土木工程市场前景范文

导语：如何才能写好一篇土木工程市场前景，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

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关键字：土木工程材料绿色建材前景问题

一 引言

土木工程材料是土木建筑的基础，合理地使用土木工程材料，充分发挥材料的性能不仅对土木工程的安全，实用，美观，舒适等有重要影响，并且还会对自然环境产生很大的影响，因此随着人们对环境保护和可持续发展的越来越重视，绿色建材也得到了更加广泛的使用，成为了当代土木材料发展的一大趋势。传统的土木工程材料包括：钢材、木材、砌筑材料、气硬性无机胶凝材料等等，但是其生产，利用及回收过程中会消耗大量的资源并且带来严重的环境问题，因此人们开始寻找既能满足材料性能要求，又不破坏环境并且能合理改善建筑环境的生态建材――“绿色建材”。

二、常见的绿色建材在建筑业中的应用

1、 结构材料

传统的结构用建筑材料有木材、石材、粘土砖、钢材和混凝土，现代结构用材料主要是钢材和混凝土。

1）木材、石材，这两种材料是自然界提供给人类最直接的建筑材料，不经加工或通过简单的加工就可用于建筑。木材和石材消耗自然资源，由于木材是可再生的永续的材料，如果自然界木材的生长量与人类的消耗量相平衡，那么木材是最绿色的建筑材料。石材虽然消耗了矿山资源，但由于它的耐久性较好，生产能耗低，重复利用率高，可以说它也具有绿色建筑材料的特征。

目前能大规模取代木材的新型绿色建材还不是很多，其中应用较多的一种绿色建材是竹材人造板。我国是森林资源贫乏的国家,但我国的竹类资源十分丰富,素有“竹子王国”的美誉，因此好多人把竹材资源看作是替代木材的好的后备资源。

由于竹结构具有如上所述的众多优点, 绿色建材――竹材人造板在土木工程领域的应用前景广阔。

2）粘土砖，其能耗是比较低的，但它是以破坏良田为代价且是不可恢复的，可以说是最不绿色的建筑材料。20世纪90年代开始限制使用粘土砖到如今粘土砖已禁止生产和使用。

粘土砖的绿色替代建材的主要发展方向是利用工业废渣替代部分或全部天然粘土资源的新型建材。

由于工业废渣来源丰富，其力学性能普遍优于粘土砖，并且可以满足不同使用环境的要求，所以具有广阔的应用前景。

3）钢材，由于钢材的不可替代性，因此“绿色钢材”主要发展方向是在生产过程中如何提高钢材的绿色指标上下功夫，研究发展新技术、新生产工艺，努力降低生产能耗，减少污染物排放，对生产过程中产生的废弃物资源化，加快钢材的绿色化进程。

4）混凝土，由水泥和集料组成，是复合材料，它的生产能耗主要是由水泥生产造成的。而传统的水泥生产需要消耗大量的资源与能量，并且对环境的污染较大，所以水泥生产工艺的改善是绿色混凝土发展的重要方向。目前水泥绿色生产工艺主要采用新型干法生产工艺取代落后的立窑等工艺。

现今土木工程使用的绿色混凝土主要有低碱性混凝土，多孔混凝土，植被混凝土，护坡植被混凝土，透水性混凝土，吸收分解NOx的光催化混凝土，生态净水混凝土等。其中应用较为广泛的是多孔混凝土。

多孔混凝土也称为无砂混凝土，它只有粗骨料，没有细骨料，直接用水泥作为黏结剂连接粗骨料，它具有连续空隙结构的特征，其透气和透水性能良好，连续空隙可以作为生物栖息繁衍的地方，而且可以降低环境负荷。多孔混凝土按其气孔结构形成的方式不同,又可分为泡沫混凝土和加气混凝土两大类。

2、功能材料

目前国内外各种功能材料迅速发展，材料种类繁多，用途广泛，正在形成一个规模宏大的高技术产业群，有着十分广阔的市场前景和极为重要的战略意义。除了利用材料的某些特殊功能外，如防水、装饰、保温等，具有新的功能的材料也不断涌现，主要包括储氢材料、梯度功能材料、智能材料、功能陶瓷材料、超导材料、信息材料、光学功能材料、功能复合材料、分离材料、生物医用等。

绿色功能材料主要体现在以下三个方面：

1)节能功能材料。如各类新型保温隔热材料，常见的产品主要有聚苯乙烯复合板、聚氨酯复合板、岩棉复合板、钢丝网架聚苯乙烯保温墙板等，，这些产品具有很好的保温隔热性能。节能保温玻璃如中空玻璃、太阳能热反射玻璃等。

2)充分利用天然能源的功能材料，将太阳能发电、热能利用与建筑外墙材料、窗户材料、屋面材料和构件一体化，形成一种崭新的建筑材料，成为建筑材料发展方向。如太阳能光电屋顶、太阳能电力墙、太阳能光电玻璃等。

3)改善居室生态环境的绿色功能材料，如健康功能材料（抗菌材料、负离子内墙涂料）、调温内墙材料、调湿内墙材料、调光材料、电磁屏蔽材料等。

三、绿色建材在建筑业应用时的问题

1)最主要的问题是成本问题。作为一种先进的建筑材料，其成本不仅是由原料到完成时所需的费用，还要考虑到其研发过程中的费用以及开发之后的改进费用。这些都是需要研究人员在研究过程中仔细操作以及精简节约。

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关键词：现代建筑；钢管混凝土结构；应用现状；发展方向

中图分类号：TU37文献标识码： A

一、钢管混凝土结构

钢管混凝土结构顾名思义是使用混凝土作为填充物进行圆形钢管填充，形成一种混合结构。钢管混凝土结构正是利用钢管对混凝土的局限作用力，使混凝土与钢管壁相互之间的压力达到最高，这样提高了混凝土的定性与韧性，从而提高混凝土在建筑中的效用。

总所周知，混凝土本身具有十分强大的抗压强度，但是它却无法形成固有形态，而钢管本身具有强大的抗弯能力，但是却不能承受过大压力。在这种情况下，人们将混凝土与钢管绑定利用，大大提高了建筑钢材的利用空间。物理学中有说过力的作用是相互的，钢管对混凝土有约束力，混凝土就可以对钢管有支撑力。因为钢管内部混凝土的存在，使得钢管不会因为一些外力作用轻易发生弯曲或者失去重心力。钢管混凝土结构的存在一方面巧妙运用了物理力学，另一方面保证了两种建筑材料相互作用、相互弥补，二者的相互作用直接决定了钢管混凝土的市场价值。钢管混凝土结构较其他建筑材料拥有更加柔韧、固定、耐压力、耐高温的优势，且在建筑项目运用中成本较为经济、使用较为方便，是现代化建筑中不可或缺的得力材料。

二、钢管混凝土在高层建筑中的应用

Lally柱是一个名为John Lally的美国人发明的专利产品，Lally柱开启了钢管混凝土今后的建筑市场之门。而今距离Lally柱发明已有超过百年的历史，而钢管混凝土也已经出现在工程行业百年有余。由于钢管混凝土本身具有良好的市场价值和运用性能，因此钢管混凝土受到越来越多建筑行业的运用，在八十年代的美国更是掳获了众多美国土木工程专家的芳心。自八十年代末期之后，混凝土应用技术突飞猛进，随后泵灌混泥土应运而生，这是一种具有高性能、高强抗压的混泥土技术应用。混凝土技术的日新月异为原本模式单一的钢管混凝土结构注入了一些新鲜热血，瞬间带动了混凝土技术生产气氛，在当时美国建筑工程和其他应用工程中，不难看出混凝土的普遍应用。

我国关于钢管混凝土应用已经有四十多年的历史。首先，北京地铁车站工程中钢管混凝土的作用功不可没，之后钢管混凝土在大批工业行业投入应用，并实现了在重型构架中的顺利应用。八十年代时，一批批高楼大厦如雨后春笋般建立起来，伴随着高层现代化建筑的出现，钢管混凝土愈发重要起来，这时人们将钢管混凝土成功代替了土柱运用在各类建筑中，一方面解决了原本混凝土不够坚实的问题，一方面减少了建筑用地面积。现代化建筑的特点是高，随着钢管混凝土的应用，高层建筑无需担心建筑结构的支撑问题，至今，已有数十栋超过百米的建筑涌现出来。

