CN103803925B - 一种透水地面的混合材料及其施工方法 - Google Patents

Abstract

一种用于城市绿道、人行道、住宅区人(车)行道、停车场、操场等城市慢行交通道路及露天活动场地的透水地(路)面的新型混合材料以及施工方法。本发明利用黄磷废渣(磷渣)的特性，适量掺入磷渣粉、石灰、石膏成为一种新型的混合原料。可以根据地面各层位功能的不同要求，掺入不同比例的原料，让地面的表层，在满足城市慢行交通荷载作用的表面密实度要求的同时，仍能保持18％-20％孔隙率，迅速地将降水透过地表层、基层渗人结构层。结构层仍然保持较大的孔隙率，成为储水层。充分地吸收地表层渗人的降水，使地面无积水。即使强降水时，地面也无径流现象。本发明与一般透水地面相比较，透水和储水效果更好，更具成本低、节能、利废、无污染的优势。

Description

一种透水地面的混合材料及其施工方法

技术领域

本发明涉及一种用于城市绿道、人行道、住宅区人(车)行道、停车场、操场等城市慢行交通道路及露天活动场地的透水地(路)面(以下简称地面)磷渣透水混合材料以及施工方法。

背景技术

水资源状况和利用水平，已成为评价一个国家和地区经济可持续发展的重要指标。我国是一个水资源相对贫乏的国家。特别是近些年来，经济的高速发展，对地下水的超采及环境污染，不少可利用水资源遭到了破坏，正面临着大范围的缺水威胁。而地下水资源，主要是由于大气降水的直接入渗和地表水渗透到地下形成的。但城镇化建设进程的加快，大面积的地面被密实的混泥土覆盖。造成大量雨水流失，降水无法入渗大地，成为地下水的补充。

近年来，我国也加快了透水材料的研究。建设透水路面，使降水返回地下，补充地下水资源，维护地下水的生态平衡。可是，由于人们的认识、政策的制定和投资成本的影响，对透水材料虽有应用，但大多效果并不太理想。一些地方采用了透水沥青混凝土、透水砖地面。往往只注意了地表的透水功能，缺乏路基础层及路床的吸水和储水功能。降水的很少部分被透水表层吸纳后，很快达到了饱和状态。下面的基层结构渗透率小，降水下渗非常困难。强降水一段时间后。地面结构中非饱和区仍然较大，照样形成地表径流。达不到想象的透水效果。

发明内容

表层在满足中等以下交通荷载作用的表面密实度要求的同时，保持18％-20％孔隙率，能迅速地将降水透过地表层、基层，渗人结构层。同时结构层仍然保持较大的孔隙率(12％-15％)，加上厚度较大(可达1000mm)成为结构储水层。这样就能充分地吸收地表层渗人的降水，使地面无积水。即使强降水时，地面也无径流现象。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案。

既要满足城市慢交通地面的表面强度要求，同时又要保证孔隙率，满足透水速度的要求。关键在于对路面透水材料的选择。目前国内、外使用的改性沥青混凝土及透水砖等透水材料都各具优点。但由于技术的成熟和造价因素的影响而难于推广。本发明选用了黄磷生产后排出的工业废渣(简称磷渣)，根据地面各结构层密实度和孔隙率的不同要求，添加不同比例的磷渣细粉、石膏、石灰、石料成为一种新的透水混合材料。它具有较好的胶凝性和渣颗粒晶体的孔隙结构。较好地解决了密实度和孔隙率相互制约的矛盾。

磷渣是在电炉法生产黄磷时，将磷矿石、硅石、焦炭的混合料加入电炉内，通入电能转换成热能，将其熔融产生化学还原反应，提取出黄磷(P₄)后，从渣口外排，水淬而得。入炉矿石中的CaO和SiO₂是黄磷生产中造渣的主要成分。磷渣的主要化学组成以及实测平均值见(表1)。

黄磷渣的主要化学成分及实测平均值(表1)

项目名称	理论值范围(％)	实测平均值(％)
			CaO	47.0～52.0	50.32
SiO2	40～43	38.45
			Al2O3	2.0～8.0	2.83
MgO	0.8～2.5	2.27
			Fe2O3	0.2～1.0	0.27
P2O5	0.8～3.5	1.93
			F	1～3	/

