本发明属于道路建设，具体涉及一种适用于高含冰量冻土地区的路基及其施工工艺和包含其的道路。
背景技术：
1、我国多年冻土与季节性冻土地区面积占国土总面积约75％。冻土性质十分复杂，其中水分的存在使其对温度的变化极其敏感。由于气候变暖使气温升高，冻土中的固结水分会慢慢的融化，冻土的承载力也会随着下降，如果冻土上部荷载超过冻土地基的承载能力，就会引起地基的不均匀沉降，造成热融沉陷、路基翻浆、滑塌等路基的病害。
2、目前，冻土地区地基路基的设计原则主要采用保持冻结地基的原则，这其中保温隔热路基是重要方式之一。目前冻土的保温隔热路基通常采用隔热板在冻土路基内部铺设一层十几公分的隔热板材，但这些隔热板材多存在厚度有限、抗压抗折强度低、耐久性差等问题，实际处治效果难以达到预期。因此，寻求高强耐久且经济合理的保温隔热路基材料成为冻土保温处治技术急需解决的关键问题。
技术实现思路
1、针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种适用于高含冰量冻土地区的路基及其施工工艺和包含其的道路。该路基具有良好的保温隔热性能、力学性能和耐久性，可用于高含冰量冻土地区，对高含冰量冻土地基起到保护作用，减少因高含冰量冻土的扰动和组成、结构变化导致的路基病害。
2、为达此目的，本发明采用以下技术方案：
3、第一方面，本发明提供一种适用于高含冰量冻土地区的路基，所述路基包括从下到上依次设置的吸热层、保温层、隔热层和承重层；
4、其中，所述吸热层由吸热性地聚物胶结料浇筑而成，所述吸热性地聚物胶结料包括如下重量份数的组分：粉煤灰220-400份、赤泥150-360份、氢氧化钙150-180份、氯化铵100-140份和水320-400份；
5、所述保温层由保温性气泡混合土浇筑而成，所述保温性气泡混合土包括如下重量份数的组分：粒化高炉矿渣粉250-360份、偏高岭土50-180份、氢氧化钠30-65份、氯化钙15-30份、动物蛋白发泡剂20-40份、明胶稳泡剂0.2-1.0份和水130-320份；
6、所述隔热层包括：交替层叠的硅基气凝胶板和酚醛泡沫板，以及设置在所述硅基气凝胶板和所述酚醛泡沫板之间的氧化锆纤维布；所述硅基气凝胶板、氧化锆纤维布和酚醛泡沫板粘接在一起；
7、所述承重层由固化稳定土填筑而成，所述固化稳定土包括如下重量份数的组分：磷渣粉80-200份、钢渣粉50-100份、磷石膏10-20份、碳酸钠5-15份、聚丙烯纤维1-4份、粉质黏土1300-3200份和水75-160份。
8、需要说明的是，本发明中所述“高含冰量冻土”是指《冻土工程地质勘察规范》(gb50324-2014)中规定的富冰冻土、饱冰冻土和含土冰层，其含冰量特征符合gb50324-2014附录b的规定。
9、本发明隔热层中，与保温层或承重层直接接触的板材，可以是硅基气凝胶板，也可以是酚醛泡沫板。
10、本发明所述吸热层中，粉煤灰和赤泥作为基础胶凝材料提供吸热层所需的基础强度，且粉煤灰和赤泥的水化热低于水泥、粒化高炉矿渣、钢渣等胶凝材料，有助于降低吸热层水化热对冻土地基的影响。ca(oh)2一方面作为激发剂，另一方面可补充胶凝材料水化所需的ca2+。nh4cl溶于水的过程可吸收胶凝材料水化热，大幅降低水化热对冻土地基产生的影响；nh4cl还可与ca(oh)2发生反应生成cacl2，促进胶凝材料水化，增强早期强度。
11、本发明所述保温层中，动物蛋白发泡剂形成的气泡细密、弹性大、均匀性好。粒化高炉矿渣粉和偏高岭土作为基础胶凝材料提供保温层所需的基础强度；且粒化高炉矿渣粉和偏高岭土的水化产物与动物蛋白发泡剂形成的气泡具有很好的相容性，水化产物能够很好地包裹在气泡膜表层而不会导致气泡破裂。通过粒化高炉矿渣粉、偏高岭土和动物蛋白发泡剂相配合，能够使得保温层中的气孔细密、均匀、独立，孔径<1mm，提升保温层的保温性能。naoh作为激发剂。cacl2提供偏高岭土水化所需的ca2+；cacl2还可促进胶凝材料水化，并与naoh以及胶凝材料中的含铝相反应生成水化氯铝酸钙，从而进一步提高保温层强度。
12、本发明所述隔热层中，硅基气凝胶板的孔径为纳米级，其比热容是普通混凝土的2～5倍，隔热性能优异。酚醛树脂泡沫板的孔径为微米级，其比热容是普通混凝土的1.5～3倍，隔热性能、力学强度性能和抗变形性能俱佳。氧化锆纤维布隔热性能好，设置在硅基气凝胶板和酚醛泡沫板之间，还可增强隔热层的抗变形能力。通过硅基气凝胶板、酚醛树脂泡沫板和氧化锆纤维布三者配合，能够使隔热层兼具良好的隔热性能和力学性能。