钢管混凝土的成功应用推动了现代化建筑的发展，众多具有时代感的大厦、广场出现在人们的生活中。1999深圳赛格广场顺利建成，其高度291.6M，总建筑面积为166700M2,它正是钢管混凝土技术成功运用的一个例子。深圳赛格广场是一个主体经营电子系列的广场，也是一个综合广场，广场整体融合了经济、政治、办公、休闲娱乐等方面。赛格电子广场的构造属于框筒结构，钢管混凝土的应用使得二十八根建筑排柱的建筑框架支柱与内筒牢牢驻扎在地面与半空中。柱子与柱子之间的距离为三米，在柱子之间共启用了两片钢筋混泥土墙壁，以加固柱子之间的稳定性。深圳赛格电子广场是钢筋混凝土材料使用最为明显的一个现代化建筑，这也代表着钢管混凝土在我国建筑中应用水平已经在世界上遥遥领先。

三、钢管混凝土结构的发展趋势

1、拥有更高性能、高技术的钢管混凝土技术

普通钢管混凝土正在一步步向着高强度混凝土发展中，高强度混凝土一直以来备受国内外专家争议，虽然其自身拥有高强度、低消耗、低重量的优点，但这使得钢管与管内混凝土相互之间的作用也很大，因此高强度混凝土硬度和持久性十分低。虽然钢管混凝土与高强度钢管混凝土有一些相似之处，但是二者从物理力学角度来看，还是有很大差距。因此，这就要求钢管混凝土技术人员不得将普通钢管混凝土的设计方式套用在高强度钢管混凝土设计过程中，要针对高强度钢管混凝土的问题进行适当完善，在未来现代化建筑行业中，高强度钢管混凝土的应用必然会带来更多现代建筑效果。

2、由厚钢管向薄钢管类型的转变

最近几年内，对薄壁钢管混凝土结构的相关研究日渐增多，由于薄壁钢管混凝土结构无法承载较大重力，因此薄壁钢管混凝土结构在处理自身缺陷方面的技术还有待进一步提升。薄壁钢管混凝土结构在应用过程中可以延长混凝土在管内长期受压所引起的裂开，混凝土纵向裂开被减缓，也延长了薄壁钢管的稳定性能，从而提升了薄壁钢管混凝土结构的支撑能力。与一般厚壁钢管相比，薄壁钢管混凝土的利用更加节省成本、节约材料，同时又能增加薄壁钢管混凝土结构的抗火能力。

四、总结

综上所述，钢管混凝土凭借自身最具优势的抗压能力好、支撑能力强、抗火耐热、使用便捷、节省材料等已经被广泛应用与越来越多的现代化建筑中来。尽管钢管混凝土的应用研究和技术方面还有待进一步提升，但是依然可以看到钢管混凝土广阔的市场前景和可观的未来发展趋势。相信我国未来的建筑行业及土木工程行业将会在钢管混凝土技术应用的保驾护航下成功建造出更多高端的、完美的现代化建筑成果。

参考文献

[1]周俐俐,张志强.钢管混凝土结构的现存问题和应用前景[J].西南工学院学报,2002(2).

[2]付小超,李艳,罗利伟.新型钢管混凝土结构的特点及运用[J].山西建筑,2008(22).

[3]郭远宏,李芳.浅谈钢管混凝土结构的特点和应用[J].山西建筑, 2010(17).

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【关键词】钢结构；应用；前景

钢结构至今已有一百多年的历史了。早在1885年，美国芝加哥的Home Insurance Buildings高层建筑就采用了钢结构的形式，20世纪60年代，美国相继设计和建成了4幢80―100层的超高层钢结构大厦，到21世纪的初期，美国的钢框架住宅在整个住宅占有比重达50%以上。荷兰、丹麦、法国以及芬兰等国家，钢结构住宅也愈演愈烈，已经形成一套产业化的体系。而在我国，随着城市化进程地快速推进，住宅逐渐走向产业化和商品化，钢结构相对来说非常适用于现代建筑。鼓励发展钢结构住宅，是我国建筑产业发展的必由之路。

1 钢结构的优点

1.1 从材料上看，强度高，质地均匀，力学性能好

建筑钢材是以铁为主要元素，含碳量为0.02%-2.06%，并含有其他元素的合金材料。和混凝土等其它结构材料相比，其具有许多显著的优势。首先，钢材的强度高、自重轻，使其适用于跨度大或荷载很大的构件和结构；其次，其塑性和韧性良好，能承受冲击作用，并使应力重分布，增加耗能，使这些结构对动力荷载的适应性较强，不会轻易因超载而突然断裂。最后，钢材内部组织接近于匀质和各向同性，在一定的应力幅度内钢材的反应几乎是完全弹性的，加之冶炼和轧制过程中材质波动的范围小，提高了结构的安全性，便于节点的受力转换，有助于提供设计施工的精确性。

1.2 从结构上看，有效增加使用面积，抗震性能好。

钢结构截面尺寸小，比起传统结构，可以更好满足建筑上大开间、灵活布局的要求，同时还能达到提高层间净高的效果，有效增加建筑使用面积的3%-6%，如上海新锦江饭店44层就是全钢结构，但其占用面积为3.2%。钢结构本身具有重量轻的特点，自身承受地震的力量相对较小。在地震发生时，地震力效应相应也小，同时良好的延性也能对地震效应起到缓冲作用。

1.3 从施工上看，周期短，装配方便

现浇混凝土在施工要求连续，在冬季施工时还会受到气温等因素的影响，而钢结构在施工上具有很强的优势，首先其构件加工是不受环境条件影响的，并可同时在多个加工厂制作加工，现场安装也较为方便，还省去了混凝土支模、养护等工序，加快了施工速度，有效缩短工期，从而达到降低成本的目的，提高了经济效益。其次钢结构对施工现场进行作业的量相对较小，施工方面的临时用地也相应较小，减少了对周围环境的污染。第三，随着计算机结构化的分析设计软件快速发展，钢结构可以将设计和生产结合在一起。设计人员完成设计后，生产线就可将产品完成制作，并将隔热、节能、门窗、防水等成套综合使用，提高了住宅的产业化水平。

2 钢结构的应用

由于结构设计理论和计算技术的进步，钢材性能的提高、连接技术的发展以及多功能建筑的需求，钢结构更加体现出其卓越的优越性，再加上现代住宅逐渐走向了产业化和商品化，钢结构的应用越来越广泛。尤其在高层建筑中，钢结构体系已远领先于其他结构体系。据统计，世界上最高11幢建筑中，采用钢结构的占45%，采用钢-混凝土混合结构的占18%，采用钢混凝土组合结构的占11%，采用钢筋混凝土结构的占26%。

2.1 钢材的生产为钢结构建筑的发展创造了非常好的物质基础

随着国民经济的发展，老钢厂淘汰更新，新钢厂不断崛起，为了适应市场的需要，越来越多的钢铁基地生产的成品钢材品种越来越齐全，热轧H型钢、彩色钢板、冷弯型钢的生产能力大大提高，新型、高性能产品的研发，为钢结构发展创造了重要的条件。耐火、耐候钢、超薄热轧H型钢等一批新型钢已开始在工程中应用，为钢结构进一步发展创造了条件。当前钢结构在我国的合理应用范围大致有如下几个方面：（1）大跨度结构：用于大会堂、体育馆、展览馆、影剧院、飞机库、汽车库等。采用的结构体系主要有框架结构、拱架结构、网架结构、悬索结构和预应力钢结构。（2）单层轻钢厂房及仓库：这些厂房车间的主要承重骨架往往全部或部分采用钢结构。（3）高层建筑：用于旅馆、饭店、公寓、办公楼等高层楼房。（4）板壳结构：冶金、石油、化工企业中大量采用钢板造成的容器，如大型储液库、煤气库、高炉、热风炉等。

2.2 标志性钢结构建筑快速崛起，应用范围迅速扩展

随着城市建设的发展和高层建筑的增多，钢结构住宅作为一种绿色环保建筑，已被建设部列为重点推广项目，我国各地也分别建起了钢结构的标志性建筑，如世界第三高度 420米的上海金茂大厦，具有国际领先水平、高度279米的深圳赛格大厦，跨度1490米的润扬长江大桥以及鸟巢国家体育中心等等许多采用钢结构建筑体系的重要工程，这标志着建筑钢结构正向高层重型和空间大跨度、公共建筑钢结构方向发展。

3 钢结构的发展前景

钢结构虽然在我国有了较大的发展以及应用，但总体上讲仍处于一个发展的阶段。如果按照发达国家的最低水平估算的话，在用钢量方面我国至少有3600万吨的发展空间。值得一提的是，目前我国钢结构的研究已进入一个崭新的阶段，相关规范和标准也已出台，这就为钢结构住宅的发展提供了良好的物质基础和技术保障。据悉国家再今后将大力发展钢结构建筑，力争每年建筑结构用钢达到全国钢材总产量3%以上；到2015年，建筑用钢占钢材总产量6%以上，因此钢结构建筑前景十分广阔。在未来钢结构的发展应关注三大领域 ：海洋石油工程装备、钢结构住宅、钢结构桥梁。海洋石油的产量在2015年要达到1亿吨，海洋工程装备企业的要为深海的开采提供装备；钢结构住宅必须要符合绿色环保、节能减排等政策，钢结构工业化、标准化的住宅产品将具有无限广阔的市场空间。

4 结论

“钢结构是环保建筑，钢结构符合可持续发展概念”――21世纪钢结构将占领广阔的建筑市场。展望未来，随着经济建设的蓬勃发展和交流的进一步扩大，要建造更多的高层建筑、桥梁和大型公共场所，同时新型的智能化小区等建筑物的需求也十分旺盛，钢结构产业兴旺发展的新局面就在眼前。

【参考文献】

[1]郭永青.钢结构在土木工程中的应用[J].中国新技术新产品.2013.NO.01.

