绿色高性能水泥在新疆地区的研究与应用分析

文／新疆交通建设集团股份有限公司 杨秋菊 黄勇 斯毅

中铁十一局集团第一工程有限公司 翟格

关键字:绿色高性能水泥；抗压强度；环保

新疆地质脆弱，生态敏感脆弱，破坏以后不可恢复，同时公路建设和其他行业建设会严重污染水源和环境，建设和环保并重让生态脆弱矛盾非常突出。公路病害防治投入费用大，加上这个地区的材料品质波动性非常大，非常不均匀，也严重制约着路基路面的耐久性的问题。在“十三五”期间，新疆交通建设任务与环境保护工作并重，这就要求在公路建设过程中，尽可能使用环保材料，减少对环境的破坏，而本研究中的绿色高性能水泥可实现就地取材（包括天然地面材料、风积沙、废旧建筑垃圾、废弃钢渣）的同时大幅度节约工程造价、缩短工期、保护环境，以此来助力新疆地区“一路一带”建设，推进新疆交通建设又快又好的发展。

1 绿色高性能水泥

1.1 机理分析

绿色高性能水泥核心料是一种高性能新型无机胶结料,在常温下能够直接胶结土体中土壤颗粒表面或能够与土壤矿物反应生成胶凝物质的土壤固化材料,主要成份是CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3、激发剂等,因其配料组成不同而具有不同的适应性能,可任意固化各类中低液限土壤,页岩,泥砂石混合料,建筑废渣、矿产废渣等，应用该材料代替传统水泥在公路工程、市政工程、建筑工程及水利工程等一些特定场合使用具有良好的效果。

1.2 特点说明

绿色高性能水泥中的“绿色”是指该水泥可以固化工业生产中产生的固体废料，如钢渣、矿渣、炉渣等，也可以通过就地取材方式，固化含泥量较高的弃方土、建筑垃圾及天然级配砂砾等材料形成水泥混凝土，大幅度降低矿山开采及河沙挖掘，最大限度的降低环境破坏与污染，在满足工程质量的前提下，大大节约原料成本、人工成本、运输成本、及时间成本，既环保又能降低成本。

其“高性能”是指在路面工程中，对天然戈壁混合料的结合方面具有超强优异的适应性。传统普通硅酸盐水泥的弱点在于对天然戈壁料中微粉的结合能力较差，无法使其获得较高的抗压强度与抗折强度，而该水泥的优势在于其对于集料中微粉成分的超强黏合力，通过与配料微粉的水化、分散、聚合等一系列物理化学反应，即使是级配较差，含泥量较高的天然戈壁料仍然可以生产出各个强度等级的混凝土，且抗压强度、抗折强度均优于普通硅酸盐水泥，下文的试验结果分析可以说明。

2 绿色高性能水泥适应性试验与应用效果

2.1 试验范围

本次试验主要针对新疆各地区天然级配原料与绿色高性能水泥结合效果进行分析，天然级配原料产地有吐鲁番地区、哈密地区、和田地区，同时以乌鲁木齐市案例进行应用效果分析。

2.2 不同地区原料试验分析

配料选用新疆各地区天然级配砂砾，根据实际施工要求进行室内C20和C30标号混凝土抗压及抗折试件制备，对其进行标准养护，养护龄期为7d、28d。并对其绿色高性能水泥、普通硅酸盐水泥的混凝土试件进行对比试验，绿色高性能水泥与普通硅酸盐水泥基本性能对比如表1所示。

表1 绿色高性能水泥与普硅水泥基本性能对比

通过表1可以看出，绿色高性能水泥基本性能优于普通硅酸盐水泥。

（1）吐鲁番地区

配料为吐鲁番地区无级配天然砂砾，水灰比为0.46，塌落度为130～137mm。室内制备150mm*150mm*150mm的试件，并对其进行标准养护，养护龄期为7天、28天。并对其进行C30混凝土抗压强度、抗折强度试验，试验结果如图1、图2所示。

图1 7d和28d混凝土试件（吐鲁番）抗折强度对比分析图

图2 7d和28d混凝土试件（吐鲁番）抗压强度对比分析图

由图1可以看出以吐鲁番地区天然砂砾为配料的绿色高性能水泥混凝土试件7天抗折强度为5.73Mpa，高出普通硅酸盐水泥20%以上, 而以吐鲁番地区天然砂砾为配料的绿色高性能水泥混凝土试件28天抗折强度为7.40Mpa，远高于4.5Mpa的标准值。

由图2可知以吐鲁番地区天然砂砾为配料的绿色高性能水泥混凝土试件7天平均抗压强度为29.8Mpa，而普通硅酸盐水泥7天平均抗压强度为17.2Mpa，强度不足设计强度80%；吐鲁番地区天然砂砾为配料的绿色高性能水泥混凝土试件28天平均抗压强度为37.70Mpa，而普通硅酸盐水泥28天平均抗压强度为25.5Mpa，无法满足C30混凝土设计强度。

（2）哈密地区

哈密地区由于自然环境影响，形成两种无级配天然砂砾，此次试验标记为1号料、2号料。1号料水灰比为0.8，2号料水灰比0.7，塌落度为80～100mm。室内制备150mm*150mm*150mm的试件，并对其进行标准养护，养护龄期为7天、28天。并对其进行C30混凝土抗压强度、抗折强度试验，试验结果如图3、图4所示。

