CS256273B1

CS256273B1 - Substrate of roadway and method of its production

Info

Publication number: CS256273B1
Application number: CS86650A
Authority: CS
Inventors: Karel Blazek; Robert Stepanek; Jiri Baros; Igor Vecerka
Original assignee: Karel Blazek; Robert Stepanek; Jiri Baros; Igor Vecerka
Priority date: 1986-01-29
Filing date: 1986-01-29
Publication date: 1988-04-15
Also published as: CS65086A1

Abstract

Podkladní vrstva je určena pro vozovky, parkoviště,dopravní a zpevněné plochy. Podstatou šešení je využití tixotropních vlastností směsi létavého popílku s vodou ke zvýšení vnitřních sil soudržnosti, a tím k úspoře stavebních materiálů a tlouštík konstrukce. Podkladní vrstva je tvořena kostrou z hrubého drceného kameniva od 8 do 63 mm, která se rozprostře a zhutní. Kostra se prolije a s případným vevibrováním vyplní tekutau směsí popílku s.vodou, připravenou zvlhčením 1,5 až 3,0 dílů létavého popílku 1 dílem vody za intenzivního míchání, s možným přidáváním 1 až 18% hmotnostních hydraulické maltoviny nebo vápenného hydrátu. Tekutá směs popílku s vodou přejde vlivem tixotropních vlastností do pevného stavu či dosažení maxi- » mální objemové hmotnosti a s následným vytvořením strukturálně chemických vazeb.The base layer is intended for roads, parking lots, traffic and paved areas. The essence of the solution is to use the thixotropic properties of a mixture of fly ash and water to increase the internal cohesive forces, thereby saving building materials and the thickness of the structure. The base layer is formed by a skeleton of coarse crushed aggregate from 8 to 63 mm, which is spread and compacted. The skeleton is poured and, with possible vibration, filled with a liquid mixture of fly ash and water, prepared by moistening 1.5 to 3.0 parts of fly ash with 1 part of water under intensive mixing, with the possible addition of 1 to 18% by weight of hydraulic mortar or lime hydrate. The liquid mixture of fly ash and water will pass into a solid state due to the thixotropic properties or reach the maximum bulk density and subsequently form structural-chemical bonds.

Description

Vynález se týká podkladní vrstvy vozovek pozemních komunikací a zpevněných ploch a způsobu výroby této podkladní vrstvy. Vynález řeší uplatnění nového principu aktivace vnitřních soudržných sil mezi stavebními materiály podkladních vrstev· Výsledkem vynálezu je kvantitativně nový stupen mezi dosavadními nestmelenými a stmelenými podkladními vrstvami vo zovek·BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an underlayer of paved roads and paved surfaces, and to a method of making the underlayer. The invention solves the application of a new principle of activation of internal cohesive forces between the building materials of the base layers.

