CN100406538C - 土木工程材料及其施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明旨在提供一种土木工程材料，其根据土木工程的对象(或目的)的不同，能有效抑制城市中的热岛现象、建造与施工地点的周围环境相配的环境、和开展沙漠绿化，以及具有出色的抗冲刷能力和/或适于种植性，并提供该材料的施工方法。所述土木工程材料包括混合物和添加到所述混合物中的水，水与所述混合物的重量百分比为10-40%，其中上述混合物包含0.5-10.0wt%的水泥和90.0-99.5wt%的包含10到小于50wt%的粒径为0.1mm或更小的细粉末的骨料粉末。在该情况下，可以预先加入着色材料和植物的种子。

Description

土木工程材料及其施工方法

技术领域

本发明涉及一种土木工程材料和该材料的施工方法，更详细地说，涉及一种用于稻田土壤改良剂、以及经过采石场废墟中的斜坡和陡坡的路的侧壁(法面，finished face)中的防滑坡材料、平地的路基材料、铺路材料、以及停车场、公园和体育设施如球类运动体育场、足球场等的表面材料和绿化造林材料的土木工程材料，及该土木工程材料的施工方法。

背景技术

本发明申请人以前在日本专利3,080,288中介绍了一种铺路材料，即使用于建造例如采石场废墟中陡坡的法面、道路、和例如公园等的平地，仍能抗冲刷和滑坡(不被雨水塌流的性质)，并且可以进行种植，以及其施工方法。具体地，申请人以前介绍了一种铺路材料，以水泥混合的骨料粉末100wt％为基础，包括20-40wt％的水，其中水泥混合的骨料粉末包含0.5-10.0wt％的水泥和90.0-99.5wt％的含超过50wt％尺寸为0.1mm或更小的细粉末的骨料粉末。材料的施工方法包括：固化上述铺路材料2-3天，其中铺路材料经过捏和机捏和；然后，通过将其移至另一个地方至少一次疏松铺路材料的骨料；然后再次固化该材料。

该铺路材料(在下文中称作Hosolite)具有抗冲刷和抗滑坡能力，并同时具有适于种植性(容易种植植物)，开发这种材料的原因是它可以再利用挖掘场中产生的挖出土壤为骨料，从而可以经济地修建道路、滑坡地点的修补工事和停车场。因此，构成Hosolite的骨料的细粉末的粒度和含量、以及水的添加量都基于以上应用来确定。在Hosolite和用Hosolite的施工方法建造的地方如采石场废墟中陡坡壁的法面、道路、和如公园等的平地中，发现强度在水泥混凝土和土壤之间。因此期待Hosolite足以用于环境保护和防灾。

但是，近来的社会形势与提交日本专利No.3,080,288那些年相比，已经彻底改变了，特别是在生活环境方面，需要有进一步严格的改进。更具体地说，抑制由大气中CO2增多导致的温室效应和城市中的热岛现象(由于城市是由土木工程材料如混凝土、沥青等等构成的，所以热量尤其是在夏天被储存起来，城市变得如同高温的岛屿一样的现象)已经成为非常紧迫的问题。因此，尽管处理这些问题的成本很高，但仍希望在屋顶提供植被，以及使道路和开阔地面的渗水性(水渗透容易)和持水性(水分保持容易)优良。

另一方面，在城市中还有更要求较高耐磨性而不是种植适应性的场所，如停车场。在这些场所，可取的是使用适于即使被汽车等磨损也不会产生粉尘、并且透气性、渗水性、持水性、抗冲刷能力和导热性出色的土木工程材料，即使它并不具备适于种植性，并且这些场所是使用用于防止上述热岛现象的土木工程材料建造的。以外，如图2所示，以前希望切断斜坡开设的道路的侧壁(法面)的下部(沿法面约2m以下的范围)应当具有可种植性，但是这些年，从消除割草工作、防止植物阻碍交通或防止山中起火方面考虑，优选不具备适于种植性。此外，由于如果使用混凝土会造成外观不好看，所以期望这种部位具有与周围环境良好匹配的颜色。并且，在会发生泥石流的地方希望将泥石流再利用于Hosolite的骨料，但是传统的Hosolite的情况存在一个问题，即骨料中含有的细粉末粒径过大，因此修复工作不能随意进行。

