优秀工程硕士论文范文篇一
1.1 研究背景
随着我国社会经济的发展，我国的基础设施如道路、铁路和水利等方面的建设取得了显著发展。基础设施在建设过程中，势必会破坏原有的植被和地形结构，造成大面积的土壤裸露、植被破坏、生态失衡。破坏后的植被和地形结构，很难通过自身力量来恢复生态平衡，即使可以也需要很长一段时间。目前，我国有许多地区的植被遭到破坏，造成水土流失，给环境造成了很大危害。如果土体的坡度较大，再加之遭遇大雨，土壤受到雨水的侵蚀极其容易导致崩溃和山体滑坡，给人们的生命财产带来极大的安全隐患。近几十年的山体滑坡和泥石流等自然灾害屡见不鲜，这与工程建设时的破坏有很大的关系。因此，有必要对边坡进行防护处理，针对这一问题，许多学者提出了植被混凝土这种新护坡材料，植被混凝土具有保护结构、水土保持、植被恢复和生态减灾优点，研究忽略了北方季节交替问题，只考虑了抗压强度而忽视了抗冻融能力。 另一方面，根据 2014 年《中国资源综合利用年度报告》显示：2013 年，煤矸石作为煤的伴生物，我国煤矸石产生量约 7.5 亿吨，同比增长 7.6%，目前，我国煤矸石累计堆放量约为 45 亿吨，规模较大的煤矸石山达 2600 多座。煤矸石大面积堆放势必会对社会、环境和经济等方面产生影响。首先，为了存放煤矸石势必征用大量土地，浪费土地资源，与日益减少的耕地面积相矛盾；其次，煤矸石长时间的堆放会发生自燃，产生SO2、NOx 等有毒有害气体，污染地下水源和土壤，甚至会造成酸雨等自然灾害，影响周围居民的身体健康；另外，煤炭企业为了解决煤矸石土地的征用、矸石山的污染以及应对山体滑坡和泥石流等自然灾害，每年需要投入大量资金，这造成了企业资金的浪费。因此，国家发展改革委组织开展了《煤矸石综合利用管理办法》修订工作。国家能源局、财政部、国土资源部、环保部联合下发了《煤矿充填开采工作指导意见》，推动煤炭行业以矸换煤技术的推广和应用。
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1.2 煤矸石及研究现状
煤矸石是采煤过程和洗煤过程中排放的固体废物，是一种在成煤过程中与煤层伴生的一种含碳量较低、比煤坚硬的黑灰色岩石。 煤矸石产生有以下三种途径：采煤前，修建井简与巷道时，开凿排出大量煤矸石；采煤过程中，在煤层中和部分煤层顶底板中含有大量的煤矸石；采煤后，在洗煤厂和人工挑选时产生大量洗矸和少量拣矸。 煤炭是我国最主要的能源，其资源非常丰富，2008 年产量已超过 27.16 亿吨。随着煤炭生产的不断扩展，煤研石的产生量与日俱增，若煤矸石产生量按原煤产量的 15%计，保守估计煤矸石每年的增量至少 1.8 亿吨以上，目前，我国煤矸石累计堆放量约为 45亿吨，规模较大的煤矸石山达 2600 多座，占地 30 万亩以上，而且仍在继续增加。大量堆积的煤矸石侵占了大量的土地，浪费了土地资源，污染了生态环境，如果不采取有效的利用措施，将会直接影响煤炭工业的正常发展，并且影响周围环境质量和居民的身体健康状况。 煤矸石的产地分布和原煤产量有直接关系。目前，我国年产矸石量超过 400 万吨的地区有东北、内蒙古、山东、河北、陕西、山西、安徽、河南和新疆等，可见煤矸石产生量多的地区主要在北方，这与本文针对北方地区植被混凝土的研究一致，为生产提供了大量的原材料。
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2 原材料和试验方法
2.1 原材料
山东省泰安市中联水泥厂产的 P·O42.5 中联牌水泥，其水泥厂提供的化学成分和物理指标见表 2.1 和表 2.2。煤矸石不同于普通石子形成过程，它在采煤过程中与煤存在一起，是一种含碳量低的黑色岩石，是一种固体废弃物。煤矸石按照燃烧程度分为非自然煤矸石和自然煤矸石。非自燃煤矸石的颜色为黑色或黑灰色，与煤炭颜色相近，其硬度较高，这是一种不具有活性的煤矸石，结构稳定；自燃煤矸石呈陶红色及陶黄色，由于内部夹杂黑色碳质，质地疏松，岩石硬度较低，这是一种具有活性的煤矸石，结构不稳定。本试验煤矸石取自菏泽矿务局，粒径 16~26.5mm 之间，单粒级配，通过颜色判断属于非自然煤矸石。从菏泽矿务局运来的煤矸石粒径较大，利用时需要进行破碎筛分处理。利用实验室里的颚式破碎机进行破碎，尺寸调到 30mm 左右，破碎后的煤矸石粒径在 30mm 以下，然后用 16~26.5mm 的方孔筛进行筛分。
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2.2试验方法