Funkcí podkladních vrstev vozovky je roznášet tlaky vozidel z krytu vozovky na podloží. Podle druhu zpevnění /tj· vnitřních soudržných vazeb/ se podkladní vrstvy dělí obecně na nestmelené a stmelené· Nestmelené podkladní vrstvy /vibrovaný štěrk, štěrkodrí, mechanicky zpevněné kamenivo - minerálbeton aj·/ využívají k přenášení napětí od zatížení vnitřní tření mezi jednotlivými zrny kameniva· Výsledná odolnost proti přetvoření je dána součtem sil vnitřního tření, které jsou principiálně závislé na granulometrii, fyzikálně mechanických vlastnostech kameniva a zhutnění vrstvy. Naproti tomu stmelené podkladní vrstvy /kamenivo zpevněné cementem,stabilizace zemin, penetrační makadam aj·/ využívají k získání vnitřní soudržnosti různých druhů pojivá - hydraulických, vzdušných, živičných ; výsledná odolnost proti přetvoření je dána pak pevností stmelení· Rozdíly v deformačních charakteristikách odpovídajících materiálů nestmelených a stmelených jsou dle porovnání modulů pružnosti značné : mechanicky zpevněná zemina 150.MPa - cementem stabilizovaná zemina 1000 MPa, štěrkodrl 250 MPa - penetrační makadam 1900 MPa. Tyto rozdíly deformačních charakteristik se negativně promítají do dimenzování vozovek podle platné čs. návrhové metody, kde vedou k podhodnocení nestmelených materiálů· Uvedené důvody společně se snahou po úspoře kvalitních pojiv vedly k hledání cest, které by překlenuly zo zdily mezi nestmelenými a stmelenými podkladními vrstvami. Logickým výsledkem bylo spojení předností obou druhů podkladů, tj· samostatná hrubozraaé kostry z nestmeleného kameniva, do které je následně vpravena /prolita, vevibrována/ stmelená výplň. Tato myšlenka není nová, už u klasických štěrkových vozovek se prolévala štěrková kostra kalící maltou· V moderních aplikacích jeThe function of the underlying road layers is to distribute vehicle pressures from the road cover to the ground. Depending on the type of reinforcement (ie · internal cohesive bonds), the base layers are generally divided into unmounted and cemented · Unmounted base layers / vibrated gravel, gravel-blue, mechanically reinforced aggregate - mineral concrete etc. · / use internal friction to transfer stress from load The resulting resistance to deformation is given by the sum of internal friction forces, which are principally dependent on granulometry, physical-mechanical properties of aggregates and layer compaction. On the other hand, cemented base layers / cementitious aggregates, soil stabilization, penetration macadam etc. · / use binders - hydraulic, air, bituminous - to obtain internal cohesion. the resulting deformation resistance is given by the bonding strength · The differences in the deformation characteristics of the corresponding unbound and bonded materials are significant according to the elastic modulus: mechanically reinforced soil 150.MPa - cement stabilized soil 1000 MPa, gravel-blue 250 MPa - penetration macadam 1900 MPa. These differences in deformation characteristics are negatively reflected in the design of pavements according to the valid MS. · The reasons given, together with the effort to save quality binders, led to the search for paths that would span the walls between the unbound and the bonded base layers. The logical result was to combine the advantages of both types of substrates, ie a separate coarse-grained skeleton of unmounted aggregate into which it is subsequently inserted / poured, vibrated / cemented filling. This idea is not new, gravel carcass has been shed with hardened mortar in classic gravel roads.

- 2 256 273 kal nahrazen obvykle maltovou výplní stmelenou hydraulickým nebo vzdušným pojivém s drobným kamenivem, struskou, popílkem a jinými komponenty. Podle stupně zaplnění mezer výplňovou maltou se tyto nové technologické úpravy blíží buň nestmeleným podkladním vrstvám /mezerovitost cca do 30 %, rozhodující síly soudržnosti přebírá kamenná kostra vnitřním třením/, nebo stmeleným podkladním vrstvám /mezerovitost klesá pod 5 %, nosnou funkci přebírá pevnost výplně/.- 2 256 273 sludge is usually replaced by a mortar filler bonded by hydraulic or air binder with small aggregates, slag, fly ash and other components. Depending on the degree of filling the gaps with filler mortar, these new technological adjustments are close to the unstacked subfloors (gap approx. 30%), the decisive cohesive strength is taken over by the stone frame by internal friction. .

Společnou charakteristikou těchto úprav je však skutečnost, že pouze v různé míře kombinují oba známé principy vnitřní soudržnosti materiálů podkladních vrstev vozovky. Kvalitativně novým stupněm a pokrokem by bylo uplatnění jiného fyzikálně-mechanického nebo fyziláLně-chemického principu, který by se podílel na aktivaci a zvýšení vnitřních sil soudržnosti v podkladní vrstvě vozovek.However, a common feature of these modifications is the fact that they combine only the two known principles of the internal consistency of the road substructure materials to a different extent. A qualitatively new step and progress would be the application of another physico-mechanical or physico-chemical principle that would contribute to the activation and increase of the internal cohesive forces in the underlying roadway layer.

