CN108118573A - 一种资源再生利用全透式沥青路面结构 - Google Patents

一种资源再生利用全透式沥青路面结构 Download PDF

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CN108118573A CN201711414923.1A CN201711414923A CN108118573A CN 108118573 A CN108118573 A CN 108118573A CN 201711414923 A CN201711414923 A CN 201711414923A CN 108118573 A CN108118573 A CN 108118573A
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郑晓光
陈亚杰
吴立报
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Abstract

本发明公开了一种利用钢渣和再生骨料作为集料的全透式沥青路面结构，该结构从上到下包括细粒式钢渣透水沥青混合料上面层，中粒式钢渣透水沥青混合料下面层，再生骨料透水水泥混凝土或再生骨料骨架孔隙水泥稳定碎石基层，再生砖石或再生骨料碎石垫层和路基；本发明能够充分利用现在大量产生的钢渣工业固废和建筑垃圾，有效减少由于钢渣和建筑垃圾堆积带来的占地和污染问题，同时增加了筑路建材来源，可以有效缓解道路建设对开山采石的需求，进而改善由于开采石料所造成的环境生态破坏问题，并能改善传统全透式沥青路面耐久性差和未考虑对径流污染控制效果的缺陷。

Description

一种资源再生利用全透式沥青路面结构
技术领域
本发明涉及透水路面领域，尤其是涉及具有将钢渣和再生骨料资源化利用的全透式沥青路面结构。
背景技术
道路工程是加快社会经济发展和提高人民生活质量重要的基础建设设施，但是道路工程的建设需要消耗大量的石料。在我国过去多年快速的道路建设中，消耗的石料大多来源于开山取石，这种石料开采方式极大的破坏了自然环境。
透水路面是海绵城市建设中一项重要的低影响开发技术，具有降低行车噪音、提高抗滑系数、促进雨水资源利用等优点，但是也存在由于传统透水沥青混合料强度低，常规的半刚性/刚性基层刚度过大,在荷载作用下会导致透水沥青面层内出现较大的剪应力,极易发生车辙、拥包、裂缝等剪切变形破坏，整体存在耐久性差的缺陷。且传统透水路面主要考虑降噪和透水性能，并未考虑其对径流污染控制的效果。
我国在城市建设中涉及到许多房屋拆迁，由此产生了巨量的建筑垃圾，其堆放占用了大量的土地和污染，目前国家正在鼓励建筑垃圾资源化利用。
钢渣是炼钢过程中排出的熔渣，是冶炼行业的主要固体副产物。钢渣的生产率约为粗钢产量的10％～15％，产量十分巨大。我国是钢铁工业生产第一大国，而随着钢铁工业的发展，钢渣的年产量和累计堆存量呈逐年递增的趋势。如不采取一定措施，将会占用越来越多的土地，对环境造成严重危害。但是钢渣的力学性能较轧制的碎石好，不仅耐磨、颗粒级配形状好，而且与沥青有良好的粘附性。
因此，结合海绵城市建设中透水沥青路面的大面积推广应用，有必要提出一种既可以缓解全透沥青路面结构耐久性缺陷，也可以利用固体废弃物的透水沥青路面结构，这样可以消耗掉大量占地的建筑垃圾和钢渣工业固废，结合透水沥青路面的低影响开发特性，形成一种“绿色环保、环境友好、经济耐久”的新型路面结构。
发明内容
本发明的目的主要在于提供一种在海绵城市建设中既可以蓄水、透水，又可以有效利用建筑垃圾和钢渣工业固废的沥青路面结构，具有降低噪音、缓解水污染和城市热岛效应的功能，是一种“绿色环保、环境友好、经济耐久”的新型路面结构。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种资源再生利用全透式沥青路面结构，包括面层、基层、垫层和路基，其特征在于所述面层、基层、垫层骨料均采用钢渣或再生骨料；
所述面层包括上面层和下面层，上面层采用细粒式钢渣透水沥青，下面层采用中粒式钢渣透水沥青，面层材料具有强度和抗压模量高的特征；
