关于水泥混凝土的研究发展论文

绿色高性能混凝土建筑材料可持续发展的设想 多年来,关于混凝土材料的研究和对其发展方向的制定,过于偏重于使其达到某种或综合的优良性能这一基本原则上,而对其耐久性重视程度不够。90 年代初高性能混凝土概念提出后,促使人们加强了对混凝土材料的施工性和耐久性的研究,而绿色高性能混凝土则是将单纯的材料性能的获得与建筑材料的可持续发展综合考虑时的必然方向。1 绿色高性能混凝土 高性能混凝土应该具有下列某些或多项优良性能: (1) 优良的施工性:能在正常施工条件下保证混凝土结构的密实性和均匀性,并尽量降低振动噪音和振实能耗; (2) 强度高:尽量减少肥梁胖柱,并要考虑到建筑的美学效果和结构挠度以及功能等方面的要求; (3)耐久性优良:如抗冻性、抗渗性、抗冲击性、抗水砂冲刷性等; (4) 具有某些特殊功能:如超早强、低脆性、高耐磨性、吸声、自呼吸性等。尽管在开发应用高性能混凝土的过程中,一般都要使用高性能外加剂和性能优良的掺合料,在一定程度上可以起到节约水泥从而节约资源和能源、保护环境的作用,但高性能混凝土的提出者及研究开发者都很少从环境保护、节约资源和能源的高度来认识这一问题,过分强调在任何工程中都使用高强混凝土,无凝是对宝贵而有限的地球资源和能源的浪费。 最早提出绿色高性能混凝土概念的是中国工程院院士吴中伟教授。简要地说,符合以下条件的高性能混凝土才真正能称得上是绿色高性能混凝土: (1) 所使用的水泥必须为绿色水泥,砂石料的开采应以十分有序且不过分破坏环境为前提; (2) 最大限量地节约水泥用量,从而减少水泥生产中的“副产品”———CO2 、SO2 和NOx 等气体,以保护环境; (3) 更多地掺加经加工处理的工农业废渣,如磨细矿渣、优质粉煤灰、硅灰和稻壳灰等作为活性掺合料,以节约水泥保护环境,并改善混凝土耐久性; (4) 大量应用以工业废液,尤其是黑色纸浆废液为原料改性制造的减水剂,以及在此基础上研制的其它复合外加剂,帮助其它工业消化处理难以处治的液体排放物; (5) 集中搅拌混凝土,消除现场搅拌混凝土所产生的废料、粉尘和废水,并加强对废料、废水的循环使用; (6) 发挥高性能混凝土的优势,通过提高强度,减小结构截面积或结构体积,减少混凝土用量,从而节约水泥和砂、石的用量;通过改善施工性能来减小浇筑密实能耗,降低噪音;通过大幅度提高混凝土耐久性,延长结构物的使用寿命,进一步节约维修和重建费用,减少对自然资源无节制的使用; (7) 对大量拆除废弃的混凝土进行循环利用,发展再生混凝土。2 绿色高性能混凝土的原材料 尽管绿色高性能混凝土是一种相对节能的建筑材料,但随着世界水泥年产量和混凝土浇筑量的不断增加,它对资源、能源和环境所产生的影响是非常惊人的。据估算,生产1t 水泥熟料所排放的CO2 约为1t ,同时还要排放SO2 、NOx 等有害气体,CO2 的大量排放直接导致“温室效应”,而SO2 、NOx 等气体的排放则会引起“酸雨”现象,由于收尘设施不佳,水泥生产还排放出大量粉尘,水泥厂一直被看作环境污染源;水泥工业也是耗煤、耗电大户,水泥的大量生产和应用还将导致地球矿产资源的匮乏和生态平衡的破坏。因此,混凝土能否长期作为最主要的建筑材料,不仅要求其具备在耐久性、施工性和强度等方面的高性能,而且最关键之处在于其绿色“含量”是否高。水泥虽然只占混凝土所有原材料质量的10 %～20 % ,但水泥工业生产中所消耗的能量是最多的,几乎占混凝土能耗的50 %～60 %;混凝土从原材料生产加工到浇筑成型的整个过程中,水泥工业是排放粉尘和有害气体的最大的污染源。 因而,发展绿色高性能混凝土的首要条件是生产和使用节能型、环境污染少的绿色水泥。