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（江苏建筑职业技术学院，徐州 221116）

摘要： 针对建筑工程特点，提出了基于RBF神经网络的建筑工程投标报价方法，建立建筑工程投标报价标高率数学模型。应用MATLAB计算软件，以实例验证了该模型的正确性及实用性。

关键词 ： RBF神经网络；标高率；报价

中图分类号：TU723.3 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2015）26-0049-03

作者简介：陈红杰（1986-），女，河南睢县人，助教，硕士，研究方向为工程造价、市政工程；李高锋（1987-），男，河南杞县人，助教，硕士，研究方向为项目管理、工程造价。

0 引言

神经网络在建设工程领域应用越来越广泛，BP神经网络会出现局部最小化问题和“过拟合”现象，径向基函数（radial basis function，RBF）神经网络的逼近能力、分类能力、学习速度等方面都优于BP网络。所以，文章将径向基函数神经网络用于标高率决策模型的建立，较BP神经网络有一定的进步与提升。

1 径向基函数神经网络原理

1.1 径向基函数神经网络基本结构

径向基函数神经网络是径向基函数（radial basis function，RBF）与人工神经网络相结合形成的一种局部逼近网络，可以任意精度逼近任意连续函数。

RBF神经网络一般为三层结构，如图1，包含输入层、隐含层和输出层，每层都有其特定作用。

1.2 径向基函数神经网络训练过程

具体训练过程如图2。

1.3 径向基函数神经网络的实现

径向基函数神经网络一般采用MATLAB软件中的神经网络工具箱对其进行模拟。MATLAB软件的神经网络工具箱为RBF神经网络提供了很多工具箱函数，通过合理调用函数，能设计出符合要求的RBF神经网络。

RBF神经网络一般采用newrb函数作为设计函数，在创建过程中newrb函数可以特定方式完成权值和阈值的选取和修正。文章采用newrb函数创建径向基函数神经网络，训练过程如下：

①输入样本数据（不包括测试数据），建立newrb神经网络；

②找出均方差最大的一个样本数据；

③依据均方差最大的样本，网络自动增加一个径向基神经元，其权值等于该样本输入向量的转置；阈值b=[-log（0.5）]1/2/spread，spread为径向基函数的扩展系数，默认值为1.0；

④以输入样本数据和输入层及隐含层之间的权值的点积为径向基神经元输出，此点积作为线性网络层神经元的输入，重新设计线性网络层，使均方差最小；

⑤当均方误差未达到规定的误差性能指标，且神经元数目未达到规定的上限值时，重复以上步骤，直到满足上述任一条件为止。

newrb函数设计径向基函数神经网络的格式：

net1=newrb

[net1,tr]=newrb(P,T,goal,spread,MN,DF)

其中：

net1：更新了权值和阈值的神经网络；

tr：训练记录；

P：训练样本输入；

T：目标输出；

goal：径向基网络输出的总平均误差方差；

MN：最大神经数目；

DF：增加的神经元数目。

对神经网络仿真采用sim函数，格式如下：

Y=sim(net1,P_test)

其中：

P_test为网络的测试样本。

2 标高率模型的建立

标高金概念国外应用较早，包括报价中除直接成本以外的开办费、管理费、利润和不可预见费等。考虑到我国的实际情况，文章将标高金定义为投标企业的盈利部分，包括利润和不可预见费（风险费用）。

标高率决策模型仅用于确定标高金，工程成本部分采用其他方法确定。标高金的数额一般与工程规模相关，而采用标高率可以避免这一影响。基于此，文章应用径向基函数神经网络建立标高率预测模型，报价中的工程成本部分可以利用现有的工程定额系统和工程计价软件如广联达和神机妙算等来进行快速、准确的估算。

2.1 标高率影响因素分析

考虑到我国建设市场的特点及现状，文章从以下五个方面考虑标高率的影响因素，包括：项目因素，项目所在地社会因素，业主因素，承包商自身因素，竞争对手因素。项目因素包括工程复杂性、工程规模、合同条件、工期要求和质量要求五项因素；社会因素包括材料设备人员可得性、基础设施、政策环境和市场前景四项因素；业主因素包括管理能力、业主信誉、资金力量、招标规范性四项因素；自身因素包括类似工程经验、施工能力、任务饱满度三项因素；对手因素包括竞争对手数量、相对优势两项因素。

2.2 模型指标体系的建立

界定上述18项影响因素取值范围，如表1所示。以这18项影响因素作为输入变量，以标高率（%）作为唯一输出变量Y，构成模型的变量体系。

2.3 RBF神经网络构建

文章设计的径向基函数神经网络模型共有三层：输入层、隐含层和输出层。其中，输入层有18个神经元，与输入变量（X1，X2，…，X18）相对应。隐含层神经元个数文章设定上限为30个。输出层有唯一神经元，即标高率。通过该模型建立一个由（X1，X2，…X18）到Y的映射结构。

3 实例分析

文章选取某一建筑工程承包公司的26个以往中标项目的报价实例作为原始数据用于模型训练，其中X1—X18代表影响因素的取值，Y代表实际标高率。样本数据X2（建筑面积）和X17（竞争对手数量）进行归一化处理，计算公式为Xl=（Xl-Xmin）/（Xmax-Xmin），其变量取值如表2所示。

利用MATLAB7.8软件实现编程，建立投标报价RBF神经网络模型，前22个项目数据作为训练集，后四个项目作为测试集，利用newrb函数对网络进行创建和训练，即：

[net1,tr]=newrb(P,T,goal,spread,MN,DF)

令：

Goal=0.001

MN=30

DF=1

spread=0.991

所建立的径向基函数模型结构如表3所示。

经过模型训练，得出网络的训练误差曲线为图3。由图可知，经过20次训练后，模型输出结果的误差达到10-3，具有很高的精确度。测试集网络测试结果与实际评估结果比较如表4，平均误差为0.0153，满足工程实际需要。可见，径向基函数神经网络在标高率报价预测方面，具有很好的应用价值。

4 结语

文章分析了对投标报价决策有重要影响的众多因素，参考国内外的研究成果，确定了影响标高率的18个主要因素，与实际标高率一起组成标高率预测模型的指标体系。选取投标报价实例数据作为样本对模型进行训练和检验，通过MATLAB软件neural network toolbox，建立了用于投标报价标高率预测的径向基函数神经网络模型，文章通过实证研究，取得了良好的效果。

参考文献：

[1]任宏．神经网络在工程造价和主要工程量快速估算中的应用研究[J]．土木工程学报，2005（8）：135-138.

[2]乔姗姗．基于遗传算法优化的BP神经网络在建筑工程投标报价中应用的研究[D]．扬州：扬州大学，2012.

