綠色高性能水泥在新疆地區(qū)的研究與應(yīng)用分析

文／新疆交通建設(shè)集團(tuán)股份有限公司 楊秋菊 黃勇 斯毅

中鐵十一局集團(tuán)第一工程有限公司 翟格

關(guān)鍵字:綠色高性能水泥；抗壓強(qiáng)度；環(huán)保

新疆地質(zhì)脆弱，生態(tài)敏感脆弱，破壞以后不可恢復(fù)，同時(shí)公路建設(shè)和其他行業(yè)建設(shè)會(huì)嚴(yán)重污染水源和環(huán)境，建設(shè)和環(huán)保并重讓生態(tài)脆弱矛盾非常突出。公路病害防治投入費(fèi)用大，加上這個(gè)地區(qū)的材料品質(zhì)波動(dòng)性非常大，非常不均勻，也嚴(yán)重制約著路基路面的耐久性的問(wèn)題。在“十三五”期間，新疆交通建設(shè)任務(wù)與環(huán)境保護(hù)工作并重，這就要求在公路建設(shè)過(guò)程中，盡可能使用環(huán)保材料，減少對(duì)環(huán)境的破壞，而本研究中的綠色高性能水泥可實(shí)現(xiàn)就地取材（包括天然地面材料、風(fēng)積沙、廢舊建筑垃圾、廢棄鋼渣）的同時(shí)大幅度節(jié)約工程造價(jià)、縮短工期、保護(hù)環(huán)境，以此來(lái)助力新疆地區(qū)“一路一帶”建設(shè)，推進(jìn)新疆交通建設(shè)又快又好的發(fā)展。

1 綠色高性能水泥

1.1 機(jī)理分析

綠色高性能水泥核心料是一種高性能新型無(wú)機(jī)膠結(jié)料,在常溫下能夠直接膠結(jié)土體中土壤顆粒表面或能夠與土壤礦物反應(yīng)生成膠凝物質(zhì)的土壤固化材料,主要成份是CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3、激發(fā)劑等,因其配料組成不同而具有不同的適應(yīng)性能,可任意固化各類(lèi)中低液限土壤,頁(yè)巖,泥砂石混合料,建筑廢渣、礦產(chǎn)廢渣等，應(yīng)用該材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)水泥在公路工程、市政工程、建筑工程及水利工程等一些特定場(chǎng)合使用具有良好的效果。

1.2 特點(diǎn)說(shuō)明

綠色高性能水泥中的“綠色”是指該水泥可以固化工業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)生的固體廢料，如鋼渣、礦渣、爐渣等，也可以通過(guò)就地取材方式，固化含泥量較高的棄方土、建筑垃圾及天然級(jí)配砂礫等材料形成水泥混凝土，大幅度降低礦山開(kāi)采及河沙挖掘，最大限度的降低環(huán)境破壞與污染，在滿(mǎn)足工程質(zhì)量的前提下，大大節(jié)約原料成本、人工成本、運(yùn)輸成本、及時(shí)間成本，既環(huán)保又能降低成本。

其“高性能”是指在路面工程中，對(duì)天然戈壁混合料的結(jié)合方面具有超強(qiáng)優(yōu)異的適應(yīng)性。傳統(tǒng)普通硅酸鹽水泥的弱點(diǎn)在于對(duì)天然戈壁料中微粉的結(jié)合能力較差，無(wú)法使其獲得較高的抗壓強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度，而該水泥的優(yōu)勢(shì)在于其對(duì)于集料中微粉成分的超強(qiáng)黏合力，通過(guò)與配料微粉的水化、分散、聚合等一系列物理化學(xué)反應(yīng)，即使是級(jí)配較差，含泥量較高的天然戈壁料仍然可以生產(chǎn)出各個(gè)強(qiáng)度等級(jí)的混凝土，且抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度均優(yōu)于普通硅酸鹽水泥，下文的試驗(yàn)結(jié)果分析可以說(shuō)明。

2 綠色高性能水泥適應(yīng)性試驗(yàn)與應(yīng)用效果

2.1 試驗(yàn)范圍

本次試驗(yàn)主要針對(duì)新疆各地區(qū)天然級(jí)配原料與綠色高性能水泥結(jié)合效果進(jìn)行分析，天然級(jí)配原料產(chǎn)地有吐魯番地區(qū)、哈密地區(qū)、和田地區(qū)，同時(shí)以烏魯木齊市案例進(jìn)行應(yīng)用效果分析。

2.2 不同地區(qū)原料試驗(yàn)分析

配料選用新疆各地區(qū)天然級(jí)配砂礫，根據(jù)實(shí)際施工要求進(jìn)行室內(nèi)C20和C30標(biāo)號(hào)混凝土抗壓及抗折試件制備，對(duì)其進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)齡期為7d、28d。并對(duì)其綠色高性能水泥、普通硅酸鹽水泥的混凝土試件進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，綠色高性能水泥與普通硅酸鹽水泥基本性能對(duì)比如表1所示。

