一种全结构使用铁尾矿的沥青路面结构及其施工方法 |
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| 申请号 | CN202410272405.4 | 申请日 | 2024-03-11 | 公开(公告)号 | CN117988188A | 公开(公告)日 | 2024-05-07 |
| 申请人 | 南京宝地梅山产城发展有限公司矿业分公司; 东南大学; | 发明人 | 严刘学; 高英; 陆少华; 张祖刚; 李颖松; 甘茂武; 李锋; 田刚; 王晓明; 姚礼轲; 魏子尧; | ||||
| 摘要 | 一种全结构使用 铁 尾矿 的 沥青 路面结构及其施工方法，旨在实现道路建设材料的资源化利用，提升道路性能的同时降低环境影响。该结构从下到上包括路 基层 、路面基层和 面层 ，全部或部分由铁尾矿材料构成。路基层完全由石灰稳定铁尾矿土替代传统石灰稳定土；路面基层由铁尾矿替换等粒径 水 稳碎石中的细集料；沥青面层采用铁尾矿部分替代沥青混合料中的矿粉。铁尾矿颗粒具有特定的粒径分布、塑性指数和有机质含量，以及铁、 硅 、 钙 、 铝 等元素的特定比例。此外，本 发明 还包括不同等级城市道路各层位对应的厚度取值范围、铁尾矿混合料的制备等。本发明为城市沥青道路提供了一种环保、经济且高性能的新型道路结构和施工方法，具有广泛的应用前景。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种全结构使用铁尾矿的沥青路面结构，包括从下而上摊铺的路基层(1)、路面基层(2)和面层(3)，路面基层(2)包含水稳碎石，面层(3)包括沥青混合料，其特征在于，所述路基层(1)为由石灰稳定铁尾矿土完全替代传统石灰稳定土的石灰稳定铁尾矿土层；路面基层(2)为用铁尾矿等比例替代水稳碎石中的2mm以下细粒径碎石后所形成的水稳碎石尾矿层；面层(3)为采用铁尾矿代替沥青混合料中的矿粉而形成的铁尾矿沥青混合料层。 |
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| 说明书全文 | 一种全结构使用铁尾矿的沥青路面结构及其施工方法技术领域[0001] 本发明属于道路建设及工业固废处理技术领域，具体涉及一种全结构使用铁尾矿的沥青路面结构及其施工方法。 背景技术[0002] 铁尾矿作为一种广泛存在的工业废弃物，是炼铁工业中选矿工艺的副产品，为矿山开采的原铁矿石经过选矿或者其他工艺回收精铁矿后排放的废弃固体物料。不断增多的废弃尾矿造成了一系列的社会问题。一方面，大量的铁尾矿被堆积在尾矿坝中，占用了大量建筑或农业用地，给政府和管理企业带来了沉重的财政负担，造成了一系列如土壤污染、水污染的生态问题；另一方面，尾矿颗粒间得吸附力一旦减小，在堆积的过程中可能会发生流动和滑塌破坏等现象，尾矿坝坍塌的潜在风险可能危及周围居民的人身安全。种种迹象表明，目前对于铁尾矿的处理仍处于一种低效、非环保且不经济的阶段。 [0003] 在传统的沥青路面建设中，使用的材料主要包括天然砂石、碎石等。然而，所有这些矿物皆属于不可再生资源，给自然环境带来了巨大的负担。随着自然资源的日益紧张和环境保护的重视，寻找替代传统材料的新型材料成为了道路建设领域的重要课题。根据铁尾矿的物理和化学成分分析，以及相关理论和实验数据，可以推论铁尾矿具备作为道路材料使用的二次资源潜力。 [0004] 因此，开发一种全结构使用铁尾矿的沥青路面结构型式，不仅可以优化道路建设材料的选择，还能提升道路性能，同时具有重要的环保和经济价值。然而，现有技术中对铁尾矿的利用多集中在其作为路基土部分替代材料的应用，而对于其在全路面结构的全面利用尚未形成系统的应用方案，特别是关于如何在各层道路结构中应用铁尾矿的具体方法。 发明内容[0005] 解决的技术问题：针对上述技术问题，本发明提供一种全结构使用铁尾矿的沥青路面结构及其施工方法，利用铁尾矿作为主要材料，替代传统沥青路面中的路基土、细粒径水稳碎石，以及沥青碎石中的矿粉，改变了传统沥青路面对天然砂石的依赖，实现了铁尾矿的全面高效应用，大幅度减少工业废弃物的堆积，同时，还能优化路面的稳定性、耐久性和环境适应性，在经济和环保方面带来显著的益处。 [0006] 技术方案：一种全结构使用铁尾矿的沥青路面结构，包括从下而上摊铺的路基层、路面基层和面层，路面基层包含水稳碎石，面层包括沥青混合料，所述路基层为由石灰稳定铁尾矿土完全替代传统石灰稳定土的石灰稳定铁尾矿土层；路面基层为用铁尾矿等比例替代水稳碎石中的2mm以下细粒径碎石后所形成的水稳碎石尾矿层；面层为采用铁尾矿代替沥青混合料中的矿粉而形成的铁尾矿沥青混合料层。 [0007] 作为优选，所述铁尾矿为最大粒径不大于2mm，粒径在0.075mm的铁尾矿颗粒占总质量的70％以上，塑性指数范围在16‑20间，有机质含量在5％以下的铁尾矿颗粒。 [0008] 进一步地，所述铁尾矿对于要求浓度限值较低的重金属元素铬、镉、铅，铁尾矿浸出液中含量分别为2.28μg/L、0.27μg/L、0.20μg/L，远低于标准限制，可用于道路建设。 [0009] 所述铁尾矿颗粒铁元素(Fe)占比为20％‑23％，硅元素(Si)占比为11％‑13％，钙元素(Ca)占比为10％‑12％，铝元素(Al)占比为5％‑6％，其余各元素占比均在5％以下，含量较小，且不含重金属等土壤污染物。 [0010] 作为优选，所述路基层按重量份计，其原料包括800～900份铁尾矿、30～40份石灰和80～110份蒸馏水。石灰稳定铁尾矿土路基层所应用铁尾矿土通过特定工艺进行处理，利用石灰作为稳定剂，通过CBR试验调整石灰的添加量，以优化其压实性能和承载能力，保证路面的整体稳定性和耐久性。 [0011] 作为优选，所述路面基层按重量份计，其原料包括200份铁尾矿、800份水稳碎石、50份水泥。铁尾矿的细粒径物料在路面基层的使用量、粒径和混合比例根据路面使用环境和负荷要求，通过抗压回弹模量、无侧限抗压强度实验，根据抗压强度进行优化配置，确保路面基层在具有良好的性能表现。 [0013] 作为优选，所述石灰稳定铁尾矿土层中石灰掺量与铁尾矿的质量比为4％；所述水稳碎石尾矿层中水泥的掺量为4wt％；所述铁尾矿沥青混合料层中铁尾矿代替沥青混合料中的矿粉的比例为50wt％。铁尾矿在面层中的使用量和混合比例根据道路使用寿命和环境条件，通过马歇尔试验进行调整，达到最优的耐久性和性能。 [0014] 作为优选，所述沥青路面结构为城市道路。 [0015] 作为优选，针对不同设计速度下不同道路等级的城市道路，全结构使用铁尾矿的沥青路面结构各层厚度所对应厚度的取值范围(单位：mm): [0016] [0017] 具体如下： [0018] 1)当道路等级为快速路或主干路时，面层厚度为250～100mm，路面基层包括基层和底基层，其中基层厚度为450～200mm，底基层厚度为200～150mm； [0019] 2)当道路等级为支干路时，面层厚度为200～100mm，路面基层包括基层和底基层，其中基层厚度为400～150mm，底基层厚度为200～150mm； [0020] 3)当道路等级为支路时，面层厚度为150～20mm，路面基层包括基层和底基层，其中基层厚度为500～200mm，底基层厚度为200～150mm。 [0021] 基于上述一种全结构使用铁尾矿的沥青路面结构的施工方法，步骤如下： [0022] S01.按照设计配合比将称量的铁尾矿、石灰和蒸馏水混合搅拌均匀，进行焖灰处理后二次翻拌，制备得到石灰稳定铁尾矿土； [0023] S02.在路基地面划分石灰格，将石灰稳定铁尾矿土按照石灰格进行均匀摊铺于道路下承层上，严格控制标高，依次进行粗平、精平与碾压，以达到路基的设计厚度，得到路基层； [0024] S03.将铁尾矿、水稳碎石和水泥充分拌合，得到所需路面基层水稳碎石尾矿材料； [0025] S04.在路基层上分层进行路面基层施工，所述沥青道路结构的路面基层总厚度为0.3m～0.6m； [0026] S05.将基质沥青加热到150～160℃，然后将满足级配要求的碎石、铁尾矿、石灰岩矿粉加入加热后的基质沥青中搅拌均匀，形成铁尾矿沥青混合料； [0027] S06.在路面基层上对铁尾矿沥青混合料进行摊铺和压实操作，使得压实完成后的路面面层厚度达到要求，最终完成对于全结构使用铁尾矿的沥青路面结构的施工。 [0028] 作为优选，铁尾矿在混合前进行特殊处理，包括破碎、筛选和干燥，以适应不同粒径要求和提升其与石灰、水泥及沥青的结合效果。 [0029] 有益效果：本发明路基层应用铁尾矿土通过特定工艺进行处理，利用石灰作为稳定剂以掺料添加，石灰与铁尾矿土颗粒反应，可以使铁尾矿土的微细颗粒形成较大的团粒，填充尾矿中的孔隙，增加尾矿的密实性，从而提高了整体强度。 [0030] 通过CBR实验试验调整石灰的添加量，以达到最佳质量比，优化其压实性能和承载能力，保证路面的整体稳定性和耐久性。最终得到对于路基层所需的石灰稳定铁尾矿土材料，石灰掺量与铁尾矿的最佳质量比为4％。 [0031] 本发明路面基层的铁尾矿的细粒径物料在路面基层的使用量、粒径和混合比例根据路面使用环境和负荷要求，通过抗压回弹模量、无侧限抗压强度实验，根据抗压强度进行优化配置，能够确保路面基层具有良好的性能表现。 [0032] 铁尾矿在面层中的使用量和混合比例根据道路使用寿命和环境条件，通过马歇尔试验进行调整，确定最佳替代比例，以达到最优的耐久性和性能。推荐对于铁尾矿沥青混合料，当铁尾矿替代矿粉比例达到50％时，可同时保证路面稳定性与耐久性。 [0033] 综上，本发明所述沥青路面结构改变了传统沥青路面对天然砂石的依赖，实现了铁尾矿的全面高效应用，能够大幅度减少工业废弃物的堆积，同时，还能优化路面的稳定性、耐久性和环境适应性，在经济和环保方面带来显著的益处。附图说明 [0034] 图1为本发明提供的一种全结构使用铁尾矿的沥青路面结构的施工方法流程图。 [0035] 图2为本发明提供的一种一种全结构使用铁尾矿的沥青路面结构的结构示意图。 [0036] 图3为本发明实施例石灰稳定铁尾矿土CBR实验现场图。 [0037] 图4为本发明实例铁尾矿沥青混合料马歇尔实验仪现场图。 [0038] 图中各数字标号代表如下：1.路基层；2.路面基层；3.面层。 具体实施方式[0039] 为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，接下来，将结合附图和具体实施例对本发明技术方案进行清楚、完整地描述，明确所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。 [0040] 因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。 [0042] 所述铁尾矿为最大粒径不大于2mm，粒径在0.075mm的铁尾矿颗粒占总质量的70％以上，塑性指数范围在16‑20间，有机质含量在5％以下的铁尾矿颗粒。所述铁尾矿对于要求浓度限值较低的重金属元素铬、镉、铅，铁尾矿浸出液中含量分别为2.28μg/L、0.27μg/L、0.20μg/L，远低于标准限制，可用于道路建设。所述铁尾矿颗粒铁元素(Fe)占比为20％‑ 23％，硅元素(Si)占比为11％‑13％，钙元素(Ca)占比为10％‑12％，铝元素(Al)占比为5％‑ 6％，其余各元素占比均在5％以下，含量较小，且不含重金属等土壤污染物。本说明书实施例中为了避免铁尾矿原料的粒径有大于2mm的情况，在混合前进行特殊处理，包括破碎、筛选和干燥，以适应不同粒径要求和提升其与石灰、水泥及沥青的结合效果。 [0043] 针对不同设计速度下不同道路等级的城市道路，全结构使用铁尾矿的沥青路面结构各层厚度所对应厚度的取值范围(单位：mm)(不含路基层): [0044] [0045] 具体如下： [0046] 4)当道路等级为快速路或主干路时，面层厚度为250～100mm，路面基层包括基层和底基层，其中基层厚度为450～200mm，底基层厚度为200～150mm； [0047] 5)当道路等级为支干路时，面层厚度为200～100mm，路面基层包括基层和底基层，其中基层厚度为400～150mm，底基层厚度为200～150mm； [0048] 6)当道路等级为支路时，面层厚度为150～20mm，路面基层包括基层和底基层，其中基层厚度为500～200mm，底基层厚度为200～150mm。 [0049] 本说明书中其他原料，如无特殊说明，均来自普通市售产品。 [0050] 实施例1 [0051] 本实施例一种全结构使用铁尾矿的沥青路面结构的施工方法，参见图1，具体包括以下步骤： [0052] S1：将按照设计配合比称量的铁尾矿850份，石灰34份，蒸馏水100份混合搅拌均匀，进行焖灰处理后二次翻拌，制备形成所述石灰稳定铁尾矿土的材料； [0053] S2：在路基地面划分石灰格，将石灰稳定铁尾矿土按照石灰格进行均匀摊铺于道路下承层上，严格控制标高，依次进行粗平、精平与碾压，以达到路基层1的设计厚度400mm。 [0054] S3：将按照设计配合比称重的铁尾矿200份，水稳碎石800份，水泥50份，充分拌合，得到混合料，制备形成所需路面基层水稳碎石尾矿材料。 [0055] S4：分层(基层和底基层)进行所述沥青道路结构路面基层2施工，所述沥青道路结构的路面基层总厚度为500mm。 [0056] S5：将按照设计配合比称量的所述基质沥青50份进行加热160℃，然后将满足一定级配要求(如表1所示)的碎石1000份，铁尾矿25份，石灰岩矿粉25份加入加热的基质沥青中搅拌均匀，形成铁尾矿沥青混合料； [0057] S6：对所述铁尾矿沥青混合料进行摊铺和碾压操作，使得压实完成后的路面面层3厚度达到40mm，最终完成对于一种全结构使用铁尾矿的沥青路面结构型式的施工。得到的全结构使用铁尾矿的沥青路面结构参见图2。 [0058] 实施例1适用于道路等级为支路的南京城市沥青道路。 [0059] 表1各档筛孔通过百分率 [0060] [0061] 实施例2 [0062] 本实施例一种全结构使用铁尾矿的沥青路面结构的施工方法，参见图1，具体包括以下步骤： [0063] S1：将按照设计配合比称量的铁尾矿850份，石灰34份，蒸馏水100份混合搅拌均匀，进行焖灰处理后二次翻拌，制备形成所述石灰稳定铁尾矿土的材料； [0064] S2：在路基地面划分石灰格，将石灰稳定铁尾矿土按照石灰格进行均匀摊铺于道路下承层上，严格控制标高，依次进行粗平、精平与碾压，以达到路基层1的设计厚度400mm。 [0065] S3：将按照设计配合比称重的铁尾矿200份，水稳碎石800份，水泥50份，充分拌合，得到混合料，制备形成所需路面基层水稳碎石尾矿材料。 [0066] S4：分层(基层和底基层)进行所述沥青道路结构路面基层2施工，所述沥青道路结构的路面基层总厚度为400mm。 [0067] S5：将按照设计配合比称量的所述基质沥青50份进行加热，然后将满足一定级配要求(如表1所示)的碎石1000份，铁尾矿25份，石灰岩矿粉25份加入加热的基质沥青中搅拌均匀，形成铁尾矿沥青混合料； [0068] S6：对所述铁尾矿沥青混合料进行摊铺和碾压操作，使得压实完成后的路面面层3厚度达到100mm，最终完成对于一种全结构使用铁尾矿的沥青路面结构型式的施工。 [0069] 实施例2适用于道路等级为支路的南京城市沥青道路。 [0070] 对比例1 [0071] 与实施例1不同的是，对比例1中在S1只加入17份石灰，其余工艺中的原材料组成与步骤均与实施例1相同。 [0072] 对比例2 [0073] 与实施例1不同的是，对比例2中在S1中只加入51份石灰，其余工艺中的原材料组成与步骤均与实施例1相同。 [0074] 对比例3 [0075] 与实施例1不同的是，对比例3中在S1中不加入石灰，其余工艺中的原材料组成与步骤均与实施例1相同。 [0076] 将实施例1与对比例1‑3中的制取的石灰稳定铁尾矿土取出，按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51‑2009)中对于无机结合料稳定材料的试验要求，制备Ф50mm×50mm的圆柱形试件，每组至少6个；制备完成后，将其密封放入养护箱内进行养护(养护温度为20℃，养护湿度95％以上)。养护完成后，对各组试件进行性能检测，采用CBR实验验证材料的抗变形能力。现场图见图3，实验结果如下表所示： [0078] 由实验结果可知，可以发现，对比例3铁尾矿原料CBR值为1.46％，而掺入石灰后的混合料CBR值最低为105.2％。随着石灰的掺入，混合料的CBR值较铁尾矿原料有着大幅的提高。