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1、华北水利水电学院毕业论文华北水利水电学院毕业论文第第 1 页页 共共 76 页页第第 1 1 章章 前前 言言1.11.1 项目研究的背景和意义项目研究的背景和意义混凝土材料及其制品自 19 世纪中叶开始采用以来，发展极为迅速，在世界各国现代土木工程建设中占据主导地位。它在给人类带来文明和进步的同时，也给生态环境和人居环境带来了诸多负面影响。长期以来，人们只注意到混凝土给人类带来方便和财富的一面，混凝土作为人类使用量最大的建筑材料，给人类带来文明与进步的同时，也给生态环境和人居环境带来诸多负面影响。在各种工程建设中，大量采用混凝土或混凝土板块，极大破坏了自然环境。水泥混凝土的大量使用侵占了绿地
2、面积，损坏了原有的环境景观，资源能源消耗量巨大，环境问题日益突出。另外传统混凝土材料质地脆硬，表面粗糙且呈碱性，缺乏视觉效果。随着可持续发展战略的实施，国家进行大规模基础设施建设。施工开挖造成大量的裸露土坡与岩质边坡。铁路公路工程中的护坡工程以及水利工程进行江河堤防护砌广泛采用混凝土护砌。由于缺乏透水性和透气性，对温度湿度调节性差，造成寸草不生，一片荒芜。夏季太阳直接暴晒有形成热岛效应，造成气候恶化。水利工程进行江河堤防护砌的边坡忽略了河道与岸上生态系统的有机联系，使植物难以生长，鱼类与两栖类失去栖息繁殖条件，水体脱离生物群落，自净能力降低，使原有生态系统破坏，导致严重的水体流失和生态失衡。随
3、着现代社会的进步，人们对环境要求越来越高，世界各国日益重视环境保护。我国也提出了人与自然环境和谐相处的科学发展观，坚持以人为本，把改善生态保护环境作为经济发展和提高人民生活质量的重要内容。新世纪的混凝土不仅要满足作为结构材料的要求，还要尽量减少给环境带来的不良影响。因此要突破传统混凝土的局限，发展可植被混凝土，成为当前混凝土科学发展方向之一。无砂大孔生态混凝土不仅拥有传统混凝土材料的性能，更赋予其新的特性，是一种能保护环境，使人类与自然和谐发展的新型混凝土。透水性能是无砂大孔生态混凝土的重要指标之一。1.21.2 无砂大孔生态混凝土的特点无砂大孔生态混凝土的特点无砂大孔生态混凝土就是不加砂的混
4、凝土，它与普通混凝土的最大区别就是不用细骨料，只用粗骨料。颗粒均匀的粗骨料被水泥浆包裹其表面，水泥浆不起填充作用，而华北水利水电学院毕业论文华北水利水电学院毕业论文第第 2 页页 共共 76 页页是仅将粗骨料胶结在一起，使之成为一种多孔性材料。国内外无砂大孔混凝土中的粗骨料主要是碎石和卵石，也有用烧结碎砖块和陶粒的。如果用石子作粗骨料，除应满足强度和压碎指标的要求外，石子的粒径应大于 5mm，小于 40mm。考虑到均等粒径骨料的堆积空隙率大，一般用粒径 515mm 或 1020mm 的石子做大孔混凝土的骨料。无砂大孔混凝土与普通混凝土相比，具有以下优点。一是表观密度小，一般在 1400 kg/
5、m31900kg/m3之间，属于轻混凝土的范畴；二是水泥用量比普通混凝土少1/41/3，工程造价低；三是浇筑时产生的混凝土侧压力小，可选用各种轻型模板；四是浇筑后混凝土的表面和内部存在大量连通的蜂窝状孔洞，便于培植植被，绿化混凝土表面；五是由于混凝土不用砂子，简化了材料运输、搅拌设备及现场管理，同时还降低混凝土成本；六是施工简单，靠自重落料即可密实成型，不需要机械振捣或人工插捣，对工人的技术水平要求不高，具有一般技术的工人即可胜任；七是骨料除可采用碎石、卵石、陶粒外，还可以直接利用炉渣等工业废料，或强度较高的建筑垃圾，便于环境保护；八是旧的无砂大孔混凝土构件破碎后，又是很好的混凝土粗骨料。这样
