CN103664107B - 工业废碱渣水泥稳定碎石结构层及其施工方法 - Google Patents
工业废碱渣水泥稳定碎石结构层及其施工方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种工业废碱渣水泥稳定碎石结构层及其施工方法。该结构层的重量份配比为：集料100份，水10-4份，水泥1-10份，碱渣10-1份。施工方法由原路面处理、侧模准备、拌和摊铺、压实、养生、质量检验等步骤组成，铺筑成厚度为180～220mm的工业废碱渣水泥稳定碎石结构层。经过大量室内研究试验，结果表明,该结构层路用性能指标完全符合交通部颁部标准要求，而且具有抗冲刷能力强以及抗收缩裂缝能力突出的特点。本发明结构层能够有效利用工业废碱渣，且具有路用性能良好、施工简便、成本低等优点，节能环保，有利于经济社会的可持续发展，可广泛应用于机场道路、城市道路和高速公路及各等级公路的基层或底基层。
Description
技术领域
本发明涉及一种工业废碱渣水泥稳定碎石结构层及其施工方法，属于城市道路、机场道路和公路等的路面技术领域。
背景技术
工业废碱渣是氨碱法制碱生产过程中排放的废弃物，其干基主要化学成分为CaCO3、CaSO4、CaO、Mg(OH)2、CaCl2、NaCl、酸不溶物及少量SiO2、Al2O3和Fe2O3等。据统计，每生产1t碱，排放约10m3 的废液，其中含废渣约300～600kg (视石灰石原料的质量而定)。即生产1t碱，大约排放0.5t 废渣（以固体计）。由于我国碱厂较多，纯碱工业在国民经济中占有重要地位，目前国内的碱厂中，氨碱法占到了53～67%，以年产100万吨纯碱的山东省潍坊制碱厂为例，每年排放的废渣达到50吨，加上历年的积存多达几百万吨，占用了大量的土地资源。碱渣属于高碱性物质（pH值9～13），在堆放过程中其有害成分尤其是碱成分经过风化淋滤、地表径流后易渗入土壤，进入土壤以后能够杀害土壤中维持土壤生态平衡的微生物，不仅导致土壤丧失腐解能力，而且破坏土壤的原有结构，使土壤发展成盐碱地。此外，由于碱渣中含有大量的氯离子，氯离子随着渗入土壤以后，会加大地下水中氯离子的浓度，对附近的植被、庄稼及地下水资源造成危害。
国外对碱渣进行了多方面研究，有着不同方面的利用，取得了显著的效果。乌克基辅建筑工程学院首先研制成功了碱渣混凝土，并召开了两届碱渣胶结材料与混凝土国际会议，对碱渣混凝土的优异性能和技术经济效益给予了高度评价和肯定，目前德国、英国、美国、加拿大、芬兰等国家也已开始生产碱渣混凝土；波兰将碱渣用作土壤改良剂，碱渣是属于碱性的物质，波兰又有相当面积的酸性土壤，利用碱渣不仅大大降低了土壤的酸性，而且提供了Ca、Si等植物需要的成分；日本陆地缺乏，故将氨碱厂建在海边，利用碱渣作为填垫材料进行填海造地。
目前国内对于工业废碱渣的利用主要是将其作为一种工程填筑土，但碱渣的含水率较高，主要成分是CaO、CaCO3、CaCl2 、Mg(OH)2、Al2O3等，直接用于填筑土基，不仅面临着压实难度大，土基水稳定性能较差的缺点，而且其中的氯离子容易污染土壤和地下水。闫澍旺等认为增钙粉煤灰与碱渣的相互混合可以填充碱渣颗粒间的孔隙，吸收碱渣中的水分，提高碱渣土的干容重和强度，其极限承载力可达到180 kPa以上，能够满足一般房基和路基的变形及承载力要求。
半刚性基层沥青路面能适应现代公路运输量大、车辆大型化的需要，因此是高等级公路的主要路面类型。我国已建成通车的高速公路90%以上采用了半刚性基层结构。水泥稳定碎石因其强度高，稳定性好，拌和方便，质量易控制等优点被广泛的用于高等级公路路面基层。将工业废碱渣代替部分水泥作为无机结合料，与碎石拌和，经摊铺、碾压可以形成具有较高力学强度和突出路用性能的工业废碱渣水泥稳定碎石结构层，广泛应用于道路基层或底基层。该技术不仅可以大量回收利用制碱工业的副产品，减轻环境污染压力，实现可持续发展；而且还能部分水泥用于道路基层、底基层铺筑，提高工程质量，降低工程造价。因此，经济效益、社会效益及环境效益显著，具有广阔的应用前景。
发明内容
本发明所要解决的一个技术问题在于提供一种成本较低、施工简单易行、各项性能良好的工业废碱渣水泥稳定碎石结构层及施工方法。