但随着石灰掺量增加，混合料强度总体呈下降趋势。当石灰占比在4％(即实施例1时)，CBR值为164.9％，达到峰值。此时，混合料性能最佳。 [0079] 对比例4 [0080] 与实施例1不同的是，对比例4中在S5中加入50份铁尾矿粉，不加入普通矿粉(石灰岩矿粉)，其余工艺中的原材料组成与步骤均与实施例1相同。 [0081] 对比例5 [0082] 与实施例1不同的是，对比例5中在S5中加入50份普通矿粉(石灰岩矿粉)，不加入铁尾矿粉，其余工艺中的原材料组成与步骤均与实施例1相同。 [0083] 将实施例1与对比例4‑5中制备的沥青混合料取出，按照《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40‑2004)中对于沥青混合料材料的实验要求，制备马歇尔试件，利用60℃时的马歇尔稳定度实验评价铁尾矿沥青混合料的高温性能。现场图参见图4，实验结果如下表所示： [0084]组别 铁尾矿粉(份) 普通矿粉(份) 稳定度(KN) 实施例1 25 25 12.87 对比例4 50 0 13.10 对比例5 0 50 12.11 [0085] 实验数据显示，三种沥青混合料的稳定性均超出JTG F40‑2004标准对高速公路和一级公路设定的8kN最低稳定度要求。值得注意的是，铁尾矿填料的应用显著增强了沥青混合料的稳定度。随着铁尾矿填料替代比例的升高，混合料的稳定性提升趋势也逐步增加。具体而言，在铁尾矿体积替代比例达到50％和100％时，混合料稳定度的提升幅度分别为6.3％和8.2％。这一结果表明，铁尾矿填料对提高沥青混合料在高温条件下的强度具有显著效果，从而有助于增强沥青混合料的高温抗车辙性能。实施例1采用铁尾矿粉对矿粉进行替代的结构效果显著，且符合规范。 [0086] 将实施例1与对比例4‑5中制备的沥青混合料取出，按照《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40‑2004)中对于沥青混合料材料的实验要求，制备马歇尔试件，利用马歇尔浸水实验评价铁尾矿沥青混合料的水稳定性。实验结果如下表所示： [0087] 组别 铁尾矿粉(份) 普通矿粉(份) 试件残留稳定度(％)实施例1 25 25 90.8 对比例4 50 0 87.11 对比例5 0 50 95.1 [0088] 实验分析表明，铁尾矿填料显著影响了沥青混合料的水稳定性能，主要原因是其具有较高的亲水系数，且在沥青胶浆中出现界面分离现象。为此，为增强铁尾矿沥青混合料的水稳定性，如在比例对比4中所述，通过降低铁尾矿填料的替代比例，以减少亲水性铁尾矿的使用。该设计旨在改善铁尾矿沥青混合料的水稳定性能，从而提高其在实际应用中的性能表现和耐久性。 [0089] 对实施例1和对比例5数据进一步分析对比，发现当多结构层采用铁尾矿材料时，其组合结构性能与效益远高于单一结构采用铁尾矿材料，既能保证路基的承载能力和抗变形能力，也能保证沥青路面的高温和水温性能，是对于单一结构采用铁尾矿材料的道路结构的巨大改良和性能提升。同时，实施例中的道路结构还能更高效的实现对于工业废弃物的回收利用。 [0090] 以上步骤完成后，则根据实施例完成整个全结构使用铁尾矿的沥青路面结构型式的设计及施工方法。 [0091] 本发明提出的一种全结构使用铁尾矿的沥青路面结构型式，通过全面利用铁尾矿材料，不仅优化了道路建设的材料选择，实现了工业废弃物的高效利用，减少了对天然砂石资源的依赖，还提升了路面的性能和耐久性。该结构在环保、经济和技术性能方面均展现出显著优势，对未来的道路建设和环境保护具有重要意义。 [0092] 本说明书中各个实施例与对比例采用递进的方式描述，每个对比例重点说明的都是与实施例的不同之处，各例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。 [0093] 以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。 |
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