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固废修筑农村公路技术

时间:2013-10-10 16:45来源:信息处 作者:admin 点击:

1 立项背景
三峡地区地处长江上游,西起江津市,东至宜昌市,面积5.99万平方公里,人口1600万,沿长江狭长分布,是长江沿江地区经济带的重要组成部分,在促进长江沿江地区经济发展和我国东、西部地区的经济交流中占有十分重要的位置。然而,重庆三峡库区的经济发展严重滞后,经济发展水平只相当于全国平均水平的62%,也低于西部地区的平均水平。目前库区公路建设尤其是农村公路网通达深度不够、边远山区不通公路,交通闭塞,资源未能得到开发利用等情况,越来越不适应农村社会经济的发展需求。截至2007年底,重庆三峡库区农村公路通乡通畅率、通村通达率和通村通畅率分布只有59.8%,47.2%和23.3%。库区还有大量的农村公路需要新改建,因此需要大笔基础建设资金投入。
   另一方面,重庆市沿长江两岸堆放了大量工业固体废弃物,直接威胁库区生态环境。而据以往众多的研究结果,这些固体废弃物中有很大部分是可以作为土木建筑材料加以利用,如果将其与库区农村公路建设相结合,不仅可以减轻库区工业固体废弃物对环境造成的压力,而且还能降低库区农村公路建设的成本,改善农村公路建设资金极度紧缺的现状。
   在上述背景下,本项目基于课题组前期对固体废弃物资源化利用的大量研究,提出将“PLS胶凝体系”(由P组分——火山灰质材料,L组分——碱性钙质材料和S组分——硫酸盐类材料组成,三者按照一定比例与水混合后,可凝结硬化的胶凝系统)作为库区固体废弃物利用的指导理论,将库区三类固体废弃物组合使用作为农村公路路面面层混凝土的胶凝材料,旨在为库区农村建设找到一条既实用又较为经济的途径,并为库区固体废弃物资源化和减轻环境压力寻找新的方法。
2 研究内容与主要结论和成果
项目研究分三个专题:(1)库区农村公路路面固体废弃物新材料研究。主要调研库区废弃物的分布、类型,研究其性能特点,并利用这些废弃物以PLS胶凝理论进行新材料开发,并研究胶凝体系的各项性能及影响因素;
(2)库区农村公路固体废弃物路面性能与结构设计研究。即在专题一研究基础上,进行PLS混凝土配合比设计,并研究其各项路用性能,最后进行结构分析和设计,提出PLS混凝土路面典型结构;(3)库区农村公路固体废弃物路面施工工艺研究与工程示范。以下对研究结论和取得的成果进行简单阐述。
2.1 三峡库区工业废弃物与农村公路调研
(1)工业固体废弃物分布、类型调研
三峡库区固体废弃物类型较多,排放量比较大的有采煤业的尾矿煤矸石、钢铁冶炼后的矿渣、燃煤发电厂的灰渣以及其他金属冶炼废渣如电解锰渣等。本项目根据PLS胶凝机理重点对库区排放量大而研究利用较少的工业固体废弃物流化床固硫灰、湿排粉煤灰、电石渣、磷石膏和电解锰渣进行调查研究,最终取得三峡库区重庆境内这些固体废弃物的分布情况,如图2.1所示。

图2.1三峡库区重庆境内主要固体废弃物分布图
(2)农村公路基本情况调研
根据项目组的调查结果,现有农村公路路基回弹模量30MPa~90MPa,其差异性大,承载能力不均;农村公路通畅工程以沥青路面和水泥路面为主,通达工程以泥结碎石路面为主,如图2.2和2.3所示。


图2.2三峡库区农村公路(表格统计82647公里)路面铺装情况统计
三峡库区农村公路交通量分布极不均匀,经济欠发达地区、等级低的农村公路交通量小,主要以农用中小货车、小客车、摩托车为主,如图2.4所示。