“绿色”型水泥生产是将资源利用率和二次能源回收率均提高到最高水平,并能够循环利用其它工业的废渣和废料;技术装备上更强化了环境保护的技术和措施;产品除了全面实行质量管理体系外,还真正实行全面环境保护的保证体系;粉尘、废渣和废气等的排放几乎接近于零,真正做到不但自身实现零污染,无公害,又因循环利用其它工业的废料、废渣,而帮助其它工业进行三废消化,最大限度地改善环境。3 开发研制和应用绿色高性能混凝土尚需进行的工作 绿色高性能混凝土从原材料到具体工程应用涉及到的部门和环节很多。实现水泥生产“绿色化”一个环节是不够的,必须同时开展如下工作: 第一、要加强混凝土科研开发、标准制定、工程设计和施工人员等的环保节能意识,加大“绿色”概念的宣传力度,引起混凝土工程领域各环节的高度重视。 第二、工程设计人员应更新传统的混凝土设计方法,敢于在重大工程中掺用活性混合材料和加大掺量;施工人员要提高质量意识,严格施工,加大活性混合材掺量对混凝土各项性能所产生的益处已众所周知,但未被工程界充分重视。比如,对粉煤灰的应用问题,尽管科研工作者早就着手大掺量粉煤灰混凝土的研究,但目前即使在商品混凝土中粉煤灰的实际掺量一般也只有15 %左右,很少超过20 %。有人曾研究过粉煤灰替代率为35 %～50 %的低强度等级混凝土(14MPa)的性能,认为可大量用于道路的路基,大掺量粉煤灰混凝土,尤其适合于大体积混凝土工程和海工混凝土工程。再如针对混凝土材料的耐久性,人们并没有象所期望的那样加大活性混合材的用量,控制某些种类防冻剂和早强剂的掺量,或者重视低碱水泥的使用,以致范围广泛的混凝土工程碱集料破坏现象仍很严重。 第三,研究对工业废渣行之有效的加工方法、加工设备,以期充分利用其活性;在工业废渣利用方面,还要坚持贯彻优质优用的原则,即超细磨矿渣和优质粉煤灰主要用于配制高强度混凝土,而配制中低强度等级混凝土一般仍应采用普通细度矿渣或低等级粉煤灰。 第四,开发适合于掺活性混合材混凝土的高性能外加剂,以解决掺混合材对混凝土性能产生的某些负面效应,同时还可避免过分提倡混合材超细磨所引起的能耗问题。通过掺用合适的高效减水剂和引气剂,可配制出各种性能相当优异的混凝土。对于大掺量普通细度活性混合材的混凝土,通过掺加有效的激发剂,有望改善其早期强度,但应严格限制激发剂中C1 和SO2的含量,或禁止使用这类激发剂,以免引起钢筋锈蚀或碱集料反应。 第五,研究一种或多种活性混合材和外加剂与水泥矿物成分的超叠加效应,以便针对具体材料提出最佳设计方案。 第六,对纸浆黑色废液进行加工处理,开发以纸浆废液为主要原材料的各种外加剂,并扩大其使用范围,长期以来,黑色纸浆废液一直是导致我国长江、黄河流域以及其它河道水质严重污染的“元凶”。我国大约有9000 多家造纸厂,每年产生的黑色废液大约有30 亿～90 亿t ,绝大多数厂家都把未经处理的废液直接排放到江河中,造成的污染十分惊人———竟占我国所有化工污染的1/ 4 ! 尽管国家已对部分厂家实行了关停并转,但处理纸浆废液的任务仍刻不容缓。利用纸浆废液来制取混凝土减水剂不仅可以节省工业萘的消耗,降低成本,最重要的是可帮助造纸厂处理并循环利用废液,减少其对环境、工农业生产以及人身健康造成的巨大危害。 第七,研究和制定绿色高性能混凝土的质量控制方法、验收标准等,绿色高性能混凝土都要求掺加活性混合材,然而,除硅灰和稻壳灰等外,活性混合材对混凝土强度的贡献主要在后期。如果仍沿用普通混凝土质量控制方法和验收标准,即以28 d 抗压强度来衡量混凝土的质量,则不符合实际情况,势必要造成强度和材料的浪费,也影响绿色高性能混凝土生产者的积极性,使绿色高性能混凝土难以推广,这与混凝土“绿色化”的真正目的是背道而驰的。另外,绿色高性能混凝土要求混凝土具有较为优良的耐久性,但对混凝土质量评定的传统和现行的标准只考虑强度,而对耐久性指标一般不予考虑,希望新标准中增加耐久性指标。 第八,应针对当前城市改造过程中大量拆除旧结构物混凝土,研究出一整套破碎、分级技术,开发再生混凝土,用于浇筑强度要求相对较低的地坪、中低等级混凝土路面、路基等工程。

