本發(fā)明涉及道路工程領(lǐng)域，具體地說是一種拜耳法赤泥路基深厚式瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。
背景技術(shù)：
全球工業(yè)化和城市化帶來主要的負(fù)面影響是產(chǎn)生大量的工業(yè)廢渣，工業(yè)廢渣占用大量土地、污染環(huán)境、破壞生態(tài)，因此工業(yè)廢渣的安全管理和處治成為突出問題。在各種類型有害工業(yè)廢渣中，赤泥是比較突出的一種。拜耳法赤泥是制鋁工業(yè)提取氧化鋁時(shí)排出的污染性廢渣，一般平均每生產(chǎn)1噸氧化鋁，附帶產(chǎn)生1.0～2.0噸赤泥。全世界每年產(chǎn)生的拜耳法赤泥約7000萬噸，我國每年產(chǎn)生的赤泥為3000萬噸以上。目前大量的赤泥不能充分有效的利用，只能依靠大面積的堆場(chǎng)堆放，占用了大量土地，也對(duì)環(huán)境造成了嚴(yán)重的污染。我國目前正在大規(guī)模進(jìn)行公路建設(shè)，需要大量筑路材料。但是，隨著近年來各地越來越重視河道及環(huán)境治理，大面積禁止采挖土場(chǎng)、礫石和山區(qū)石料，很多地區(qū)土、砂、石等筑路材料極為短缺，筑路成本大幅增加。將赤泥作為道路各結(jié)構(gòu)層的主要材料，在解決部分地區(qū)筑路材料短缺問題的同時(shí)，對(duì)赤泥的減量化和資源化利用也將是重大突破。然而，目前還沒有針對(duì)赤泥填筑路基一整套路基路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，赤泥填筑路基要么無法滿足工程指標(biāo)要求，要么無法滿足環(huán)保指標(biāo)要求，其路面設(shè)計(jì)也沒有相應(yīng)的設(shè)計(jì)參數(shù)、指標(biāo)可參考和遵循，赤泥路基填筑及其路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)的空白制約了赤泥的減量化和資源化利用。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的技術(shù)任務(wù)是針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種拜耳法赤泥路基深厚式瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。利用該方法進(jìn)行赤泥路基和路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可保證赤泥作為路基填料既能滿足工程指標(biāo)要求，又能滿足環(huán)保要求，同時(shí)設(shè)計(jì)的路面結(jié)構(gòu)能極大減少筑路材料的用量，并且在實(shí)現(xiàn)工業(yè)廢棄物資源化利用、節(jié)約筑路材料的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)赤泥路基路面結(jié)構(gòu)的耐久目標(biāo)。
本發(fā)明所述赤泥指制鋁工業(yè)提取氧化鋁時(shí)排出的污染性廢渣，拜耳法赤泥含鐵、鋁高，硅、鈣低，礦物組成以針鐵礦、赤鐵礦為主，屬于高鐵低硅的特種廢渣。由于外部環(huán)境的影響，長時(shí)間堆放的赤泥含水量一般超過30％，在堆存的過程中發(fā)生氧化反應(yīng)，化學(xué)成分中三氧化二鐵和氧化鈣的含量有所變化，其他化學(xué)成分基本不變。
本發(fā)明的技術(shù)任務(wù)是按以下方式實(shí)現(xiàn)的：一種拜耳法赤泥路基深厚式瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，其特點(diǎn)是：新建道路路基采用摻加專用改性劑后的拜耳法赤泥分層填筑，在滿足一定承載力要求條件下，經(jīng)過赤泥路基與瀝青層聯(lián)接界面處理后，在其上直接鋪筑一定厚度的瀝青結(jié)構(gòu)組合層。
為了滿足赤泥強(qiáng)度形成和固化赤泥中重金屬污染物的要求，所述的專用改性劑由磷石膏、礦渣微粉和鋁鹽類化合物混合而成，磷石膏、礦渣微粉、鋁鹽類化合物的質(zhì)量比為70-80:20-25:1-3。當(dāng)磷石膏、礦渣微粉、鋁鹽類化合物的質(zhì)量比為74-76:23-25:1-1.5時(shí)，能夠達(dá)到最佳技術(shù)效果。
所述磷石膏用于降低赤泥的強(qiáng)堿性，中和赤泥中的堿性物質(zhì)。
所述礦渣微粉為激發(fā)劑，用于激發(fā)赤泥與磷石膏混合料，以形成更穩(wěn)定的強(qiáng)度性能。
所述鋁鹽類化合物為穩(wěn)定劑，用于固化赤泥中污染性浸出，優(yōu)選為硫酸鋁。
