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锶盐废渣在农村公路中的应用技术

时间:2013-10-10 16:43来源:信息处 作者:admin 点击:

1.概述
  农村公路是国家公路网的重要组成部分。在我国西部地区,地广人稀,农村公路是广大农村最主要甚至是唯一的运输方式。改革开放30多年来,西部地区农村公路建设取得了可喜成绩,但农村公路总量不足、通达深度不够、技术等级低、抗灾能力弱的问题仍很突出,不能适应农村经济发展和农民生产生活的需要。因此,“十一五规划”把建设社会主义新农村作为“十一五”期间政府的一项首要任务,明确要求加快农村公路基础设施建设。资金问题是农村公路发展的关键。然而我国农村公路建设面广量大,筹资渠道有限,建设资金缺乏。在此背景下,充分开发利用工业废材、废渣来进行农村公路建设可以降低农村公路造价,在农村公路建设中具有良好推广前景。
   我国广阔的西部地区矿产资源丰富。经过调研,发现目前锶矿在西部地区分布广、储量丰富。锶盐生产过程中会产生大量的废渣,每10万吨的碳酸锶产品,将产生大约80万吨的锶渣。目前国内锶盐产品2005年底已达50多万吨,仅重庆地区就有碳酸锶生产企业15家,每年产生的锶渣近250万吨,整个西部地区年产锶渣近500万吨。据不完全统计,目前累计遗弃于渣场的锶渣数量已达4000多万吨。这些锶渣长时间弃置于渣场,既得不到合理利用,又占用大量的土地,在自然风雨作用下,融入溪水、河流中,污染环境,如能发掘其路用价值,将其开发并用于修建农村公路,无论从环保还是降低农村公路造价方面来讲,都具有重要现实意义。



本课题在锶盐废渣物理、化学特性研究基础上,评价锶盐废渣路面对环境影响,探讨锶盐废渣混合料强度形成机理,对农村公路锶盐废渣路面的材料组成设计、典型结构以及施工工艺进行系统研究,提出《农村公路锶盐废渣路面设计、施工应用技术指南》,为锶盐废渣在农村公路中的推广应用提供切实可行的技术指导。

2.主要研究内容

2.1 锶盐废渣材料特性研究

该分课题对锶渣物理、化学特性及其活性激发进行了系统研究。

2.1.1 锶盐废渣材料物理化学特性

分别取重庆大足、青海大风山锶盐废渣样品,用能谱分析仪、X射线衍射仪、热重分析仪、扫描电镜、化学分析等方法对锶盐废渣的化学成分、矿物成分、微量元素、微观形貌进行了分析,表明锶渣是一种具有活性效应的碱性水淬渣,级配良好,CaO、Al2O3、SiO2、SrO及BaO的存在,使其具有潜在的胶凝特性。


 

2.1.2 锶盐废渣活性研究

①活性对比分析
通过火山灰试验法、28d抗压强度比法,电阻法对锶渣的火山灰活性进行评价,并用胶砂试验进行了强度验证,探讨了锶盐废渣的水化机理。
②活性激发研究
对锶盐废渣进行了3种细度的粉磨,2种温度(800℃、1200℃)煅烧,掺加硅酸钠、氢氧化钠、氯化钙、氯化钠、硫酸、盐酸、硫酸钠等7种激发剂,比较了各种方法的激发效果,表明活性均有较大提升。
③强度增长规律研究
改变3种养护条件(标准养护、水中养护、自然养护),测试了各个养护龄期的胶砂试件的强度,获得了不同养护方式及龄期对锶盐废渣混合料强度增长的影响规律。

2.1.3 锶盐废渣活性激发及应用

通过火山灰试验法、28d抗压强度比法,电阻法对锶渣的火山灰活性进行评价,研究表明:研磨、煅烧及化学激发剂均可大幅度提高锶渣火山灰活性,有很大的工程价值,然而在当前技术经济条件下活性激发会大大提高锶渣的使用成本。随着将来提炼技术的进步与研究的深入,锶渣潜在的价值有可能作进一步挖掘。而在当前的经济技术条件下,可以发挥锶渣现有的优势,将其当作筑路材料能最大程度解决当前西部地区筑路材料缺乏、锶渣污染环境、占用土地资源等矛盾,有利于建设节约型社会和发展循环经济。经综合效益分析,将锶渣作为农村公路路面基层或面层混合料中骨架填充细集料使用。