此外，在针对近来全球变暖的一系列对策中，有一项是绿化沙漠，而目前主要是在沙漠里挖出的洞中种植树苗和树。不过，沙漠土壤具有良好的渗水性，却不具备持水性。并且，在天气条件方面，不仅水分蒸发严重而且埋入的土壤会被强风吹出使植物的根暴露于表面，因此树苗和植物在现阶段情况下几乎不能生长。

在这种情况下，本发明目的在于提供一种不仅具有出色的抗冲刷能力和/或适于种植性，而且根据土木工程的对象(或目的)能有效抑制城市中的热岛现象和制造出与工地周围相配的环境以及进行绿化沙漠的土木工程材料，并提供使用该材料的施工方法。

发明公开

鉴于上述情况，发明人回顾了日本专利No.3,080,288中公开的铺路材料及其施工方法，并将所得结果包含在本发明中。

本发明提供一种土木工程材料，其包括混合物和添加到所述混合物中的水，水与所述混合物的重量百分比为10-40％，其中混合物包含0.5-10.0wt％的水泥和90.0-99.5wt％的含10到小于50wt％的粒度为0.1mm或更小的细粉末的骨料粉末。在该情况下，优选将选自全部为颗粒形式的氧化铁、粒状高炉渣、钢精炼渣和人工着色材料中的一种或多种与混合物混合。或者，可以优选将植物种子和/或肥料与混合物混合。

本发明还提供一种土木工程材料的施工方法，步骤包括；

捏和土木工程材料；固化材料8-48小时；疏松硬化材料的团块至少一次；通过在施工地点施加给定的压力使材料再次固化。

本发明还提供一种土木工程材料的施工方法，步骤包括；捏和土木工程材料；固化材料8-48小时；疏松硬化材料的团块至少一次；将材料装入框架并通过在施工地点施加给定的压力使材料再次固化以形成容器状成形体；在施工地点挖一个洞并将成形体嵌入洞中以便培育成形体中的植物和/或树。在这种情况下，所述容器状成形体优选是植树盆，或者工地优选是在沙漠中。

根据本发明，可以防止切断坡地所建的道路的侧壁或采石场滑坡。除可以抑制城市中的热岛现象之外，还可以制造出与工地周围相配的环境，并且沙漠绿化也成为可能。

附图说明

图1是本发明的土木工程材料的干密度与水含量之间的相互关系图；

图2是一条通过切断坡地修建的道路；

图3是一个沙漠绿化的土木工程实施例，且图3(a)是将一个成形体嵌入一个洞中的情形，图3(b)是将大量成形体嵌入一个洞中的情形。

实施发明的最佳方式

在下文中，将参照完成本发明的背景，对本发明的实施方案进行说明。

本发明发明人首先假定如果一种材料具有抗冲刷能力和良好的透气性、渗水性、持水性和导热性，则即使该材料不具备适于种植性也能有效地抑制热岛现象，因为可以利用水汽化热。该材料可以应用于例如城市中的停车场、公园的林荫道、和通过切断坡地修建的道路的侧壁的下半部。根据发明上述传统的Hosolite时进行的调查，发明人提醒注意其中的一个发现：通过在水合性材料固化变硬后将其二次发生强度提高至某个值(称作植物生长极限强度，例如约14.0N/cm2)可以降低可种植性。根据土木工程技术中的常识，降低材料中的水含量、不向骨料中添加细粉末或增加水泥的量都会提高二次发生强度。此外，与上述Hosolite的情况类似，即使骨料的粒径变小，应该也可以利用水泥的水合反应作为改进强度的原理。

在这些讨论的基础上，发明人继续用波特兰水泥作为水泥、用细粉末作骨料并添加外推量20-40wt％的水进行了研究。而且发现，如果与传统的Hosolite一样，使用50wt％或更多的含0.1mm或更小的细粉末的骨料，则难以将材料在固化变硬后的二次发生强度保持在上述的植物生长极限值或更高。这大概是由于细粉末和水过量。