本发明的工业废碱渣水泥稳定碎石结构层，由下述质量份配比的原料构成：
集料 100份
水 10～4份
水泥 1～10份
碱渣 10～1份
上述的集料是粒径为0.075～37.5mm的石灰岩或花岗岩或玄武岩或辉绿岩；水是人畜饮用水；水泥是普通道路硅酸盐水泥；碱渣是制碱厂排放的工业废渣。
本发明的工业废碱渣水泥稳定碎石结构层，所用原料优选质量份配比为：
集料 100份
水 9～4份
水泥 2～6份
碱渣 6～2份
本发明的工业废碱渣水泥稳定碎石结构层，所用原料最佳质量份配比为：
集料 100份
水 6.4份
水泥 4.0份
碱渣 6.0份
本发明的工业废碱渣水泥稳定碎石结构层的施工方法如下：由下述步骤组成：
（1）下承层处理：
在工业废碱渣水泥稳定碎石结构层前，应首先对下承层进行检查、清理；工业废碱渣水泥稳定碎石结构层作为道路底基层，将路床上的浮土、杂物全部清除，保持表面整洁，并适当洒水润湿，路床上的车辙、松软及不符规定要求的部位进行翻挖、清除；工业废碱渣水泥稳定碎石结构层作为道路基层，对底基层进行彻底清扫，清除浮土、各类杂物及散落材料，保持表面整洁；摊铺之前对下承层表面进行湿润处理；
（2）侧模准备：
在已交验合格的下承层上，按底基层或基层摊铺宽度在两侧立模；
（3）拌和摊铺：
按照工业废碱渣水泥稳定碎石结构层的重量份配比将集料、水泥、碱渣和水利用拌和机拌和，将拌和好的混合料运至施工现场，利用摊铺机进行摊铺；铺筑成厚度为180～220mm；
（4）压实：
用压路机将摊铺好的混合料压实；
（5）养生：
用复合土工布覆盖养生，在7天内保持结构层处于湿润状态；养生结束后，将覆盖物清除干净；
（6）质量检验
按交通部发布的《公路路基路面现场测试规程》JTG E60-2008进行检测，检验合格后移交使用。
本发明采用工业废碱渣代替部分水泥拌制混合料成型结构层，可以用作道路基层、底基层，不仅具有强度高、稳定性好以及板体性强的特点，保证了路面的使用性能和使用寿命，而且还能大量回收利用制碱工业的副产品碱渣，降低道路铺筑成本。工业废碱渣在道路工程中的应用解决了制碱工业面临的瓶颈问题，即废碱渣的处理问题，工业废碱渣的二次有效利用，不仅能够解决上述问题，使制碱工业能够实现可持续发展，还能节约道路铺筑材料，促进公路交通建设的发展，具有显著的经济效益、社会效益和环境效益。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进一步详细说明，但本发明不限于这些实施例。
实施例1
以集料的总质量为100kg为例，铺筑工业废碱渣水泥稳定碎石结构层所用原料及其质量配比如下：
集料 100㎏
水 5.7㎏
水泥 2.0㎏
碱渣 2.0㎏
上述的集料是粒径为0.075～37.5mm的石灰岩；水是人畜饮用水；水泥为标号32.5的缓凝型普通道路硅酸盐水泥；碱渣是制碱厂排放的工业废渣。
上述工业废碱渣水泥稳定碎石结构层的铺筑方法为：
（1）、下承层处理
在工业废碱渣水泥稳定碎石结构层前，应首先对下承层进行检查、清理。若作为道路底基层，应将路床上的浮土、杂物全部清除，保持表面整洁，并适当洒水润湿，路床上的车辙、松软及不符规定要求的部位均应翻挖、清除；若作为道路基层，对底基层应进行彻底清扫，清除浮土、各类杂物及散落材料，保持表面整洁，摊铺之前，要保证下承层表面湿润。
（2）、侧模准备
为了保证压实度、设计标高和横坡，避免碾压时塌肩，在已交验合格的下承层上，应按底基层或基层摊铺宽度在两侧立模。
（3）、拌和摊铺
按本发明工业废碱渣水泥稳定碎石结构层的重量份配比将集料、水泥、碱渣和水利用拌和机拌和，迅速将拌和好的混合料运至施工现场，利用摊铺机进行摊铺。铺筑厚度为180～220mm。
（4）、压实
用压路机将摊铺好的混合料压实。
（5）、养生
用复合土工布覆盖养生，在7天内应保持结构层处于湿润状态，养生结束后，应将覆盖物清除干净。
（6）、质量检验
按交通部发布的《公路路基路面现场测试规程》JTG E60-2008进行检测，检验合格后移交使用。
实施例2
以集料的总质量为100kg为例，铺筑工业废碱渣水泥稳定碎石结构层所用原料及其质量配比如下：
集料 100㎏
水 5.1㎏
水泥 2.0㎏