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关键词:光纤传感器应用

光纤传输和传感是光纤技术中两个重要领域。目前光纤传输(光通信)技术发展迅猛,应用广泛;光纤传感技术也日益显示出其巨大应用潜力.光纤传感器由于具有抗电磁干扰能力强、灵敏度高、电绝缘性好、安全可靠、耐腐蚀、可构成光纤传感网等诸多优点,因而在工业、农业、生物医疗、国防等各领域均有广阔应用前景,它将对传统的检测技术和仪器仪表等行业注入新的血液.光纤传感对检测技术和仪器仪表等行业的促进作用主要有:一是传统产品现代化,即利用先进的光纤传感和光电子技术改造传统的产品,使其具有更先进的性能;二是提供更新换代的产品,以更好地满足现场使用的高要求;三是形成新的技术分支。因此它对科学技术、工农业生产和国防建设的发展,必将产生巨大的促进作用。

一、光纤传感器简介

光纤声传感器就是一种利用光纤自身的传感器。当光纤受到一点很微小的外力作用时,就会产生微弯曲,而其传光能力发生很大的变化。声音是一种机械波,它对光纤的作用就是使光纤受力并产生弯曲,通过弯曲就能够得到声音的强弱。光纤陀螺也是光纤自身传感器的一种,与激光陀螺相比,光纤陀螺灵敏度高,体积小,成本低,可以用机、舰船、导弹等的高性能惯性导航系统。如图就是光纤传感器涡轮流量计的原理。

光纤传感器可以分为两大类: 一类是功能型(传感型)传感器; 另一类是非功能型(传光型)传感器。

1、功能型传感器是利用光纤本身的特性把光纤作为敏感元件, 被测量对光纤内传输的光进行调制, 使传输的光的强度、相位、频率或偏振态等特性发生变化, 再通过对被调制过的信号进行解调, 从而得出被测信号。光纤在其中不仅是导光媒质,而且也是敏感元件,光在光纤内受被测量调制,多采用多模光纤。

2、非功能型传感器是利用其它敏感元件感受被测量的变化, 光纤仅作为信息的传输介质,常采用单模光纤。光纤在其中仅起导光作用,光照在光纤型敏感元件上受被测量调制。

光纤传感器的基本工作原理:是将来自光源的光经过光纤送入调制器,使待测参数与进入调制区的光相互作用后,导致光的光学性质(如光的强度、波长、频率、相位、偏正态等)发生变化,称为被调制的信号光,在经过光纤送入光探测器,经解调后,获得被测参数。

光纤传感器优点:灵敏度较高;几何形状具有多方面的适应性,可以制成任意形状的光纤传感器;可以制造传感各种不同物理信息(声、磁、温度、旋转等)的器件;可以用于高压、电气噪声、高温、腐蚀、或其它的恶劣环境;而且具有与光纤遥测技术的内在相容性。

光纤传感器应用:磁、声、压力、温度、加速度、陀螺、位移、液面、转矩、光声、电流和应变等物理量的测量。

二、光纤传感器的应用

光纤传感器的应用范围很广,几乎涉及国民经济的所有重要领域和人们的日常生活,尤其可以安全有效地在恶劣环境中使用,解决了许多行业多年来一直存在的技术难题,具有很大的市场需求。主要表现在以下几个方面:

(l)城市建设中桥梁、大坝、油田等的干涉陀螺仪和光栅压力传感器的应用。在混凝土中嵌人光纤传感器或加强性光纤凝结物;在飞机场用干涉型光纤震动传感器系统监测交通。

(2)在电力系统,需要测定温度、电流等参数,如对高压变压器和大型电机的定子、转子内的温度检测等,由于电类传感器易受强电磁场的干扰,无法在这些场合中使用,只能用光纤传感器。

(3)在石油化工系统、矿井、大型电厂等,需要检测氧气、碳氢化合物、CO等气体,采用电类传感器不但达不到要求的精度,更严重的是会引起安全事故。因此,研究和开发高性能的光纤气敏传感器,可以安全有效地实现上述检测。

(4)在环境监测、临床医学检测、食品安全检测等方面,由于其环境复杂,影响因素多,使用其它传感器达不到所需要的精度,并且易受外界因素的干扰,采用光纤传感器可以具有很强的抗干扰能力和较高的精度,可实现对上述各领域的生物量的快速、方便、准确地检测。目前,我国水源的污染情况严重,临床检验、食品安全检测手段比较落后,光纤传感器在这些领域具有极好的市场前景。(5)医学及生物传感器。医学临床应用光纤辐射剂量计、呼吸系统气流传感系统;圆锥形微型FOS测量氧气浓度及其他生物参数;用FOS探测氢氧化物及其他化学污染物;光纤表面细胞质粒基因组共振生物传感器;生物适应FOS系统应用于海水监测、生化技术、医药。

三、光纤传感器的发展展望

光纤传感技术经过20余年的发展也已获得长足的进步,出现了很多实用性的产品,然而实际的需要是各种各样的,光纤传感技术的现状仍然远远不能满足实际需要,还有许多有待研究的课题:①传感器的实用化研究。提高传感系统,尤其是传感器的性价比;②传感器的应用研究。在现有的科研成果基础上,大力开展应用研究和应用成果宣传;③新传感机理的研究,开拓新型光纤传感器;④传感器用特殊光纤材料和器件的研究。例如:增敏和去敏光纤、荧光光纤、电极化光纤的研究等。这些将是以后传感器进一步发展的趋势。

光纤传感器作为一种优势明显的新型传感器不但在高、精、尖领域得到应用,而且在传统的工业领域被迅速推广;其本身产品也不断推层出新显示出强大的生命力.可以预见随着制作技术的日益成熟和器件性能的不断提高,不久的将来光纤传感器必将在海洋、化工、土木工程、水利电力等各个领域显示其应用活力.

参考文献:

[1]Davis C M .光纤传感器技术手册[M].北京:电子工业出版社,1987.

[2]张志鹏、Gambling W A .光纤传感器原理[M].北京:中国计量出版社,1991.

篇6

关键词：钢渣；二氧化碳；低碳建筑材料；比表面积；强度

0前言

我国每年排放大量的富含硅、铝、钙、镁等元素工业废渣，如煤矸石、电石渣、钢渣、矿渣等，其中只有矿渣得到了较好的利用，钢渣的利用率约20%[1]。这些废渣富含CaO和MgO的废渣对CO2具有良好的吸收固定作用，是制备新型低碳建筑制品良好的原材料[2-5]。因CO2和工业废渣的排放量巨大，所以任何一项减排技术首先要具备规模化的减排潜力[6-7]。与这些排放量相匹配的领域，惟有建筑材料，即只有建筑材料领域可以有效地消纳它们。我国建筑业规模十分巨大，2015年水泥和混凝土用量分别达到约25亿t和45亿m3。因此，若可在建筑材料制备过程中实现固碳，同时得到一种新型建筑材料以替代部分硅酸盐水泥基制品，则将具有非常巨大的减排潜力和广阔的市场前景，也将为水泥工业、混凝土和土木工程行业的可持续发展，以及CO2和废渣的有效利用与资源化开创一条新的技术途径。本论文的基本研究构思就是利用钢渣和CO2来制备一种新型的低碳建筑材料，同时实现化学固碳。

1试验方案

1.1原材料

（1）钢渣：宝钢不锈钢滚筒尾渣，经干态初级磁选除铁处理，其密度为3081kg/m3，（2）砂：为河砂，经过烘干、过2.5mm圆孔筛制得，其细度模数为2.3。（3）CO2：高纯度二氧化碳，装在高压钢瓶中。（4）改性剂：钙质材料与表面活性剂的复合粉。

1.2配合比

低碳建筑材料是由钢渣粉、砂和水配制而成，其中钢渣粉为胶结材，改性剂掺量为1%，集料为河砂。材料配合比设计时，固定水胶比为0.5；砂胶比为2.0。

1.3试件的成型与养护

（1）试件成型。普通试件和轻质试件的成型制备方法按照GB/T17671―1999《水泥胶砂强度试验方法》的要求。对于普通试件，经常规搅拌后就可直接浇注成型；对轻质试件，经常规搅拌后，加入制备好的泡沫，并慢搅至均匀后浇注成型。试件的尺寸为40mm×40mm×160mm。（2）养护条件。普通试件在湿度相对（60±5）%，温度相对（20±5）℃的环境中自然养护3d后脱模。每个配比试件分为两组，一组放入碳化设备中进行碳化养护，经完全碳化后得到低碳建筑材料试样（LBM）；另一批放入湿度相对（95±5）%，温度相对（20±2）℃的标准养护室中养护，其养护时间与碳化养护时间相同，作为对比试样。

