水泥稳定珊瑚砂路面底基层材料研究

王红凯尚涛胡勇

（1.中铁西北科学研究院有限公司，甘肃 兰州 730000；2.长安大学，陕西 西安 710064；3.重庆路安特沥青科技有限公司，重庆 404100）

近年来国家越来越重视海洋权益，岛礁上的工程建设也逐步提上日程。但由于远海海岛大多远离大陆，交通不便，如果用船舶从大陆运输天然砂石进行工程建设，势必会加大建设用费，增加工期，这严重影响了海岛开发进程。为此可把珊瑚砂作为建材，来代替部分普通砂石用于工程建设［1］。国内有部分学者已经对此开展研究，费正岳等人研究了珊瑚砂矿物成分，发现珊瑚礁碎屑呈多孔状，密度较小，孔隙率高［2］。陈飞翔研究表明，与河砂混凝土对比，珊瑚砂混凝土的抗压强度偏低，但两者抗折强度及劈裂抗拉强度相差无几［3］；李林研究表明珊瑚砂混凝土比普通混凝土强度发展快，具有早强效应，养护前7d强度就可接近28d强度，后期强度发展较缓慢［4］。王磊分析了珊瑚混凝土早强快硬的原因［5-6］。然而，国内学者现大多研究珊瑚砂用于混凝土，很少涉及用于路面基层与底基层［7-9］。研究将配置水泥稳定珊瑚砂材料用于路面底基层，所用的珊瑚礁砂多为粒径小于9.5mm细颗粒，其中也掺杂一些棒状珊瑚碎屑。通过水泥稳定珊瑚砂击实试验和7d无侧限抗压强度试验确定了配和比，在此基础上进一步研究其强度发展规律，为水泥稳定珊瑚砂材料应用于路面底基层可行性提供理论依据。

1 原材料与试验方案

1.1 原材料

实验用水泥为青铜峡水泥股份有限公司生产的P.O.42.5水泥，比表面积315m2/kg，初凝与终凝时间分别245min和313min。珊瑚砂为经筛分后得到粒径小于9.5mm固体颗粒，其基本物理性能见表1，筛分结果见表2。实验所用水为自来水。

表1 珊瑚砂物理性能

表2 珊瑚砂筛分结果

珊瑚砂各项指标研究发现，珊瑚砂密度较小，脆性较大，主要矿物为文石和高镁方解石，颗粒粒径多为4.75mm以下。珊瑚砂表面较粗糙，凹凸不平、多孔隙、且整体表面附着大量细微颗粒。珊瑚砂这种结构特点致使其具有较大的比表面积，在配置水泥稳定材料时，需水量较大。较多孔洞及粗糙表面，使得材料内部摩阻力较大，填充性能差，所成型材料密度较一般河砂低。

2.2 试验方案

2.2.1 水泥稳定珊瑚砂击实试验。依据《公路路面基层施工技术规范》中对中粒土和细粒土的水泥用量的建议范围，结合先前探索性经验，采用4%、5%、6%、7%、8%五种水泥用量，按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTG E51-2009）进行水泥稳定珊瑚砂击实试验，以确定最佳含水量和最大干密度。

2.2.2 水泥稳定珊瑚砂强度试验。取实验所需量珊瑚砂烘干，用9.5mm筛进行筛分，取9.5mm以下开展试验。然后根据已确定的最佳含水率和最大干密度，采用98%的压实度静压成型试件。每种掺量下成型50mm×50mm试件各24个，在养护龄期的最后一天将试件浸水，测量7d、28d无侧限抗压强度和劈裂强度。

3 试验结果与分析

3.1 击实试验结果

水泥稳定珊瑚砂击实试验试验结果见表3。从表3可以看出，随着水泥含量逐渐增加，水泥稳定珊瑚混合料最佳含水率和最大干密度都有所增加，但比普通水泥砂石材料击实最佳含水率偏大，最大干密度偏小，这与珊瑚砂本身内部多孔，吸水率较大，密度较小有关。

