文／新疆交通建設(shè)集團股份有限公司 楊秋菊 黃勇 斯毅

中鐵十一局集團第一工程有限公司 翟格

關(guān)鍵字:綠色高性能水泥；抗壓強度；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)，同時公路建設(shè)和其他行業(yè)建設(shè)會嚴(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用大，加上這個地區(qū)的材料品質(zhì)波動性非常大，非常不均勻，也嚴(yán)重制約著路基路面的耐久性的問題。在“十三五”期間，新疆交通建設(shè)任務(wù)與環(huán)境保護工作并重，這就要求在公路建設(shè)過程中，盡可能使用環(huán)保材料，減少對環(huán)境的破壞，而本研究中的綠色高性能水泥可實現(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）的同時大幅度節(jié)約工程造價、縮短工期、保護環(huán)境，以此來助力新疆地區(qū)“一路一帶”建設(shè)，推進新疆交通建設(shè)又快又好的發(fā)展。

1 綠色高性能水泥

1.1 機理分析

綠色高性能水泥核心料是一種高性能新型無機膠結(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,可任意固化各類中低液限土壤,頁巖,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合使用具有良好的效果。

1.2 特點說明

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、建筑垃圾及天然級配砂礫等材料形成水泥混凝土，大幅度降低礦山開采及河沙挖掘，最大限度的降低環(huán)境破壞與污染，在滿足工程質(zhì)量的前提下，大大節(jié)約原料成本、人工成本、運輸成本、及時間成本，既環(huán)保又能降低成本。

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

2 綠色高性能水泥適應(yīng)性試驗與應(yīng)用效果

2.1 試驗范圍

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

2.2 不同地區(qū)原料試驗分析

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

表1 綠色高性能水泥與普硅水泥基本性能對比

通過表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)無級配天然砂礫，水灰比為0.46，塌落度為130～137mm。室內(nèi)制備150mm*150mm*150mm的試件，并對其進行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護，養(yǎng)護齡期為7天、28天。并對其進行C30混凝土抗壓強度、抗折強度試驗，試驗結(jié)果如圖1、圖2所示。

圖1 7d和28d混凝土試件（吐魯番）抗折強度對比分析圖

圖2 7d和28d混凝土試件（吐魯番）抗壓強度對比分析圖

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天抗折強度為7.40Mpa，遠高于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天平均抗壓強度為29.8Mpa，而普通硅酸鹽水泥7天平均抗壓強度為17.2Mpa，強度不足設(shè)計強度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天平均抗壓強度為37.70Mpa，而普通硅酸鹽水泥28天平均抗壓強度為25.5Mpa，無法滿足C30混凝土設(shè)計強度。

（2）哈密地區(qū)

哈密地區(qū)由于自然環(huán)境影響，形成兩種無級配天然砂礫，此次試驗標(biāo)記為1號料、2號料。1號料水灰比為0.8，2號料水灰比0.7，塌落度為80～100mm。室內(nèi)制備150mm*150mm*150mm的試件，并對其進行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護，養(yǎng)護齡期為7天、28天。并對其進行C30混凝土抗壓強度、抗折強度試驗，試驗結(jié)果如圖3、圖4所示。

圖3 7d和28d混凝土試件（哈密1#、2#）抗壓強度對比分析圖

圖4 7d和28d混凝土試件（哈密1#、2#）抗折強度對比分析圖

從圖55抗壓強度數(shù)據(jù)檢測結(jié)果對比分析可以看出，2#料由綠色高性能水泥經(jīng)過28天標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生后有效強度優(yōu)于普通42.5水泥制成抗壓試塊，同時，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度值上也表現(xiàn)為綠色高性能水泥強度更高，且兩種集料由綠色高性能水泥成型試塊有效強度均大于普通42.5水泥成型試塊5Mpa。綠色高性能水泥成型試塊抗壓強度高于普通42.5水泥成型試塊。從抗壓強度對兩種水泥行性能進行評價，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)實驗

根據(jù)圖4所示，1#配料以綠色高性能水泥成型試件（28天）其抗折強度為4.88Mpa大于普通42.5水泥成型抗折試件強度4.12Mpa，同樣，上表2#配料抗折強度檢測結(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天抗折試件強度檢測結(jié)果來評價兩種不同水泥性能，綠色高性能水泥性能優(yōu)于普通42.5號硅酸鹽水泥。

表2 和田地區(qū)天然砂礫C20水泥7d抗壓強度

由圖5、圖6可看出隨著凍融次數(shù)的增加，相對動彈模量呈遞減趨勢。在相同集料和凍融次數(shù)下，綠色高性能水泥混凝土相對動彈模量優(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個循環(huán)。

圖6 7d混凝土試件（哈密）凍融循環(huán)實驗

（3）和田地區(qū)

配料為無級配天然砂礫，水灰比為0.47，塌落度為180-210mm。室內(nèi)制備150mm*150mm*150mm的試件，并對其進行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護，養(yǎng)護齡期為7天、28天。并對其進行C20混凝土抗壓、抗折強度試驗。試驗結(jié)果如表2所示。

根據(jù)表2和表3試驗數(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天平均抗壓強度為29.77 MPa，而普硅水泥試件平均抗壓強度為17.17 MPa，28天平均抗壓強度37.73 MPa，而普硅水泥試件平均抗壓強度為25.53 MPa，從抗壓試件強度檢測結(jié)果來評價兩種不同水泥性能，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）其抗折強度為5.73Mpa大于普通42.5水泥成型抗折試件強度4.7Mpa，同樣，28天綠色高性能水泥抗折強度檢測結(jié)果同樣為綠色高性能水泥略優(yōu)于普通42.5硅酸鹽水泥。從抗折試件強度檢測結(jié)果來評價兩種不同水泥性能，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抗折強度對比

表5 和田地區(qū)天然砂礫C20水泥28天抗折強度

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)用項目為烏魯木齊交建市政工業(yè)園區(qū)建設(shè)項目,該項目位于烏魯木齊市開發(fā)區(qū)二期融合南路，面積500畝（30萬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、拼裝工廠場坪建設(shè)工作。2016年鋪筑的拼裝工廠場坪經(jīng)過兩個凍融期，80噸(單軸25噸)以上重車反復(fù)碾壓，路用性能良好。原料為廠區(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，按C20混凝土標(biāo)準(zhǔn)，每方料水泥用量為300kg。

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

經(jīng)測算，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)濟效益十分顯著，同時避免了開采礦山、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配砂礫，使用綠色高性能水泥按C30級別設(shè)計的混凝土的28天抗壓強度達到了C35的強度等級，而相同條件下普通硅酸鹽水泥無法滿足強度要求。說明該材料在就地取材，進行水泥混凝土路面及地坪施工的時候具有良好的效果。

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

3.通過實際路用效果分析，綠色高性能水泥可以與天然級配砂礫良好結(jié)合形成有高強度的混凝土，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，并實現(xiàn)了整個施工過程的垃圾零排放。