因此，通过将0.1mm或更小的细粉末的量减至10到小于50wt％的范围进一步继续研究。发现即使水含量小于20wt％，二次发生强度也可以达到植物生长极限或更高。如后面所述，通过改变骨料的种类进行了许多测试，直到确认在任何情况下都能获得同样的结果，从而完成了本发明。在此情况下，二次发生强度按照JIS的混凝土试验方法(JIS A1108)，使用水合-老化柱试样(高度：150mm，直径：50mmφ)进行测定。试样的水含量和干密度之间的相互关系如图1所示，从干密度的值可以明显看出二次发生强度超过植物生长极限强度。这是因为图1所示的结果满足与“土壤固定和剩余土壤的硬化(Soiltightening and hardening of surplus soil)”相关的限制的标准，即如果干密度是最大干密度值的95％或更高，则材料可用于实际使用。但是，如果水含量小于10wt％，则材料变得与传统的水泥混凝土相同，如果水含量大于40wt％，则固化变得不足且抗冲刷能力显著降低，因此外推的水含量限制在10-40wt％的范围。此外，如果0.1mm或更小的细骨料粉末的量变得小于10wt％，则材料变得如同水泥混凝土一样。因此从本发明中排除上述范围。

对于用于本发明的骨料，可以使用那些适当包含对凝硬反应(pozzolanic reaction)有效的SiO₂和CaO的骨料，例如工地中的土壤、工业垃圾的焚化炉灰和通过焚化产生的渣以及砂子和土。对于水泥，可以使用除波特兰水泥之外的商品化水泥和那些由粒状高炉炉渣、石膏、石灰、飞灰所谓自制的水泥。

发明人还进一步研究了材料是否可以与周围环境的颜色相配。于是，发明人发现可以选择或混合具有下述特性的呈现色彩的物质及其粉末，而且通过混合这此物质所获得的材料也属于本发明。这是因为与通过向表面喷涂涂料来着色相比，长期着色的铺设成为可能。

例如，使用赤铁矿矿石(氧化铁)于红色类型的着色、磁铁矿矿石(氧化亚铁)于黑色类型的着色和粒状高炉炉渣是有效的。此外，也可以使用着色的人造石和人工着色材料如塑料和它们的粉碎碎片来在很大范围内进行着色调整。这些物质的加入量可以在实际工地中以尝试-错误的方式进行调整，或按预先计划和确定的。

还对在一定程度上要求土木工程材料的可种植性的地方进行施工的方法进行了研究。由于土木工程材料通过牺牲可种植性具备了增强的二次发生强度，所以需要考虑相应于上述牺牲的对策。结果，发现在施工之前预先将植物种子和/或肥料混入材料是有效的，这种土木工程材料也列入本发明。在这种情况下，这些物质的加入量可以在实际工地中以尝试-失败的方式进行调整或按预先计划和预定的，这与上述着色的情况类似。

上面提到的本发明土木工程材料的施工方法如下。首先，将在工地上准备好的或从其它地方转运来的水泥和骨料彼此混合，然后向混合物中添加水，并将所得混合物老化8-48小时。在这之后，人力或用机械将硬化到一定程度的团块疏松。如果固化地点与施工地点不同，将所得材料转运至施工地点，喷涂(浇注)并适当施压，静置以再次固化。从而，通过在施工地点适当调整初始固化时间和施压程度就可以得到具有所需二次发生强度的固化体。将初始固化时间限定在8-48小时的范围之内的原因是，如果短于8小时，硬度变得不足，如果长于48小时，疏松工作会变得很困难。

由于施压程度取决于所用水泥和骨料的类型和用量、以及外推的水量，因而应当通过进行小型试验预先确定。

在这种情况下，优选分别使用Eirich搅拌机，翻斗汽车和推土机来进行混合、运输和施压。

接着，发明人想到本发明的土木工程材料可用于各种地点，并对用于绿化造林的施工方法进行了研究。结果，发现甚至在如沙漠等渗水性土壤中以下方法仍是有效的，该方法也列入本发明。

首先，如图3所示，将上述本发明的土木工程材料混合，老化8-48小时，并将硬化的骨料疏松至少一次，装入框架并在指定压力下再次老化得到类似容器形状的成形体。原因是，如果试图在渗水性过强的土壤中种植植物，水不能保持在植物的周围，从而植物生长受到抑制。通过使用由上述本发明的材料制造的具有持水能力的容器，水肯定能保持以便在植树盆中种植植物。

