一种以建筑垃圾作为基层材料的轻交通公路路面结构 |
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| 申请号 | CN201710066430.7 | 申请日 | 2017-02-06 | 公开(公告)号 | CN106812040A | 公开(公告)日 | 2017-06-09 |
| 申请人 | 西南石油大学; | 发明人 | 范梦; 文华; 李梦妮; 李晓静; 雷挺; 罗作芬; 苏培东; | ||||
| 摘要 | 本 发明 提供一种以建筑垃圾作为 基层 材料的轻交通公路路面结构，制备该路面的原料包括：基层 骨料 和 水 泥，其中， 水泥 的用量是基层骨料的4％‑7％；所述基层骨料的粒径为0.075～37.5mm；所述基层骨料按 质量 百分比计，包括90％‑100％的建筑垃圾和0％—10％的碎石；其中，当基层骨料不含碎石时，所述建筑垃圾为废弃 混凝土 或者废弃混凝土和废弃实心砖的混合物；当基层骨料包括碎石时，所述建筑垃圾为废弃实心砖或者废弃混凝土和废弃实心砖的混合物。本发明路面结构能够达到较好的强度、 刚度 以及 稳定性 ，满足轻交通公路路面结构的路用要求，不仅可以节约大笔的建筑垃圾处理 费用 ，而且为资源的可持续利用做贡献，同时可以减少对天然砂石的开采，起到保护环境的作用。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种以建筑垃圾作为基层材料的轻交通公路路面结构，其特征在于，制备该路面的原料包括：基层骨料和水泥，其中，水泥的用量是基层骨料的4％-7％；所述基层骨料的粒径为0.075～37.5mm；所述基层骨料按质量百分比计，包括90％-100％的建筑垃圾和0％— |
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| 说明书全文 | 一种以建筑垃圾作为基层材料的轻交通公路路面结构技术领域[0001] 本发明涉及公路路面结构改进技术领域，确切地说涉及一种以建筑垃圾作为基层材料的轻交通公路路面结构。 背景技术[0002] 随着城市建设的发展，大批旧建筑物被拆除，产生了大量的建筑垃圾。根据建设部2005年颁布的《城市建筑垃圾管理规定》，建筑垃圾是指建设单位、施工单位新建、改建、扩建和拆除各类建筑物、构筑物、管网等以及居民装饰装修房屋过程中所产生的弃土、弃料及其它废弃物。据相关研究，我国建筑垃圾产量一般约为城市垃圾总量的30％，每年产生量达 5000万吨。 [0003] 进入21世纪，人类面临资源短缺和自然环境恶化的严峻挑战。我国人口众多，处于经济发展的关键时期，如何实现废弃资源的再利用、降低环境负荷，是我国环境保护和可持续发展的目标之一，对构建和谐社会有很大的现实意义。考虑到建筑垃圾与其他城市垃圾相比，建筑垃圾具有量大、无毒无害和可资源化率高的特点。同时，随着道路与建筑业建设的迅速发展，天然骨料资源将日益枯竭。将建筑垃圾应用于公路工程，既能减少环境污染，又能节约自然资源，减少工程投入。 [0004] 在道路工程领域，建筑垃圾再生应用的大多为弃土、废弃混凝土、废弃砖等固体废弃物。其中废弃混凝土、废弃砖回收利用复杂，是研究的重点。我国目前处理途径主要将建筑垃圾作为地基处理的填筑材料或者集中填埋和堆放，每年新增建筑垃圾的处理都将占1.5亿至2亿平方米用地，未经处理的建筑垃圾会影响空气质量，污染水资源和土地资源。 [0005] 《公路水泥混凝土路面设计规范》(JTG D40-2011)规定，设计车道设计基准期内标准轴载累计作用次数Ne＜3×104次的均为轻交通等级。本发明按照《公路水泥混凝土路面设计规范》(JTG D40-2011)中有关于轻交通的要求对建筑垃圾在基层应用方面进行研究，有关于公路技术方面的要求参照规范对四级公路的要求进行研究，设计车道标准轴载累计作用次数Ne取轻交通等级的最大值3×104。若在设计的路面上有重载车辆通过，当做是偶然荷载，若通过重载车次很少，不会起到破坏作用。