每吨黄磷生产消耗磷矿石(品位25％计)：8.5-10吨、硅石：0.3-2.5吨、焦炭：1.5-2吨；入炉总量一般在10-14吨，排除炉渣8-10吨。

熔融炉渣水淬后，得到0.2-1.2mm的灰色细粒，经岩相分析，制磷炉渣主要为β-C2S(β-2CaO.SiO2)和C5A3(5Ca·A12O3)并含有较多的透明玻璃体和具有活性的多孔结构。相对密度约为2.89，；松散状态的磷渣水分含量1％-10％时，堆密度为800-1000Kg/M3。

从有关技术资料了解：磷渣的胶凝性。磷渣的三氧化二铝含量低，难以生成水化硫铝酸钙，所以要加含适量A12O3的物质。由于磷渣含有较多的透明玻璃状物，其玻璃结构的不稳定性和不均衡状态使它具有较高的潜在活性。当用适量的石灰作碱性激发剂，用石膏作硫酸盐激发剂时，在二者组成的复合激发剂的激发下，才有可能使部分不规则的铝酸根、硅酸根进行一定程度重新排列和化学反应，生成水化硫铝酸钙、水化硅酸盐和水化铝酸盐等，从而具有较好的胶凝性能。

磷渣的强度特性。磷渣虽然是水硬性胶凝材料，加水后并不像普通硅酸盐水泥那样迅速水化、凝固。其关键是因为有硅酸状的胶体包围和吸附在矿渣中β-C2S(硅酸二钙)表面和周围。水化时水不易直接接触进行重排和化学反应。所以早期强度低，经过一定时间渗透才进行化学反应，使后期强度增加较快。

磷渣的活性。磷渣是在电炉内1400度高温下融化，经炉渣口排除后进入水渣池，进行水淬。实践证明，水与渣比和出渣的流速合适，有利于增加玻璃相的量，可提高早期强度。同时由于磷渣的组成主要是硅酸盐，其中C2S(硅酸二钙)具有α、β、γ三种变体，只有α、β体具有胶凝性，采用骤冷水淬可以防止部分β-C2S转化为γ-C₂S而造成水泥粉化丧失强度。同时借助水淬改变物性，保证水渣成粒的完整性，提高磷渣的活性。

磷渣的这些特性，恰好成为了新型透水地面及结构储水层的最佳材料选择。本发明根据磷渣的本质特性、强度特性、组成的特殊性及组成的物理特点，适量掺入磷渣粉、石膏、石灰、石料成为一种新型的混合原料。又根据地面各层位功能的不同，掺入原料的比例也不相同。

为确保路体结构层具有足够的整体强度和透水性，表面层下设有透水基层和较好保水性的结构层。采用磷渣透水混合材料的地面结构一般由表层、基层、结构层(储水层)、路床等四层构成。见图(1)

透水地面各层结构特点：(1)表层。主要作用是分散传递交通荷载。和对有艺术性和特殊装饰要求的地面而选用不同的透水材料。本发明对表层透水材料的选择采取包容的态度。例如车行道、停车场可选择透水沥青地面。透水沥青地面表层一般厚3-5cm，主要采用最大粒径可达8-12mm的高粘度改性沥青混合料构成，表层孔隙率可达12％以上。城市广场、人行道、轻型车道、公园内道路等，可选择透水砖铺设。而使用磷渣混合原料加配彩色石子的表层，则优势更加突出。其特征在于：表层所用的原材料是磷渣透水混合料、厚度为60mm、密实度≥95％、孔隙率为18％-20％。

每立方米混合料的重量配合比为：60∶7∶9∶9∶15。a：磷渣：800kg/m3b：磷渣粉：100kg/m3c：石膏：125kg/m3d：石灰：125kg/m3e：彩色石子：200kg/m3f：水：适量。

(2)基层。基层是因为考虑成本，而将表层分为二层，即表层选用的彩色石子价格较高，厚度一般不超过60mm，下层选用的素色石子。并且可以选择透水沥青地面和透水砖铺设满足对地面的多种需要。它的密实度、孔隙率与表层相同，能将表层渗人的降水迅速传入结构层(储水层)。其特征在于：基层所用的原材料是磷渣透水混合料。厚度为100mm。每立方米混合料的重量配合比为：60∶7∶9∶9∶15a：磷渣：800kg/m3b：磷渣粉：100kg/m3c：石膏：125kg/m3d：石灰：125kg/m3e：碎石子：200kg/m3f：水：适量。

(3)结构层(储水层)。主要起承受上部荷载，并将荷载传递到路床的作用。同时将上部渗人的降水储存，该层厚度较大(可达1m)。其特征在于：表层所用的原材料是磷渣透水混合料。厚度为700-1000mm。密实度≥95％、孔隙率为12％-15％。每立方米混合料的重量配合比为：50.∶7∶7∶7∶29a：磷渣：700kg/m3b：磷渣粉：100kg/m3c：石膏：100kg/m3d：石灰：100kg/m3e：块石：400kg/m3f：水：适量。