旧水泥混凝土路面碎石化技术应用的探讨工学论文

摘 要：旧水泥混凝土路面碎石化技术应用，碎石化技术是目前旧水泥混凝土路面维修改造最好的技术之一。

关键词：碎石化技术；施工质量标准；结构组合；使用条件

1 概述

1.1碎石化的定义

水泥混凝土路面碎石化是一种旧水泥混凝土路面破碎处治技术，是对旧水泥混凝土路面大修或改造的重要手段。该技术是将旧水泥混凝土路面的面板，通过专用设备一次性破碎为咬合嵌挤碎块柔性结构，可充分利用旧路残余强度，且保护环境，节约资源。这种结构不仅具有一定的承载力，而且具有有防止或限制反射裂缝发生、发展的作用，破碎后的粒径范围为2~40cm，力学模式趋向于级配碎石。

1.2碎石化技术的主要特点

通过破碎将旧水泥混凝土路面结构强度降低到一定程度，防止反射裂缝的发生，同时能实现结构强度与反射裂缝两者较好的平衡。旧水泥混凝土路面进行碎石化后具有以下特点：碎石化能使原水泥混凝土板块在平面上强度分布均匀；碎石化能保留原水泥混凝土路面的一定强度；碎石化能可以消除原水泥混凝土路面病害；碎石化后的粒径合理，不会产生应力集中现象。

1.3碎石化技术的主要优势

旧水泥混凝土路面碎石化后，可以直接作为新路面结构的基层或底基层，如果旧水泥混凝土路面碎石化后具有较高的强度，能够满足道路承载要求，可作为路面基层直接加铺路面面层，新加铺面层可以是沥青混凝土路面，也可以是水泥混凝土路面。

1.4碎石化技术专用设备及特点

实施碎石化的主要设备为MHB（Multipe-Hed Breaker）多锤头破碎机和Z型压路机。

多锤头破碎机(MHB)由两部分组成，前半部分为柴油发动机动力系统，后半部分为破碎系统，中间备有2排各3对650kg的锤头，两侧各有1对865kg翼锤。每对锤头的'提升高度可以根据需要随意调节，其最大提升高度110cm。

MHB的破碎机理是通过重锤的下落对水泥混凝土板块产生瞬时、点状的冲击作用，其具有以下特点：整幅车道宽度单次多点破碎；锤击功可以方便调节；破碎效率很高；破碎后颗粒组成特性较好；破碎后的表面平整度较高；方便调节，作业灵活。