孔隙率包括有效孔隙率和总孔隙率，有效孔隙率是由连通的孔隙和半连通的孔隙组成隙，总孔隙率是由连通的孔隙、半连通的孔隙和全封闭的孔隙组成。本文参考日本《多孔混凝土空隙率试验方案》及《透水性混凝土河川护堤施工手册》测试有效孔隙率和总孔隙率。 根据阿基米德定律测得孔隙率，将试块放入水中，使水漫过植被混凝土，水充满内部的孔隙，此时水填充的体积即为植被混凝土孔隙的体积，即植被混凝土孔隙率体积等于试块标准体积减去排开水的体积。 植被混凝土成型之后，选择表面平整，外形规则的试件，养护 28 天之后，将试块浸入水中 24 小时，然后有绳子固定好，称其浸入水中时的质量，然后用烘干箱将其烘干，称其烘干后的质量，然后放入标养室养护 24 小时，称其在空气中的质量。用游标卡尺量取植被混凝土试件的长、宽、高，每个长度量取三次取平均值作为最终长度，然后计算出试件的体积。
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3 配合比设计及制备 ...... 20
3.1 配合比设计 ........ 20
3.2 材料用量计算方法 .... 20
3.3 植被混凝土设计指标 ........ 21
3.3.1 孔隙率 ..... 21
3.3.2 抗压强度 ......... 22
3.3.3 耐久性能 ......... 22
3.4 试块制作 .... 22
3.4.1 搅拌工艺 ......... 23
3.4.2 成型方式 ......... 23
3.4.3 养护方式 ......... 23
3.5 小结 .... 23
4 试验结果与分析 .......... 25
4.1 孔隙率 ........ 25
4.2 透水系数 .... 26
4.3 p H 值 .......... 27
4.4 抗压强度 .... 28
4.5 冻融循环 .... 30
4.6 抗压强度和冻融循环综合分析 ........ 33
4.7 小结 .... 34
5 结论与展望 .......... 35
5.1 结论 .... 35
5.2 展望 .... 35
4 试验结果与分析
4.1 孔隙率
植物在植被混凝土上生长要满足足够的孔隙率，充足的孔隙才会使植物根系穿透混凝土扎根到土壤中吸取营养，在根系的连接作用下增强了植被混凝土与土壤之间的整体性。由上表 4.1 可以看出：在设计孔隙率 28%时，总孔隙率均在 29%以上，最高 37%左右，而有效孔隙率集中在 28%左右。其中煤矸石植被混凝土的有效孔隙率均大于 21%，根据日本生态混凝土护岸工法规定，煤矸石粗骨料植被混凝土的孔隙率符合植物生长需求。 植被混凝土因其结构特点具有吸收雨水、雪水等供植物生长的能力，并且具有满足植物根系和周围环境进行养分交换的能力，而透水系数是反应其上述能力的直接表现。如果透水系数过小势必会降低植被混凝土水分交换和蓄水能力，因此必须保持合适的透水系数，根据王桂玲在《植生混凝土的含义、技术指标及研究重点》（王桂玲，2013）文中的观点，植被混凝土透水系数必须达到 0.1cm/s 以上才能够提供植物根部生长所必需的水分、养分和保水排水透气功能。 由表 4.2 和图 4.2 可以看出：煤矸石粗骨料抗冻植被混凝土的透水系数均在 2cm/s之上，透水性比一般土壤要好，满足植被混凝土对透水系数的要求。有效孔隙率与透水系数之间成线性关系，线性函数关系表达式：y=0.1268x-1.010，方差：R2=0.87，总孔隙率和有效孔隙率有较好的线性相关性。这是由于有效孔隙率大，胶结材浆体用量就少小，包裹粗集料表面的体积就小，植被混凝土内部的闭塞孔隙很难形成，连续孔隙自然增多，透水性能也就更加出色。
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结论
根据课题组前期对抗冻植被混凝土研究成果，研究以煤矸石为粗骨料抗冻植被混凝土各项性能的变化，得出最优掺量，提出一种对煤矸石利用的新途径。通过试验得出以下几点结论：
（1）煤矸石粗骨料抗冻植被混凝土是一种生态混凝土，这种混凝土具有绿化功能、结构防护能力且利用废弃矿物质材料，符合我国的“可持续发展战略”，它适用于城市市政工程坡面结构、公路、河流两岸坡面的绿化与结构保护。
（2）在控制孔隙率的前提下，添加聚丙烯腈纤维、塑钢纤维、801 胶、引气剂和减水剂等措施提高其耐久性，由最初可承受 35 次冻融循环提高到可承受 125 次，符合 F100抗冻等级，同时满足抗压强度设计值。
（3）根据抗压强度最高、冻融循环次数最多和废物利用最优原则，煤矸石粗骨料最优掺量确定为 40%左右。
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