马尔代夫珊瑚砂孔隙比试验研究及无核密度仪应用初探

王笃礼 王 璐 蒋佰坤 张其昌

(中航勘察设计研究院有限公司，北京 100098)

0 引言

马尔代夫位于南亚，是印度洋上的一个岛国，也是世界上最大的珊瑚岛国。依托于公司承接的马尔代夫易卜拉欣·纳西尔国际机场改扩建工程，开展一系列对珊瑚砂的研究工作。

珊瑚砂，是指珊瑚或贝壳碎片，由于其沉积过程大多未经长途搬运，并且保留了原生生物骨架中的细小孔隙，因而形成的土颗粒具有磨圆度差、表面粗糙、形状不规则、多孔隙(含有内孔隙)、易破碎以及在常压下颗粒易胶结等特点，使得此类钙质土的工程力学性质与一般陆相、海相沉积物相比有较明显的差异。

目前学术界对珊瑚砂的研究，多取材于我国南海各群岛。这些研究包括常规的物理力学特性、化学特性等方面[1-3]。针对珊瑚砂内孔隙，孙宗勋[4]提出取样于南沙群岛的珊瑚砂内孔隙占全部孔隙的10%左右，但并没有给出如何计算得出以及相关的数据支持。

本文在对珊瑚砂物理和化学特性分析的基础上，确定了珊瑚砂孔隙比的研究方案，为后续的地基处理方案提供依据。并在工程实践中创造性地采用了无核密度仪，不仅数据更加可靠，同时大大提高了工作效率。

1 珊瑚砂物理化学特性

马尔代夫的珊瑚砂，形状、颗粒大小不均。基本可以分为大颗粒的珊瑚砂(又称珊瑚枝)和小颗粒的珊瑚砂(见图1)。

室内试验测得，大颗粒珊瑚砂和小颗粒珊瑚砂经粉碎后求得的珊瑚砂固体颗粒的比重为2.78。该比重大于蜡的比重0.92，可采用蜡封法求相关的参数。

图1 珊瑚砂颗粒

对珊瑚砂的成分进行化学分析结果见表1。

表1 珊瑚砂化学成分分析

经分析可得，珊瑚砂的化学成分以碳酸氢钙、氯化钙为主，含碱性物质，经过其过滤的pH值一般为7.0～8.0之间。

2 珊瑚砂密实度研究

这里提到的珊瑚砂，是取自马尔代夫既包括大颗粒珊瑚砂(珊瑚枝)又包括小颗粒珊瑚砂的混合物，这些珊瑚砂既包括表面不规则敞口孔隙，内部也有封闭内孔隙(孔隙内部为水和气)。考虑到该种珊瑚砂的化学成分及物理特性，制定研究方案及现场实测数据如下：假设某堆珊瑚砂由大颗粒和小颗粒珊瑚砂混合而成，且颗粒之间无咬合情况，则珊瑚砂总体积：