图2.4 不同等级公路日交通量平均值

2.2 固体废弃物性能研究
项目对流化床固硫灰、湿排粉煤灰、电石渣,磷石膏和电解锰渣各项性能进行了系统研究。研究分析表明:
(1)流化床固硫灰是一种微观形貌和化学组成异于普通粉煤灰的废弃物,由于其含硫量通常较高,而且通常与其中CaO含量和SO3含量呈正相关关系,即SO3越高,CaO含量也越高。固硫灰与粉煤灰类似,其含有大量活性SiO2和Al2O3,且活性比粉煤灰要高。因此当固硫灰中含有较高的氧化钙和硫酸钙时,只要控制得当仍然是一种很好的火山灰质材料;
(2)经过实验室长期对粉煤灰进行湿排模拟实验后,通过研究其微观形貌、活性组分的变化,结果表明,对于氧化钙含量较低的粉煤灰,即使泡水数年,仍具有比较高的火山灰活性,普通低钙粉煤灰湿排2年时其活性下降最大不足10%,仍然可以作为PLS系统中的火山灰质组分使用;
(3)电石渣是一种含水率高达40%以上、富含Ca(OH)2的固体废弃物,通常其有效CaO含量大于60%,可作为PLS系统中的碱性钙质材料来使用;
(4)磷石膏由于其含有少量P,Si,F等杂质造成其作为建筑石膏时的应用困难,但本项目研究表明由于其含有大量二水石膏(一般高达90%以上),所含杂质对其作为PLS胶凝体系硫酸盐激发剂时无明显影响;
(5)电解锰渣中硫酸盐以多种形态存在。这些硫酸盐主要为二水石膏,但也有较高比例的其他可溶性硫酸盐。电解锰渣中硫酸盐含量高达20%以上,因此也可以作为PLS胶凝体系硫酸盐激发剂。
2.3 PLS胶凝体系研究
(1)通过实验研究发现PLS胶凝体系中,火山灰质材料通常应占70%~80%,碱性钙质材料如石灰或电石渣应
占20%~30%,而硫酸盐折合成SO42-一般外掺1.5%~3%;
(2)利用XRD,SEM分析手段对PLS胶凝体系不同龄期水化产物分析发现PLS胶凝体系水化产物与水泥水化产
物类似,主要为C-S-H凝胶,AFt,AFm等;
(3)PLS胶凝体系水化速度较普通硅酸盐水泥缓慢,早期强度低,凝结时间也比水泥长;虽然其早期和后期强
度均不及32.5R级普通硅酸盐水泥,但该随着龄期的增长,其强度不断发展,且相同龄期下其抗折/抗压强度的比
值是普通水泥的两倍;
(4)环境性能方面,通过对项目所用的原材料分析发现,这些材料中仅电解锰渣中Mn2+浸出浓度超标。试验表
明,当将电解锰渣作为硫酸盐激发剂用于PLS胶凝体系中时,PLS胶凝体系较高的密实度和强碱性条件对Mn2+
稳定固化效果较好,可满足相关标准要求;
(5)通过机械粉磨提高粉煤灰的细度,PLS胶凝体系强度得到显著提高;水洗和石灰中和的方式对磷石膏进行除
杂质改性后,磷石膏的溶解性能可接近与天然石膏;减水剂可显著降低PLS胶凝体系吸水性,并可提高流动性;
在PLS胶凝体系中掺入少量水泥可获得更好的力学性能,根据使用要求,一般水泥用量不宜低于总胶凝体系质量
的30%;
(6)通过对库区固体废弃物进行研究后,项目开发出以下四种胶凝体系“粉煤灰—电石渣—硫酸钠”、“粉煤灰—
电石渣—磷石膏”、“固硫灰—电石渣—硫酸钠”、“固硫灰—电石渣—锰渣”,在碱性钙质材料缺乏的地区可使用普
通水泥取代电石渣,利用水泥自身强度和水化产生的氢氧化钙对燃煤灰渣进行活性激发。
2.4 PLS混凝土配合比设计与路用性能研究
(1)以正交试验为设计基础,混凝土的耐久性为设计目标,通过正交试验确定出了较优的配合比组合。根据试验分析,提出了PLS路面混凝土的配合比计算方法;通过正交试验分析,初步确定PLS路面混凝土的较佳设计参数;粉煤灰、电石渣掺量对PLS混凝土的后期抗折强度、抗压弹性模量影响较大,水胶比对PLS混凝土后期抗压强度影响较大;根据PLS混凝土单位用水量较大的特性,为了保证PLS混凝土耐久性,给出了PLS路面混凝土水胶比不宜超过0.6,PLS胶凝材料用量300~500kg/m3的建议;
(2)PLS混凝土28d的抗折强度2.2~3.3MPa,且随龄期逐步增长,能满足低交通量农村公路力学性能的要求;PLS混凝土不同龄期折压比均大于水泥混凝土,与水泥混凝土相比,具有较好的柔性;
(3)随着龄期的增长,PLS混凝土的抗渗性不断提高;模拟三峡库区冬季气温特点,将冻结和融化温度控制在-5℃±2℃和10℃±2℃冻融循环50次后质量损失远小于5%,强度损失小于25%,满足三峡库区气候条件下的路面抗冻性要求;
(4)水泥掺量150kg/m3的PLS混凝土60天龄期的磨损量与水泥掺量360kg/m3的C30水泥混凝土接近;PLS混凝土随着龄期的发展,耐磨性逐渐提高,能满足农村公路低交通量的要求;
(5)PLS混凝土干缩系数随龄期发展缓慢增长,在PLS混凝土路面施工过程中,应保湿养生14天以上,以减少裂缝的产生;
(6)通过对PLS混凝土路用性能的研究,建议水泥高掺(≥6%混凝土)的PLS混凝土适用于低交通量农村公路路面面层;全固废PLS混凝土宜用于农村公路路面基层。
2.5 PLS混凝土路面结构设计研究
项目通过有限元计算及拟合分析,得到标准轴载作用下PLS混凝土路面荷载应力的实用计算公式
 

