珊瑚礁石礁砂水穩層應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計研究院有限公司（430071）

珊瑚礁石礁砂水穩層應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計研究院有限公司（430071）

珊瑚礁石、珊瑚礁砂具有較大的吸水性、低抗壓性，用其配制水泥穩定基層的難度較普通砂石水泥穩定基層難度大，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、浸水穩定性、抗裂性均較好，滿足設計要求，能用于機場跑道水泥穩定基層的施工。

珊瑚礁石；珊瑚礁砂；水泥穩定基層；無側限抗壓強度

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

1 原材料及試驗方法

1.1 原材料

水穩層所用的原材料有：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，篩分結果見表3。

圖1 機場跑道水穩層用珊瑚礁石礁砂

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 珊瑚砂石的篩分結果

珊瑚礁砂特征指標研究發現，珊瑚砂密度較小，具有較大孔隙，級配良好，細度模數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構以及籠狀結構。

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程》（JTJ 270—98）進行，水穩層配合比設計按《公路路面基層施工技術規范》（JTJ 034—2000）進行，無機結合料的擊實、成型按照《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》（JTG E51—2009）進行。

2 機場跑道基層的要求

普通的水泥穩定碎石基層是以級配碎石作骨料，采用一定數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成板體，使其具有較高的強度、抗滲性和抗凍性。

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

3 配合比設計

設計對機場跑道水穩層配合比的主要要求是水穩層壓實度達到98%，7 d無側限抗壓強度≥2.5 MPa。現場采用海淡水拌制，考慮到現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篩分結果可以看出，采用35%的砂率時，按一定比例可以配出滿足規范要求連續級配珊瑚砂石。

表40 ～31.5 mm珊瑚礁石和珊瑚礁砂摻配篩分結果

通過擊實試驗，當珊瑚礁石∶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。根據擊實結果成型試件，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，標準養護6 d，浸水養護1 d后測定試件的無側限抗壓強度。無側限抗壓強度表見表5。

由表5可知，珊瑚砂石按四種摻配比例成型試件的無側限抗壓強度均滿足設計要求，且級配滿足規范要求的二級配礁石其無側限抗壓強度較高。因現場珊瑚礁砂的儲量較珊瑚礁石豐富，綜合考慮無側限抗壓強度及現場施工的便利性、經濟性，使用5～53 mm礁石時，優選珊瑚礁石∶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 無側限抗壓強度表

表6 水泥穩定珊瑚砂石施工配合比

由于現場按二級配儲備材料不僅耗時、耗工，成本較高，且不利于遠海工程的快速建設，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層試驗段的施工。試驗段采用22 t壓路機碾壓25遍后，經現場檢測其壓實度達到98%，無側限抗壓強度為5.5 MPa，覆蓋土工布，灑水養護7 d，去掉土工布再暴露在高溫、高濕、高鹽的遠海海洋環境中自然養護至28 d、60 d、90 d，觀察珊瑚砂石水泥穩定基層表面是否出現較大的裂紋。經觀察水穩層自然養護至90 d齡期仍未出現較大的裂紋，其抗裂性較好，施工養護后的外觀質量見圖2。

圖2 機場跑道水穩層外觀質量

4 結論

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顆粒級配。2）影響水穩層強度的因素，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范要求的連續級配，相比天然級配礁石，其成型試件的無側限抗壓強度較高。3）珊瑚砂石水穩層的最佳配合比為：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無側限抗壓強度高達5.5 MPa，不僅滿足設計要求，且有一定富余。5）現場施工的水穩層試驗段其無側限抗壓強度滿足設計要求，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，水泥穩定珊瑚砂石基層的生產和質量控制難度比普通砂石水穩層大。