容器状成型体1被嵌入在施工地点挖出的洞3中以便种植植物2和/或树2。

于是，如果是以适当的压力形成的，则由上述材料制造的容器状成形体1可以被所生长的植物2的根的力量破坏，由于其不是烧成的，因此不仅根自由地生长，而且材料与周围土壤4混合，导致土壤4得到改良。从而，甚至在具有极大表面积的土地如沙漠上也可以仅通过挖一个洞3就很容易地在整个区域内进行绿化造林。在那时，如图3(b)所示，挖一个具有巨大表面积的洞3来向其中嵌入成形体是有效的。

在本发明中，对容器状成形体1的尺寸和外形并无特别限制。因为重要的是植物和树2在成形体之内生长，而与其外形和尺寸无关。同样，在植物和树2生长时，对填充容器状成形体1的土壤5的类型也无限制。要求的是，通过捏和含普通土壤的材料、沙漠中的砂子或与成形体相同类型的物质；将捏和的材料固化8-48小时；以及将硬化材料的团块疏松至少一次，来制造成形体。对填充成形体1与洞3之间间隙的土壤4同样如此。不必说，为保证植物周围的持水性可取的是使用本发明的材料。除此之外，对于填充上述成形体1的土壤4，不仅可以使用单个类型的土壤而且还可以使用几种类型的土壤的混合物。这是因为植物和树2的生长可以通过调整混合量来控制。另外，本施工方法具有一个优点，可以在远离施工地点的地方制造大量容器状成形体1，用车辆运输它们可以容易地进行种植工作。换句话说，可以高操作性地、经济地进行种植。

实施例1

使用本发明的土木工程材料建造表面积90m²的停车场。当时，在浅挖地面(深度0.5m)之后将地面整平，并在地面上放置土木工程材料，并用压路机压实，其中上述土木工程材料是通过将外推量的15wt％的水与包含波特兰水泥和含30wt％粒径为0.1mm或更小的细粉末的骨料的混合物混合、搅拌，并固化36小时而制造的。使用Eirich搅拌机来混合水泥和添加的水。

施工结果通过在固化21天之后钻孔取一个柱样来评价。测量单轴抗压强度，发现强度极高，达20N/cm²，足以将施工地用作停车场。此外，为研究抑制热岛现象所需的渗水性和持水性，还进行了渗水性测试。结果，尽管牺牲了可种植性，发现渗水性和持水性也都是充分的，达5.2×10^-2cm/sec。

实施例2

使用本发明的土木工程材料在公园里建造全长50m、宽3m的林荫道。同样在此情况下，在浅挖地面(深度0.4m)之后将地面整平，并在地面上放置土木工程材料，并用压路机压实，其中上述土木工程材料是通过将外推量的18wt％的水与包含波特兰水泥和含20wt％粒径为0.1mm或更小的细粉末的骨料的混合物混合、搅拌，并固化40小时而制造的。对于骨料，使用了预先调整至包含20wt％粒径为0.1mm的细粉末的粒状高炉炉渣，以使色彩为白色。使用Eirich搅拌机来混合水泥与骨料和添加的水。

与实施例1相同，施工结果通过在固化21天之后钻孔取一个柱样来评价。测量单轴抗压强度，发现强度极高，达18.2N/cm²，足够将施工地用作林荫道。此外，为研究抑制热岛现象所需的渗水性和持水性，还进行了渗水性测试。结果，尽管牺牲了适于种植性，发现渗水性和持水性也都是充分的，达8.2×10^-7cm/sec。

实施例3

开辟了一条切断山斜坡的路，如图2所示，因而沿法面的上部(与水平线成45°倾角)涂有传统的Hosolite，且距离道路2m的下部涂有本发明的土木工程材料。在该情况下，所述传统的Hosolite是通过向包含波特兰水泥和含60wt％粒径为0.1mm或更小的细粉末的骨料(粒状高炉炉渣)的混合物中外推添加30wt％的水而制造的。所述本发明的土木工程材料是通过混合搅拌外推量18wt％的水与包含波特兰水泥和含40wt％粒径为0.1mm或更小的细粉末的骨料(挖出土壤)的混合物制造的。为使颜色与周围环境相配，向本发明的土木工程材料中混入了外推量4wt％的氧化铁粉末以增强褐色。施工是通过用反铲挖土机(backhoe)沿法面压紧这些材料来进行的。