式中：V——珊瑚砂总体积，mL；

V1——小颗粒珊瑚砂总体积，mL；

V2——珊瑚枝总体积，mL；

Vz——颗粒间空隙体积，mL。

小颗粒珊瑚砂总体积：

式中：Vs1——小颗粒珊瑚砂固相体积，mL；

Vi1——小颗粒珊瑚砂密闭孔隙体积，mL；

Vo1——小颗粒珊瑚砂敞口孔隙体积，mL。

珊瑚枝总体积：

式中：Vs2——珊瑚枝固相体积，mL；

Vi2——珊瑚枝密闭孔隙体积，mL；

Vo2——珊瑚枝敞口孔隙体积，mL。

进而，得孔隙比e：

现场试验时，混合物的含水率：

式中：w——含水率，%；

ρw——大颗粒和小颗粒珊瑚砂混合物的湿密度，g/cm3；

ρd——干密度，g/cm3。

将小颗粒珊瑚砂粉碎，求其固相体积：

式中：Vs1——粉碎后小颗粒珊瑚砂体积，mL；

ρs1——通过比重瓶法求得固相珊瑚砂的密度，g/cm3，ρs1=2.78 g/cm3；

m1——珊瑚砂的干质量，g。

珊瑚砂的湿土质量m通过现场试验测得，总体积V和粉碎后小颗粒体积Vs1计算结果见表2。

利用蜡封法求大颗粒珊瑚砂的体积Vs2，过程如下。首先，通过公式(7)求得干土和蜡的比重：

式中：ρs2——干土和蜡的比重；

m6——干试样和蜡的总质量，g；

m7——瓶和液体总质量，g；

m8——瓶、液、干土和蜡总质量，g。

其次，通过公式(8)求得蜡和干土的总体积：

式中：V3——蜡和干土总体积，mL。

已知蜡的比重ρn=0.92，通过公式(9)可求得蜡的体积：

式中：V4——蜡的体积，mL；

m4——本次试验干土质量，g。

则珊瑚枝干土体积和试坑内珊瑚枝总体积可按照公式(10)和公式(11)求得：

式中：V5——珊瑚枝干土体积，mL；

m3——总干土质量，g。

因粉碎后珊瑚枝的固相密度ρs2=2.78，则珊瑚枝固体颗粒体积：

式中：Vs2——珊瑚枝固体颗粒体积，mL。

进而求得珊瑚枝密闭孔隙和敞口孔隙之和：

式中：Vk2——珊瑚枝密闭孔隙和敞口孔隙之和。

表2 珊瑚砂混合物总试样体积V及小颗粒珊瑚砂颗粒体积Vs1

表3 蜡封法求大颗粒珊瑚砂体积Vs2

其中，蜡封法试验温度20℃。

珊瑚砂密闭孔隙和敞口孔隙之和：

Vk1——珊瑚砂密闭孔隙和敞口孔隙之和。

根据公式(13)已求得珊瑚枝密闭孔隙和敞口孔隙之和，则颗粒之间孔隙体积：

进而求得孔隙比：

表4 珊瑚砂珊瑚枝混合物孔隙比

以上试验均为在碾压后场地进行，数据分析后得出该珊瑚砂孔隙比在0.495～0.578之间，其中，混合物内孔隙之和占总体积的百分比为6.449%～9.328%，混合物固体颗粒体积占总体积的百分比为58.410%～62.585%，具体见图2所示。以1#试样混合物为例，各体积所占百分比如图3所示，可得混合物中固体颗粒占比为60%，颗粒之间的孔隙占比31%，内孔隙占比9%。内孔隙虽占比最小，但工程研究中不容忽略。

图2 混合物内孔隙体积和固体颗粒体积占总体积百分比

图3 1#试坑混合物各体积所占百分比示意图

3 无核密度仪的使用

目前较为常用的现场密实度的测量方法有环刀法、灌砂法、灌水法、核子密度仪法等。国标《土工试验方法标准》[5]中没有介绍核子密度仪法，但水利规范《土工试验规程》[6]中介绍了核子射线法，即通过核子湿度密度仪采用放射的方法进行检测。

核子密度仪(如图4所示)用于施工现场快速地检测建筑材料的湿密度(总密度)和含水量(湿度)。完成一次检测通常只需要1分钟或更短时间。不同品牌和厂家的仪器功能各不相同。有的仪器只检测密度或只检测湿度，多数品牌的仪器可以同时检测密度和湿度。

因核子密度仪使用地点许可证办理周期较长，且仪器本身辐射较大，操作、运输、携带均不太方便，鉴于此，本项目使用无核密度仪，如图5所示。该种无核密度仪是一种可替代核子密度仪、测量路基和地基压实土之间物理特性的无核测量仪。它是一种以电池驱动的便携式仪器，可以在世界各地任何地方使用而不会带来核安全等相关问题。可测量并显示干/湿密度、含水率，以及压实百分数，使用简便，数据可靠。美国ASTM国际标准[7]也对此进行了详细地说明。

图4 核子密度仪

图5 无核密度仪

该仪器使用前，在被测工地上选3个点用灌砂法、烘干法等传统方法获取湿密度和含水率，建立土壤模型。然后开始正式测量。现场实测资料见表5。

表5 无核密度仪现场实测干密度和含水率数据

表5与表2对比分析，无核密度仪现场实测数据与室内试验后得出数据相差不大，故该数据可靠。

4 结语

马尔代夫珊瑚砂因其特有的物理化学特性，与传统的石英砂相比差别较大，故传统方法不适用。本文通过对珊瑚砂物理力学特性的分析，进而提出一套完备的用于现场测定大颗粒珊瑚砂和小颗粒珊瑚砂混合物孔隙比的方案，通过实测数据分析后得出该珊瑚砂孔隙比在0.495～0.578之间，其中，混合物内孔隙之和占总体积的百分比为6.449%～9.328%，混合物固体颗粒体积占总体积的百分比为58.410%～62.585%。该数据为后续的工程项目提供了有力的数据支持。

本工程在实施过程中，使用了无核密度仪，快速、无损地现场测定珊瑚砂的密度和含水率，大大提高了工作效率，为后续工作提供有力的技术支持。