2.2 锶盐废渣混合料设计及结构组合研究

2.2.1.对锶盐废渣混合料组成设计及路用性能评价

根据目前西部地区农村公路路面基层和底基层常用的材料,经过反复筛选,选择水泥锶渣碎石和石灰锶渣碎石作为基层混合料,选择水泥锶渣混凝土作为硬化面层材料。
①水泥锶渣碎石基层混合料对不同水泥用量的水泥稳定锶渣进行了无侧限抗压强度试验和直剪试验,应用比表面积法对试验结果进行反算,提出水泥锶渣碎石基层水泥用量应为5%。以抗压强度为指标对悬浮密实型和骨架密实型两种类型的六个粗集料级配进行筛选,选择XFZ、XFX、GJS、GJZ四个级配进行性能评价。
通过室内试验,对4种级配水泥锶渣碎石进行了抗压强度、劈裂强度、抗压回弹模量试验,获得了其相关力学参数;进行了水稳定性试验、干缩试验和温缩试验。与半刚性基层的温缩性能相比较,水泥锶渣碎石混合料的最大温缩应变和平均温缩系数都差不多小一个数量级,说明水泥锶渣碎石基层的温缩性能优良。

②石灰锶渣碎石基层混合料
分别按照不同的石灰、锶盐废渣、碎石的比例配制混合料,通过击实试验、表面振动压实试验确定最大干密度和最佳含水量,以无侧限抗压强度作为混合料组成设计指标,获得推荐配合比为8:32:60(石灰:锶渣:碎石),并进行了无侧限抗压强度、劈裂强度、CBR、收缩性能和水稳定性试验评价。
③水泥锶渣混凝土
基于正交试验,推荐级配为:8%水泥,渣率33 %,规范中值级配,13%用水量。并进行了综合路用性能测试。基于电测法,进行干缩、温缩、极限弯拉应变等试验。引入抗裂系数指标,对锶渣路面的抗裂性进行了定量评价,试验结果如表1所示,研究表明,锶渣路面的干缩抗裂能力为普混凝土的2.76倍,温缩抗裂能力为普通混凝土的2.83倍,抗裂性能大大优于普通混凝土。
表2.1 锶渣混凝土抗裂性能评价
参数指标 极限拉应变
(×10-6
温缩系数
(×10-6
干缩系数
(×10-6
温缩抗裂系数
(℃)
干缩抗裂系数
(%)
锶渣混凝土 147 5.2 280 28.3 0.525
普通C30混凝土 100 10 526 10 0.19
本研究从力学分析和材性分析两方面对锶渣混凝土路面不切缝机理进行了探索。力学分析表明,锶渣混凝土路面在荷载应力、翘曲应力共同作用下不会开裂。材性分析表明,锶渣混凝土大孔隙率的潜在收缩、SO3含量偏高的潜在膨胀这两个易产生工程病害的特性互相弥补,使得锶渣混凝土路面不需切缝。接缝是普通水泥混凝土路面的薄弱环节,而在水泥用量不超过290kg/m3情况下,锶渣路面完全可以不切缝,因而锶渣混凝土路面发生破裂、错台、脱空等病害的可能性大幅度降低,且能完全避免普通混凝土路面切缝过早或不及时对路面造成的危害,从而大大提高了锶渣路面的耐久性,同时减少了施工工序,降低了路面施工和养护成本,经济社会效益显著,非常适用于西部地区农村公路。

2.2.2.农村公路锶盐废渣路面典型结构研究

①通过对大足县24个乡镇数十条农村公路的现场调研,对土基强度和交通量进行了分级。
②分析了土基模量、基层厚度、面层厚度等关键因素对锶渣基层沥青路面性能的影响规律。分析了面层厚度、荷载、土基模量等关键因素对水泥锶渣混凝土路面性能的影响规律。
③根据力学计算及农村公路路面使用特点,推荐了24种适用于不同交通量和土基状况的锶渣基层沥青路面和锶渣混凝土路面典型结构。

2.3 锶盐废渣路面实体工程修筑技术及跟踪检测

铺筑了30公里乡道试验路及30公里村道试验路,并应用本课题研究成果,自2006年起在重庆市24个乡镇指导修筑了400余公里实体工程。经单价分析,锶渣基层与同类型半刚性基层相比能降低造价24%,锶渣混凝土路面比普通混凝土路面降低造价56.5%,累计节省工程投资2000余万元。