碱渣 4.0㎏
上述的集料、水、水泥、碱渣与实施例1相同；施工方法与实施例1相同。
实施例3
以集料的总质量为100kg为例，铺筑工业废碱渣水泥稳定碎石结构层所用原料及其质量配比如下：
集料 100㎏
水 4.9㎏
水泥 2.0㎏
碱渣 6.0㎏
上述的集料、水、水泥、碱渣与实施例1相同；施工方法与实施例1相同。
实施例4
以集料的总质量为100kg为例，铺筑工业废碱渣水泥稳定碎石结构层所用原料及其质量配比如下：
集料 100㎏
水 5.4㎏
水泥 4.0㎏
碱渣 2.0㎏
上述的集料、水、水泥、碱渣与实施例1相同；施工方法与实施例1相同。
实施例5
以集料的总质量为100kg为例，铺筑工业废碱渣水泥稳定碎石结构层所用原料及其质量配比如下：
集料 100㎏
水 5.9㎏
水泥 4.0㎏
碱渣 4.0㎏
上述的集料、水、水泥、碱渣与实施例1相同；施工方法与实施例1相同。
实施例6
以集料的总质量为100kg为例，铺筑工业废碱渣水泥稳定碎石结构层所用原料及其质量配比如下：
集料 100㎏
水 6.1㎏
水泥 4.0㎏
碱渣 6.0㎏
上述的集料、水、水泥、碱渣与实施例1相同；施工方法与实施例1相同。
实施例7
以集料的总质量为100kg为例，铺筑工业废碱渣水泥稳定碎石结构层所用原料及其质量配比如下：
集料 100㎏
水 6.3㎏
水泥 6.0㎏
碱渣 2.0㎏
上述的集料、水、水泥、碱渣与实施例1相同；施工方法与实施例1相同。
实施例8
以集料的总质量为100kg为例，铺筑工业废碱渣水泥稳定碎石结构层所用原料及其质量配比如下：
集料 100㎏
水 6.2㎏
水泥 6.0㎏
碱渣 4.0㎏
上述的集料、水、水泥、碱渣与实施例1相同；施工方法与实施例1相同。
实施例9
以集料的总质量为100kg为例，铺筑工业废碱渣水泥稳定碎石结构层所用原料及其质量配比如下：
集料 100㎏
水 6.6㎏
水泥 6.0㎏
碱渣 6.0㎏
上述的集料、水、水泥、碱渣与实施例1相同；施工方法与实施例1相同。
实施例10
以集料的总质量100kg为例，铺筑碱渣水泥稳定碎石结构层所用原料及其质量份配比如下：
在以上实施例1～9中的普通集料所用的石灰岩，用等质量同粒径的花岗岩或玄武岩或辉绿岩替换；水、碱渣的规格与实施例1相同；实施例1～9中的水泥所用的标号32.5的缓凝型普通道路硅酸盐水泥，用标号42.5的普通道路硅酸盐水泥替换。
为了确定本发明最佳配比及其施工方法，发明人进行了大量的试验室研究试验，各种试验情况如下：
试验仪器：
路强仪，型号为：LD127-11，由沧州筑龙仪器仪表有限公司生产；振动压实成型机，型号为：ZY-6，由河北省虹宇仪器设备有限公司生产；MTS材料试验机；美国生产；高低温交变湿热环境试验箱，型号：GDJS-800，由北京中科环试仪器有限公司生产。
影响水泥稳定碎石结构层使用性能和使用寿命的主要包括强度、抗开裂能力以及抗冲刷性能，按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTG E51-2009），分别采用本发明实施例1～9中的配比拌制工业废碱渣水泥稳定碎石混合料，制作试件并进行相关试验，并与未采用工业废碱渣的相同水泥剂量水泥稳定碎石试件相关指标比较，具体试验结果及国家部颁标准《公路沥青路面设计规范》(JTGD50-2006)水泥稳定碎石结构层相关指标见表1～表3。
确定工业废碱渣水泥稳定碎石结构层的最佳原料配比主要包括无侧限抗压强度、干缩试验及抗冲刷试验三部分。
1、无侧限抗压强度试验
按照实施例1～9的原料配比，以交通部部颁标准《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTG E51-2009）中的T0843-2009试件成型方法分别成型试件13个，养生7天，利用路强仪以《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTG E51-2009）中T0805-1994的试验方法测定无侧限抗压强度，分析平均值，见表1。
表1 无侧限抗压强度试验结果表
| 编号 | 水泥剂量（%） | 碱渣掺量（%） | 无侧限抗压强度（MPa） | 交通部部颁标准（MPa） | 试验方法 |