表3 材料最大干密度与最佳含水率

3.2 抗压强度试验结果

静压成型50mm×50mm圆柱体水泥稳定珊瑚砂试件，养护3d、7d和28d，采用万能试验机进行无侧限抗压强度试验，压力机加载速率有效控制在1mm/min，其结果见表4所示。

表4 各龄期水泥稳定珊瑚砂抗压强度

由试验结果可以看出，水泥用量从4%增加至8%，水泥稳定珊瑚砂各个龄期强度都依次递增，这是因为内部化学物质逐渐发生化学反应，化学反应形成的胶体、晶体逐渐填满集料孔隙，使内部密实。由数据分析表明早期强度发展迅速，3d强度可增长至28d强度80%，后期强度发展趋于平缓。水泥稳定珊瑚砂早期强度发展较快主要是因为海水中含有一些无机盐成分（氯盐、硫酸盐等），促进水泥早期水化。另外，珊瑚砂表面粗糙，具有多棱角性，会增加与净浆之间的物理结合，产生机械咬合作用，提高水泥稳定珊瑚砂试件早龄期抗压强度。依据《公路路面基层施工技术细则》中高速公路和一级公路7d无侧限抗压强度规定，底基层要求为3.0-5.0 MPa。从表4结果可知，7%水泥含量的水泥稳定珊瑚砂已满足底基层强度要求。

3.3 间接抗拉强度试验结果

将养生至龄期且饱水后的水泥稳定珊瑚砂试件放到试验机上进行劈裂强度试验，实验结果见表5。

表5 各龄期水泥稳定珊瑚砂劈裂强度

从试验结果可看到，水泥稳定珊瑚砂劈裂强度随着水泥用量的增加而增大，且在水泥用量下相同的情况下，随养护龄期增长，劈裂强度增加，这与一般的水泥稳定土强度发展规律类似，而当水泥用量在4-8%变化时，水泥用量每增加1%，其3d、7d、28d龄期劈裂强度平均增大16.4%、14.8%、13.8%，可以看出水泥稳定珊瑚砂试件早期劈裂强度增长较快，后期增长趋于缓慢，原因与抗压强度发展规律类似。

4 结论

通过室内击实试验发现水泥稳定珊瑚砂材料最佳含水量比普通砂大，而最大干密度较小，这是由于珊瑚砂内部多呈孔洞结构，密度较普通砂石较小所导致。

通过不同水泥含量的水泥稳定珊瑚砂强度试验，发现水泥稳定珊瑚砂早期强度发展较快，后期趋于稳定，且水泥含量越多，无侧限抗压强度、劈裂强度越大，与普通水泥稳定沙砾类似。当水泥含量为7%时，强度满足规范对于底基层强度要求，可用于路面工程建设，降低工程成本。

［1］佘殷鹏，吕亚茹，李峰，等.珊瑚砂剪切特性试验分析［J］.解放军理工大学学报（自然科学版），2017，18（01）：29-35.

［2］费正岳，周明.珊瑚骨料混凝土的研究进展［J］.江苏建材，2015（04）：32-34.

［3］陈飞翔，张国志，丁沙，等.珊瑚砂混凝土性能试验研究［J］.混凝土与水泥制品，2016（07）：16-21.

［4］姜松，李建双.珊瑚砂物理力学性质调研及试验研究［J］.中国港湾建设，2017，37（07）：31-34.

［5］李林.珊瑚混凝土的基本特性研究［D］.广西大学，2012.

［6］李凤敏.贝壳材料的结构特征和力学性能分析［D］.大连理工大学，2005.

［7］孙宗勋.南沙群岛珊瑚砂工程性质研究［J］.热带海洋，2000（02）：1-8.

［8］余以明，刘松，高凡，等.珊瑚礁石礁砂水稳层应用于机场跑道的研究［J］.河南建材，2017（03）:34-36.

［9］王磊，范蕾.珊瑚碎屑混凝土的强度特性及破坏形态分析［J］.混凝土与水泥制品，2015（01）：1-4.