13、本发明所述承重层中，磷渣粉、钢渣粉作为胶结性组分可水化生成水化物水化硅酸钙(c-s-h)、水化硅铝酸钙(c-a-s-h)，水化铁铝酸钙(c-a-f-h)等，起到包裹胶结粉质黏土颗(团)粒、填充粉质黏土颗(团)粒之间的孔隙的作用；磷石膏与na2co3以及磷渣粉、钢渣粉中的含铝相反应生成具有膨胀性的水化产物钙矾石(aft)，可通过膨胀作用挤压填充粉质黏土颗(团)粒内部的孔隙。各种水化物协调配合，可增强固化稳定土密实度，进而提高强度。此外，c-a-s-h、c-a-f-h和aft还可增强固化稳定土抗冻性。掺加聚丙烯纤维可进一步增强承重层的抗弯拉、抗劈裂强度，并增强其抗冻性。
14、需要说明的是，虽然本发明中的吸热层、保温层、隔热层和承重层的功能有所不同，但作为路基的组成部分，实际每一层都具有保温隔热和承重的作用，只是各自功能的侧重点不同。本发明通过上述各层的协同配合，从而使路基整体具有良好的力学性能、抗冻性、稳定性和耐久性。
15、本发明中，所述吸热性地聚物胶结料的各组分的含量可以是其含量范围内的任意值，例如，粉煤灰的重量份数可以是220份、230份、250份、270份、280份、300份、320份、330份、350份、360份、380份或400份等；赤泥的重量份数可以是150份、160份、180份、200份、220份、240份、250份、260份、280份、300份、320份、330份、350份或360份等；氢氧化钙的重量份数可以是150份、155份、160份、165份、170份、175份或180份等；氯化铵的重量份数可以是100份、105份、110份、115份、120份、125份、130份、135份或140份等；水的重量份数可以是320份、330份、340份、350份、360份、370份、380份、390份或400份等。
16、所述保温性气泡混合土的各组分的含量可以是其含量范围内的任意值，例如，粒化高炉矿渣粉的重量份数可以是250份、260份、270份、280份、290份、300份、310份、320份、330份、340份、350份或360份等；偏高岭土的重量份数可以是50份、60份、70份、80份、90份、100份、110份、120份、130份、140份、150份、160份、170份或180份等；氢氧化钠的重量份数可以是30份、33份、35份、40份、42份、45份、48份、50份、52份、55份、58份、60份、62份或65份等；氯化钙的重量份数可以是15份、16份、18份、20份、22份、23份、25份、26份、27份或30份等；动物蛋白发泡剂的重量份数可以是20份、22份、23份、25份、26份、28份、30份、32份、33份、35份、36份、38份或40份等；明胶稳泡剂的重量份数可以是0.2份、0.3份、0.4份、0.5份、0.6份、0.7份、0.8份、0.9份或1份等；水的重量份数可以是130份、150份、160份、180份、200份、220份、230份、250份、270份、280份、300份或320份等。
17、所述固化稳定土的各组分的含量可以是其含量范围内的任意值，例如，磷渣粉的重量份数可以是80份、90份、100份、110份、120份、130份、140份、150份、160份、170份、180份、190份或200份等；钢渣粉的重量份数可以是50份、55份、60份、65份、70份、75份、80份、85份、90份、95份或100份等；磷石膏的重量份数可以是10份、11份、12份、13份、14份、15份、16份、17份、18份、19份或20份等；碳酸钠的重量份数可以是5份、6份、7份、8份、9份、10份、11份、12份、13份、14份或15份等；聚丙烯纤维的重量份数可以是1份、1.5份、2份、2.5份、3份、3.5份或4份等；粉质黏土的重量份数可以是1300份、1500份、1600份、1800份、2000份、2200份、2300份、2500份、2700份、2800份、3000份或3200份等；水的重量份数可以是75份、80份、90份、100份、110份、120份、130份、140份、150份或160份等。
18、在本发明一些实施方式中，所述吸热性地聚物胶结料包括如下重量份数的组分：