6、可以重复利用，对节省地方天然河砂材料，对建筑垃圾的减量是有利的；九是无砂大孔混凝土的多孔决定它的透水性和透气性，从而可以为植被生长提供条件，植物根系可通过孔隙穿过混凝土扎根土壤，从而保持生态平衡。1.31.3 无砂大孔生态混凝土的国内外发展现状无砂大孔生态混凝土的国内外发展现状无砂大孔混凝土是为植被混凝土提供植物生长的一个载体，是构成植被混凝土的基本构件，因此无砂大孔混凝土的性质对加入养料后所形成的植被混凝土的性质影响非常大。无砂大孔混凝土的研究，始于50年代初，国外先于国内，但抗压强度较低。在19世纪中叶，国外就开始应用无砂大孔混凝土二战期间，由于建材奇缺，无砂大孔混凝土得到了广泛的应用，后
7、来欧美很多国家对无砂大孔混凝土进行了较深入的研究，并制定了一些相应的规程或规范。无砂大孔混凝土的配合比设计及旌工工艺与普通混凝土不同，就其工程应用而言，要求既要有足够的强度，又要有良好的透水性。在美国的全国骨料协会和全国预制混凝土协会联合研究实验室中，已经进行了几项研究，借以开发无砂透水混凝土的强度和透水性的测定方法，以及配比方法的有关数据。1994年日本混凝土工学协会设立了“生态混凝土研究委员会”，在生态材料概念的基础上，提出了生态混凝土概念。所谓生态混凝土即能够适应生物生长、对调节生态平衡、美化环境景观、实现人类与自然的协调具有积极作用的混凝土材料。目前，生态混华北水利水电学院毕业论文华北
8、水利水电学院毕业论文第第 3 页页 共共 76 页页凝土可分环境友好型生态混凝土和生物相容型生态混凝土两大类。环境友好型生态混凝土是指在混凝土的生产、使用直到解体全过程中，能够减轻给地球环境造成的负担与环境公害，这类混凝土类似于吴中伟院士提出的绿色混凝土。生物相容型生态混凝土是指能与动、植物等生物和谐共存的混凝土。根据用途，这类混凝土可分为植物相容型生态混凝土、海洋生物相容型生态混凝土、淡水生物相容型生态混凝土以及净化水质用混凝土等。近年来国内相关研究机构对植被混凝土开展了系列研究，并且已经取得了一定的成果。吉林省水利科学研究院、水土保持研究院、水利实业公司等研究单位于1998年开始，根据水利
9、防护工程的特点，提出了复合随机多孔型绿化混凝土结构。其特点是：周边采用高强度混凝土保护框并兼作模具、中间填筑无砂混凝土一体成型，解决了随机多孔型绿化混凝土生长基的实用构件化、边缘强度低、有效绿化面积小等问题。随着植被混凝土的出现，屋顶花园，绿色墙体，生态护坡这些新鲜的事物在日本、新加坡、荷兰等国也逐渐时兴起来。生态护坡通过植物与非生物的植生材料相结合，以减轻护坡面的不稳定性和侵蚀，同时可以美化环境。近年来我国在生态护坡的研究方面也取得了一定的成果。天津市水利科学研究所以植被生物学特性、生长发育规律为指导，以无砂大孔混凝土理论为基础，为解决河道整治中传统片面地追求河岸的硬化覆盖、忽略河流的资源功
10、能和生态功能、破坏自然河流生态链的矛盾，推动传统水利向环境水利和大都市水利的转变，于2001年2月开始进行“环保型绿色植被无砂混凝士”的研究，通过对无砂大孔混凝土进行改性研究，在混凝土内部创造出适合植物生长的环境，解决混凝土色彩单调、污染环境的缺憾，并于2002年研制成功。无砂大孔混凝土近年来又得到进一步改进。奥运重点工程北京奥林匹克国家森林公园工程的设计部门要求在公园大门外的大广场、停车场等工程大面积铺装绿色环保透水混凝土，履盖面积约为 11.7 万平方米。通过使用绿色环保透水混凝土，可以确保在下雨天，雨水能迅速向下渗透到地下，从而大大减少地面积水，保持人员车辆出行方便，减少城市洪涝，减缓排
11、水设施的压力，并且对于北京这个严重缺水的城市，在实现雨水资源化，修复北京市的水环境与生态环境方面有着很重要的示范效益。传统观念下我们使用的透水混凝土都是无砂大孔混凝土，由于强度低，现场施工质量波动大，无法大面积推广；而目前广泛使用的混凝土透水砖虽然是采用工厂化生产，质量稳定，但因其强度低，也无法满足停车场等区域所需要的强度指标。因此，根据公园广场、停车场等工华北水利水电学院毕业论文华北水利水电学院毕业论文第第 4 页页 共共 76 页页程的设计和施工建设需求，研制和开发高强度绿色环保透水混凝土成为奥运工程建设的一项迫切任务。为了攻克这一技术难关，2004 年 3 月北京城建混凝土有限公司进行了