1.4试验方法

（1）粉体制备方法。钢渣粉采用实验室标准小球磨机ɸ500mm×500mm进行粉磨制备，其研磨体的平均球径为44.2mm，球锻比例1.4，装载量101kg。原始钢渣每次加料5kg，粉磨时间为10~40min，每隔10min测定一次比表面积，其值控制在450m2/kg之内。（2）材料性能指标测试方法。原始钢渣的粒径分布按JGJ/52―2006《普通混凝土用砂质量及检验方法标准》砂筛析试验方法进行测定；钢渣粉体的比表面积按GB/T8074―2008《水泥比表面积测定方法》进行测定。砂浆的流动度按照GB/T2419―2005《水胶砂流动度测定方法》规定的方法测定；按照JGJ/T70―2009《砂浆试验方法》规定的方法测定新拌砂浆的密度；按照GB/T50082―2009《普通混凝土长期性和面抗性能试验方法标准》规定的方法测定试样的碳化深度；按照GB/T17671―1999规定的方法测定试样的强度。

2试验结果与讨论

2.1钢渣的理化特性

（1）化学组成。由表1可知，钢渣的碱性系数和质量系数分别为2.07和2.30，为碱性渣。更重要的是钢渣中CaO与MgO的含量较高，表明它们对CO2具有较大的、潜在的吸收固定作用，是制备LBM良好的原材料。（2）颗粒级配。对未经粉磨加工的钢渣，须通过筛分析试验测试其颗粒级配与分布，结果见表2。结果表明，原始钢渣中细粉含量较多，＜0.16mm细粉比例高达74.5%，细度模数为1.90。

2.2钢渣的粉磨特性

钢渣的比表面积与活性密切相关。其比表面积越大，化学反应活性越高，但粉磨能耗越高。本试验利用球磨机对钢渣进行粉磨处理，粉磨前把＞5mm粗颗粒筛除。粉磨时间对钢渣比表面积的影响见图1和表3，其中粉磨时间0是指未经粉磨处理，但过0.16mm筛的细粉。图1和表3的结果表明，随着粉磨时间的延长，钢渣的比表面积逐渐增大，但比表面积的增长速率或者说其粉磨效率逐渐降低。这是因为采用球磨机进行粉磨时，粉磨产生的细粉会干扰研磨体对更粗颗粒的粉磨，起到缓冲的作用。此外，当粉体细度超过一定值后，还会产生团聚现象。因此，为了提高粉磨效率和降低粉磨能耗，建议采用立磨制备钢渣微粉。

2.3流动度

钢渣比表面积对砂浆流动性的影响见表3和图2，结果表明，随着钢渣比表面积的提高，砂浆的流动度逐渐增大。该结果与水泥基材料不同，其原因可能与砂浆体系的颗粒级配有关，有待进一步分析.

2.4碳化养护时间

钢渣比表面积对砂浆碳化性能的影响见表3。结果表明，随着钢渣比表面积的增大，砂浆的碳化养护时间（完全碳化所需时间）增加。这主要是因为随着比表面积的增大，钢渣的活性提高，水化反应生成的Ca(OH)2等碱性物质增多，并且流动度增大有利于砂浆密实度的提高，都会导致碳化养护时间的延长。

2.5强度

钢渣比表面积对砂浆强度的影响见表3和图3。结果表明，对比试样的强度基本在1MPa以下，因其值太低，就不做特别的分析讨论。随着钢渣比表面积的增加，LBM试样的抗折强度和抗压强度均明显增加，但是当钢渣比表面积超过350m2/kg后，其强度增长速率明显变小；LBM试样的强度比对比试样有了显著的提升。例如，在160~350m2/kg范围内，钢渣比表面积每增加50m2/kg后，LBM试样的抗压强度就可增加4.51MPa，但比表面积＞350m2/kg后，钢渣比表面积每增加50m2/kg仅可使LBM试样的抗压强度增加0.58MPa；当钢渣比表面积为352m2/kg时，LBM试样的抗压强度和抗折强度可分别达约26MPa和6.3MPa，较对比试样强度分别增加约35倍和30倍。这主要是因为钢渣中Ca(OH)2、Mg(OH)2、CSH等水化产物在碳化养护过程中，将与CO2充分反应生成碳酸盐矿物，使砂浆结构更加致密，强度得以提升；当钢渣比表面积刚开始增大时，其活性越大，与水反应生成的碱性水化产物越多，但当比表面积超过一定值后，其水化产物增加量就很小了。综上所述，当比表面积＜350m2/kg时，钢渣的粉磨效率和其制备的LBM试样强度增加速率明显高于比表面积＞350m2/kg的钢渣。由于钢渣比表面积越大，其粉磨能耗越高，因此应选择比表面积约350m2/kg的钢渣作为制备LBM的主要胶结材。

3结论

篇7

关键词：煤矸石 制备工艺 透水混凝土 生态效益 应用价值

中图分类号：S891 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）04（a）-0000-00

基金项目：江苏省教育厅大学生创新创业训练计划项目（20141998056Y）；徐州工程学院大学生创新训练计划项目（XCX2014056）；江苏大学与徐州工程学院联合培养研究生课题项目资助基金。

作者简介：丁权福（1994―），男，汉，徐州工程学院土木工程学院本科在读，主要从事工程结构与材料方向研究。

引言：

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坚硬岩石。煤矸石曾一度被弃置不用，造成大范围污染。随着科技的发展，煤矸石的综合利用成为研究热点。以煤矸石为粗骨料的透水混凝土提高了煤矸石的利用度，有效改善了煤矸石废弃产生的污染。其在补充城市地下水、有效缓解地表下沉以及提高城市防洪能力；缓解城市热岛效应、降低噪声污染、改善出行环境等有诸多生态效益。

1 煤矸石生态透水混凝土特点

文章探讨的透水混凝土粗骨料来源主要是煤矸石烧结砖厂制备煤矸石烧结砖无法破碎到5mm以下的煤矸石，这部分煤矸石结构均匀，致密度高，是制备透水混凝土的良好骨料。实验测得当采用的煤矸石透水混凝土水灰比（W/C）为0.35，骨料粒径取5―10mm，骨胶比（G/C）为4.5水平时，骨料采取单粒径级配，28天煤矸石透水混凝土强度能够达到34.7Mpa，透水系数为0.49cm/s。在同等强度的条件下，由于煤矸石透水混凝土粗骨料比较坚硬、胶结材强度明显高于普通混凝土等导致其磨损速度较慢，耐磨性优于普通混凝土，满足抗压强度的同时也兼顾了透水性，说明利用煤矸石代替天然骨料制备透水混凝土是可行的。

2.煤矸石生态透水混凝土工程应用的生态效益及价值分析

2.1改进透水混凝土制备工艺，提高煤矸石综合利用度，减少煤矸石产生的污染

目前为止，由于技术不完善，地区发展不平衡，煤矸石还没有得到充分利用，煤矸石对环境的影响还很严重。以徐州为例，作为煤炭开采和加工的老工业基地，在开采煤炭资源和洗煤过程中产生的煤矸石大量堆积得不到充分利用严重污染当地环境的问题尤为突出。目前国内对煤矸石的综合利用主要是局限在回收煤炭和黄铁矿、用作发电燃料、道路矿井的充填以及制造煤矸石烧结砖等。相较于美国、英国和德国等西方国家煤矸石总利用率达到90%以上，我国煤矸石的利用率只有30%。对不经磨碎和直接煅烧的煤矸石的系统研究较少。制作煤矸石透水混凝土粗骨料主要是对煤矸石烧结砖厂对煤矸石粉碎机破坏较大的，不能破碎至5mm以下的煤矸石进行加工再次回收利用，提高了煤矸石综合利用度。由于取自煤矸石烧结砖厂的煤矸石颗粒在破碎过程中，产生许多微细粉末，包裹在破碎后的碎块上。这种粉末成分复杂，主要包括碳粉、砂灰、粉尘以及其他杂物，在混凝土的凝结过程中影响水泥与骨料的结合界面。另外，这些粉尘以细骨料形式进入透水混凝土，严重影响透水混凝土的透水性能。可对制备工艺进行改善，用水冲洗煤矸石骨料，得到较为纯净的煤矸石颗粒作为制备透水混凝土的材料，对冲洗的废水进行沉淀、澄清处理后，回收的渣泥又可以成为烧结砖的良好原料，水可以作为烧结砖的用水，最大程度提高了对煤矸石的利用[1]。