所述基层采用再生骨料透水水泥混凝土或再生骨料骨架孔隙水泥稳定碎石；
所述垫层材料采用再生砖石或级配再生骨料碎石，压实后空隙率≥15％；
所述路基压实度大于90％且小于93％，渗透系数不小于10-3mm/s。
进一步地，所述面层总厚度为8～10cm，所述透水沥青空隙率为18％～23％，连通空隙率≥14％，渗水系数≥900ml/15s，在60℃水浴中浸泡72h体积膨胀率＜1％；所述钢渣压碎值小于18％，吸水率小于3％，所述沥青为高黏改性沥青，60℃动力黏度≥40000Pa.s。
进一步地，所述细粒式钢渣透水沥青混合料为PAC-10钢渣透水沥青混合料或PAC-13钢渣透水沥青混合料，所述中粒式钢渣透水沥青混合料为PAC-16钢渣透水沥青混合料或PAC-20钢渣透水沥青混合料；钢渣透水沥青混合料由集料、高黏度改性沥青和矿粉按一定比例组成，所述矿粉占钢渣透水沥青混合料质量的1～5％，所述高黏度改性沥青占钢渣透水沥青混合料材料质量的4.0～5.5％，余者为集料；
所述PAC-10钢渣透水沥青混合料集料由9.5mm～13.2mm、4.75mm～9.5mm、2.36mm～4.75mm、0～2.36mm四级钢渣组成，四级钢渣占钢渣透水沥青混合料质量比例分别为2～10％、30～40％、40～50％，8～16％；
所述PAC-13钢渣透水沥青混合料集料由9.5mm～15mm、4.75mm～9.5mm、2.36mm～4.75mm、0～2.36mm四级钢渣组成，四级钢渣占钢渣透水沥青混合料质量比例分别为24～34％、47～50％、7～10％，7～14％；
所述PAC-16钢渣透水沥青混合料集料由15mm～20mm、9.5mm～15mm两级石料和4.75mm～9.5mm、2.36mm～4.75mm、0～2.36mm三级钢渣组成；
所述PAC-20钢渣透水沥青混合料集料由15mm～25mm、9.5mm～15mm两级石料及4.75mm～9.5mm、2.36mm～4.75mm、0～2.36mm三级钢渣组成。
所述PAC-16钢渣透水沥青混合料和PAC-20钢渣透水沥青混合料中钢渣和石料组成的混合料级配符合现行规范《透水沥青路面技术规程》(CJJ/T 190)要求，具体的级配比例在此不再赘述。
由于现行规范级配给出的均为质量通过百分率，而连通空隙是由集料堆积形成的体积参数，钢渣和石料密度差异较大，为保证钢渣透水沥青混合料透水性能，进行组成设计时，需进行质量换算，换算方法如下：
假设所述集料由n种材料组成，第n种材料的换算级配比例为其中ai为第i种材料的设计级配比例，γi为第i种材料的毛体积相对密度。
进一步地，基层材料空隙率为15％～25％，公称最大粒径≤31.5mm，微粉含量＜3.0％，泥块含量＜1.0％，吸水率＜8.0％，针片状颗粒＜10.0。
所述基层包括上基层和下基层，基层总厚度为8～40cm，基层材料采用再生骨料透水水泥混凝土或再生骨料骨架孔隙水泥稳定碎石，基层材料空隙率为15％～25％。
所述用于基层的再生骨料透水水泥混凝土或再生骨料骨架孔隙水泥稳定碎石技术要求如下：公称最大粒径≤31.5mm，微粉含量＜3.0％，泥块含量＜1.0％，吸水率＜8.0％，针片状颗粒＜10.0％，杂物含量＜1.0％，坚固性＜15.0％，压碎指标＜30.0％，表观密度＞2250kg/m3，松散堆积空隙率＜53％，硫化物及硫酸盐＜2.0％。
所述垫层材料采用再生砖石或级配再生骨料碎石，厚度为15～20cm，压实后空隙率≥15％，所述再生砖石或再生骨料碎石技术要求如下：公称最大粒径≤37.5mm，针片状颗粒＜20.0％，压碎指标＜35.0％。
路面结构需计算结构总厚度的透水、储水功能是否满足要求，计算方式如下：
式中：H—路面结构总厚度，mm；
i—设计降雨强度，mm/h；
q—土基渗透系数，mm/s；
t—降雨持续时间，min；
v—路面结构平均有效孔隙率，％。