,PLS混凝土路面温度应力计算公式;并对不同轴
载、轮型的计算结果进行回归,得出单轴单轮荷载应力计算公式,单轴双轮荷载应
力计算公式,依据等效疲劳的原则得出PLS混凝土路面的轴载换算公式。
在此基础上,提出以PLS混凝土路面结构设计以弯曲开裂为破坏状态,以荷载疲劳应力和温度梯度作用产生的疲劳
应力之和不超过PLS混凝土弯拉强度为设计标准;结合PLS混凝土路面材料设计参数,提出了三种配合比:水泥
高掺量PLS混凝土、水泥低掺量PLS混凝土和全固废PLS混凝土(各自水泥掺量为混凝土质量的6.4%、3.2%和
0%)下适宜于三峡库区具体条件的路面典型结构,如表2.3~2.5。
表2.1 水泥高掺量PLS废渣混凝土路面典型结构

注: Ns——设计基准期初期的标准轴载日作用次数;
Ne——标准轴载当量作用次数;

手摆片石层厚度不宜小于25cm。
表2.2 低掺量PLS废渣混凝土路面典型结构

注: Ns——设计基准期初期的标准轴载日作用次数;
Ne——标准轴载当量作用次数;
手摆片石层厚度不宜小于25cm。
表2.3 全固废PLS废渣混凝土路面典型结构

注: Ns——设计基准期初期的标准轴载日作用次数;
Ne——标准轴载当量作用次数;
手摆片石层厚度不宜小于25cm。
2.6 PLS混凝土施工工艺研究
经过施工工艺研究,解决了一些实际施工中的问题,取得了以下结论和成果:
(1)PLS混凝土三类胶凝材料通常含水率高而呈团聚状,通过优化搅拌工艺即通过将原材料分批投料搅拌,可解决各种物料均匀分散的问题;
(2)PLS混凝土施工可选择与普通水泥混凝土路面施工类似的工艺——浇注施工工艺和碾压施工工艺;
(3)PLS混凝土由于其早期强度较低,因此需要加强早期养护。一般根据实际情况1~3天必须切收缩缝;现场试验发现,PLS混凝土路面切缝长度可延至10m而不发生断板,通常PLS混凝土路面锯缝间隔夏季可为6~8m,春秋季节可适当延厂切缝间隔;PLS混凝土强度发展慢,因此需要在成型后洒水养护或保湿至14天;
(4)PLS混凝土的最佳养护工艺为:混凝土初凝结束后应立即覆盖薄膜进行保湿养护,薄膜养护一天后,改为稻草覆盖洒水养护,而薄膜可重复利用;
(5)经试验路实践发现,当用PLS混凝土全固废方案作路面面层时,很可能出现耐磨性不良的问题,但从全固废的实际强度出发,该方案完全满足作为基层材料的要求;
(6)在总结室内试验和实际施工中的经验基础上,完成了指导项目推广应用的路面设计和施工指南。


2.7  工程示范

项目共计完成总长为30.95km的试验路示范工程,表2.6为试验路基本概况和运行18个月后的路面外观。表2.4 部分试验路基本概况
试验路段 试验路目前外观 概况 试验路段 试验路目前外观 概况 试验路段 试验路目前外观 概况
焦太路
 
长寿渡舟镇,总长度1100m,厚度20cm,宽度3.5m,碾压施工工艺。 致马路
 
涪陵李渡,总长度1800m,厚度22cm,宽度5m,浇注施工工艺。 焦太路
|水泥低掺量
长寿渡舟镇,总长度300m,厚度20cm,宽度3.5m,浇注施工工艺。
焦太路
|
水泥高掺量
长寿渡舟镇,总长度2600m,厚度20cm,宽度3.5m,浇注施工工艺。 新立路
 
涪陵李渡马鞍镇,总长度2700m,厚度20cm,宽度3.5m,浇注施工工艺。 崇石路
 
涪陵焦石镇,悦龙路10.4km,宽3.5m;崇石路12.9km,厚度均为22cm,宽5m,浇注施工

3 效益评价
与C30水泥混凝土相比,施工期间水泥高掺量PLS混凝土材料造价比C30水泥混凝土相比平均节约25%,经核算本项目修筑的总长为30.95km的试验路总计节约成本105万元,而在当前在水泥价格不断上涨的情况下,PLS混凝土具有更明显的经济优势。同时本项目共计节约水泥5万多吨,利用固体废弃物6万多吨,为企业节约了废弃物处理成本和废弃物处理占地,其环境效益十分明显。
4 创新点
(1)系统研究了流化床固硫灰、湿排粉煤灰、磷石膏、电解锰渣等工业固体废弃物的性能,首次研究开发了新型PLS胶凝体系,为固体废弃物在三峡库区农村公路建设中的资源化利用奠定了基础。
(2)首次对PLS混凝土的路用性能进行了系统研究,实际工程应用表明,PLS混凝土满足农村公路路面使用要求。
(3)提出了PLS混凝土路面荷载应力、温度应力计算公式,以及PLS混凝土路面的轴载换算公式;提出了适宜于三峡库区交通水平、地质及气候条件的PLS混凝土路面典型结构,并给出了不同典型路面结构最大限载的建议。
(4)针对PLS混凝土的特点,提出一套简单实用的施工工艺和方法。




 


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