2.2煤矸石透水混凝土工程应用的生态效益及价值分析

目前透水混凝土的原材料特别是砂石料的选择仍然以沙石为主，随着我国生态混凝土的推广应用，沙石的需求量越来越大，需要大量开山采石以及淘沙，严重破坏了生态环境。徐州过去开采煤炭和洗煤使得徐州煤矿区煤矸石大量堆积，煤矸石资源丰富。在徐州建设工程推广应用煤矸石生态透水混凝土，在解决煤矸石堆积产生的污染同时，也减少了对开山采石的作业量，有效保护了生态环境。徐州是我们国家严重缺水的40个城市之一，加之过去的严重开采煤炭资源和水资源使得徐州地区地表下沉尤为突出。徐州九里湖就是因为过度开采煤炭资源而导致地表下沉形成的自然湖的典型案例。煤矸石生态透水混凝土路面可以强化城市排水能力，吸收补充地下水缓解徐州地表下沉，当降雨集中时形成天然城市排水管网系统，从而减轻过度的降水量给工农业生产及人民生活造成的危害。将煤矸石生态透水混凝土应用于小区人行道、停车场、广场道路，其能够将入射到透水混凝土内部的声波转化为内能和热能消耗掉，从而达到降噪效果。根据地区特点，利用煤矸石透水混凝土产生的生态效益是巨大的。

以徐州新城区工程总量为12000O的某市民广场建设为例，广场透水混凝土路面采用30mm厚粒径为5mm的C30露骨料煤矸石生态透水混凝土面层和100mm厚粒径为10mm的C25煤矸石生态透水混凝土底层构成。广场人行道采用煤矸石透水烧结砖。透水砖取自徐州某新型建材有限公司年产6000万标块的煤矸石烧结砖，透水混凝土骨料采用该公司利用制造煤矸石烧结砖无法破碎至5mm以下的清洗过后的坚硬煤矸石，透水混凝土采取现场加工制备。由于透水混凝土骨料是来自本地煤矸石烧结砖厂回收利用的煤矸石，骨料运输和加工成本较天然沙石较低，具有一定的经济价值。建成后的广场由于采用透水铺装，相当于一个隐形的蓄水池。即使达到中到大的降水量，广场能够迅速吸收降水，不会造成地表大的径流，减轻了广场的排水系统的压力。利用煤矸石透水混凝土大量连通的细密孔隙，这些细密孔隙可以使水、空气自由渗透进入土壤，水气、光热和营养物质在路面和土壤之间的交换可以提供动植物一个良好的生长及生存环境[2]。这使得广场绿化减少了人工养护成本。广场的透水铺装有效地吸收了城市交通产生的噪声，给市民创造了舒适安静的环境。

3.煤矸石透水混凝土应用前景分析

由于作为路面材料的透水混凝土要满足强度、透水性、耐磨性、施工性能及景观性能等诸多要求，国内研究的透水混凝土一般还只能应用在轻载路面上，相较于普通混凝土应用范围不广泛。我国对透水混凝土基本理论研究方面还缺乏系统性，较日本实现了透水混凝土的工业化生产和全机械化施工，我国还是以人工和小型机械为主。煤矸石生态透水混凝土从制备工艺和施工工艺等方面研究突破透水混凝土技术瓶颈，不仅在抗压强度上满足一般轻载路面要求，而且煤矸石是亲水材料更加有利于涵养水分，其透水性、耐磨性良好，是一种新型透水混凝土。加以进一步研究改进煤矸石透水混凝土，必定将会在交通工程上发挥着更加重要的作用。

目前透水混凝土主要应用在公园道路、休闲广场、人行道、停车场等市政轻载路面及护岸护坡等水利工程上，技术较为先进的国家也尝试在高速公路的路肩使用透水混凝土。近年来提倡城市建设应结合生态建设加之透水混凝土的技术渐于成熟，北京奥运工程、上海世博园工程、西安大明宫工程、南京仙林大学城的透水路面等工程的应用为透水混凝土的应用提供了成功案例。随着对施工技术、试验检测方法、机理研究和标准制定的步伐加快，而且与雨水利用、水质净化、景观和环境绿化技术等集成的成套化技术已经逐渐形成，透水混凝土显示出广阔的市场空间。很多高校、科研院所研究机构都投入透水混凝土这样环保建材研究队伍当中，“十二五”期间我国投入近万亿元用于绿色环保建筑发展，拉动包括环保建材行业在内的一系列行业发展，透水混凝土作为绿色环保建材其市场规模十分乐观，而煤矸石生态透水混凝土作为新型透水混凝土建材必将在未来城市建设发展当中起到举足轻重的作用。

4 结语

用煤矸石作为粗骨料制备的透水混凝土其性能满足一般透水混凝土路面的要求。制备工艺的改进提高了煤矸石的综合利用，有效改善了煤矸石产生的环境污染。其多孔的物理性质能够让城市“自由呼吸”，产生一定的生态效益，具有广阔的应用价值。

参考文献

[1] 曹露春，张志军.煤矸石生态混凝土透水性及抗压强度研究[J].福建建材，2013年07期.

[2] 宋中南，石云兴.透水混凝土及其应用技术[M].北京：中国建筑工业出版社.2011.

篇8

关键词：微表处 功能和优点 适用条件 质量控制 效益

1 前 言

随着交通量的日益增长，重载超载严重，交通对于路面的要求越来越高。用聚合物改善沥青的性质，提高路面使用性能，延长路面的使用寿命，已成为国内外沥青路面技术发展的趋势。因此，聚合物改性乳化沥青稀浆封层（微表处）的研究也逐步得到发展和应用。时至今日，微表处已被认为是修复道路车辙及其它多种路面的病害最有效、最经济的手段之一。

2 功能和优点

一、主要功能

1）防水功能：微表处封层透水系数低，渗水系数可达到10ml/min内，在路面形成一个致密防水层，能够有效地阻止雨水渗透到路面下层，防止路面由于水损害而产生破坏。

2）抗滑功能：微表处封层的摩擦系数大，能够很好地提高路面的抗滑功能。在自然气象条件差的天气下，提高高速公路的行车安全性。

3）修复车辙功能：在面层不发生塑性变形的条件下，可修复车辙而无需碾压。微表处可以在不使用铣刨的情况下，填补深达38mm的车辙，而且十分稳定，也不会使面层产生塑性变形。

4）预防养护功能：微表处封层的使用寿命3-5年，由于微表处封层具有防水、抗老化功能，在新修路面上铺设一层微表处，能够有效地延长路面的使用寿命，降低路面综合养护费用。

二、主要优点

1）施工速度快：连续式微表处摊铺机1天之内能摊铺500t微表处混合料，折合为一条10.6Km长的标准车道，施工后1-2h即可通车，适用于大交通量的高等级公路及城市干道。

2）成型快，工期短，可施工季节长，尤其适于交通繁忙的公路、高速公路、街道和机场道路的维修和养护。

3）施工方便、施工人员少。施工速度快、交通开放时间快，加上施工人员少，可以在不影响交通畅通的情况下进行路面的维修养护工作，特别适合于高速公路的快速维修和养护。

4）常温条件下作业，降低能耗，不释放有毒物质，符合环保要求。

5）因为微表处封层很薄，所以在城市主干道和立交桥上应用不会影响排水并且桥面也不会增加多少重量。

6）降低道路维修养护费用。由于微表处的预养护功能，在路面的寿命期内摊铺3-4次微表处封层，能够提高路面的使用寿命，降低道路特别是高速公路寿命期内的道路维修养护费用。

7）可提高路面的构造深度和摩擦系数，从而提供良好的防滑能力；

广东省高速公路经过多年的通车运营，或多或少出现不同程度的病害，且广东的气候特点是雨水多、气温高，带来对高速公路路面的破坏主要表现为车辙、坑槽、裂缝等。因此，广东省的高速公路对于密水性、抗车辙要求尤为重要，而微表处施工技术很好地改善这一点缺陷。

3 适用条件

1）原路面结构强度必须满足要求。在路面还没有或即将发生病害时用这种工艺较好，对于路基变形较大、已大面积严重损坏的路面则不宜使用。

2）原路面存在的裂缝、坑槽、龟裂、网裂等病害必须事先进行修补、灌缝处理。如果微表处施工前路面的病害未得到彻底的治理，那么这些病害将很快地反射到微表处表面，造成新的路面病害。