上述磷渣松散状态的含水量1～10％时，堆密度为800～1000kg/m3。磷渣的粒径不小于0.5mm。

上述磷渣粉，是将磷渣用球磨机加工而成的粉末。采用比表面积作为磷渣粉细度指标。比表面积大于300m2/Kg以上。

上述石膏选用石膏粉，每立方米重量为900kg。

上述石灰为熟石灰，每立方米重量为1350kg。

上述彩色石子可根据具体情况选择白云石或者彩色石，规格以立方体为主。堆积密度1350kg/m3。粒径5mm-13mm。

上述碎石子为一般骨料石，规格以立方体为主。堆积密度1350kg/m3。粒径8mm-15mm。

上述块石为一般骨料石。不选用卵石，块径30mm-100mm.。

上述水的用量可根据施工要求的和易性而调整。

磷渣透水混合材料的物理力学性能指标见表2。

(4).路床。路床的主要作用是承受上部路面和交通荷载。它不承担储水，若有降水渗人，即传入地下。在素土夯实层上，配用的基层材料，须有较好的透水性，可采用相对便宜的砂粒、碎石、块石等强度较高的材料。碎石的粒径在10mm-50mm；块石的粒径在100mm-200mm。厚度一般在300mm-500mm。铺设需均匀平整。

磷渣透水混合材料的物理力学性能指标表(表2)

序号	指标名称	指标
			1	抗压强度(MPa)	≥30
2	抗折强度(MPa)	≥3.7
			3	空隙率(％)	＞18
4	透水系数(mm/s)	2.5-4.8

摊铺、浇筑成型地面其特征在于施工步骤如下：1)验槽：按照设计要求，验收素土夯实层的密实度和平整度。检查、效核满足分层厚度的标高设计尺寸。

2)路床施工：路床基础层施工注意碎石和块石的配比，均匀平整地铺设在夯实的素土层上。将砂粒铺撒在上面，使用锤式夯土机夯实，然后灌水并不断地添加砂粒，使砂粒填满石块间空隙。

3)搅拌：根据工程量的大小，配置不同容量的机械搅拌器。在搅拌前筛选磷渣，清除杂物。磷渣的粒径不小于0.5mm；根据重量配合比，将几种原材料过秤量重。搅拌时的加料顺序：先将磷渣、石灰、石膏混合物搅拌约一分钟，再加入磷渣粉，搅拌约1分钟后，最后将石子骨料加入，严格控制水灰比，即控制水的加入量，水在搅拌中分2-3次加入，不允许一次性加入，再继续搅拌两分钟；视搅拌均匀程度，可适当延长机械搅拌的时间，但不宜过长时间的搅拌。

4)运输：磷渣透水混合料属干性混合料，其初凝快，一般根据气候条件控制混合料的运输时间，运输一般控制在10分钟以内，运输过程中不要停留，手推车必须平稳。

5)摊铺：磷渣透水混合料属干性混合料，其初凝快，表层摊铺必须及时。大面积地面施工需留伸缩缝。采用分块隔仓方式进行摊铺物料，按磷渣透水混合料的干湿度，其松铺系数为1.1-1.15之间(松铺系数即为物料摊铺高度高于实际高度的比)，将磷渣透水混合料均匀摊铺在工作面上，用括尺找准平整度和控制一定的泛水度。

6)捣实：施工面较大，厚度较厚时，采用重型光轮压路机碾压，无需震动。也可采用平板振动器或人工捣实。捣实不宜采用高频振动器，最后用抹合拍平。抹合不能有明水。重型光轮压路机碾压和平板振动器振动时间不能过长，防止过于密实，可出现离析现象。由于是分层施工，为了更好保证下层和上层的黏结强度，对表层和基层应在基层未完全干燥前做表层施工

7)养护：因磷渣透水混合料其孔隙率大，水份散失快，当天气温高于37℃时，为减少水分的蒸发，对已完成作业面，宜立即覆盖塑料薄膜，以保持水分。也可采用洒水养生，使其在养护期内强度遂渐地提高。但淋水时不宜用压力水直接冲淋表面，应直接从上往下淋水，仅保持表面湿润。