將上述專用改性劑添加到赤泥中，能夠有效提高道路的長期穩(wěn)定性、降低路基的污染性。加入上述專用改性劑之后，改性赤泥室內(nèi)樣品的檢測(cè)重金屬浸出濃度總汞指標(biāo)<0.001mg/L、六價(jià)鉻指標(biāo)<0.05mg/L，滿足地下水Ⅲ類控制標(biāo)準(zhǔn)。
為保證赤泥路基整體剛度，滿足作為路面基礎(chǔ)的要求，赤泥路基中專用改性劑與赤泥摻量為6～12％(質(zhì)量百分比)，厚度大于80cm，分層施工，單層施工最大厚度不大于30cm，最小厚度不小于15cm，壓實(shí)度大于92％。
作為優(yōu)選，赤泥路基的厚度為80-320cm。
進(jìn)一步的：在距離赤泥路基頂面80cm內(nèi)(包括80cm)，專用改性劑與赤泥摻量?jī)?yōu)選為9～12％(質(zhì)量百分比)；在距離赤泥路基頂面80cm以下，專用改性劑與赤泥摻量?jī)?yōu)選為6～9％(質(zhì)量百分比)。
為了保證路面結(jié)構(gòu)的耐久性，設(shè)計(jì)的赤泥路基整體剛度要求大于120MPa。
由于碾壓后的赤泥路基表面非常致密，界面不易與瀝青混合料層粘結(jié)，為保證路基與瀝青路面結(jié)構(gòu)之間的良好連接，可以在路基頂面與瀝青層之間設(shè)置10～20mm單粒徑碎石連接層，赤泥路基施工碾壓完成后立即撒布，撒布量6～10kg/m2，均勻撒布后用小型鋼輪壓路機(jī)碾壓，以碎石部分嵌入、在赤泥路基表面形成均勻粗糙構(gòu)造面為宜。
所述瀝青結(jié)構(gòu)組合層可選用現(xiàn)有技術(shù)中任意一種瀝青結(jié)構(gòu)組合層，但為了與下層結(jié)構(gòu)更好地配合，本發(fā)明所述瀝青結(jié)構(gòu)組合層從下至上包括抗疲勞層、耐疲勞抗車轍下層、耐疲勞抗車轍上層及抗滑磨耗層。
疲勞層采用AC-10或AC-13級(jí)配瀝青混合料，瀝青結(jié)合料采用PG64-22等級(jí)普通瀝青，瀝青層厚度3～6cm，設(shè)計(jì)空隙率3～4％。
耐疲勞抗車轍下層采用ATB-25級(jí)配瀝青混合料，瀝青結(jié)合料采用PG64-22或PG76-22等級(jí)普通或改性瀝青，厚度16～32cm，分層施工(每層厚度不超過9cm)，設(shè)計(jì)空隙率3.5～4.5％；
耐疲勞抗車轍上層采用AC-20級(jí)配瀝青混合料，瀝青結(jié)合料等級(jí)滿足PG82-22要求，設(shè)計(jì)空隙率<4％，厚度6～8cm。
抗滑磨耗層采用SMA-10或SMA-13級(jí)配瀝青混合料，瀝青結(jié)合料采用PG76-22改性瀝青，計(jì)空隙率3.5～4.5％，設(shè)計(jì)厚度3-5cm。
整體瀝青路面結(jié)構(gòu)組合及厚度確定后，要進(jìn)行層底拉應(yīng)變驗(yàn)算，確保路面結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)荷載作用下的耐久性。瀝青結(jié)構(gòu)組合層總厚度驗(yàn)算滿足設(shè)計(jì)荷載作用下瀝青結(jié)構(gòu)組合層底彎拉應(yīng)變小于70微應(yīng)變(μm)要求，不滿足要求的調(diào)整層厚和設(shè)計(jì)模量。瀝青結(jié)構(gòu)組合層底微應(yīng)變采用連續(xù)彈性層狀理論計(jì)算，赤泥路基及瀝青結(jié)構(gòu)組合層結(jié)構(gòu)模量通過試驗(yàn)實(shí)測(cè)確定，取值范圍如下：
赤泥路基：120～400MPa，泊松比0.4；
抗疲勞層：7000Mpa～9000Mpa，泊松比0.25；
耐疲勞抗車轍下層：8000～10000Mpa，泊松比0.25；
耐疲勞抗車轍上層：13000～15000，泊松比0.25；
抗滑磨耗層：7500～9500Mpa，泊松比0.25。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的赤泥路基深厚式瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法具有以下突出地有益效果：
(一)添加專用改性劑，保證赤泥作為路基填料既能滿足工程指標(biāo)要求，又能滿足環(huán)保要求，實(shí)現(xiàn)工業(yè)廢渣赤泥的減量化、資源化利用；
(二)該方法設(shè)計(jì)的深厚式瀝青面結(jié)構(gòu)無需設(shè)置路面基層，保證各項(xiàng)性能指標(biāo)的同時(shí)，整體路面結(jié)構(gòu)厚度比傳統(tǒng)路面結(jié)構(gòu)薄，節(jié)約大量砂石筑路材料；
(三)該方法解決了赤泥路基與瀝青路面結(jié)構(gòu)層連接問題，增強(qiáng)路基路面結(jié)構(gòu)的整體性，增加了道路結(jié)構(gòu)整體承載力。
(四)利用該方法設(shè)計(jì)的路面結(jié)構(gòu)，理論上能夠使用40年以上，可大量節(jié)約資源，消除維修造成的交通壓力。
附圖說明