3）原路面湿度较大情况下不能实施微表处工程。因微表处具有封水效果，会将面层的水分封住，在车辆荷载作用下，会加速路面的破损。

4 质量控制

一、混合料稠度的控制

良好的微表处摊铺要求混合料具有合适的稠度。较为理想的混合料含水量，一般应是干骨料重量的6%～11%。当含水量低于6%时，混合料太稠，不便于摊铺均匀，与原路面的粘结也不会牢固；当含水量高于11%时，混合料太稀，会造成跑浆，不利于保证纵向接缝的顺直性，同时会使细集料上浮，粗集料下沉，而造成离析，对微表处的路用性能不利。因此慎重地控制用水量是保证微表处混合料质量的关键。一般控制含水量在9%左右，并根据骨料与拌和等具体情况适当调整。微表处混合料的可拌和时间只有2min左右，无法像普通稀浆封层材料一样进行稠度试验，故只能依靠经验来判断其稠度是否合适。刚摊铺的微表处混合料如有跑浆迹象，说明混合料偏稀可适当降低用水量，用细棍划刚摊铺的微表处层，如果集料有松散的迹象，说明混合料偏稠，可适当加大用水量。

二、破乳时间控制

破乳过早常常是造成施工质量问题的重要原因。混合料应该在搅拌和摊铺过程中保持必要的施工稳定性，过早的破乳造成沥青结团，厚薄不均、刮痕、拉伤的不良表面，而且对封层与原路面的粘附力也是很不利的。破乳时间过长会影响成型时间。解决办法应该是通过调节水量、调整配合比或适当加入一些化学添加剂的方法来实现对破乳时间的控制。施工中应尽量采用常温状态的沥青材料和呈弱碱性的混合料。

破乳前的施工效果 成型后的施工效果

5 效益分析

从经济角度分析，微表处市场价为18～22元/㎡，工艺简便，施工设备投入低，具有完善的防水、抗滑、抗磨和延缓进一步破坏的功能；超薄磨耗层价格为50～60元/㎡，施工工艺复杂，设备需要拌和楼、专用摊铺机等，且磨耗层为开级配，空隙率大，防水损害技术难度大，耐久性尚难确定；铣刨热拌罩面的成本更高，技术含量低，与行业中大力提高养护技术含量的趋势相背。从国内其他省市的行业发展趋势来看，当前和今后一段时间，微表处技术将是主导的养护方式。具体比较分析见下表。

基本养护方式比较分析

项目

微表处

超薄磨耗层

洗刨热罩面

现场基本设备

稀浆封层机，

少量运输车

拌和楼，专用摊铺机，大量运输车

拌和楼，摊铺机，

铣刨机，大量运输车

技术难度

低

开级配的性能难以保证

无

路用性能

高抗磨耗、抗滑性能，防水损害，提高平整度。

高抗磨耗、抗滑性能，减少噪声，提高平整度。

抗磨耗、抗滑性能，

防水损害。

不足之处

局部破坏严重地区需复合采用其它养护方式。

防水损害技术难度大，耐久性尚难确定。

铣刨废料需运输，存放；增加费用，浪费旧料。

市场前景

原材料市场成熟，国内设备保有量大，当前和今后一段时间，微表处将是主导的养护方式。

由于设备投入大，技术尚不成熟，短期内很难确定其发展前景。

技术含量低，与行业中大力提高养护科技含量的趋势相背。

正确实施预防性养护措施可保持良好的路面使用性能，延长路面的使用周期，减少道路生命周期费用和节约养护维修资金。根据美国SHRP计划估算，在路面整个生命周期内进行3～4次的微表处等预防性养护可以延长使用寿命7～10年，节约养护费用45%～50%，调查统计得出，每投入1元钱预防性养护资金，可节约4～10元后期矫正性养护资金的结论。

4 结束语

通过在广东省惠河、开阳、新台、阳茂等高速公路路面进行的微表处施工，实践证明微表处具有优良的修复车辙功能，与原路面粘结牢固，没有脱皮现象。微表处作为高速公路预防性养护措施在国内方兴未艾，要把这项技术应用好，发挥它的功能作用，必须从原材料、混合料设计、施工工艺等方面进行有针对性的质量控制，确保微表处施工质量适应高速公路的要求。

参考文献：

[1]交通部公路科学研究院.微表处和稀浆封层技术指南.人民交通出版社.2006 年3月

篇9

1942年德国在V-2火箭上首次应用了惯性导航装置，此后惯性导航技术就成为重要的导航方式之一。冷战时期，紧迫的军事需求极大地推动了惯性导航系统的发展，其定位精度也从1海里 /小时提升到1海里 /24小时左右，并被广泛用机、舰船和火箭的导航与控制。惯性导航系统并不复杂，一般由惯性测量组件、计算机、控制显示器等组成。其中惯性测量组件最为重要，包括加速度计和陀螺仪。其中三个陀螺仪用于测量载体沿三轴的转动运动，确定姿态。三个加速度计用于测量载体3个平动方向（x，y，z）上的加速度。计算机对加速度一次积分得到速度，两次积分得到载体的位置。这便是惯性导航系统定位的原理。由于是对时间积分，因此惯性导航系统的定位误差随时间积累，无法长期进行精确定位。在冷战前期和中期，单纯运用惯导的导弹命中精度较低正是由于这个原因。

为了解决惯导系统无法长期精确定位的缺陷，提升导弹命中精度，美国军方在子午仪卫星定位系统的基础上，研制了基于卫星星座的GPS系统（全球卫星定位系统）。GPS的定位原理和惯导完全不同。

GPS系统的核心是位于互成120度的三个轨道上互成60度的6条轨道上的24颗卫星（每条轨道上有4颗卫星）。这一布署足以确保地球上任何一点均能观测到最少5～8颗卫星。GPS卫星的任务就是不断地发射导航信号。要确定接收机的位置，需要解出三维位置坐标x、y、z和卫星与接收机之间的时间差Δt这四个未知参量。接收机每接收一个卫星发出的信号，就能测出已知位置的卫星到接收机之间的距离，得到一个方程。接收机接收4个以上卫星的信号就能得到足够的方程以解出x、y、z、Δt这4个参量，从而实现定位。接收的卫星信号越多，定位精度越高。由于卫星装备了原子钟，因此，GPS接收机还能提供准确至纳秒级的授时服务。

由于GPS系统的工作原理，其定位精度要比惯导系统（INS）高得多，可达0.1米。而且不存在定位误差随时间积累的问题。所以，GPS系统一经推出就广受欢迎，得到了极为广泛的运用。包括我国在内的世界各国也都研制、部署了自己的卫星导航系统。然而，GPS系统也并非没有缺点。由于需要接收外来信号，GPS系统极易受到干扰，而且在山区等地信号经常丢失。因此，在武器制导上过度依赖GPS是不行的。目前国际上一般采用，卫星导航和惯性导航相结合的方法，高精度的GPS信息可以用来修正惯导随时间积累的误差，而惯导系统则可以在GPS信号受到严重干扰，或接收机故障时，独立地进行导航定位，保障了导航系统的可靠性。美国的“联合防区外空地导弹”（JASSM）和 “联合直接攻击弹药”（JDAM）都采用了GPS/INS复合制导，命中精度从单纯用GPS的15米提升到了10～13米，武器可靠性也大大增加。

虽然GPS和惯性导航系统复合制导的方法可以在平时工作良好。但在战时，这一系统就不可靠了。在反卫星技术日渐发达的今天，敌方可以在很短时间内摧毁GPS卫星星座，使其无法满足全球定位的数量要求，导致GPS失效。同时，干扰GPS信号的手段不断进步，使得有效干扰范围和持续干扰时间大大增加，也令GPS面临着巨大威胁。如果GPS失效，那么GPS惯导复合制导也就毫无意义了。因此，研究更小巧、更精确、抗干扰性更强的导航系统也就势在必行，近年来，世界各国在这一领域取得了突飞猛进的进展，而其采取的技术路线更是五花八门，下面就将一一介绍作为GPS继任者的形形的新一代导航系统。

定位芯片

――DARPA的创意

自21世纪以来，由于干扰GPS信号的技术日益成熟，美国军方一直在寻求GPS系统的替代品。在这方面，美国国防高级研究计划局（DARPA）走在了前面。

美国人将代替GPS的重点放在了研制新一代惯导系统上，力求实现定位精度更高，高精度定位时间更长且小型化、低成本的目标。得益于智能手机的巨大需求，步入21世纪后，微机电技术（MEMS）得到了空前的发展。同时，医用和化学分析用核磁共振设备的发展也使得核磁共振陀螺（NMRG）的技术不断进步。此外，原子钟技术也在逐步成熟，这些都为美国研制新一代惯导系统奠定了技术基础。

2013年6月6日，DARPA跟诺斯罗普・格鲁曼公司签订了价值64.8万美元的合同，要求诺斯罗普・格鲁曼公司在1年内研制出新一代微型惯导系统，其定位精度需至少等于或超过GPS系统。当然，DARPA也将这一项目同时分包给了别的公司，以促进技术路线多样化，防止在一棵树上吊死，据估计，美军新一代微型惯导系统的研发总经费高达1 340万美元。