与现有技术相比，本发明具有以下特点和有益效果

采用沥青、混凝土，石板材及水泥砖铺设的传统路面，优点是保证强度，坚固耐用。缺点是不透水，阻断了降水对地下水的补充。大暴雨时因***不畅，在地势低洼处因积水而形成水涝。因硬质路面吸、储及反射太阳的热量，使地面平均温度升高，促使城市热岛效应的形成。它还引起环境和生态负效应等不利生态平衡和环境保护。

本发明作为一种新的环保型、生态型的道路材料。它具有：1、透水性，下雨时能较快消除道路、广场的积水现象；当集中降雨时能减轻城市排水设施的负担，防止河流泛滥和水体污染。

2、防止地面积水，夜间不反光，增加路面安全性和通行舒适性。

3、透水地面的透水性，能使雨水迅速渗入地下，补充地下水，保持土壤湿度，维护生态平衡，又能避免因超采地下水而引起地基下沉。

4、透水地面具有独特的孔隙结构，其在吸热和储热功能方面接近于自然植被所覆盖的地面，调节城市空间的温度和湿度，缓解城市热岛效应。

5、透水混凝土***的孔隙率较大，具有吸音作用，可减少环境噪声。

6、大量的空隙能吸附城市污染物(如粉尘)，减少扬尘污染。并易维护性，只需用高压水洗的方法，即可处理孔隙堵塞问题。

7、透水地面材料选择灵活，可以根据周围环境需要进行图案设计，具有较强的装饰性、

8、由于透水地面孔隙率高，具有一定的储水功能。有利于地面的植物生长，减少灌溉用水。

本发明除了具有以上一般透水材料地面大都具有的功能外，与现有技术相比，还具有以下特点和有益效果：

1、加大了对工业废渣的利用。可以缓解目前国内黄磷生产工厂占地堆放废渣的压力，节约土地。本发明对磷渣的利用成本相当低廉。它具有十分显著的经济效益。利于本发明的推广。

2、本发明充分利用了磷渣的本质特性、强度特性、组成的特殊性及组成的物性等特点。在磷渣中适量添加石膏、石灰及部分磨细加工的磷渣粉，组成的混合料，具有较好的胶凝性。能满足城镇慢行交通道路及露天活动场地的强度要求。

3、本发明的磷渣透水混合料，与目前大多透水材料相比较，更具节能、利废、无污染优势。除添加占比很小的石膏(8％)、石灰(7％)、磷渣粉(10％)，在生产时需要消耗能源外，几乎是“零消耗”。社会效益也十分显：

4、由于磷渣的主要成分是活性钙和活性硅，并且不含重金属等有害成分，通过表层、基层、结构层的降水相当于经过了过滤，对地下水无污染。

附图说明

图1是本发明结构示意图。图中：1-表层、2-基层、3-结构层(储水层)、4-路床、5-素土层。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步说明，但本发明并不仅限于以下实施方式。

如图1所示：利用工业废渣-磷渣，根据地面各结构层密实度和孔隙率的不同要求，添加不同比例的磷渣细粉、石膏、石灰、石子(块)料成为一种新的透水混合材料。其中：表层(1)所用的原材料是磷渣透水混合料、厚度为60mm、密实度≥95％、孔隙率为18％-20％。每立方米混合料的重量配合比为：60∶7∶9∶9∶15；基层(2)所用的原材料是磷渣透水混合料、厚度为100mm、密实度≥95％、孔隙率为18％-20％。每立方米混合料的重量配合比为：60∶7∶9∶9∶15；结构层(储水层)(3)所用的原材料是磷渣透水混合料、厚度为700-1000mm、密实度≥95％、孔隙率为12％-15％。每立方米混合料的重量配合比为：50∶7∶7∶7∶29。

下面给出采用本发明的磷渣透水混合料构筑透水地面的具体实施方法，其包括如下步骤：

步骤1、分层施工：路床一结构层(储水层)一基层一表层；

步骤2、验槽：按照设计要求，验收素土夯实层的密实度和平整度。检查、效核满足分层厚度的标高设计尺寸。

步骤3、磷渣混合材料制作：根据重量配合比，将几种原材料过秤量重。搅拌时的加料顺序：先将磷渣、石灰、石膏混合物搅拌约一分钟，再加入磷渣粉，搅拌约1分钟后，最后将石子骨料加入，严格控制水灰比，即控制水的加入量，水在搅拌中分2-3次加入，不允许一次性加入，再继续搅拌两分钟；视搅拌均匀程度，可适当延长机械搅拌的时间，但不宜过长时间的搅拌。

