珊瑚礁石礁砂水穩(wěn)層應(yīng)用于機場跑道的研究

余以明 劉松 高凡 王慮

中交武漢港灣工程設(shè)計研究院有限公司（430071）

珊瑚礁石礁砂水穩(wěn)層應(yīng)用于機場跑道的研究

余以明 劉松 高凡 王慮

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珊瑚礁石、珊瑚礁砂具有較大的吸水性、低抗壓性，用其配制水泥穩(wěn)定基層的難度較普通砂石水泥穩(wěn)定基層難度大，通過不同比例珊瑚礁石、珊瑚礁砂的摻配及擊實試驗確定水穩(wěn)層的最佳配合比為：珊瑚礁石（16～31.5 mm）∶珊瑚礁石（5～16 mm）∶珊瑚砂∶P.O.42.5水泥=20%∶45%∶35%∶6%，其7 d無側(cè)限抗壓強度為6.7 MPa；采用天然級配的5～53 mm珊瑚礁石與0～5 mm礁砂按55%∶45%比例，摻入6%水泥進行試驗段的施工，其強度、浸水穩(wěn)定性、抗裂性均較好，滿足設(shè)計要求，能用于機場跑道水泥穩(wěn)定基層的施工。

珊瑚礁石；珊瑚礁砂；水泥穩(wěn)定基層；無側(cè)限抗壓強度

某工程施工所用原材料缺乏，若使用傳統(tǒng)建筑材料進行遠(yuǎn)海工程建設(shè)，則存在海上運輸任務(wù)艱巨、運輸成本過高，嚴(yán)重制約我國對遠(yuǎn)海項目的大規(guī)模建設(shè)、管理和資源開發(fā)。為加快工程建設(shè)、節(jié)約成本，某遠(yuǎn)海工程機場跑道擬采用珊瑚礁石礁砂（以下簡稱珊瑚砂石）配置水泥穩(wěn)定基層（以下簡稱水穩(wěn)層），選擇珊瑚砂石配制水穩(wěn)層，不僅遵循了合理利用資源，充分考慮地理區(qū)域特征、就地取材、節(jié)約資源和綠色環(huán)保的原則，還具有較大的時效性、經(jīng)濟性和社會效益。珊瑚砂石作為水穩(wěn)層的重要組成部分，在水穩(wěn)層中主要起填充、骨架作用。通過分析珊瑚砂石的幾何特征、物理性能、化學(xué)成分等基本性能，來配制能滿足結(jié)構(gòu)受力和施工質(zhì)量要求的珊瑚砂石水穩(wěn)層。

1 原材料及試驗方法

1.1 原材料

水穩(wěn)層所用的原材料有：華潤紅水河P.O.42.5水泥；0～5 mm珊瑚礁砂；5～16 mm珊瑚礁石、16～ 31.5 mm珊瑚礁石、5～53 mm珊瑚礁石。珊瑚砂石形貌見圖1，基本物理性能見表1、表2，篩分結(jié)果見表3。

圖1 機場跑道水穩(wěn)層用珊瑚礁石礁砂

表1 珊瑚礁砂的基本物理性能

表2 珊瑚礁石的基本物理性能

表3 珊瑚砂石的篩分結(jié)果

珊瑚礁砂特征指標(biāo)研究發(fā)現(xiàn)，珊瑚砂密度較小，具有較大孔隙，級配良好，細(xì)度模數(shù)2.1左右；主要礦物成分為方解石,大部分為碳酸鹽；SEM圖像表明珊瑚礁砂表層具有層狀結(jié)構(gòu)以及籠狀結(jié)構(gòu)。

1.2 試驗方法

珊瑚砂石的基本物理性能測試按《水運工程混凝土試驗規(guī)程》（JTJ 270—98）進行，水穩(wěn)層配合比設(shè)計按《公路路面基層施工技術(shù)規(guī)范》（JTJ 034—2000）進行，無機結(jié)合料的擊實、成型按照《公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》（JTG E51—2009）進行。

2 機場跑道基層的要求

普通的水泥穩(wěn)定碎石基層是以級配碎石作骨料，采用一定數(shù)量的膠凝材料和足夠的灰漿體積填充骨料的空隙，按嵌擠原理攤鋪壓實，使其壓實度接近于密實度，強度則主要靠碎石間的嵌擠鎖結(jié)原理，同時用足夠的灰漿體積來填充骨料的空隙，因而其初期強度較高，且強度隨齡期的增長很快結(jié)成板體，使其具有較高的強度、抗?jié)B性和抗凍性。

采用珊瑚砂石配制水穩(wěn)層則是依據(jù)上述原理，以大于5 mm的珊瑚礁石定為碎石,小于5 mm的珊瑚礁砂定為細(xì)土，通過合理搭配珊瑚砂石的比例提高嵌擠鎖結(jié)強度，再通過水泥的膠結(jié)穩(wěn)定作用使得珊瑚砂石水穩(wěn)層具有較好的浸水穩(wěn)定性、抗裂性及較高的無側(cè)限抗壓強度。