本发明提供的资源再生利用全透式沥青路面结构是一种良好的透水、蓄水路面结构，是海绵城市建设中可选择的一项有效低影响开发措施。该种路面结构中面层材料的集料主要为钢渣，具有强度高和耐久性好的特征；基层和垫层材料骨料采用再生骨料。一方面为钢渣和再生骨料的资源化利用提供了行之有效的解决方案；另一方面钢渣和再生骨料替代石料也缓解了目前石料开采对环境造成严重破坏的问题。本发明针对透水沥青混合料模量低，与半刚性/刚性基层模量差异大而引起面层结构内剪应力过大，易发生开裂破坏和层间滑移的问题，提出面层集料采用钢渣、基层集料采用再生骨料，将面层模量提高20％～30％的同时降低基层模量约10％，该路面结构既不会引起路面结构过大的弯拉应变和压应变，又可以提高透水沥青面层的抗剪能力和降低面层与基层间的剪应力。所以，本发明提供的资源再生利用全透式沥青路面结构，将钢渣和建筑垃圾的有效利用与透水路面这种低影响开发技术结合，可充分利用钢渣和再生骨料微孔隙较多的特性，对降低噪音、缓解水污染和城市热岛有良好效果，既是一种“绿色环保，环境友好”的新型路面结构，也是一种新型的耐久型全透沥青路面结构。
附图说明
下面结构附图对本发明做进一步详细说明。
图1是本发明资源再生利用全透式沥青路面结构示意图。
图2是本发明资源再生利用全透式沥青路面结构之优选实施例一的示意图。
图3是本发明资源再生利用全透式沥青路面结构之优选实施例二的示意图。
图4是本发明资源再生利用全透式沥青路面结构之优选实施例三的示意图。
附图标记：1—上面层、2—下面层、3—基层、4—垫层、5—路基。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施案例进行详细说明。
如图1所示，一种资源再生利用全透式沥青路面结构从上到下包括：细粒式钢渣透水沥青混合料上面层1，中粒式钢渣透水沥青混合料下面层2，再生骨料透水水泥混凝土或再生骨料骨架孔隙水泥稳定碎石基层3，再生砖石或级配再生骨料碎石垫层4，路基5；
所述钢渣透水沥青混合料由集料、高黏度改性沥青和矿粉按一定比例组成，于所述矿粉占钢渣透水沥青混合料质量的1～5％，所述高黏度改性沥青占钢渣透水沥青混合料材料质量的4.0～5.5％，余者为集料；
所述细粒式钢渣透水沥青上面层1厚度为3～4cm，材料采用PAC-10钢渣透水沥青混合料或PAC-13钢渣透水沥青混合料，空隙率为18％～23％。
所述PAC-10钢渣透水沥青混合料由钢渣PAC-10集料、高黏度改性沥青和矿粉按一定比例组成，所述矿粉占钢渣透水沥青混合料质量的1～5％，所述高黏度改性沥青占钢渣透水沥青混合料材料质量的4.0～5.5％，余者为钢渣PAC-10集料，所述钢渣PAC-10集料由9.5mm～13.2mm、4.75mm～9.5mm、2.36mm～4.75mm、0～2.36mm四级钢渣组成，四级料占钢渣透水沥青混合料质量比例分别为2～10％、30～40％、40～50％，8～16％。
根据本发明的一个实施例，所述PAC-10钢渣透水沥青混合料包括：矿粉占钢渣透水沥青混合料质量的1％，高黏度改性沥青5％，9.5mm～13.2mm钢渣2％，4.75mm～9.5mm钢渣40％，2.36mm～4.75mm钢渣40％、0～2.36mm钢渣12％；根据本发明的另一个实施例，所述PAC-10钢渣透水沥青混合料包括：矿粉占钢渣透水沥青混合料质量的5％，高黏度改性沥青4％，9.5mm～13.2mm钢渣10％，4.75mm～9.5mm钢渣30％，2.36mm～4.75mm钢渣40％、0～2.36mm钢渣11％。
所述PAC-13钢渣透水沥青混合料由钢渣PAC-13集料、高黏度改性沥青和矿粉按一定比例组成，所述矿粉占钢渣透水沥青混合料质量的1～5％，所述高黏度改性沥青占钢渣透水沥青混合料材料质量的4.0～5.5％，余者为钢渣PAC-13集料，所述钢渣PAC-13集料由9.5mm～15mm、4.75mm～9.5mm、2.36mm～4.75mm、0～2.36mm四级钢渣组成，四级料占钢渣透水沥青混合料质量比例分别为24～34％、47～50％、7～10％，7～14％。
根据本发明的一个实施例，所述PAC-13钢渣透水沥青混合料包括：矿粉占钢渣透水沥青混合料质量的1％，高黏度改性沥青4％，9.5mm～13.2mm钢渣34％，4.75mm～9.5mm钢渣47％，2.36mm～4.75mm钢渣7％、0～2.36mm钢渣7％；根据本发明的另一个实施例，所述PAC-13钢渣透水沥青混合料包括：矿粉占钢渣透水沥青混合料质量的5％，高黏度改性沥青4％，9.5mm～13.2mm钢渣24％，4.75mm～9.5mm钢渣50％，2.36mm～4.75mm钢渣7％、0～2.36mm钢渣10％。