Vynález řeší uplatnění nového principu aktivace vnitřních soudržných sil podkladní vrstvy vozovek, jehož podstatou je využití tixotropních vlastností popílkové suspenze, tj. směsi létavého popílku s vodou, smíchané ve stanoveném poměru. Podkladní vrstvu tvoří zhutněná kostra z hrubého drceného kameniva o zrnitosti v rozmezí od 8 do 63 mm, následně vyplněná popílkovou suspenzí, která je do kostry prolita nebo vevibrováaa. Popílková suspenze se vyrábí zvlhčením 1,5 až 3,0 dílů létavého popílku 1 dílem vody /s případným přidáním 1 - 18 % hydraulického nebo vzdušného pojivá - dle bodu 2. definice/, za intenzivního míchání. Popílková suspenze se vyznačuje tím, že vlivem tixotropních vlastností samovolně přechází z tekutého stavu do stavu plastického a později tuhého. Suspenze v tekutém stavu zaujme prostor daný vnitřní mezerovitostí kamenné kostry a po zatuhnutí vytváří zpevnění podkladní vrstvy. Využití tixotropních vlastností je možné pouze při dodržení postupu výroby podkladní vrstvy /dle boduThe invention solves the application of a new principle of activation of the internal cohesive forces of the road underlayer, which is based on the use of thixotropic properties of fly ash suspension, ie a mixture of fly ash with water, mixed in a specified ratio. The backing layer consists of a compacted frame of coarse crushed aggregate with a grain size of 8 to 63 mm, then filled with a fly ash suspension, which is poured into the frame or vibrated. The fly ash suspension is produced by humidifying 1.5 to 3.0 parts fly ash with 1 part water (with optional addition of 1-18% hydraulic or air binder - as defined in item 2), with vigorous stirring. The fly ash suspension is characterized by the fact that, due to thixotropic properties, it automatically spends from a liquid state to a plastic state and later a solid state. The slurry in the liquid state occupies the space given by the internal voidiness of the stone skeleton and, after solidification, forms a strengthening of the base layer. The use of thixotropic properties is possible only in accordance with the manufacturing process of the base layer / according to point

3. definice/, tedy nikoliv současným míšením všech složek podkladní vrstvy /kamenivo, popílek, voda ev. pojivo/· Tixotropní vlastnosti popílkové suspenze lze vysvětlit takto. Především tyto vlastnosti mohou vzniknout pouze u homogenního a natolik jemného materiálu, u něhož může dojít k rovnováze gravitačních sil částic s jejich dynamickou viskozitou· Proto jakákoliv směs, vyráběná kromě popílku zvlhčením3. definition /, ie not by simultaneous mixing of all components of the base layer / aggregate, fly ash, water ev. The thixotropic properties of the fly ash suspension can be explained as follows. Above all, these properties can only arise with a homogeneous and fine material which can balance the gravitational forces of the particles with their dynamic viscosity.