因为单从一次重车通过考虑，路面板的抗弯拉强度以及抗压强度均能满足要求。将建筑垃圾应用到乡村公路、人行道、住宅小区道路等轻交通量公路工程路面基层上，不仅满足道路工程的质量要求，降低城市的建筑垃圾排放量，而且降低建筑垃圾对环境的污染，节约道路材料，降低工程费用，有利于社会经济的可持续性发展，具有重大的经济和社会效益，值得深入研究和推广。 发明内容[0006] 本发明旨在针对上述现有技术所存在的缺陷和不足，提供一种以建筑垃圾作为基层骨料的公路路面结构，本发明掺加水泥作为结合料，建筑垃圾骨料颗粒间的摩擦作用以及建筑垃圾骨料颗粒间的嵌锁作用构成了水泥稳定建筑垃圾的骨架，能够满足轻交通量公路路面结构的路用要求。 [0007] 本发明是通过采用下述技术方案实现的： [0008] 一种以建筑垃圾作为基层材料的轻交通公路路面结构，制备该路面的原料包括：基层骨料和水泥，其中，水泥的用量是基层骨料的4％-7％；所述基层骨料的粒径为0.075～ 37.5mm；所述基层骨料按质量百分比计，包括90％-100％的建筑垃圾和0％—10％的碎石； [0009] 其中，当基层骨料不含碎石时，所述建筑垃圾为废弃混凝土或者废弃混凝土和废弃实心砖的混合物； [0010] 当基层骨料包括碎石时，所述建筑垃圾为废弃实心砖或者废弃混凝土和废弃实心砖的混合物。 [0011] 进一步地，如上所述的以建筑垃圾作为基层材料的轻交通公路路面结构，所述基层骨料的合成级配：通过筛孔为37.5mm的为100％，通过筛孔为26.5mm的为95％，通过筛孔为19mm的为75％，通过筛孔为9.5mm的为50％，通过筛孔为4.75mm的为35％，通过筛孔为2.36mm的为25％，通过筛孔为1.18mm的为15％，通过筛孔为0.6mm的为10％，通过筛孔为 0.075mm的为0。 [0012] 进一步地，如上所述的以建筑垃圾作为基层材料的轻交通公路路面结构，当基层骨料为废弃混凝土和废弃实心砖时，废弃混凝土跟废弃实心砖的质量配比为75:25-100:0。 [0013] 进一步地，如上所述的以建筑垃圾作为基层材料的轻交通公路路面结构，当废弃混凝土：废弃砖的质量比为90：10时，水泥的用量是基层骨料的6％。 [0014] 进一步地，如上所述的以建筑垃圾作为基层材料的轻交通公路路面结构，当基层骨料为废弃实心砖和碎石，废弃实心砖与碎石的质量配比为60:40～90:10。 [0015] 进一步地，如上所述的以建筑垃圾作为基层材料的轻交通公路路面结构，当废弃实心砖和碎石的质量比为90：10时，水泥的用量是基层骨料的7％。 [0016] 进一步地，如上所述的以建筑垃圾作为基层材料的轻交通公路路面结构，当基层骨料为弃混凝土时，水泥的用量是基层骨料的4％。 [0017] 进一步地，如上所述的以建筑垃圾作为基层材料的轻交通公路路面结构，当基层骨料为废弃混凝土、废弃实心砖和碎石时，碎石的含量为1％～10％，废弃实心砖的含量为20％～90％，其余用废弃混凝土填充；且当碎石的含量为1％时，废弃实心砖的最大含量为 25％，当碎石含量为10％时，废弃实心砖的最大含量为90％。 [0018] 进一步地，如上所述的以建筑垃圾作为基层材料的轻交通公路路面结构，当基层骨料为废弃混凝土、废弃砖、碎石三者的质量比为10:80:10时，水泥的用量是基层骨料的7％。 [0019] 进一步地，如上所述的以建筑垃圾作为基层材料的轻交通公路路面结构，所述轻交通公路路面的厚度在220mm-350mm。 [0020] 所述废弃混凝土的压碎值小于35％。压碎值是骨料抵抗压碎的性能指标，它是按规定试验方法测得的被压碎碎屑的重量与试样总重量之比，以百分数表示。《公路路面基层施工技术规范》》(JTJ034—2000)规定的基层集料的压碎值不大于35％。 [0021] 所述废弃实心砖的压碎值小于39％。所述轻交通公路路面的压实度要求是97％。压实度又称夯实度，指的是基层骨料压实后的干密度与标准最大干密度之比，以百分率表示，压实度的测定主要包括室内标准密度(最大干密度)确定和现场密度试验。 [0022] 所述轻交通公路路面最大干密度为1.581-2.013g/cm3，最佳含水量为9.8％-18.4％。 [0023] 与现有技术相比，本发明所达到的有益效果如下： [0024] 一、本发明中，采用90％-100％建筑垃圾和0％—10％的碎石，考虑采用水泥作为胶结材料，将建筑垃圾应用于轻交通量道路的基层。经过室内试验和理论分析，证明路面结构能够达到较好的强度、刚度以及稳定性，满足轻交通公路路面结构的路用要求，不仅可以节约大笔的建筑垃圾处理费用，而且为资源的可持续利用做贡献，同时可以减少对天然砂石的开采，起到保护环境的作用，具有明显的经济、环境和社会效益。 [0025] 二、本发明中，特定的选用“基层采用粒径为0.075～37.5mm的基层骨料”，并且掺加水泥作为结合料，建筑垃圾骨料颗粒间的摩擦作用以及建筑垃圾骨料颗粒间的嵌锁作用构成了水泥稳定建筑垃圾的骨架。基层采用连续级配的方式，且各粒径组选用特定的百分含量，使得骨料联结更密实，达到嵌固锁结的作用。 [0026] 三、本发明中，通过实际分析和理论计算得出了基层厚度的推荐范围为220mm-350mm，为该发明的实际应用奠定了基础。 具体实施方式[0027] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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作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。 [0028] 本发明所述基层骨料的合成级配：通过筛孔为37.5mm的为100％，通过筛孔为26.5mm的为95％，通过筛孔为19mm的为75％，通过筛孔为9.5mm的为50％，通过筛孔为 4.75mm的为35％，通过筛孔为2.36mm的为25％，通过筛孔为1.18mm的为15％，通过筛孔为 0.6mm的为10％，通过筛孔为0.075mm的为0，意思是当采用筛孔为37.5mm的筛网对基层骨料进行过滤时为100％的通过率；当采用筛孔为26.5mm的筛网对基层骨料进行过滤时为95％的通过率；当采用筛孔为19mm的筛网对基层骨料进行过滤时为75％的通过率；当采用筛孔为4.75mm的筛网对基层骨料进行过滤时为35％的通过率；同理，当采用筛孔为0.075mm的筛网对基层骨料进行过滤时无法通过。 [0029] 本发明公开了一种以建筑垃圾作为轻交通量公路路面基层材料,包含10～100％的建筑垃圾和0～10％的碎石,所述的建筑垃圾由碎砖和混凝土组成,所述的建筑垃圾粒径为0.075～37.5mm。本发明将建筑垃圾应用于公路工程，既能减少环境污染，又能节约自然资源，减少工程投入。 [0030] 基层厚度计算原理 [0031] 本发明研究的基层为水泥稳定建筑垃圾，属于无机结合料类基层，根据我国现行规范《公路水泥混凝土路面设计规范》(JTG/D40-2011)，路面结构依照弹性地基单层板模型进行设计。 [0032] 《公路水泥混凝土路面设计规范》(JTG/D40-2011)中推荐无机结合料稳定粒料基层的一般适宜压实厚度范围是150mm-200mm，《路基路面工程》第九章上有说明水泥混凝土路面基层厚度以20cm左右为宜，研究资料表明基本厚度不宜太薄，也不宜过厚导致造价过高，路面设计软件HPDS2001限制水泥稳定基层的最小厚度为80cm，最大厚度为350cm，由于建筑垃圾作为基层材料，没有相关规范，因此计算的时候将推荐厚度范围定为80mm-350mm。 [0033] 基层厚度是否满足要求，只需检验单层板的极限状态即γr(σpr+σtr)(考虑可靠度系数后混凝土面层板综合疲劳应力)和γr(σpmax+σtmax)(考虑可靠度系数后混凝土面层最大综合应力)是否满足要求。 [0034] [0035] 计算参数选择 [0036] 设计交通量选取 [0037] 本申请主要研究对象是轻交通量公路水泥混凝土路面，依据《公路水泥混凝土路面设计规范》(JTG/D40-2011)，轻交通等级指的是设计车道设计基准期内标准轴载累计作用次数Ne＜3×104次。因此，设计交通量取最大值30000次，对此交通量下的公路水泥混凝土路面合理厚度进行研究。若最不利情况交通量为30000次可满足规范要求，其余交通量情况均可以满足规范要求。 [0038] 路面结构宽度 [0039] 轻交通量公路多为乡村公路，农村公路中乡道多为三级公路，村道多为四级公路，《县乡公路水泥混凝土路面设计与施工》中对县乡公路路面宽度的规定，三级公路路面宽度为7.0m或6.5m，四级公路路面宽度为6.0m或3.5m，因此取水泥混凝土面板的宽度为3.25m。由于水泥混凝土路面面层板的长宽比不宜超过1.30，因此板长取为4.0m。 [0040] 路面材料参数选取 [0041] (1)土基 [0042] 西南地区的土质大部分是高液限粉质黏土，根据《公路水泥混凝土路面设计规范》(JTG/D40-2011)给出土基回弹模量设计参数选用的参考值，高液限黏土土基回弹模量取值范围为20MPa～50MPa之间,高液限粉土土基回弹模量取值范围为30MPa～70MPa之间。因此土基回弹模量取为50MPa。 [0043] (2)底基层 [0044] 底基层次是要承重层或辅助层，相对基层而言要求较低，可选用质量较差的材料进行铺筑的。基层采用的主要材料是建筑垃圾，那么底基层可以去强度稍低的石灰粉煤灰作为基层材料，在计算中底基层选取石灰粉煤灰，经查阅参考文献《高等级公路二灰碎石基层材料路用性能综合评定及合理配合比研究》《半刚性基层合理层位与合理厚度研究》《再生集料在道路基层中的运用》，底基层的抗压回弹模量取400MPa。厚度设计为20cm。 [0045] (3)面层 [0046] 本次研究的道路等级为轻交通等级，水泥混凝土弯拉强度标准值取4MPa。混凝土弯拉弹性模量为27000MPa。面层厚度为定值20cm。 [0047] 其他设计系数选取 [0048] 计算中所涉及的各项系数均依据《公路水泥混凝土路面设计规范》(JTG/D40-2011)的规定选取。具体取值如下： [0049] (1)应力折减系数kr [0050] 低等级的双车道公路纵缝为不设拉杆的平缝，经查表应力折减系数取为0.87。 [0051] (2)疲劳应力系数kf [0052] 设计基准期内荷载应力累计疲劳作用的疲劳应力系数kf＝Nev，Ne表示设计基准期内设计车道标准荷载累计作用次数；v为与混合料性质有关的指数，普通混凝土，v＝0.057。kf的数值随着Ne的变化而变化。 [0053] (3)综合系数kc [0054] 公路等级不同，偏载和动载等因素对路面疲劳损坏影响的综合系数kc也不同。对于三、四级公路，kc＝1.10。 [0055] (4)最大温度梯度Tg [0056] 西南地区为Ⅴ区，因此最大温度梯度取88。 [0057] (5)可靠度系数γr [0058] 考虑到轻交通量公路按照四级公路来考虑，四级公路的安全等级为四级，目标可靠度为80。那么对应的变异水平等级为高级，因此经查表确定＝1.11％。 [0059] 基层厚度计算公式 [0060] 混凝土面层板荷载疲劳应力σpr：σpr＝krkckfσps其中式中：σps—设计轴载的单轴重(kN)、hc、Ec、vc—分别为混凝 土面层板的厚度(m)、弯拉弹性模量(MPa)和泊松比、r—混凝土面层板的相对刚度半径(m)、Dc—混凝土面层板的截面弯曲刚度(MN·m)、Et—板底地基当量回弹模量(MPa)。kr、kc、kf取值见上文。 [0061] 面层板在最重轴载作用下的荷载应力σpmax：σpmax＝krkcσpm。式中σpm—最重轴载(或称极限荷载)在四边自由板的临界荷位处产生的荷载应力，其计算公式与相同，但要用最重轴载Pm代替式中的标准轴载(或设计轴载)Ps。kr、kc取值见上文。 [0062] 面层板最 大温度应力σtmax ： 其中式中：CL—混凝 土面层板的温度翘曲应力系数、L—面层板的横缝间距，即板长(m)、r—面层板的相对刚度半径(m)、αc—混凝土的线膨胀系数、Tg—公路所在地50年一遇的最大温度梯度。 [0063] 温度疲劳应力σtr：σtr＝ktσtmax，其中 式中：at、bt、ct—回归系数 [0064] 实施例1 [0065] 基层采用集料配比为弃混凝土：废弃砖：碎石＝100：0：0，水泥含量为4％，基层混合料采用特定的合成级配：通过筛孔为37.5mm的为100％，通过筛孔为26.5mm的为95％，通过筛孔为19mm的为75％，通过筛孔为9.5mm的为50％，通过筛孔为4.75mm的为35％，通过筛孔为2.36mm的为25％，通过筛孔为1.18mm的为15％，通过筛孔为0.6mm的为10％，通过筛孔为0.075mm的为0。最大干密度为2.013g/cm3，最佳含水量为9.8％，基层7d无侧限抗压强度为2.70MPa，基层抗压回弹模量为2377MPa。 [0066] 通过表1的计算结果可知，针对实例1，基层的推荐厚度范围为220mm-350mm。 [0067] 表1工况一的基层厚度计算结果 [0068] [0069] [0070] 实施例2 [0071] 基层采用集料配比为即废弃混凝土：废弃砖：碎石＝90：10：0，水泥含量为6％，基层混合料采用特定的合成级配：通过筛孔为37.5mm的为100％，通过筛孔为26.5mm的为95％，通过筛孔为19mm的为75％，通过筛孔为9.5mm的为50％，通过筛孔为4.75mm的为35％，通过筛孔为2.36mm的为25％，通过筛孔为1.18mm的为15％，通过筛孔为0.6mm的为10％，通过筛孔为0.075mm的为0。最大干密度为1.860g/cm3，最佳含水量为13.9％，基层7d无侧限抗压强度为2.61MPa，基层抗压回弹模量为2134MPa。 [0072] 通过表2的计算结果可知，针对实例2，基层的推荐厚度范围为220mm-350mm。 [0073] 表2工况二的基层厚度计算结果 [0074] [0075] 实施例3 [0076] 基层采用集料配比为即废弃混凝土：废弃砖：碎石＝10:80:10，水泥含量为7％，基层混合料采用特定的合成级配：通过筛孔为37.5mm的为100％，通过筛孔为26.5mm的为95％，通过筛孔为19mm的为75％，通过筛孔为9.5mm的为50％，通过筛孔为4.75mm的为35％，通过筛孔为2.36mm的为25％，通过筛孔为1.18mm的为15％，通过筛孔为0.6mm的为10％，通过筛孔为0.075mm的为0。最大干密度为1.665g/cm3，最佳含水量为16.5％，基层7d无侧限抗压强度为2.65MPa，基层抗压回弹模量为1986MPa。 [0077] 通过表3的计算结果可知，针对实例3，基层的推荐厚度范围为220mm-350mm。 [0078] 表3工况三的基层厚度计算结果 [0079] [0080] 实施例4 [0081] 基层采用集料配比为即废弃混凝土：废弃砖：碎石＝0：90：10，水泥含量为7％，基层混合料采用特定的合成级配：通过筛孔为37.5mm的为100％，通过筛孔为26.5mm的为95％，通过筛孔为19mm的为75％，通过筛孔为9.5mm的为50％，通过筛孔为4.75mm的为35％，通过筛孔为2.36mm的为25％，通过筛孔为1.18mm的为15％，通过筛孔为0.6mm的为10％，通 3 过筛孔为0.075mm的为0。最大干密度为1.581g/cm ，最佳含水量为18.4％，基层7d无侧限抗压强度为2.53MPa，基层抗压回弹模量为1908MPa。 [0082] 通过表4的计算结果可知，针对实例4，基层的推荐厚度范围为220mm-350mm。 [0083] 表4工况四的基层厚度计算结果 [0084] [0085] 最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。 |
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