑，使

對(duì)照組混凝土坍落度控制在100mm。同時(shí)所有添加鐵尾礦粉和粉煤灰的配比中，

外加劑種類與質(zhì)量、水灰比等均與對(duì)照組保持一致。

（1）準(zhǔn)備工作

模具洗凈后，在模具內(nèi)表面涂一層油，便于脫模；按表6.1的配合比稱量一

定質(zhì)量的材料。稱量誤差：水泥、摻合料、水、外加劑為±0.5%，骨料為±1%。

（2）成型及拆模

將稱量好的材料加入混凝土攪拌機(jī)中攪拌均勻，將模具置于振實(shí)臺(tái)后，拌合

物分兩層裝入模具，最終振動(dòng)至試模表面出漿，刮平試模上表面后用不透水的薄

膜覆蓋表面，標(biāo)記好試驗(yàn)編號(hào)，在溫度20±5°C養(yǎng)護(hù)24h后，拆模并標(biāo)記試驗(yàn)編

號(hào)。

圖4混凝土攪拌及成型

（3）試件養(yǎng)護(hù)

拆模后立即將試塊放入溫度為20±2°C，濕度不低于95%條件的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室

中養(yǎng)護(hù)至齡期。養(yǎng)護(hù)期間，試件表面應(yīng)保持潮濕。

圖5混凝土養(yǎng)護(hù)

按照《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50080-2002）分別進(jìn)行

工業(yè)固廢混凝土拌的坍落度的測(cè)定。

圖6混凝土拌合物坍落度試驗(yàn)

二元摻合料摻量對(duì)混凝土坍落度的影響如圖7所示。隨著工業(yè)固廢膠凝材料

含量的增大，混凝土漿體的坍落度逐漸增大，這主要是由于經(jīng)過(guò)機(jī)械粉磨后，鐵

尾礦顆粒整體棱角度下降，表面變圓滑，粉煤灰中表面光滑的海綿玻璃體及鋁硅

酸鹽玻璃微珠，在混凝土拌合物漿體中起到了類似于滾珠的作用，混凝土漿體的

流動(dòng)性變好，改善了混凝土拌合物的工作性能。

圖7工業(yè)固廢混凝土的坍落度

二元摻合料摻量對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響如圖8所示。隨著二元摻合料摻量

的增大，混凝土的7d和28d抗壓強(qiáng)度均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，而不同齡期

對(duì)應(yīng)的拐點(diǎn)不同。當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期為7d時(shí)，混凝土的早期抗壓強(qiáng)度在摻合料摻量為

10%時(shí)達(dá)到峰值，而后逐漸降低。

圖8工業(yè)固廢混凝土的抗壓強(qiáng)度

四、標(biāo)準(zhǔn)制定的基本原則

標(biāo)準(zhǔn)編制過(guò)程中，遵循了以下基本原則：

1）標(biāo)準(zhǔn)需要具有行業(yè)特點(diǎn)，指標(biāo)及其對(duì)應(yīng)的分析方法要積極參照采用國(guó)家

標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

2）標(biāo)準(zhǔn)能夠體現(xiàn)出產(chǎn)品的具有關(guān)鍵共性的技術(shù)要素。

3）標(biāo)準(zhǔn)能夠