256 273 drobného nebo hrubého kameniva, nedává vzniknout tixotropnía vlastnostem. Mechanismus-využití tixotropních vlastností popílkové suspenze v podkladní vrstvě vozovky je následovný, Popílková suspenze se vyrábí a dopravuje za stálého míchání nebo čeření. Vlivem tohoto mechanického podnětu dochází k překonávání dynamické viskozity suspenze, která je tak udržována v tekutém stavu. Při prolévání kamenné kostry zaujme suspenze jako tekutina veškeré dostupné mezery v kamenivu. Je-li použito v kostře kameniva i frakce menší než 22 mm, doporučuje se pojezd vibračního válce po podkladní vrstvě. Vibrační účinky ještě více ztekutí směs tak, aby zaplnila veškerý volný vnitřní prostor v kamenné kostře. Po ukončení vnějšího mechanického podnětu pohyb suspenze ustává, rychlost pohybu klesá k aule. S tím vzrůstá dynamická viskozita suspenze / jako u všech nenewtonovských kapalin/ a postupně přechází ve viskozitu strukturální. Současně odebere kamenivo popílkové suspenzi část záměsové vody a tím ještě zvýší viskozitu suspenze. Tak je postupně dokončen přechod suspenze ze stavu tekutého do stavu tuhého. Důležitým faktorem je samovo 1 nost a přirozená jednosraéraest tohoto procesu. Příčina těchto vlastností spočívá v energetické bilanci jevu. Podle obecné druhé věty termodynamické jsou v izolovaných soustavách možné jen takové změny, při nichž entropie soustavy vzrůstá nebo zůstane nezměněna. Rovnováha takové izolované soustavy se pak vyznačuje maximální entropií. Pro suspenzi je maximální entropií stav pevného skupenství. K udržení kapalného skupenství suspenze je totiž nutná vnější práce, který zvyšuje vnitřní energii soustavy /suspenze/ a snižuje její entropii. Při ztrátě vnějšího iaqaulsu se pak soustava působením principu růstu entropie samovolně snaží dosáhnout energeticky minimálního a eňtropicky maximálního stavu, ýwŽ je stav pevného skupenství. Podstatný důsledek probíhajících dějů se projeví v takovém uspořádání zrn popílku v iuhé suspenzi, při němž je dosaženo maximální objemové hmotnosti popílku. O soudržném účinku strukturálně viskozní vazby svědčí skutečnost, Že samovolně ztuhlá nehutaěná popílková suspenze dosahuje vyšší objemové hmotnosti,256 273 small or coarse aggregate, does not give rise to thixotropic properties. The mechanism-utilization of the thixotropic properties of the fly ash slurry in the ground layer is as follows. The fly ash slurry is produced and transported under constant agitation or clarification. Due to this mechanical stimulus, the dynamic viscosity of the suspension is overcome and is thus maintained in a liquid state. When shedding the stone skeleton, the suspension takes up all available gaps in the aggregate as a liquid. If a fraction of less than 22 mm is used in the aggregate frame, it is recommended to travel the vibratory roller on the base layer. The vibration effects even more liquefies the mixture to fill all the free interior space in the stone frame. Upon completion of the external mechanical stimulus, the movement of the suspension ceases and the rate of movement decreases to the auditorium. With this, the dynamic viscosity of the suspension increases (as with all non-Newtonian fluids) and gradually becomes structural viscosity. At the same time, the aggregate ash removes part of the mixing water and thus increases the viscosity of the suspension. Thus, the transition of the suspension from liquid to solid is gradually completed. An important factor is the self-efficacy and natural one-of-a-kind of this process. The reason for these properties lies in the energy balance of the phenomenon. According to the general second law of thermodynamics, only such changes are possible in isolated systems in which the entropy of the system increases or remains unchanged. The equilibrium of such an isolated system is then characterized by maximum entropy. For a suspension, the maximum entropy is the solid state. In order to maintain the liquid state of the suspension, external work is necessary, which increases the internal energy of the system (suspension) and reduces its entropy. When the external iaqauls are lost, the system, by virtue of the principle of entropy growth, spontaneously strives to achieve an energy-minimum and an tropthropically maximum state, wwŽ being a solid state. A substantial consequence of the processes is manifested in the arrangement of the fly ash grains in the solid suspension, whereby the maximum bulk density of the fly ash is reached. The cohesive effect of the structural viscous bond is evidenced by the fact that the self-solidified non-compacted fly ash suspension reaches a higher bulk density,

- 4 256 273 a tím vyšší míru zhutnění aez vrstva provedená z optimálně vlhčeného popílku a předepsaným způsobem dokonale zhutněná* Strukturální viskozita suspenze se dále postupně mění v pevnoty fyzikálně chemickou vazbu mikročástic suspenze vlivem obvykle přítomných zbytkových sloužením vápníku v popílku· Tyto chemické vazby je možné zásadním způsobem zvýšit přímým přidáním hydraulického nebo vzdušného pojivá do suspenze která tím získá charakter vysoce soudržné stmelené výplně· Původnost předkládaného řešení spočívá mj· v tom, že jako výplň kamenné kostry se používá samotného popílku zvlhčeného vodou v podobě tixotropní suspenze· V některých případech se totiž popílek do konstrukčních vrstev vozovek také přidává, ovšem buá jako dílčí část plniva, nebo jako částečná náhrada hydraulického pojivá· Popílek pak působí jako inertní složka zeminy nebo drobného kameniva, nebo se případně využije některých příznivých chemických vazeb aktivních popílků· Dosud nebylo využito tixotropních vlastností popílkové suspenze, neboť tyto vlastnosti jsou závislé na homogenitě suspenze, složené výhradně z popílku·- 4,256,273 and thus a higher level of compaction than a layer made of optimally wetted fly ash and perfectly compacted in a prescribed manner * The structural viscosity of the suspension gradually changes into strength by physically chemical bonding of the microparticles of the suspension due to residual calcium present in the fly. · The originality of the present solution consists, inter alia, in the fact that as a filler of stone skeleton it is used the fly ash moistened with water in the form of a thixotropic suspension. fly ash also adds to the road construction layers, but either as a part of the filler or as a partial replacement of the hydraulic binder · The fly ash then acts as an inert component of soil or small aggregate or some beneficial chemical bonds of the active fly ash may be utilized · The thixotropic properties of the fly ash suspension have not been utilized yet, as these properties depend on the homogeneity of the suspension, consisting exclusively of fly ash ·