对试验路段进行了弯沉、钻芯、平整度等路面检测,并对实体工程进行了裂缝及破损状况的全程跟踪调研。反映了锶渣混凝土路面强度不高,但很少啃边、麻面、裂缝、断板等病害,锶渣基层沥青路面基本没有出现坑槽、松散等病害,表明锶渣路面耐久性良好,完全能承担西部地区农村公路小交通量情况下交通运输任务,能够满足西部地区农村的经济发展需求,也可以适应西部地区自然气候条件,是一种具有极大推广价值的的农村公路路面型式。



2.4 锶盐废渣路面环境影响评价
①对锶渣进行了放射性核素分析,测试其放射性核素比活度,与国家标准规定值及其他建筑材料的放射性进行了对比。
②锶渣筑路是对锶渣的封闭与固化,即对锶渣的稳定化处理,不会产生污染扩散,不会对周围植物生长、水产养殖、农田生产以及居民生活产生影响。



 

2.5 锶盐废渣路面设计、施工应用技术指南
综合上述研究内容,编制了《农村公路锶盐废渣路面设计、施工应用技术指南》,主要包括农村公路水泥锶渣碎石基层、石灰锶渣碎石基层和水泥锶渣混凝土的组成设计方法、锶盐废渣路面典型结构和锶盐废渣路面施工工艺。

 

 


3.主要研究结论及创新点

3.1主要研究结论

3.1.1 对锶渣物理、化学特性及其活性效应进行了系统研究

①SEM微观分析和化学成分分析表明,锶渣是一种具有活性效应的碱性水淬渣,CaO、Al2O3、SiO2、SrO
及BaO的存在,使锶渣具有潜在的胶凝特性,加上锶渣级配良好,工程实际中完全可以实现锶渣资源化利用。
②随着将来提炼技术的进步与研究的深入,锶渣潜在的价值有可能作进一步挖掘。而在当前经济技术条件下,将其当作筑路材料有利于建设节约型社会和发展循环经济。而三种活性激发均可大幅度提高锶渣火山灰活性,有很大的工程价值,然而在当前技术经济条件下活性激发会大大提高锶渣的使用成本。经综合效益分析,将锶渣作为农村公路路面基层或面层混合料中的骨架填充细集料使用。

3.1.2 对锶渣路面材料组成设计及路用性能进行了研究

①研究了水泥锶渣碎石基层混合料、石灰锶渣碎石基层混合料以及锶渣混凝土混合料的组成设计及路用性能,尽管锶渣路面强度不高,但其变形性能好,二灰基层温缩系数为24.01,而锶渣基层温缩系数为2.69,温缩性能大大优于常见稳定类废渣路面,综合路用性能也能够达到农村公路要求。
②平直路段的锶渣混凝土路面水泥掺量为8%,陡坡和弯道等特殊路段为适应动载和偏载要求,水泥用量提高至10%,与普通水泥混凝土相比每立方米混合料可节约水泥110~160kg。尽管弯拉强度只有2.1MPa,但经现场调研,在西部地区小交通量的农村公路,荷载往往不是路面破坏的主要因素,现有的锶渣路面能够满足使用要求。而锶渣混凝土弹性模量为普通混凝土的37%,锶渣混凝土是一种半柔性材料,具有良好的变形能力,抗裂性能优异。

3.1.3 对锶渣路面对环境的影响进行了评价

①锶渣中不含有重金属元素,放射性核素比活度远远低于国家标准规定值,且比其他建筑材料的放射性低得多。
②锶渣筑路是对锶渣的封闭与固化,即对锶渣的稳定化处理,不会产生污染扩散,不会对周围植物生长、水产养殖、农田生产以及居民生活产生影响