诺斯罗普・格鲁曼公司选择的方案是利用微机电技术将核磁共振陀螺仪小型化。核磁共振陀螺仪的原理并不复杂。原子核在静磁场里以拉莫频率绕进行自旋进动。一但给核磁共振陀螺仪一个外加角速度，原子核自旋进动的频率就会发生变化，通过测量这个变化量，就可以解出角速度，其精度要比传统的静电陀螺仪高得多。诺格公司通过微机电技术，将整个核磁共振陀螺仪的精密结构刻在硅片上，使整台核磁共振陀螺仪可以被封装在一个芯片中。对于惯导系统的另一部分――加速度计，诺格公司也别出心裁，使用了新型的光学加速度计。通过一系列改进，诺格公司研制的新一代惯导定位精度要比传统的惯导系统高很多，基本上优于GPS的水平，误差积累也比较小。2014年6月，诺斯罗普・格鲁曼公司Ш揭滴癫扛弊懿貌槎斯・沃尔克宣布，新一代惯导系统样机已经建成。目前，诺格公司正在努力实现原理样机的实用化、市场化。

除了诺格公司，2016年4月，DARPA还将研制新一代惯导的合同授予了HPL实验室，合同总价值达430万美元。HPL实验室前身是著名的休斯研究实验室，世界上第一台红宝石激光器就诞生于这里。1997年，HPL实验室成为有限责任公司，为波音公司和通用汽车共同所有，承担传感器和材料、信息和系统科学，电磁学应用和微波电子等领域的研究。HPL实验室不仅为这两家公司负责研发，还承接美国政府和其他企业的研发合同，研发能力极强。新一代惯导的研发在内部被称之为Atlas项目。Atlas项目走的是微机械陀螺仪和原子钟相结合的道路。Atlas项目利用原子钟里稳定、高精度的原子振荡频率来校正微机械陀螺仪的误差，同时还能提供授时服务，和GPS功能完全相同。

美国的这两款新一代惯导系统令人印象深刻的不仅在它们的定位精度堪比GPS，还在于它们的小型化。如此高精度的惯导系统居然只有一个芯片大小，这不能不说是技术的奇迹。从美国研制新一代惯导的过程中，我们可以看出，新一代惯导一定要综合多种前沿学科的成果才能实现。

量子罗盘

――英国人的努力

和财大气粗的美国人不同，英国人在解决如何代替GPS系统这一问题时走了完全不同的道路，更多地是利用成熟技术“智取”。英国研究GPS替代品的努力主要集中在量子罗盘和利用机会信号导航这两个方面。

1997年，美籍华人朱棣文、科恩-塔诺季和菲利普・斯诺因在发展用激光冷却和陷俘原子领域的研究成果而获得了当年的诺贝尔物理学奖。他们开发的用激光冷却和陷俘原子的技术为人们研究和利用超低温态的原子奠定了基础。经过长期的研究，科学家们发现，在冷冻状态的原子对地球磁场和引力场的变化极其敏感。利用其波动性可以建成冷原子干涉仪，通过分析干涉条纹就可以得出线性加速度和旋转角速度，精度比传统的加速度计要高上百倍，而且温度越低测量精度越高。之后再经过积分计算就可以定位了。这就构成了量子罗盘的技术基础。

本来，在20世纪末，激光冷却和陷俘原子的技术尚在初生阶段，技术困难很多。然而，得益于冷原子钟的巨大市场需求，在21世纪，激光冷却和陷俘原子的技术得到了飞速的发展。原子冷却达到的温度越来越低，成本也更加低廉。这就使得量子罗盘的研发步入快车道。21世纪初，英国国防部投资了数百万英镑，由英国国防科技实验室（DSTL）牵头研发量子罗盘。

到2014年，英国国防科技实验室已经造出了第一台量子罗盘样机。该样机酷似一个鞋盒，长宽高都在1米左右。样机的核心部分是冷原子干涉仪，其内置的激光器阵列能将铷原子云冷却到绝对零度以上百万分之一度的水平，以保证测量的精度。3个这样的设备互成直角安放在样机内部，以测量3个轴向的线性加速度和旋转角速度。

英国国防科技实验室的下一步目标是将量子罗盘小型化，使之能够为个人所使用。同时，英国也着力推动量子罗盘的核心技术冷原子测量技术应用于其他领域，比如冷原子钟和量子传感器。冷原子测量技术有着广阔的应用前景，其测量重力场、地磁场、旋转速率、精细结构常数的能力在各个领域都十分有用。比如，在石油天然气领域，通过量子传感器来进行引力观测，将大大提升发现新油气田的速度。在土木工程领域，量子传感器也可用于地下结构的探测，提升工程规划的合理性。 将来小型化的新一代惯导就只有图中央的芯片那么大。

量子罗盘一但实现小型化和实用化，其军事价值是显而易见的。对于潜艇来说，在水下无法使用GPS，只能使用惯导，上浮后用GPS校正误差。但是如果长期潜航的话，航向误差积累的就会很大。而量子罗盘无需借助外界信号，可以自主工作且精度极高，特别适用于核潜艇的导航。同时，量子罗盘小型化实现后，在洞穴和地下建筑中的导航也变为可能。量子罗盘还可以作为GPS信号扰或卫星被攻击后的备份导航系统。

除了量子罗盘，英国BAE公司还开发了一种利用机会信号导航的Navsop系统。据报道，Navsop系统能利用包括Wi-Fi、电视信号、无线电通讯信号、手机信号以及空管信号等数百个不同的已知信号，进行定位，听起来十分高大上。其实Navsop系统的原理并不复杂，跟我们生活中常见的无线电测向活动有着异曲同工之处。看过老电影的读者可能记得，特务使用测向车寻找地下电台的场景。Navsop系统跟无线电测向车的原理基本相同。首先，在开始阶段要有GPS信号，确定Navsop系统载体的自身位置，之后利用测向天线测出无线电信号源的方位角，得出一条示向线，被软件保存在电子地图中。之后载体移动到另一位置，再测一个方位角，又得到一条示向线。两条示向线在电子地图上相交的地方就是无线电信号源的所在地，得到了信号源的位。找此方法，Navsop系统经过一段“学习”时间就可以找出许多信号源，并确定其中静止不动的信号源，再以它们中的某两个信号源进行无线电双曲导航即可。当然，找到的静止信号源越多，它们之间就可以互相修正导航误差，定位精度就更高，这也是为什么Navsop系统要利用那么多信号的原因。不过，由于像Wi-Fi这样的信号作用距离近，稳定性差，目前Navsop系统主要依靠频率位于中波波段的无线电信号源（主要是广播电台）进行导航。

2012年，英国的Navsop系统样机进行了车载实验。这台样机有一个大箱子大小，放在汽车上，和车载天线相连。最开始，Navsop系统在GPS的帮助下找到了很多信号源。经过一段时间的分析处理，Navsop系统筛选出了合适的信号源用于无线电导航。此时，BAE公司的工程师关闭了GPS接收机，Navsop系统独立导航，引导汽车沿着伦敦的街道前进，成功抵达预定地点。

Navsop系统原理并不复杂，利用无线电测向和无线电导航这样的“土办法”就实现了GPS的功能，其独特的思路值得借鉴。当然，BAE公司的法拉加博士坦言，Navsop系统目前不能代替GPS，因为它在初始阶段需要GPS协助寻找信号源。所以，Navsop系统的最大意义就在于为GPS提供一个备份，一但GPS扰，Navsop系统还可以继续导航至目标。

现在，BAE公司正致力于将Navsop系统小型化。BAE公司的目标是将Navsop系统做成跟GPS接收机或智能手机大小，其核心处理器将仅有硬币大小。Navsop系统市场前景极佳。据欧盟委员会统计，欧洲经济中有8 000亿欧元的产业依赖GPS的精确定位和授时功能，包括航空业、航运业、农业以及电信。然而，时有发生的太阳耀斑产生的磁暴以及各种恶意干扰都有可能威胁到GPS系统的正常工作。因此，这些产业显然不会拒绝廉价的GPS备份――Navsop系统。此外，Navsop系统还有一些其他的用途。Navsop系统可以通过手机信号帮助救援人员找到着火的建筑物内的受困者。安装Navsop系统的车辆即使被盗、被盗贼加装GPS干扰器也能被找到。

展望