步骤4、运输：磷渣透水混合料属干性混合料，其初凝快，一般根据气候条件控制混合料的运输时间，运输一般控制在10分钟以内，运输过程中不要停留，手推车必须平稳。

步骤5、摊铺：表层摊铺必须及时。大面积地面施工需留伸缩缝。采用分块隔仓方式进行摊铺物料，按磷渣透水混合料的干湿度，其松铺系数为1.1-1.15之间(松铺系数即为物料摊铺高度高于实际高度的比)，将磷渣透水混合料均匀摊铺在工作面上，用括尺找准平整度和控制一定的泛水度

步骤6、捣实：施工面较大，厚度较厚时，采用重型光轮压路机碾压，无需震动。也可采用平板振动器或人工捣实。捣实不宜采用高频振动器，最后用抹合拍平。抹合不能有明水。重型光轮压路机碾压和平板振动器振动时间不能过长，防止过于密实，可出现离析现象。由于是分层施工，为了更好保证下层和上层的黏结强度，对表层和基层应在基层未完全干燥前做表层施工

步骤7、养护：因磷渣透水混合料其孔隙率大，水份散失快，当天气温高于37℃时，为减少水分的蒸发，对已完成作业面，宜立即覆盖塑料薄膜，以保持水分。也可采用洒水养生，使其在养护期内强度遂渐地提高。但淋水时不宜用压力水直接冲淋表面，应直接从上往下淋水，仅保持表面湿润。

Claims (5)

1.一种透水地面混合材料，利用磷渣适量掺入磷渣粉、石膏、石灰、碎石子浇筑成型透水地面表层(1)、基层(2)、结构层(3)；其特征在于：

所述表层(1)、基层(2)、结构层(3)所用原材料是磷渣透水混合料，表层(1)和基层(2)中每立方米混合料中磷渣、磷渣粉、石膏、石灰、碎石子的重量配合比均为：60∶7∶9∶9∶15；所述表层(1)、基层(2)、结构层(3)的混合料中还添加有适量的水；

所述表层(1)的碎石子为彩色石子；

所述结构层(3)每立方米混合料中磷渣、磷渣粉、石膏、石灰、碎石子的重量配合比为：50∶7∶7∶7∶29。

2.如权利要求1所述的透水地面混合材料，其特征在于：所述磷渣为经筛选，无杂物，粒径不小于0.5mm，含水量不超过10％。

3.如权利要求1所述的透水地面混合材料，其特征在于：所述磷渣粉为经球磨机加工而成的粉末，比表面积大于300m²/kg以上。

4.如权利要求1所述的透水地面混合材料，其特征在于：所述石灰为经加水后散状的熟石灰粉。

5.一种如权利要求1-4任意一项所述透水地面混合材料的施工方法，其特征在于施工方法如下：

a.分层施工顺序：路床-结构层-基层-表层；

b.验槽：按照设计要求，验收素土夯实层的密实度和平整度，检查、校核满足分层厚度的标高设计尺寸；

c.磷渣透水混合料制作：根据重量配合比，将几种原材料过秤量重，搅拌时的加料顺序：先将磷渣、石灰、石膏混合物搅拌一分钟，再加入磷渣粉，搅拌1分钟后，最后将碎石子加入，严格控制水灰比，即控制水的加入量，水在搅拌中分2-3次加入，不允许一次性加入，再继续搅拌两分钟；

d.运输：磷渣透水混合料属干性混合料，其初凝快，根据气候条件控制混合料的运输时间，运输控制在10分钟以内，运输过程中不要停留，手推车必须平稳；

e.摊铺：表层摊铺必须及时，大面积地面施工需留伸缩缝，采用分块隔仓方式进行摊铺物料，按磷渣透水混合料的干湿度，其松铺系数为1.1-1.15之间，将磷渣透水混合料均匀摊铺在工作面上，用刮尺找准平整度和控制泛水度；

f.捣实：采用重型光轮压路机碾压捣实，无需震动；也可采用平板振动器或人工捣实；最后用抹合拍平；抹合不能有明水；由于是分层施工，为了保证下层和上层的黏结强度，对表层和基层应在基层未完全干燥前做表层施工；

g.养护：因磷渣透水混合料其孔隙率大，水分散失快，当天气温高于37℃时，为减少水分的蒸发，对已完成作业面，立即覆盖塑料薄膜，以保持水分；也可采用洒水养生，使其在养护期内强度逐渐地提高；但淋水时不宜用压力水直接冲淋表面，应直接从上往下淋水，仅保持表面湿润。