Z型压路机是一种在钢轮表面带有Z状纹理的振动式压路机，自重不小于10吨，其作用是进一步碾压碎石化后的路面，为加铺提供一个平整的表面。

1.5石化技术的强度形成机理

水泥混凝土路面碎石化后分为表面细粒散层、碎石化层上部和碎石化层下部三个层次。

（1）碎石化后表层约2~5cm，在压实过程中，颗粒被压密，形成嵌挤薄层，通过洒布透层油，具有较高的黏结力，并具有一定的强度和稳定性；

（2）碎石化层上部厚度约10cm，强度主要有：一是来源于内摩阻角，粒径越大则内摩阻角越大；二是来源于预应力，水泥混凝土面板在破碎时，混凝土产生侧向体积膨胀，混凝土颗粒的粒径越小，膨胀趋势越大，产生的预应力越大；

（3）碎石化层下部厚度约10cm，是“裂而不碎、契合良好、联锁咬合”的块体结构，该结构静定且自稳，具体表现形式为各种形式的咬合梁、拱结构，在外力作用下产生咬合嵌挤作用，比普通嵌锁作用更大，提供的强度更高，具有更好的结构稳定特性。

2 MHB碎石化施工质量标准

2.1路面碎石化后的粒径范围要求

水泥混凝土板块一般在20~26cm之间，破碎后顶面粒径较小，下部粒径较大。路面碎石化后的粒径是控制基层强度及新加铺路面不出现早期反射裂缝的关键参数，作为控制碎石化工艺的关键指标，参照国外资料及国内研究成果，碎石化粒径应满足表要求。

2.2路面碎石化后顶面的当量回弹模量和回弹弯沉要求

水泥混凝土路面碎石化后顶面的当量回弹模量是新加铺结构设计的基本参数之一，一般情况下，对于直接加铺沥青混凝土的路面结构，回弹模量平均值宜控制在150~500MPa之间。碎石化后的回弹弯沉与回弹模量之间存在着联系，在将碎石化后的板块及其下结构层视为同种材料构成的情况下，可以参照路面补强公式得到：

Ez=（1000pD/l0）m1m2

式中：p-弯沉测定车的轮胎压力；

D-与弯沉测定车双圆轮迹面积相等的承载直径；

l0-原路面计算弯沉；

m1-用标准轴载汽车在原路面上测得的弯沉值与用承载板在相同压强条件下所测得的回弹变形值之比，即轮板比，一般取1.1；

m2-原路面当量回弹模量扩大系数。

2.3 MHB碎石化施工质量标准及检测频率

为满足直接加铺面层的技术要求，保障加铺层施工质量，根据课题研究和实验路的测试，结合路面设计的规范要求，提出MHB碎石化施工质量标准及检测频率。

碎石化层作为基层直接加铺沥青路面，目前我国技术规范中没有相应规定，本技术指标要求是在参考我国现行技术标准《公路路面基层施工技术规范》（JTJ034-2000）和原技术标准（JTJ034-93）的基础上，结合实验路的实际情况提出的，具体实施中可以灵活掌握。如果碎石化层的表面平整度与上述要求差异较大，在铺筑沥青路面前，必须进行处理。处理措施主要有：