与实施例1相同，施工结果通过在固化21天后钻孔取一个柱样来评价，并且测量单轴抗压强度，发现强度极高，达15.1N/cm²，足以用该涂层来预防斜坡滑坡。1年内在法面的下部几乎没有植物生长，这表明不需要进行割草工作。

实施例4

使用土木工程材料将有泥石流发生的带斜面(倾角6°)废墟变成草坪。当时，所述土木工程材料是通过在包含波特兰水泥和经过筛分含40wt％粒径为0.1mm或更小的细粉末的泥石流骨料的混合物中添加外推量20wt％的水，并在露点老化而制造的。48小时之后，将老化面挖出以疏松团块。在骨料和水泥的混合物中以4-5粒种子/cm²的比率播种高牛毛草肯塔基31(Tall fescue Kentucky 31)，一种美国本土稻属植物。

土壤的固结强度较低时草坪的生长更好。固结强度较高时，根的延伸更多地被限制在表层部分。根据要种植的植物的类型，应当变化水泥的用量、水量和骨料粒径。

实施例5

与实施例2相同，将外推量18wt％的水加入到包含波特兰水泥和含20wt％粒径为0.1mm或更小的细粉末的骨料的混合物中。搅动所得混合物并固化40小时。为节省水泥成本，使用粒状高炉炉渣作骨料，它预先被调整至包含18wt％粒径为0.1mm的细粉末。在通过固化硬化的材料被用铲疏松成为颗粒状态后，装入柱状框架，并以约4.9×10⁵帕斯卡的压力施压，得到如图3(a)所示的内径150mmφ、厚40mm的柱状成形体1。在海滨的沙地上挖一个直径500mm的洞3以嵌入成形体1，并种植高约0.3m的棕榈椰树苗2。树苗2的周围用砂子和制造成形体1时所用的土壤4以4∶1的比率填满，以使树苗生长。成形体1与洞之间的间隙同样用制造成形体1时所用的土壤4填满。

结果，4周之后，树苗2成功地长到0.5m高。

如上所述，本发明提供一种土木工程材料(又称作Hosolite)，根据土木工程的对象(或目的)不同，它有助于抑制城市中的热岛现象、制造与施工地点的周围环境相配的环境和可用于沙漠的绿化，并具有出色的抗冲刷能力和/或适于种植性，还提供该材料的施工方法。

Claims (7)

1.一种土木工程材料，包括混合物和添加到所述混合物中的水，水与所述混合物的重量百分比为10-40％，上述混合物包含0.5-10.0wt％的水泥和90.0-99.5wt％的包含10wt％到小于50wt％的粒径为0.1mm或更小的细粉末的骨料粉末。

2.根据权利要求1所述的土木工程材料，其中将选自全部为颗粒形式的氧化铁、粒状高炉渣、钢精炼渣和人工着色材料中的一种或多种与混合物混合。

3.根据权利要求1或2所述的土木工程材料，其中将植物种子和/或肥料混入混合物。

4.一种土木工程材料的施工方法，步骤包括；捏和权利要求1-3中任何一个所述的土木工程材料；固化材料8-48小时；疏松硬化材料的团块至少一次；和通过在施工地点施加给定的压力再次固化该材料。

5.一种土木工程材料的施工方法，步骤包括；捏和权利要求1-3中任何一个所述的土木工程材料；固化材料8-48小时；疏松固化材料的团块至少一次；将材料装入框架并通过在施工地点施加给定的压力使材料再次固化以形成容器状的成形体；在施工地点挖洞并将成形体嵌入洞中以便培育成形体中的植物和/或树。

6.根据权利要求5所述的土木工程材料的施工方法，其中所述容器状成形体是植树盆。

7.根据权利要求5或6所述的土木工程材料的施工方法，其中所述施工地点是沙漠。

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