3 配合比設(shè)計

設(shè)計對機場跑道水穩(wěn)層配合比的主要要求是水穩(wěn)層壓實度達到98%，7 d無側(cè)限抗壓強度≥2.5 MPa?，F(xiàn)場采用海淡水拌制，考慮到現(xiàn)場珊瑚礁石和珊瑚礁砂材料的高吸水性、低抗壓性，水泥用量范圍按5%～8%設(shè)計。將5～53 mm珊瑚礁石、0～5 mm珊瑚砂，按珊瑚礁石∶珊瑚礁砂=60%∶40%、55%∶45%、50%∶50%三種比例進行摻配，其級配情況均不滿足規(guī)范要求，因此采用直接篩分的5～53 mm珊瑚礁石和珊瑚礁砂很難配出連續(xù)級配的集料。將5～ 16 mm，16～31.5 mm兩級配珊瑚礁石，通過篩分試驗及級配曲線擬合，其最佳摻比為珊瑚礁石（16～ 31.5 mm）∶珊瑚礁石（5～16 mm）∶珊瑚砂=20%∶45%∶35%，其級配情況如表4所示。從表4篩分結(jié)果可以看出，采用35%的砂率時，按一定比例可以配出滿足規(guī)范要求連續(xù)級配珊瑚砂石。

表40 ～31.5 mm珊瑚礁石和珊瑚礁砂摻配篩分結(jié)果

通過擊實試驗，當(dāng)珊瑚礁石∶珊瑚礁砂=55%∶45%,水泥用量為6%時的最大干密度為1.83 kg/m3，最佳含水量為13.8%；水泥用量為7%時的最大干密度為1.84 kg/m3，最佳含水量為14.0%。當(dāng)珊瑚礁石（16～31.5 mm）∶珊瑚礁石（5～16 mm）∶珊瑚砂=20%∶45%∶35%時，6%、7%、8%水泥用量無機結(jié)合料的最佳含水量及最大干密度分別為：13.3%、1.85 kg/ m3，13.5%、1.85 kg/m3，14.0%、1.86 kg/m3。根據(jù)擊實結(jié)果成型試件，為保證試件的完整性，采取水泥達到終凝后使用土工脫模機脫模，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護6 d，浸水養(yǎng)護1 d后測定試件的無側(cè)限抗壓強度。無側(cè)限抗壓強度表見表5。

由表5可知，珊瑚砂石按四種摻配比例成型試件的無側(cè)限抗壓強度均滿足設(shè)計要求，且級配滿足規(guī)范要求的二級配礁石其無側(cè)限抗壓強度較高。因現(xiàn)場珊瑚礁砂的儲量較珊瑚礁石豐富，綜合考慮無側(cè)限抗壓強度及現(xiàn)場施工的便利性、經(jīng)濟性，使用5～53 mm礁石時，優(yōu)選珊瑚礁石∶珊瑚礁砂=55%∶45%作為最佳摻配比例，其外摻水泥用量取6%；使用二級級配礁石時，其外摻水泥用量亦取6%。各種材料的最佳配比見表6。

表5 無側(cè)限抗壓強度表

表6 水泥穩(wěn)定珊瑚砂石施工配合比

由于現(xiàn)場按二級配儲備材料不僅耗時、耗工，成本較高，且不利于遠(yuǎn)海工程的快速建設(shè)，因此選用5～53 mm珊瑚礁石與0～5 mm礁砂按施工配合比來進行水穩(wěn)層試驗段的施工。試驗段采用22 t壓路機碾壓25遍后，經(jīng)現(xiàn)場檢測其壓實度達到98%，無側(cè)限抗壓強度為5.5 MPa，覆蓋土工布，灑水養(yǎng)護7 d，去掉土工布再暴露在高溫、高濕、高鹽的遠(yuǎn)海海洋環(huán)境中自然養(yǎng)護至28 d、60 d、90 d，觀察珊瑚砂石水泥穩(wěn)定基層表面是否出現(xiàn)較大的裂紋。經(jīng)觀察水穩(wěn)層自然養(yǎng)護至90 d齡期仍未出現(xiàn)較大的裂紋，其抗裂性較好，施工養(yǎng)護后的外觀質(zhì)量見圖2。

圖2 機場跑道水穩(wěn)層外觀質(zhì)量

4 結(jié)論

1）通過對珊瑚砂石的篩分試驗確定了每種材料的顆粒級配組成，通過級配擬合和擊實試驗確定了珊瑚砂石混合料的最優(yōu)顆粒級配。2）影響水穩(wěn)層強度的因素，除了水泥用量外，骨料的級配對強度也有影響，其中二級配礁石與珊瑚礁砂能配制成滿足規(guī)范要求的連續(xù)級配，相比天然級配礁石，其成型試件的無側(cè)限抗壓強度較高。3）珊瑚砂石水穩(wěn)層的最佳配合比為：珊瑚礁石（16～31.5 mm）∶珊瑚礁石（5～16 mm）∶珊瑚砂∶P.O.42.5水泥=20%∶45%∶35%∶6%，其7 d無側(cè)限抗壓強度為6.7 MPa。4）采用5～ 53mm珊瑚礁石與0～5 mm礁砂按55%：45%比例搭配，摻入6%的水泥，其7 d無側(cè)限抗壓強度高達5.5 MPa，不僅滿足設(shè)計要求，且有一定富余。5）現(xiàn)場施工的水穩(wěn)層試驗段其無側(cè)限抗壓強度滿足設(shè)計要求，且具有較好的抗裂性。因珊瑚砂石具有較大的吸水性、低抗壓性，水泥穩(wěn)定珊瑚砂石基層的生產(chǎn)和質(zhì)量控制難度比普通砂石水穩(wěn)層大。