Spojením kamenné kostry s výplní z popílkové suspenze je získána kvalitativně nová podkladní vrstva, která tvoří široký přechod mezi nestmelenými a stmelenými podkladními vrstvami· Bez přidání pojivá do výplňkové suspenze vzniká nestmelená / a přece soudržná/ podkladní vrstva, která dosahuje a překračuje deformační charakteristiky nejkvalitnějších. dosud prováděných podkladních vrstev z vibrovaného štěr ku nebo mechanicky zpevněného kameniva /modul pružnosti E 1000 MPa·/ Přidáním hydraulického nebo vzdušného pojivá do suspenze se může zpevnit podkladní vrstva až aa úroveň vysoce kvalitních stmelených podkladních vrstev - kameniva zpevněného cementem /modul pružnosti až E · 2000 MPa/· Parametry pevnosti lze v uvedeném Širokém rozmezí volit složením kamenné kostry, vlastnostmi popílku a množstvím a druhem přidáváného pojivá· Tyto podkladní vrstvy pak lze uplatnit na účelové ploohy, staveništní vozovky, parkoviště 1 na zatížené vozovky pozemních komunikací· Výhody vynálezu spočívají jednak v úspoře hydraulických nebo vzdušných pojivBy joining the stone carcass with the fly ash slurry filler, a qualitatively new backing layer is obtained which forms a wide transition between unbound and cemented backing layers. Without the addition of a binder to the filler suspension, an unbonded / yet cohesive / backing layer is obtained. Substrate layers made of vibrated gravel or mechanically reinforced aggregates / elastic modulus E 1000 MPa · / By adding hydraulic or air binder to the suspension, the base layer can be strengthened up to the level of high quality cemented base layers - cement reinforced aggregates / elastic modulus up to E · 2000 MPa / · Strength parameters can be selected within the given wide range by the composition of the stone skeleton, the properties of fly ash and the amount and type of binder added. These base layers can then be applied to utility areas, construction sites, car parks 1 on loaded roadways. in saving hydraulic or air binders

- 5 256 273 při jejich sníženém dávkování resp. úplné absenci /Oo* 6% hmotnosti kameniva/ oproti srovnatelným technologickým úpravám. Jinou celospolečenskou výhodou je využívání a likvidace obtížného odpadního produktu - popílku jako účinného stavebního materiálu. Další výhody se vztahují k uplatnění v konstrukcích vozovek í výborné tepelně izolační vlastnosti popilkove suspenze / A = 0,3 - 0,4 W.m“ .K“ / zvýší tepelný odpor vozovek vůči promrzání a uspoří tak konstrukční tloušťku. Druhým důvodem k úspoře tloušťky konstrukce a tedy materiálu jsou vyšší deformační charakteristiky oproti klasickým néstmeleným podkladním vrstvám, což lépe zhodnotí používané kamenivo a podle návrhu konstrukce vozovky uspoří i tloušťku vrchních živičných vrstev.- 5,256,273 at a reduced dosage or resp. complete absence (Oo * 6% of aggregate weight) compared to comparable technological adjustments. Another societal advantage is the use and disposal of difficult waste product - fly ash as an effective building material. Further advantages relate to the application in pavement structures and the excellent thermal insulation properties of the fly ash suspension (A = 0.3 - 0.4 W.m.KK) / will increase pavement thermal resistance to frost and save design thickness. The second reason to save the thickness of the structure and thus the material is higher deformation characteristics compared to conventional unmelted base layers, which will better evaluate the used aggregate and, according to the design of the road construction, will also save the thickness of the top bituminous layers.