所述中粒式钢渣透水沥青下面层2厚度为5～6cm，材料采用钢渣PAC-16或钢渣PAC-20，空隙率为18％～23％；所述钢渣PAC-16集料由15mm～20mm、9.5mm～15mm两级石料和4.75mm～9.5mm、2.36mm～4.75mm、0～2.36mm三级钢渣组成。所述钢渣PAC-20集料由15mm～25mm、9.5mm～15mm两级石料及4.75mm～9.5mm、2.36mm～4.75mm、0～2.36mm三级钢渣组成。所述钢渣和石料组成的混合料级配符合现行规范要求，由于两种集料密度差异，进行组成设计时，为保证钢渣透水沥青混合料透水性能，需进行质量换算，换算方法如下：
所述基层3采用再生骨料透水水泥混凝土或再生骨料骨架孔隙水泥稳定碎石，再生骨料透水水泥混凝土基层厚度为8～12cm,再生骨料骨架孔隙水泥稳定碎石的厚度为15～40cm，基层材料空隙率为15％～25％。垫层4采用再生砖石或级配再生骨料碎石，厚度为15～20cm，压实后空隙率不小于15％。所述路基压实度大于90％且小于93％，渗透系数不小于10-3mm/s。
所述路面结构需计算结构总厚度的透水、储水功能是否满足要求，计算方式如下：
式中：H—路面结构总厚度，mm；
i—设计降雨强度，mm/h；
q—土基渗透系数，mm/s；
t—降雨持续时间，min；
v—路面结构平均有效孔隙率，％。
在设计中先确定路面各结构层有效孔隙率kj和初步拟定各结构层的结构厚度hj，根据下表计算出路面结构平均有效孔隙率v，将其带入上面的路面结构总厚度计算公式，计算拟定的路面总厚度是否符合透水、储水要求，如不符合要求，则调整各结构层厚度，以使得总厚度符合要求。
作为一种举例说明，优选实施例一如下所示：
详见图2，上面层采用细粒式钢渣透水沥青混合料PAC-10或PAC-13，厚度为3～4cm；下面层采用中粒式钢渣透水沥青混合料PAC-16或PAC-20，厚度为5～6cm；基层采用再生骨料透水水泥混凝土，厚度为8～12cm；垫层采用再生砖石，厚度为15～20cm。
作为一种举例说明，优选实施例二如下所示：
详见图3，上面层采用细粒式钢渣透水沥青混合料PAC-10或PAC-13，厚度为3～4cm；下面层采用中粒式钢渣透水沥青混合料PAC-16或PAC-20，厚度为5～6cm；基层采用再生骨料骨架孔隙水泥稳定碎石，厚度为15～18cm；垫层采用再生砖石，厚度为15～20cm。
作为一种举例说明，优选实施例三如下所示：
详见图4，上面层采用细粒式钢渣透水沥青混合料PAC-10或PAC-13，厚度为3～4cm；下面层采用中粒式钢渣透水沥青混合料PAC-16或PAC-20，厚度为5～6cm；基层分为上基层和下基层，均采用厚度为18～20cm的再生骨料骨架孔隙水泥稳定碎石；垫层采用再生砖石，厚度为15～20cm。
本发明通过采用钢渣提高面层模量，提高透水沥青面层的抗剪能力，采用再生骨料适当降低基层模量，在不增加路面结构弯沉值的前提下有效降面层结构内剪应力，缓解了裂缝产生和面层/基层层间滑移问题，有效提高了全透沥青路面结构的耐久性。本发明全透式沥青路面结构具有渗蓄性能合理、可缓解水污染和城市热岛效应、耐久性好的特征，可用于停车场、广场、公园道路及轻型荷载车行道。

Claims (9)

1.一种资源再生利用全透式沥青路面结构，包括面层、基层、垫层和路基，其特征在于所述面层、基层、垫层骨料均采用钢渣或再生骨料；
所述面层包括上面层和下面层，上面层采用细粒式钢渣透水沥青混合料，下面层采用中粒式钢渣透水沥青混合料；
所述基层采用再生骨料透水水泥混凝土或再生骨料骨架孔隙水泥稳定碎石；
所述垫层材料采用再生砖石或级配再生骨料碎石，压实后空隙率≥15％；
所述路基压实度大于90％且小于93％，渗透系数不小于10-3mm/s。
2.如权利要求1所述资源再生利用全透式沥青路面结构，其特征在于，所述面层总厚度为8～10cm，所述细粒式钢渣透水沥青和中粒式钢渣透水沥青的空隙率为18％～23％，连通空隙率≥14％，渗水系数≥900ml/15s，在60℃水浴中浸泡72h体积膨胀率＜1％。