| 1 | 2 | 2 | 1.65 | 1.5～4.5 | T0805 |
| 2 | 2 | 4 | 1.84 | 1.5～4.5 | T0805 |
| 3 | 2 | 6 | 2.02 | 1.5～4.5 | T0805 |
| 4 | 4 | 2 | 3.84 | 1.5～4.5 | T0805 |
| 5 | 4 | 4 | 4.12 | 1.5～4.5 | T0805 |
| 6 | 4 | 6 | 4.29 | 1.5～4.5 | T0805 |
| 7 | 6 | 2 | 4.13 | 1.5～4.5 | T0805 |
| 8 | 6 | 4 | 4.29 | 1.5～4.5 | T0805 |
| 9 | 6 | 6 | 4.47 | 1.5～4.5 | T0805 |
| 10 | 2 | / | 1.34 | 1.5～4.5 | T0805 |
| 11 | 4 | / | 3.65 | 1.5～4.5 | T0805 |
| 12 | 6 | / | 3.98 | 1.5～4.5 | T0805 |
由试验结果可知：随着碱渣掺量的增加，工业废碱渣水泥稳定碎石的无侧限抗压强度也不断增加，且符合交通部部颁标准要求，同时表明碱渣能够提高水泥稳定碎石结构层的强度。
2、干缩试验
按照实施例1～9的原料配比，以交通部部颁标准《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTG E51-2009）中的T0844-2009试件成型方法分别成型试件，以《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTG E51-2009）中T0854-2009的试验方法分别测定干缩系数，试验结果见表2。
表2 干缩系数试验结果表
| 编号 | 水泥剂量（%） | 碱渣掺量（%） | 干缩系数（%） | 交通部部颁标准 | 试验方法 |
| 1 | 2 | 2 | 70×10-6 | - | T0854 |
| 2 | 2 | 4 | 67×10-6 | - | T0854 |
| 3 | 2 | 6 | 62×10-6 | - | T0854 |
| 4 | 4 | 2 | 88×10-6 | - | T0854 |
| 5 | 4 | 4 | 83×10-6 | - | T0854 |
| 6 | 4 | 6 | 80×10-6 | - | T0854 |
| 7 | 6 | 2 | 96×10-6 | - | T0854 |
| 8 | 6 | 4 | 92×10-6 | - | T0854 |
| 9 | 6 | 6 | 87×10-6 | - | T0854 |
| 10 | 2 | / | 74×10-6 | - | T0854 |
| 11 | 4 | / | 91×10-6 | - | T0854 |
| 12 | 6 | / | 102×10-6 | - | T0854 |
试验结果表明：随着水泥剂量的增加，工业废碱渣水泥稳定碎石的干缩系数明显增大，掺加碱渣后能够提高水泥稳定碎石结构层的抗干缩性能。
3、抗冲刷试验
按照实施例1～9的原料配比，以交通部部颁标准《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTG E51-2009）中的T0844-2009试件成型方法分别成型试件，利用MTS试验机以《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTG E51-2009）中T0860-2009的试验方法测定冲刷质量损失，分析平均值，见表3。
表3 抗冲刷试验结果表
| 编号 | 水泥剂量（%） | 碱渣掺量（%） | 30min冲刷量 （g） | 交通部部颁标准 | 试验方法 |
| 1 | 2 | 2 | 71 | - | T0860 |
| 2 | 2 | 4 | 60 | - | T0860 |
| 3 | 2 | 6 | 52 | - | T0860 |
| 4 | 4 | 2 | 54 | - | T0860 |