表1 綠色高性能水泥與普硅水泥基本性能對(duì)比

通過(guò)表1可以看出，綠色高性能水泥基本性能優(yōu)于普通硅酸鹽水泥。

（1）吐魯番地區(qū)

配料為吐魯番地區(qū)無(wú)級(jí)配天然砂礫，水灰比為0.46，塌落度為130～137mm。室內(nèi)制備150mm*150mm*150mm的試件，并對(duì)其進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)齡期為7天、28天。并對(duì)其進(jìn)行C30混凝土抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖1、圖2所示。

圖1 7d和28d混凝土試件（吐魯番）抗折強(qiáng)度對(duì)比分析圖

圖2 7d和28d混凝土試件（吐魯番）抗壓強(qiáng)度對(duì)比分析圖

由圖1可以看出以吐魯番地區(qū)天然砂礫為配料的綠色高性能水泥混凝土試件7天抗折強(qiáng)度為5.73Mpa，高出普通硅酸鹽水泥20%以上, 而以吐魯番地區(qū)天然砂礫為配料的綠色高性能水泥混凝土試件28天抗折強(qiáng)度為7.40Mpa，遠(yuǎn)高于4.5Mpa的標(biāo)準(zhǔn)值。

由圖2可知以吐魯番地區(qū)天然砂礫為配料的綠色高性能水泥混凝土試件7天平均抗壓強(qiáng)度為29.8Mpa，而普通硅酸鹽水泥7天平均抗壓強(qiáng)度為17.2Mpa，強(qiáng)度不足設(shè)計(jì)強(qiáng)度80%；吐魯番地區(qū)天然砂礫為配料的綠色高性能水泥混凝土試件28天平均抗壓強(qiáng)度為37.70Mpa，而普通硅酸鹽水泥28天平均抗壓強(qiáng)度為25.5Mpa，無(wú)法滿(mǎn)足C30混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度。

（2）哈密地區(qū)

哈密地區(qū)由于自然環(huán)境影響，形成兩種無(wú)級(jí)配天然砂礫，此次試驗(yàn)標(biāo)記為1號(hào)料、2號(hào)料。1號(hào)料水灰比為0.8，2號(hào)料水灰比0.7，塌落度為80～100mm。室內(nèi)制備150mm*150mm*150mm的試件，并對(duì)其進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)齡期為7天、28天。并對(duì)其進(jìn)行C30混凝土抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖3、圖4所示。

圖3 7d和28d混凝土試件（哈密1#、2#）抗壓強(qiáng)度對(duì)比分析圖

圖4 7d和28d混凝土試件（哈密1#、2#）抗折強(qiáng)度對(duì)比分析圖

從圖55抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)檢測(cè)結(jié)果對(duì)比分析可以看出，2#料由綠色高性能水泥經(jīng)過(guò)28天標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生后有效強(qiáng)度優(yōu)于普通42.5水泥制成抗壓試塊，同時(shí)，1#集料由綠色高性能水泥和普通42.5水泥成型試塊在抗壓強(qiáng)度值上也表現(xiàn)為綠色高性能水泥強(qiáng)度更高，且兩種集料由綠色高性能水泥成型試塊有效強(qiáng)度均大于普通42.5水泥成型試塊5Mpa。綠色高性能水泥成型試塊抗壓強(qiáng)度高于普通42.5水泥成型試塊。從抗壓強(qiáng)度對(duì)兩種水泥行性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，綠色高性能水泥性能更好。

圖5 7d混凝土試件（哈密）凍融循環(huán)實(shí)驗(yàn)

根據(jù)圖4所示，1#配料以綠色高性能水泥成型試件（28天）其抗折強(qiáng)度為4.88Mpa大于普通42.5水泥成型抗折試件強(qiáng)度4.12Mpa，同樣，上表2#配料抗折強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果同樣為綠色高性能水泥明顯優(yōu)于普通42.5硅酸鹽水泥。從28天抗折試件強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果來(lái)評(píng)價(jià)兩種不同水泥性能，綠色高性能水泥性能優(yōu)于普通42.5號(hào)硅酸鹽水泥。

表2 和田地區(qū)天然砂礫C20水泥7d抗壓強(qiáng)度

由圖5、圖6可看出隨著凍融次數(shù)的增加，相對(duì)動(dòng)彈模量呈遞減趨勢(shì)。在相同集料和凍融次數(shù)下，綠色高性能水泥混凝土相對(duì)動(dòng)彈模量?jī)?yōu)于普硅水泥混凝土，且圖中綠色高性能水泥混凝土凍融次數(shù)上較普硅水泥多10個(gè)循環(huán)。

圖6 7d混凝土試件（哈密）凍融循環(huán)實(shí)驗(yàn)

（3）和田地區(qū)