3.如权利要求1所述资源再生利用全透式沥青路面结构，其特征在于，
所述细粒式钢渣透水沥青混合料为PAC-10钢渣透水沥青混合料或PAC-13钢渣透水沥青混合料，所述中粒式钢渣透水沥青混合料为PAC-16钢渣透水沥青混合料或PAC-20钢渣透水沥青混合料；钢渣透水沥青混合料由集料、高黏度改性沥青和矿粉按一定比例组成，所述矿粉占钢渣透水沥青混合料质量的1～5％，所述高黏度改性沥青占钢渣透水沥青混合料材料质量的4.0～5.5％，余者为集料；
所述PAC-10钢渣透水沥青混合料集料由9.5mm～13.2mm、4.75mm～9.5mm、2.36mm～4.75mm、0～2.36mm四级钢渣组成，四级钢渣占钢渣透水沥青混合料质量比例分别为2～10％、30～40％、40～50％，8～16％；
所述PAC-13钢渣透水沥青混合料集料由9.5mm～15mm、4.75mm～9.5mm、2.36mm～4.75mm、0～2.36mm四级钢渣组成，四级钢渣占钢渣透水沥青混合料质量比例分别为24～34％、47～50％、7～10％，7～14％；
所述PAC-16钢渣透水沥青混合料集料由15mm～20mm、9.5mm～15mm两级石料和4.75mm～9.5mm、2.36mm～4.75mm、0～2.36mm三级钢渣组成；所述PAC-20钢渣透水沥青混合料集料由15mm～25mm、9.5mm～15mm两级石料及4.75mm～9.5mm、2.36mm～4.75mm、0～2.36mm三级钢渣组成。
4.如权利要求1所述资源再生利用全透式沥青路面结构，其特征在于，所述PAC-16钢渣透水沥青混合料或PAC-20钢渣透水沥青混合料集料由石料和钢渣混合组成，由于两种集料密度差异，进行组成设计时，为保证钢渣透水沥青混合料透水性能，需进行质量换算，换算方法如下：假设所述集料由n种材料组成，第n种材料的换算级配比例为其中ai为第i种材料的设计级配比例，γi为第i种材料的毛体积相对密度。
5.如权利要求3所述资源再生利用全透式沥青路面结构，其特征在于，所述钢渣压碎值＜18％，吸水率＜3％，所述沥青为高黏改性沥青，60℃动力黏度≥40000Pa.s。
6.如权利要求1所述资源再生利用全透式沥青路面结构，其特征在于，所述基层总厚度为8～40cm，再生骨料透水水泥混凝土、再生骨料骨架孔隙水泥稳定碎石空隙率为15％～25％。
7.如权利要求7所述资源再生利用全透式沥青路面结构，其特征在于，所述用于基层的再生骨料透水水泥混凝土或再生骨料骨架孔隙水泥稳定碎石技术要求如下：公称最大粒径≤31.5mm，微粉含量＜3.0％，泥块含量＜1.0％，吸水率＜8.0％，针片状颗粒＜10.0％，杂物含量＜1.0％，坚固性＜15.0％，压碎指标＜30.0％，表观密度＞2250kg/m3，松散堆积空隙率＜53％，硫化物及硫酸盐＜2.0％。
8.如权利要求1所述资源再生利用全透式沥青路面结构，其特征在于，所述垫层材料采用再生砖石或级配再生骨料碎石，厚度为15～20cm，压实后空隙率不小于15％，再生砖石或再生骨料碎石技术要求如下：公称最大粒径≤37.5mm，针片状颗粒＜20.0％，压碎指标＜35.0％。
9.如权利要求1所述资源再生利用全透式沥青路面结构，其特征在于，所述路面结构的厚度应满足：
<mrow> <mi>H</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mo>(</mo> <mi>i</mi> <mo>-</mo> <mn>3600</mn> <mi>q</mi> <mo>)</mo> <mi>t</mi> </mrow> <mrow> <mn>600</mn> <mi>v</mi> </mrow> </mfrac> </mrow>
式中：H—路面结构总厚度，mm；
i—设计降雨强度，mm/h；
q—土基渗透系数，mm/s；
t—降雨持续时间，min；
v—路面结构平均有效孔隙率，％。
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