19、粉煤灰280-360份、赤泥210-300份、氢氧化钙160-172份，氯化铵120-135份和水350-380份。
20、在本发明一些实施方式中，所述保温性气泡混合土包括如下重量份数的组分：
21、粒化高炉矿渣粉280-330份、偏高岭土80-130份、氢氧化钠45-60份、氯化钙18-26份、动物蛋白发泡剂26-36份、明胶稳泡剂0.5-0.8份和水180-270份。
22、在本发明一些实施方式中，所述硅基气凝胶板的表观密度为150-300kg/m3；例如可以是150kg/m3、160kg/m3、170kg/m3、180kg/m3、190kg/m3、200kg/m3、220kg/m3、230kg/m3、250kg/m3、260kg/m3、280kg/m3或300kg/m3等。
23、在本发明一些实施方式中，所述酚醛泡沫板的表观密度为100-250kg/m3；例如可以是100kg/m3、110kg/m3、120kg/m3、130kg/m3、140kg/m3、150kg/m3、160kg/m3、180kg/m3、200kg/m3、220kg/m3、230kg/m3或250kg/m3等。
24、在本发明一些实施方式中，所述硅基气凝胶板的总厚度与所述酚醛泡沫板的总厚度之比为1.0-2.0:1；例如可以是1:1、1.1:1、1.2:1、1.3:1、1.4:1、1.5:1、1.6:1、1.7:1、1.8:1、1.9:1或2:1等。
25、本发明中，硅基气凝胶板的隔热性能优于酚醛泡沫板，而酚醛泡沫板的力学强度性能和抗变形性能优于硅基气凝胶板。硅基气凝胶板与酚醛泡沫板的厚度比保持在上述范围内，有助于保证整个隔热层的力学强度性能和抗变形性能保持稳定。若硅基气凝胶板与酚醛泡沫板的厚度比过大，则整个隔热层的力学性能和稳定性减弱，不能满足工程要求；若硅基气凝胶板与酚醛泡沫板的厚度比过小，则整个隔热层的隔热性能减弱，不能满足高含冰量冻土地区路基隔热要求。
26、作为一种优选的技术方案，所述隔热层中每层硅基气凝胶板的厚度相同，每层酚醛泡沫板的厚度相同，以保证隔热层的均匀性，提高隔热层的稳定性。
27、在本发明一些实施方式中，所述氧化锆纤维布的面密度为90-150g/m2；例如可以是90g/m2、100g/m2、110g/m2、120g/m2、130g/m2、140g/m2或150g/m2等。
28、在本发明一些实施方式中，所述固化稳定土包括如下重量份数的组分：
29、磷渣粉100-160份、钢渣粉60-85份、磷石膏12-16份、碳酸钠7-12份、聚丙烯纤维3-4份、粉质黏土2000-2500份和水90-135份。
30、本发明中，通过对吸热层、保温层、隔热层和承重层材料的进一步优化，有助于进一步提高路基的保温隔热性能、力学性能和耐久性，提高路基对高含冰量冻土地基的保护效果。
31、在本发明一些实施方式中，当所述冻土的上限深度≤3m时，所述吸热层的厚度为20-30cm，例如可以是20cm、22cm、23cm、25cm、26cm、28cm或30cm等；
32、和/或，所述保温层的厚度为25-40cm，例如可以是25cm、26cm、28cm、30cm、32cm、33cm、35cm、36cm、38cm或40cm等；
33、和/或，所述隔热层的厚度为25-40cm，例如可以是25cm、26cm、28cm、30cm、32cm、33cm、35cm、36cm、38cm或40cm等；
34、和/或，所述承重层的厚度为30-40cm，例如可以是30cm、32cm、33cm、35cm、36cm、38cm或40cm等。
35、在本发明一些实施方式中，当所述冻土的上限深度＞3m时，所述吸热层的厚度为15-20cm，例如可以是15cm、16cm、17cm、18cm、19cm或20cm等；
36、和/或，所述保温层的厚度为15-30cm，例如可以是15cm、16cm、18cm、20cm、20cm、22cm、23cm、25cm、26cm、28cm或30cm等；
37、和/或，所述隔热层的厚度为15-25cm，例如可以是15cm、16cm、18cm、20cm、20cm、22cm、23cm或25cm等；
38、和/或，所述承重层的厚度为20-30cm，例如可以是20cm、22cm、23cm、25cm、26cm、28cm或30cm等。
39、本发明中，依据冻土地区的冻土上限深度，选择合适的路基各层厚度，有助于使路基具有足够的保温隔热能力，进一步提高路基对高含冰量冻土地基的保护效果，减少路基沉降。