Příklad 1Example 1

Na urovnanou a zhutněnou ochrannou vrstvu se rozprostře a urovná vrstva Štěrku frakce 32/63 mm v tloušťce 250 mm a vibračními válci se zhutní. Tato kamenná kostra se prolije popílkovou suspenzí až do úplného zaplnění mezer. Popílková suspenze se vyrobí v mísícím centru z 2,7 hmotnostních dílů létavého popílku a 1 dílu vody za neustálého míchání. Na stav bu se suspenze dováží v autodomíchávači nebo cisternovém automobilu pro fekálie a volně se rozleje po ploše zhutněné štěrkové vrstvy. Mezery v kamenné kostře jsou zaplněny, jakmile vrstva suspenze kryje povrch zrn kameniva a dále neklesá. Po zatuhnutí suspenze /min. 48 hodin/ lze pokládat horní podkladní vrstvu.The 32/63 mm gravel layer at 250 mm thickness is spread and leveled over the leveled and compacted protective layer and compacted by vibrating rollers. The stone skeleton is poured through the ash slurry until the gaps are completely filled. The fly ash slurry is made in a mixing center from 2.7 parts by weight of fly ash and 1 part by water while stirring. To the state of either the slurry is imported in a concrete mixer or tank truck for faeces and spilled freely over the compacted gravel layer. The gaps in the stone frame are filled as soon as the suspension layer covers the surface of the aggregate grains and does not further decrease. After solidification of the suspension / min. 48 hours / the top underlay can be applied.

Příklad 2Example 2

Na zhutněnou spodní podkladní vrstvu se rozprostře a urovná vrstva štěrkodrti frakce 16/32 mm v tloušťce 200 mm a válcem bez použití vibrace se předhutní. Tato kamenná kostra se prolije předem připravenou popílkovou suspenzí. Aby došlo k zaplnění všech mezer, je nutno suspenzi do kamenné vrstvy vevibrovat dalšími pojezdy vibračního válce. Mezery jsou za256 273 plněny, jakmile vrstva suspenze kryje povrch zrn kameniva a dále neklesá ani při pojezdu vibračního válce. Popílková suspenze se předem vyrobí v mísícím centru z 2,2 hmotnostních dílů létavého popílku, 1 dílu vody a 9# struskoportlandského cementu vztaženém hmotnostně k popílku /tj.Spread and level the 16/32 mm gravel crush layer at a thickness of 200 mm on the compacted backing layer and pre-compaction with the roll without vibration. This stone skeleton is poured with a pre-prepared fly ash suspension. In order to fill all the gaps, the suspension must be vibrated into the stone layer by further travel of the vibratory roller. The gaps are filled as soon as the slurry layer covers the surface of the aggregate grains and no longer drops even when the vibratory roller travels. The fly ash slurry is preformed in a mixing center from 2.2 parts by weight fly ash, 1 part water and 9 # slag-portland cement by weight / fly ash.

2,5 % hmotnosti cementu na množství kameniva a popílku. Po zatuhnutí suspenze se provede infiltrační postřik a následně udržovací a uzavírací nátěr. Provedená konstrukce může sloužit jako staveniětní vozovka.2.5% cement weight per aggregate and fly ash. After the suspension solidifies, an infiltration spray is carried out followed by a maintenance and sealing coating. The construction can serve as a roadway.

Claims

SUBJECT OF THE INVENTION

CLAIMS 1. Coarse crushed aggregate, fly ash and water pavement substrate comprising a 2rn aggregate skeleton in the range of 8 to 63 mm, filled with a thixotropic fly ash-water mixture in an amount of 15 to 45% by weight of the skeleton wherein the thixotropic fly ash-water mixture consists of 1.5 to 3.0 parts fly ash and 1 part water.

A backing layer according to claim 1, characterized in that the thixotropic fly ash-water mixture comprises hydraulic maltium or lime hydrate in an amount of from 1 to 18% by weight of the fly ash.

3. A method for producing a road substructure according to item

1 or 2, characterized in that the spread stone carcass in a thickness of 80 to 300 mm is compacted, poured with a fly ash-water mixture produced by wetting fly ash with vigorous stirring, optionally vibration until the gaps are completely filled.