图3 7d和28d混凝土试件（哈密1#、2#）抗压强度对比分析图

图4 7d和28d混凝土试件（哈密1#、2#）抗折强度对比分析图

从图55抗压强度数据检测结果对比分析可以看出，2#料由绿色高性能水泥经过28天标准养生后有效强度优于普通42.5水泥制成抗压试块，同时，1#集料由绿色高性能水泥和普通42.5水泥成型试块在抗压强度值上也表现为绿色高性能水泥强度更高，且两种集料由绿色高性能水泥成型试块有效强度均大于普通42.5水泥成型试块5Mpa。绿色高性能水泥成型试块抗压强度高于普通42.5水泥成型试块。从抗压强度对两种水泥行性能进行评价，绿色高性能水泥性能更好。

图5 7d混凝土试件（哈密）冻融循环实验

根据图4所示，1#配料以绿色高性能水泥成型试件（28天）其抗折强度为4.88Mpa大于普通42.5水泥成型抗折试件强度4.12Mpa，同样，上表2#配料抗折强度检测结果同样为绿色高性能水泥明显优于普通42.5硅酸盐水泥。从28天抗折试件强度检测结果来评价两种不同水泥性能，绿色高性能水泥性能优于普通42.5号硅酸盐水泥。

表2 和田地区天然砂砾C20水泥7d抗压强度

由图5、图6可看出随着冻融次数的增加，相对动弹模量呈递减趋势。在相同集料和冻融次数下，绿色高性能水泥混凝土相对动弹模量优于普硅水泥混凝土，且图中绿色高性能水泥混凝土冻融次数上较普硅水泥多10个循环。

图6 7d混凝土试件（哈密）冻融循环实验

（3）和田地区

配料为无级配天然砂砾，水灰比为0.47，塌落度为180-210mm。室内制备150mm*150mm*150mm的试件，并对其进行标准养护，养护龄期为7天、28天。并对其进行C20混凝土抗压、抗折强度试验。试验结果如表2所示。

根据表2和表3试验数据可以得出，以和田地区天然砂砾为配料的绿色高性能水泥混凝土试件7天平均抗压强度为29.77 MPa，而普硅水泥试件平均抗压强度为17.17 MPa，28天平均抗压强度37.73 MPa，而普硅水泥试件平均抗压强度为25.53 MPa，从抗压试件强度检测结果来评价两种不同水泥性能，绿色高性能水泥性能优于普通42.5硅酸盐水泥。

根据表4、表5所示，以绿色高性能水泥成型试件（7天）其抗折强度为5.73Mpa大于普通42.5水泥成型抗折试件强度4.7Mpa，同样，28天绿色高性能水泥抗折强度检测结果同样为绿色高性能水泥略优于普通42.5硅酸盐水泥。从抗折试件强度检测结果来评价两种不同水泥性能，绿色高性能水泥性能优于普通42.5硅酸盐水泥。

表4 和田地区天然砂砾C20水泥 7d抗折强度对比

表5 和田地区天然砂砾C20水泥28天抗折强度

3 工程应用情况

本研究中绿色高性能水泥应用属于路面工程应用，应用项目为乌鲁木齐交建市政工业园区建设项目,该项目位于乌鲁木齐市开发区二期融合南路，面积500亩（30万m2），采用绿色高性能混凝土技术建设园区所有路面工程，于2018年完成全部工业园区道路、拼装工厂场坪建设工作。2016年铺筑的拼装工厂场坪经过两个冻融期，80吨(单轴25吨)以上重车反复碾压，路用性能良好。原料为厂区内挖方戈壁料，含泥量大于10%，采用绿色高性能水泥42.5号，按C20混凝土标准，每方料水泥用量为300kg。

现场取样的混凝土7天抗压强度为19.7Mpa，达到C25级别混凝土强度，而从现场取原料与普硅42.5号水泥所制得混凝土试件7天强度仅为12Mpa，绿色高性能水泥混凝土28天抗压强度为26.8Mpa，而普通水泥混凝土28天抗压强度20.9 Mpa，绿色高性能水泥与戈壁混合料的结合强度相比普通混凝土高出28%以上。

经测算，与传统工艺、材料相比综合成本节约30%以上，使用绿色高性能水泥混凝土的经济效益十分显著，同时避免了开采矿山、垃圾废弃以后造成间接的环境、水土污染等不良情况的出现。

4 结论

1.采用就地取材的天然级配砂砾，使用绿色高性能水泥按C30级别设计的混凝土的28天抗压强度达到了C35的强度等级，而相同条件下普通硅酸盐水泥无法满足强度要求。说明该材料在就地取材，进行水泥混凝土路面及地坪施工的时候具有良好的效果。

2.绿色高性能水泥制得的天然级配混凝土可以承受50次的冻融循环测试，而普通水泥30次之后的动弹模量开始出现急剧衰减。

3.通过实际路用效果分析，绿色高性能水泥可以与天然级配砂砾良好结合形成有高强度的混凝土，既解决了新疆交建市政500亩工业园区内挖方弃土的处理问题，相比传统施工工艺，节约工程成本30%以上，大幅度缩短了施工工期，并实现了整个施工过程的垃圾零排放。