配料為無(wú)級(jí)配天然砂礫，水灰比為0.47，塌落度為180-210mm。室內(nèi)制備150mm*150mm*150mm的試件，并對(duì)其進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)齡期為7天、28天。并對(duì)其進(jìn)行C20混凝土抗壓、抗折強(qiáng)度試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

根據(jù)表2和表3試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得出，以和田地區(qū)天然砂礫為配料的綠色高性能水泥混凝土試件7天平均抗壓強(qiáng)度為29.77 MPa，而普硅水泥試件平均抗壓強(qiáng)度為17.17 MPa，28天平均抗壓強(qiáng)度37.73 MPa，而普硅水泥試件平均抗壓強(qiáng)度為25.53 MPa，從抗壓試件強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果來(lái)評(píng)價(jià)兩種不同水泥性能，綠色高性能水泥性能優(yōu)于普通42.5硅酸鹽水泥。

根據(jù)表4、表5所示，以綠色高性能水泥成型試件（7天）其抗折強(qiáng)度為5.73Mpa大于普通42.5水泥成型抗折試件強(qiáng)度4.7Mpa，同樣，28天綠色高性能水泥抗折強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果同樣為綠色高性能水泥略?xún)?yōu)于普通42.5硅酸鹽水泥。從抗折試件強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果來(lái)評(píng)價(jià)兩種不同水泥性能，綠色高性能水泥性能優(yōu)于普通42.5硅酸鹽水泥。

表4 和田地區(qū)天然砂礫C20水泥 7d抗折強(qiáng)度對(duì)比

表5 和田地區(qū)天然砂礫C20水泥28天抗折強(qiáng)度

3 工程應(yīng)用情況

本研究中綠色高性能水泥應(yīng)用屬于路面工程應(yīng)用，應(yīng)用項(xiàng)目為烏魯木齊交建市政工業(yè)園區(qū)建設(shè)項(xiàng)目,該項(xiàng)目位于烏魯木齊市開(kāi)發(fā)區(qū)二期融合南路，面積500畝（30萬(wàn)m2），采用綠色高性能混凝土技術(shù)建設(shè)園區(qū)所有路面工程，于2018年完成全部工業(yè)園區(qū)道路、拼裝工廠(chǎng)場(chǎng)坪建設(shè)工作。2016年鋪筑的拼裝工廠(chǎng)場(chǎng)坪經(jīng)過(guò)兩個(gè)凍融期，80噸(單軸25噸)以上重車(chē)反復(fù)碾壓，路用性能良好。原料為廠(chǎng)區(qū)內(nèi)挖方戈壁料，含泥量大于10%，采用綠色高性能水泥42.5號(hào)，按C20混凝土標(biāo)準(zhǔn)，每方料水泥用量為300kg。

現(xiàn)場(chǎng)取樣的混凝土7天抗壓強(qiáng)度為19.7Mpa，達(dá)到C25級(jí)別混凝土強(qiáng)度，而從現(xiàn)場(chǎng)取原料與普硅42.5號(hào)水泥所制得混凝土試件7天強(qiáng)度僅為12Mpa，綠色高性能水泥混凝土28天抗壓強(qiáng)度為26.8Mpa，而普通水泥混凝土28天抗壓強(qiáng)度20.9 Mpa，綠色高性能水泥與戈壁混合料的結(jié)合強(qiáng)度相比普通混凝土高出28%以上。

經(jīng)測(cè)算，與傳統(tǒng)工藝、材料相比綜合成本節(jié)約30%以上，使用綠色高性能水泥混凝土的經(jīng)濟(jì)效益十分顯著，同時(shí)避免了開(kāi)采礦山、垃圾廢棄以后造成間接的環(huán)境、水土污染等不良情況的出現(xiàn)。

4 結(jié)論

1.采用就地取材的天然級(jí)配砂礫，使用綠色高性能水泥按C30級(jí)別設(shè)計(jì)的混凝土的28天抗壓強(qiáng)度達(dá)到了C35的強(qiáng)度等級(jí)，而相同條件下普通硅酸鹽水泥無(wú)法滿(mǎn)足強(qiáng)度要求。說(shuō)明該材料在就地取材，進(jìn)行水泥混凝土路面及地坪施工的時(shí)候具有良好的效果。

2.綠色高性能水泥制得的天然級(jí)配混凝土可以承受50次的凍融循環(huán)測(cè)試，而普通水泥30次之后的動(dòng)彈模量開(kāi)始出現(xiàn)急劇衰減。

3.通過(guò)實(shí)際路用效果分析，綠色高性能水泥可以與天然級(jí)配砂礫良好結(jié)合形成有高強(qiáng)度的混凝土，既解決了新疆交建市政500畝工業(yè)園區(qū)內(nèi)挖方棄土的處理問(wèn)題，相比傳統(tǒng)施工工藝，節(jié)約工程成本30%以上，大幅度縮短了施工工期，并實(shí)現(xiàn)了整個(gè)施工過(guò)程的垃圾零排放。