12、科研立项，并成立了以教授级高级工程师朱效荣为首的科研攻关小组。从 2004 年 3 月起，科研人员在四年多的时间里在经历了上百次试验失败后，成功地开发出一种高强度绿色环保透水混凝土，并制定出高强度绿色环保透水混凝土配合比设计、生产、施工的技术规程，形成了一套完整的高强度绿色环保透水混凝土生产与施工技术。该混凝土产品在实现高透水性的同时，显著提高了混凝土的强度和耐久性。该产品研制成功后大面积地应用于北京奥林匹克国家森林公园工程门区广场、停车场、行人通道等工程。北京市建设工程管理部门检测验收发现，这种高强度绿色环保透水混凝土的抗压强度、透水系数、孔隙率、抗冻融能力均达到工程设计部门的严格要求。此项
13、科技成果有重大理论突破，并达到国际先进水平。1.41.4 本课题研究的主要内容与技术路线本课题研究的主要内容与技术路线为了进一步完善和发展无砂混凝土的理论研究，为实际工程的应用提供配合比，试验就骨料种类与粒径、水泥品种与掺量、水灰比、成型方法、施工措施等进行了试验研究。实验对骨料种类与粒径、水泥品种与掺量、水灰比、成型方法、施工措施等进行了试验研究。试验选择了 32.5 与 42.5 两个强度等级的水泥品种，150kg/m3、200 kg/m3两种水泥用量，碎石、卵石两个骨料品种，515mm、1020mm 两种骨料级配，0.35、0.40、0.45 三个水灰比，进行混凝土配合比设计。在无砂大孔
14、生态混凝土配合比技术试验研究的基础上，采用正交设计研究了组成材料配合比对其抗压强度、连通孔隙率和沉浆面积率的影响，为今后无砂大孔生态混凝土的应用积累了试验数据。利用正交试验设计结果表明；骨料级配和水泥用量是影响抗压强度、连通孔隙率和沉浆面积率这 3 个技术指标的重要因素。用骨料级配为 1020mm 的碎石作粗骨料，水泥用量为 150 kg 和水灰比为 040 进行配合比设计，可使无砂大孔生态混凝土获得良好的工程应用性能。无砂大孔生态混凝土透水性能实验参照日本多孔混凝土性能试验方法草案 ，对无砂大孔生态混凝土成型试件进行透水系数测试。通过对实验结果分析水灰比对混凝土沉浆厚度和沉浆面积、混凝土强度
15、的影响、混凝土孔隙率的影响，水泥用量和等级对混凝土沉浆厚度和沉浆面积、混凝土强度的影响、混凝土孔隙率的影响，骨料品种和粒径对混凝土沉浆厚度和沉浆面积的影响、混凝土强度的影响、混凝土孔隙率的影响，拌和比对混凝土性能的影响，得出既有良好工程性能又具有华北水利水电学院毕业论文华北水利水电学院毕业论文第第 5 页页 共共 76 页页良好透水性能最优配合比，从而为深入研究无砂大孔生态混凝土积累数据。第第 2 2 章章 试验原材料和试验方法试验原材料和试验方法2.12.1 水泥水泥本试验采用了两种普通硅酸盐水泥，强度等级分别是 32.5MPa 和 42.5MPa，实验之前首先进行水泥胶砂实验，检测水泥性能
16、指标。水泥胶砂实验步骤：胶砂组成：每锅胶砂材料组成为水泥：标准砂：水=450G:1350G:225ML胶砂制备：先将水 倒入搅拌锅内，再加入水泥，然后将搅拌锅固定在机座上，上升至固定位置。立即开动机器，先低速搅拌 30S，在第二个 30S 开始的同时均匀的将砂子通过加砂漏斗加至到锅中， 再高速搅拌 30S。停拌 90S 后，再高速搅拌 60S。注意在最后一分钟搅拌时，要将锅壁上粘附的胶砂刮入锅内。胶砂试件成型：先把试模和模套固定在振动台上，用小勺从搅拌锅中将胶砂分两层装入试模。装第一层时用大播料器垂直架在 模套顶部，将料层播平，随后振实 60 次。再装入第二层胶砂，用小播料器播平，再振实 60 次后，去掉套模，从振实台上卸下试模，用一金属直尺以近似垂直的角度在试模顶的一端，沿试模长度方向以割锯动作慢慢向另一端移动，一次将试模上多余的胶砂刮去，并用直尺将试件表面抹平。试样养护：对试模做标记，带模放置在养护室或养护箱中养护，直到规定脱模时间（大多为 24H）脱模。脱模时先在试件上进行编号，注意进行两个