| 5 | 4 | 4 | 45 | - | T0860 |
| 6 | 4 | 6 | 37 | - | T0860 |
| 7 | 6 | 2 | 36 | - | T0860 |
| 8 | 6 | 4 | 33 | - | T0860 |
| 9 | 6 | 6 | 28 | - | T0860 |
| 10 | 2 | / | 79 | - | T0860 |
| 11 | 4 | / | 57 | - | T0860 |
| 12 | 6 | / | 41 | - | T0860 |
试验结果表明：掺加碱渣后，显著提高了水泥稳定碎石结构层的抗冲刷能力。
综合工业废碱渣水泥稳定碎石结构层强度、抗干缩性能以及抗冲刷性能试验结果，铺筑本发明工业废碱渣水泥稳定碎石结构层所用原料优选质量份配比为：
集料 100份
水 9～4份
水泥 2～6份
碱渣 6～2份
铺筑本发明工业废碱渣水泥稳定碎石结构层所用原料最佳质量份配比为：
集料 100份
水 6.1份
水泥 4.0份
碱渣 6.0份。
Claims (5)
1.一种工业废碱渣水泥稳定碎石结构层，其特征在于：由下述质量份配比的原料构成：
集料 100份
水 10～4份
水泥 1～10份
碱渣 10～1份
上述的集料是粒径为0.075～37.5mm的石灰岩或花岗岩或玄武岩或辉绿岩；水是人畜饮用水；水泥是普通道路硅酸盐水泥；碱渣是制碱厂排放的工业废渣。
2.根据权利要求1所述的工业废碱渣水泥稳定碎石结构层，其特征在于：由下述质量份配比的原料构成：
集料 100份
水 9～4份
水泥 2～6份
碱渣 6～2份。
3.根据权利要求1所述的工业废碱渣水泥稳定碎石结构层，其特征在于：由下述质量份配比的原料构成：
集料 100份
水 6.1份
水泥 4.0份
碱渣 6.0份。
4.一种如权利要求1所述的工业废碱渣水泥稳定碎石结构层的施工方法，其特征在于：由下述步骤组成：
（1）下承层处理：
在工业废碱渣水泥稳定碎石结构层前，应首先对下承层进行检查、清理；工业废碱渣水泥稳定碎石结构层作为道路底基层，将路床上的浮土、杂物全部清除，保持表面整洁，并适当洒水润湿，路床上的车辙、松软及不符规定要求的部位进行翻挖、清除；工业废碱渣水泥稳定碎石结构层作为道路基层，对底基层进行彻底清扫，清除浮土、各类杂物及散落材料，保持表面整洁；摊铺之前对下承层表面进行湿润处理；
（2）侧模准备：
在已交验合格的下承层上，按底基层或基层摊铺宽度在两侧立模；
（3）拌和摊铺：
按照工业废碱渣水泥稳定碎石结构层的重量份配比将集料、水泥、碱渣和水利用拌和机拌和，将拌和好的混合料运至施工现场，利用摊铺机进行摊铺；
（4）压实：
用压路机将摊铺好的混合料压实；
（5）养生：
用复合土工布覆盖养生，在7天内保持结构层处于湿润状态；养生结束后，将覆盖物清除干净；
（6）质量检验
按交通部发布的《公路路基路面现场测试规程》JTG E60-2008进行检测，检验合格后移交使用。
5.根据权利要求4所述的工业废碱渣水泥稳定碎石结构层的施工方法，其特征在于：步骤（3）铺筑成厚度为180～220mm。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1963022A (zh) * | 2006-11-22 | 2007-05-16 | 天津市市政工程设计研究院 | 工业碱渣在道路路基、基层处理中的应用方法 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| "水泥稳定碎石半刚性基层施工方法";杨东峰;《河南科技》;20091231(第10期);第79-80页 * |
| "碱渣在无机结合料稳定材料和水泥土中应用的试验研究";郑美如;《中国优秀硕士学位论文全文数据库 工程科技II辑》;20120615(第06期);第8-9、37-40页 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN103664107A (zh) | 2014-03-26 |
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