40、在本发明一些实施方式中，所述隔热层中，每层硅基气凝胶板的厚度为2.5-10.0cm，例如可以是2.5cm、3cm、3.5cm、4cm、4.5cm、5cm、5.5cm、6cm、6.5cm、7cm、7.5cm、8cm、8.5cm、9cm、9.5cm或10cm等。每层酚醛泡沫板的厚度为2.5-5.0cm，例如可以是2.5cm、3cm、3.5cm、4cm、4.5cm或5cm等。
41、本发明中，硅基气凝胶板的隔热性能优于酚醛泡沫板，而酚醛泡沫板的力学强度性能和抗变形性能优于硅基气凝胶板。若每层硅基气凝胶板或酚醛泡沫板的厚度过小，则会导致隔热层的抗变形能力较弱；若每层硅基气凝胶板或酚醛泡沫板的厚度过大，则会导致隔热层的力学强度性能和抗变形性能不均匀，容易发生局部破坏，从而影响隔热层，乃至路基的稳定性，此外，整个隔热层的隔热性能也不均匀，容易导致隔热层本身温度差异较大，因温度变化产生的应力和变形不均匀，从而影响整个隔热层的稳定性。
42、第二方面，本发明提供一种如第一方面所述的路基的施工工艺，所述施工工艺包括如下步骤：
43、(1)按照设计尺寸清理、平整地基表面；
44、(2)在所述地基表面铺设防渗土工布；
45、(3)将吸热性地聚物胶结料的组分混合成浆料，浇筑在所述地基表面，养护完成后，形成吸热层；
46、(4)将保温性气泡混合土的组分混合成浆料，浇筑在所述吸热层上，养护完成后，形成保温层；
47、(5)将硅基气凝胶板、氧化锆纤维布和酚醛泡沫板按设定顺序铺设在所述保温层上，所述硅基气凝胶板、氧化锆纤维布和酚醛泡沫板之间通过粘结剂粘接在一起，形成隔热层；
48、(6)将固化稳定土的组分混合成浆料，浇筑在所述隔热层上，养护完成后，形成承重层，制成所述路基。
49、在本发明一些实施方式中，所述粘结剂选自聚乙烯醇胶水、聚氨酯胶水、环氧胶水中的一种或多种。本发明实施例中，每层硅基气凝胶板和酚醛泡沫板之间采用的粘结剂可以相同，也可以不同。
50、在本发明一些实施方式中，所述养护的时间各自独立地不少于7天。
51、第三方面，本发明提供一种适用于高含冰量冻土地区的道路，所述道路包括如第一方面所述的路基，以及设置在所述路基的承重层上的路面结构层。
52、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
53、(1)本发明采用保温隔热性能好且强度和耐久性也较好的材料作为路基填筑材料用于冻土路基处治，在更好保持高含冰量冻土地基的基础上，增强路基的稳定性和耐久性，显著提升了处治效果。
54、(2)本发明提供的路基的主体分为4层结构，每层材料组成和性能设计在满足基本保温隔热性能和力学强度性能要求的基础上又分别有所侧重，通过各层的协同配合，能够最大化满足路基的功能要求，使路基能够适用于高含冰量冻土地区，且保持良好的稳定性和耐久性，从而减少路基病害。
55、(3)本发明提供的路基的原材料大多为工业固废材料，减少了水泥和砂石等传统材料的用量，环境效益和碳减排效益显著。
1.一种适用于高含冰量冻土地区的路基，其特征在于，所述路基包括从下到上依次设置的吸热层、保温层、隔热层和承重层；
2.根据权利要求1所述的路基，其特征在于，所述吸热性地聚物胶结料包括如下重量份数的组分：粉煤灰280-360份、赤泥210-300份、氢氧化钙160-172份，氯化铵120-135份和水350-380份。
3.根据权利要求1所述的路基，其特征在于，所述保温性气泡混合土包括如下重量份数的组分：粒化高炉矿渣粉280-330份、偏高岭土80-130份、氢氧化钠45-60份、氯化钙18-26份、动物蛋白发泡剂26-36份、明胶稳泡剂0.5-0.8份和水180-270份。
4.根据权利要求1所述的路基，其特征在于，所述硅基气凝胶板的表观密度为150-300kg/m3；
5.根据权利要求1所述的路基，其特征在于，所述固化稳定土包括如下重量份数的组分：磷渣粉100-160份、钢渣粉60-85份、磷石膏12-16份、碳酸钠7-12份、聚丙烯纤维3-4份、粉质黏土2000-2500份和水90-135份。
6.一种如权利要求1-5任一项所述的路基的施工工艺，其特征在于，所述施工工艺包括如下步骤：
7.一种适用于冻土地区的道路，其特征在于，所述道路包括如权利要求1-5任一项所述的路基，以及设置在所述路基的承重层上的路面结构层。