3.1.4 对农村公路上锶渣路面的合理结构进行了研究

①路面设计中《沥青路面设计规范》规定半刚性基层基层系数取1.6,柔性基层取值1.0,而锶渣基层既不能等同于常见的半刚性基层,也非柔性基层,其弹性模量仅为半刚性基层的45%,经计算锶渣基层系数Ab取值为1.2更符合锶渣道路的实际。解决了基层类型的变化与基层系数的取值之间缺乏有效关联的问题。
②根据农村公路路面使用特点进行了锶渣路面设计,基于正交试验设计明确了锶渣路面性能的关键影响因素。推荐了24种适用于不同交通等级和土基状况的锶渣基层沥青路面和锶渣混凝土路面典型结构。
③接缝是普通水泥混凝土路面的薄弱环节,而在水泥用量不超过290kg/m3情况下,锶渣路面完全可以不切缝,因而锶渣混凝土路面发生破裂、错台、脱空等病害的可能性大幅度降低,且能完全避免普通混凝土路面切缝过早或不及时对路面造成的危害,从而大大提高了锶渣路面的耐久性,同时减少了施工工序,降低了路面施工和养护成本,经济社会效益显著,非常适用于西部地区农村公路。
④从力学分析和材性分析两方面对锶渣混凝土路面不切缝机理进行了探索。力学分析表明,锶渣混凝土路面在荷载应力、翘曲应力共同作用下不会开裂。材性分析表明,锶渣混凝土大孔隙率的潜在收缩、SO3含量偏高的潜在膨胀这两个易产生工程病害的特性互相弥补,使得锶渣混凝土路面不需切缝。

3.1.5 对锶渣路面施工工艺、质量控制进行了研究,并对其经济性进行了评价,同时对锶渣
路面的路用性能进行了跟踪检测

①铺筑了30公里乡道试验路及30公里村道试验路,并应用本课题研究成果,自2006年起在重庆市24个乡镇指导修筑了400余公里实体工程。总结了水泥锶渣碎石基层、石灰锶渣碎石基层和锶渣混凝土路面的施工工艺及质量控制要点。
②对试验路段进行了弯沉、钻芯、平整度等路面检测,并对实体工程进行了裂缝及破损状况的全程跟踪调研。反映了锶渣混凝土路面强度不高,但很少啃边、麻面、裂缝、断板等病害,锶渣基层沥青路面基本没有出现坑槽、松散等病害,表明锶渣路面耐久性良好,完全能承担西部地区农村公路小交通量情况下交通运输任务,能够满足西部地区农村的经济发展需求,也可以适应西部地区自然气候条件,是一种具有极大推广价值的的农村公路路面型式。
③国内外同行及专家对锶渣路面给予了高度评价,日本长岗科技大学丸山晖彦教授亲临试验路段对本项目研究成果给予了充分肯定,西部交通建设科技项目“三峡库区固体废弃物修筑农村公路技术”专家组前往试验路段考察锶渣路面修筑技术,新华网、人民网、中国交通报等主流媒体都报过锶渣路面的成功应用。

3.2 创新点

①系统研究了水泥锶渣碎石、石灰锶渣碎石、锶渣混凝土3种混合料的组成及路用性能,首次对锶渣路面的抗裂性能进行了定量评价,首次揭示了锶渣路面不切缝机理,首次明确了锶渣路面不切缝的最大水泥掺量。
②根据西部地区农村公路交通水平、地质及气候条件,推荐了3种类型、24种锶渣路面典型结构。铺筑了60公里试验路, 指导修筑了400余公里的实体工程,总结了方便实用的锶渣路面施工工艺和施工质量控制要点,提出了《农村公路锶渣路面修筑技术指南》。

4.经济社会效益及推广前景

4.1 经济社会效益

一方面,锶渣基层与同类型半刚性基层相比能降低造价24%,锶渣混凝土路面比普通混凝土路面降低造价56.5%。在课题研究成果的指导下铺筑的400余公里锶渣路面实体工程,累计节省工程投资2000余万元,预计在“十一五”期间重庆市锶盐废渣产区将硬化农村道路1000公里,采用锶渣路面可节约资金约5000万元,具有十分显著的经济效益和社会效益。
另一方面,将锶盐废渣用于筑路,避免集中堆存造成的侵占土地,减少了对土壤、水体和大气的污染,避免了对生态环境的严重影响。

4.2 推广前景

根据项目研究成果,编制了《农村公路锶盐废渣路面设计、施工应用技术指南》,主要包括农村公路水泥锶渣碎石基层、石灰锶渣碎石基层和水泥锶渣混凝土的组成设计方法、锶盐废渣路面典型结构和锶盐废渣路面施工工艺。研究成果已比较成熟,可以直接推广应用。
锶渣道路的推广不仅解决了废渣的污染、堆放占用土地资源等问题,还为修筑农村公路节省造价提供了一条有效途径,具有极大的应用价值。

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