机场跑道水泥稳定珊瑚砂基层配合比研究与应用
0 引言
珊瑚砂在世界范围内广泛分布, 在我国南海、东南亚及南亚均有较多珊瑚砂地质的岛礁。随着岛礁工程开发需要, 越来越多的机场、道路等逐渐在岛礁和海上建设, 规模也越来越大, 如何就地取材、有效利用珊瑚砂作为工程建设材料成为重要课题。
马尔代夫维拉纳国际机场改扩建工程在场道基层设计中进行了创新和优化, 将下基层设计为水泥稳定珊瑚砂。采用珊瑚砂配制水泥稳定基层用于机场建设, 不仅遵循了合理利用资源, 充分考虑地理区域特征、就地取材、节约资源和绿色环保的原则, 还具有很大的经济效益和社会效益。
1 国内外机场基层材料
国内民用机场飞行区场道工程中的跑道、滑行道基础一般设计为半刚性水泥稳定类, 常规设计为上、下2层水泥稳定碎石, 要求7d无侧限抗压强度分别为4.0MPa和2.5MPa。北京新机场跑道、滑行道上下基层均为水泥稳定碎石;国内建设规模最大的上海浦东国际机场第1～5跑道上下基层均设计为水泥稳定碎石;上海虹桥西跑道上下基层也为水泥稳定碎石;香港机场通过吹填围海造地建设完成, 其目前正在建设的第3跑道飞行区场道工程基层也为碎石集料, 结构层为710mm级配碎石+131mm沥青混凝土。
国外多数机场基层设计偏向于使用碎石层, 包括水泥碎石或级配碎石, 如近年建设完成的阿联酋阿布扎比机场扩建工程, 其机坪、滑行道基层为250mm厚级配碎石+200mm厚水泥稳定碎石;美国较多的机场基层也采用级配碎石。
2 珊瑚砂物理特性
珊瑚砂是珊瑚礁、死亡的珊瑚和贝壳等风化的海洋生物被海水冲击破碎后的碎屑物, 是碳酸钙含量超过50%的粒状材料。与石英砂不同, 其颗粒表现为棱角度高、形状不规则, 经常夹带一定数量的珊瑚枝丫或礁灰岩碎石。
通过珊瑚砂微观照片可以观察到珊瑚砂具有表面粗糙、孔隙率高、颗粒间咬合多、砂颗粒间摩擦力较大的特点, 珊瑚砂的结构强度较好, 不同于石英砂易发生运动而调整结构。
珊瑚砂具有独特的单粒支撑结构, 摩擦角大、休止角大、自然吹填放坡小。珊瑚砂主要物理特性如表1, 2所示。
珊瑚砂填料排水快、可成型好、变形易控制、含泥量低、吹填后变形小、承载力高 (见图1) 。
图1 珊瑚砂Fig.1 Coral sand
为研究珊瑚砂材质特性, 项目选取新吹填珊瑚砂样品在国内进行检测 (依据GB/T14684—2011《建筑用砂》) , 结果表明, 珊瑚砂材质松散堆积密度较小, 松散堆积密度空隙率偏大。
3 水泥稳定珊瑚砂配制原理
普通水泥稳定碎石基层是以级配碎石作骨料, 采用一定数量的胶凝材料和足够的灰浆体积填充骨料空隙, 按嵌挤原理摊铺压实, 使其压实度接近于密实度, 强度则主要靠碎石间的嵌挤锁结, 同时用足够的灰浆体积来填充骨料的空隙, 因而初期强度较高且随龄期的增长很快结成板体, 具有较高的强度、抗渗性和抗冻性。
依据上述原理采用珊瑚砂石配制水泥稳定层, 规定>4.75mm的珊瑚礁石为碎石, <4.75mm的珊瑚礁砂为细集料, 通过合理制备珊瑚砂石比例提高嵌挤锁结强度, 再通过合理搭配水泥、水及外加剂使其成为具有较好的水稳定性、抗裂性和满足设计要求的无侧限抗压强度半刚性材料。
4 配合比设计
马尔代夫维拉纳国际机场4F级跑道将水泥稳定珊瑚砂应用于底基层, 要求压实度≥97%, 7d无侧限抗压强度≥2.5MPa。
主要原材料为初筛控制最大粒径≤50mm的珊瑚砂、海淡水、印度尼西亚生产的普通硅酸盐水泥, 强度等级为42.5MPa, 并掺加水泥用量3.0%的缓凝剂。