（1）据平整度情况合理合理选择沥青混合撩的型号；

（2）填充级配碎石找平、碾压后洒布热沥青或乳化沥青，再进行压实；

（3）采用其他合适的技术措施进行找平。如果不进行找平，可能会影响沥青路面的平整度，影响路面的使用效果。

3 碎石化后沥青加铺层结构组合

3.1结构组合的原则

研究表明，工程中可能出现的碎石化后颗粒粒径或回弹模量的不同情况，可采用的结构组合原则有：

（1）碎石化施工中应尽量参照推荐的颗粒粒径和回弹模量推荐范围进行破碎，在此范围内时，沥青加铺层要求采用密级配沥青混凝土，并可考虑加铺防水封层；

（2）当碎石化后颗粒粒径稍偏大、回弹模量偏高时，可考虑采用开级配大粒径透水性沥青碎石（简称为LSPM）加防水封层的结构组合方式，其上沥青混凝土仍需采用密级配；

（3）当碎石化后颗粒粒径稍偏小、回弹模量偏低时，要保证加铺层总厚度，可考虑设置FDAC抗疲劳层，以防止疲劳开裂，其他沥青层仍需采用密级配；

（4）回弹模量小于120MPa时需要考虑增设补强层，按照新建路面结构设计。 3.2沥青加铺层四种机构组合方式

（1）作透层、封层后，直接加铺上、中、下面层的密级配沥青混凝土；

（2）加铺LSPM，然后采用两层两面的形式；

（3）加铺抗疲劳层后，再加铺沥青混凝土；

（4）加铺无机结合料稳定类基层，然后加铺沥青面层。

根据研究成果，碎石化后的回弹模量大致可分为5个级别，相应的加铺结构组合形式可按表3标准选取。

4 碎石化技术适用条件和注意问题

4.1碎石化技术的使用条件

4.1.1碎石化的技术条件

碎石化技术是旧水泥混凝土路面重建技术的主要方案之一，国内外研究和工程实践证明，只要旧水泥混凝土路面满足表4所列条件，就可以应用碎石化的技术进行重建改造。其他因素如板块断裂程度、坑洞、接缝损坏、表面裂缝与层状剥落等不是决定应用碎石化技术的必要条件。

4.1.2碎石化的经济条件

碎石化工艺应用与原路面补修存在经济平衡点，这个平衡点可用修补比率来反映，国外算例中修补比率为13%左右，山东的经济平衡点是修补面积为20%~25%时，进行破碎改造更为经济。

4.2直接加铺面层时的技术要求

水泥混凝土路面碎石化后直接加铺沥青面层时，应遵循如下原则：

（1）回弹模量平均值一般在150~500MPa左右，部分原路面水泥混凝土材料较好时，回弹模量会更大，现场测试中出现个别值在600MPa、700MPa的情况，进行上部结构设计时，必须将弯拉指标作为主要设计指标；

（2）等级较高的公路上，碎石化层上的沥青混凝土结构一般不宜小于12cm；

（3）实验段已用于80%（整幅路面）断板的水泥混凝土路面，80%以下断板时使用不会有问题；

（4）上面层必须密级配防水型沥青混合料；

（5）必须完善排水设施；

（6）在碎石化程度较高，测试回弹模量数据较小时，应注意下面层的抗疲劳特性。

4.3碎石化技术应用的注意问题

在满足技术、经济条件要求的前提下，应用MHB进行碎石化前还需要综合考虑以下因素：

（1）水泥混凝土路面基层的破坏程度决定了其碎石化施工的颗粒控制和工艺要求。对于损害严重的水泥混凝土路面，必须判断其基层状态。一般情况下，基层破坏程度越高。破碎后粒径越小。

（2）水泥混凝土路面基层的破坏程度是判断严重病害路面是否可用碎石化工艺的重要标准；当基层严重破坏时，碎石化后板块容易丧失颗粒间的嵌挤作用，导致模量下降，容易导致沥青路面层出现疲劳破坏。此时应用碎石化，应注意提高上部路面结构设计安全性。

（3）排水设施是碎石化的必须辅助工程。完善排水设施是防止碎石化后沥青加铺层再次发生水损坏的重要措施。

这里所有要求，共同构成碎石化技术的应用条件和决策依据，是确定旧水泥混凝土路面能否实施碎石化技术以及能否直接加铺沥青混凝土面层的必要条件。

结语：重点就碎石化使用条件、强度机理、加铺层组合、施工质量标准及检测频率的关键技术进行介绍，为旧水泥混凝土路面改造提供参考依据。

参考文献

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