附圖1是本發(fā)明赤泥路基深厚式瀝青路面結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施方式
參照說明書附圖以具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的赤泥路基深厚式瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法作以下詳細(xì)地說明。
【實(shí)施例】
1、確定新建道路路基路面結(jié)構(gòu)組合
根據(jù)道路表面設(shè)計(jì)標(biāo)高，清除原地基表土，用重型壓路機(jī)壓實(shí)地基8。在壓實(shí)后的地基8上設(shè)計(jì)的道路結(jié)構(gòu)為：160cm改性赤泥路基7(分8層施工，每層20cm)+80cm改性赤泥路基6(分4層施工，每層20cm)+界面聯(lián)結(jié)處理5+4cm瀝青混合料抗疲勞層4(AC-10)+18cm耐疲勞抗車轍下層3(ATB-25,分2層施工，每層9cm)+6cm耐疲勞抗車轍上層2(AC-20)+4cm抗滑磨耗層1(SMA-13)。
2、赤泥路基
以赤泥為主要鋪裝材料，以質(zhì)量比為75:24:1的磷石膏、礦渣微粉和硫酸鋁的混合物為改性劑。
160cm改性赤泥路基7(分8層施工，每層20cm)，改性劑摻量為6％，壓實(shí)度大于92％；
80cm改性赤泥路基6(分4層施工，每層20cm)，改性劑摻量為9％，壓實(shí)度大于92％。
為了保證路面結(jié)構(gòu)的耐久性，設(shè)計(jì)的赤泥路基整體剛度要求大于120MPa，在改性赤泥路基6和改性赤泥路基7施工完成，鋪裝瀝青層之前，在路基頂面進(jìn)行檢測(cè)，判斷整體剛度指標(biāo)是否滿足要求，本實(shí)施例改性赤泥路基模量代表值為200MPa。為滿足環(huán)保要求，改性后6和7赤泥室內(nèi)樣品檢測(cè)重金屬浸出濃度總汞指標(biāo)<0.001mg/L、六價(jià)鉻指標(biāo)<0.05mg/L，滿足地下水Ⅲ類控制標(biāo)準(zhǔn)。
3、單粒徑碎石連接層5
在赤泥路基6頂面與瀝青混合料抗疲勞層4之間鋪設(shè)10～20mm單粒徑碎石連接層5，赤泥路基6施工碾壓完成后立即撒布，撒布量6～10kg/m2，均勻撒布后用小型鋼輪壓路機(jī)碾壓一遍，以碎石部分嵌入、在赤泥路基6表面形成均勻粗糙構(gòu)造面為宜。
4、瀝青結(jié)構(gòu)組合層
疲勞層4采用AC-13級(jí)配瀝青混合料，瀝青結(jié)合料采用PG64-22等級(jí)普通瀝青，瀝青層厚度4cm，設(shè)計(jì)空隙率3.5％；
耐疲勞抗車轍下層3采用ATB-25級(jí)配瀝青混合料，瀝青結(jié)合料采用PG64-22等級(jí)瀝青，厚度18cm，分2層施工，設(shè)計(jì)空隙率4％；
耐疲勞抗車轍上層2采用AC-20級(jí)配瀝青混合料，瀝青結(jié)合料等級(jí)滿足PG82-22要求，設(shè)計(jì)空隙率3.5％，厚度6cm；
抗滑磨耗層1采用SMA-13級(jí)配瀝青混合料，瀝青結(jié)合料采用PG76-22改性瀝青，設(shè)計(jì)空隙率4％，設(shè)計(jì)厚度4cm。
5、路面結(jié)構(gòu)驗(yàn)算
瀝青路面結(jié)構(gòu)組合及厚度確定后，要進(jìn)行層底拉應(yīng)變驗(yàn)算，確保路面結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)荷載作用下的耐久性。瀝青層總厚度驗(yàn)算滿足設(shè)計(jì)荷載作用下瀝青層底彎拉應(yīng)變小于70微應(yīng)變(μm)要求，不滿足要求的調(diào)整層厚和設(shè)計(jì)模量。瀝青層底微應(yīng)變采用連續(xù)彈性層狀理論計(jì)算，路基及瀝青結(jié)構(gòu)層結(jié)構(gòu)模量通過試驗(yàn)實(shí)測(cè)確定，本實(shí)施例驗(yàn)算取值如下：
改性赤泥路基：200MPa，泊松比0.4；抗疲勞層：8000Mpa，泊松比035；耐疲勞抗車轍下層：9000Mpa，泊松比0.35；耐疲勞抗車轍上層：14500，泊松比0.35；抗滑磨耗層：8500Mpa，泊松比0.35。
根據(jù)本項(xiàng)目交通荷載情況，采用該路上可能出現(xiàn)的單軸最大荷載作為標(biāo)準(zhǔn)軸載，取150KN作為設(shè)計(jì)荷載，采用上述參數(shù)和彈性層狀理論計(jì)算瀝青層底彎拉應(yīng)變?yōu)?5.6μm，小于70μm，路面結(jié)構(gòu)驗(yàn)算滿足要求。
【實(shí)驗(yàn)例】
以路基赤泥和上述添加有改性劑的改性赤泥為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，主要工程與環(huán)境指標(biāo)對(duì)比：