表1 珊瑚砂主要物理力学性质Table 1 Main physical and mechanical properties of coral sand
表2 大型直剪强度参数Table 2 Direct shear strength parameters
表3 土颗粒分析试验检测结果Table 3 Test report on soil particle analysis
注: (1) 筛前总土质量为4 000g; (2) d60, d30, d10分别为通过率60%, 30%, 10%对应的筛面尺寸, d60=3.71mm, d30=0.47mm, d10=0.17mm; (3) 不均匀系数Cu=21.80, 曲率系数Cc=0.4
水泥稳定层配合比设计按照JTJ034—2000《公路路面基层施工技术规范》进行, 无机结合料的击实、成型按照JTG E51—2009《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》进行。试件在相对湿度>90%, 温度 (20±2) ℃的条件下养护6d, 浸水1d。
4.1 筛分试验
对珊瑚砂颗粒进行试验分析, 土颗粒分析试验检测结果如表3所示。
4.2 击实及强度试验
进行4.5%, 5.0%, 5.5%, 6.0%, 6.5%水泥掺量的混合料击实试验, 并制作试块, 标准养护6d、浸水1d, 进行无侧限抗压强度试验, 结果如表4所示。
表4 水泥稳定珊瑚砂击实试验及强度测试结果Table 4 Compaction test and strength test results of cement stabilized coral sand
由表4可知, 水泥稳定珊瑚砂按照5种不同水泥掺量成型试件的7d无侧限抗压强度中, 水泥掺量为5.5%, 6.0%, 6.5%的强度均符合设计要求。
4.3 确定配合比
4.3.1 确定目标配合比
经试验并分析试验数据, 确定目标配合比为:水泥掺量5.5%;缓凝剂掺量3%;最大干密度1.725g/cm3;最佳含水率16.2%。
4.3.2 确定生产配合比
根据MH5014—2002《民用机场飞行区土 (石) 方与道面基础施工技术规范》, 厂拌法施工需在试验室确定的配合比水泥掺量基础上上浮0.5%作为生产配合比使用。故选定生产配合比为:水泥掺量6.0%, 最大干密度1.740g/cm3, 最佳含水率16.5%。
5 应用效果检测
水泥稳定珊瑚砂在新建跑道、联络道、机坪及防吹坪、道肩、服务车道、巡场路下基层均予以应用, 项目通过现场取芯及实验室试块强度检测, 结果表明各层均能满足设计要求 (见表5及图2) 。
表5 试验检测结果Fig.5 Test results
图2 珊瑚砂检验报告Fig.2 Inspection report of coral sand
将施工过程中的水泥稳定珊瑚砂暴露在高温、高湿、强紫外线自然环境中自然静置28d, 观察其结构层表面, 均未出现裂纹, 抗裂性较好。
6 结语
机场场道工程基层采用珊瑚砂代替碎石用于水泥稳定基层, 通过对珊瑚砂进行筛分, 控制最大粒径≤50mm, 按照不同水泥掺量及含水率进行击实及强度试验, 验证水泥稳定珊瑚砂完全满足设计要求。在满足工程力学性能的前提下, 珊瑚砂大面积应用极大地节约了建筑材料采购、运输成本, 具有显著的经济效益;遵循了合理利用资源, 充分考虑地理区域特征、就地取材、节约资源和绿色环保的原则, 具有明显的社会效益。
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