風(fēng)積沙的特性及應(yīng)用

1前言沙漠化是當(dāng)前全人類面臨的最嚴(yán)峻的問題之一，而中國也正深受沙漠化的危害。中國沙漠化總面積已達(dá)到約17397萬公頃，占國土面積的18.1%。中國沙漠化土地主要分布在新疆、內(nèi)蒙古、青海、甘肅、陜西、寧夏、吉林、黑龍江和遼寧等省區(qū)。而這些省區(qū)的突出特點是地域廣闊，人口稀少，經(jīng)濟欠發(fā)達(dá)。由于沙漠、戈壁以及大風(fēng)的共同作用，空氣中經(jīng)常彌漫著沙粒（常稱作“飛沙”），這些飛沙隨著風(fēng)向的改變而變化行進(jìn)路線，進(jìn)而飄落在農(nóng)田、溝河、建筑物和構(gòu)筑物上。這不僅破壞環(huán)境，而且嚴(yán)重影響著人們的生活。這里的“飛沙”飄落沉積后即形成風(fēng)積沙，所以風(fēng)積沙是被風(fēng)沙流搬運到?jīng)_積平原地區(qū)而形成的。風(fēng)積沙分布廣泛，儲量豐富，具有結(jié)構(gòu)顆粒較細(xì)、松散、無粘性、含水量少、透水性好以及保水性差等特點。在對風(fēng)積沙的應(yīng)用研究方面，國外起步較早，尤其是將風(fēng)積沙用作筑路材料方面取得較成功的經(jīng)驗。美國《AASHTO規(guī)范》中的土壤分類規(guī)定：顆粒粒徑小于0.074mm且含量小于35%的細(xì)沙、海灘沙、沙漠沙以及河流沖擊的不良級配的細(xì)沙等均屬于性能優(yōu)良的筑路材料。伊拉克和沙特阿拉伯等中東國家也應(yīng)用風(fēng)積沙成功修筑了沙漠公路。國內(nèi)關(guān)于風(fēng)積沙的應(yīng)用研究雖然起步相對較晚，但研究比較深入。1985年，內(nèi)蒙古修建試驗路時，對當(dāng)?shù)仫L(fēng)積沙的各項參數(shù)進(jìn)行了測試研究，包括含水量、容重、顆粒級配、液限和塑限值、擊實程度、回彈模量、承載比（CBR）和彎沉值等。1992年到1995年，我國首次在新疆塔克拉瑪干沙漠中成功修筑一條長達(dá)300多km的三級公路，并結(jié)合工程實際對路基施工和壓實機械等進(jìn)行了較為全面的沙漠地區(qū)公路修筑技術(shù)研究，指導(dǎo)了沙漠路基工程施工，取得了很多有價值的研究成果。1998年，遼寧省交通廳邀請全國著名專家就風(fēng)積沙在高速公路中的應(yīng)用問題召開技術(shù)研討會，專家們一致認(rèn)為，風(fēng)積沙不僅可以用于修筑高速公路的路基，而且還是一種性能優(yōu)良的筑路材料。近年來，陜西、內(nèi)蒙古和新疆等地區(qū)開展了多項有關(guān)沙漠筑路方面的西部交通建設(shè)科技項目，如何利用風(fēng)積沙修筑沙漠公路便是其中的主要研究內(nèi)容。在壓實設(shè)備研究方面，國外起步較早，相對成熟，發(fā)展趨于穩(wěn)定。具有智能化技術(shù)的連續(xù)振動變頻、變幅振動壓路機的出現(xiàn)，為沙漠風(fēng)積沙的壓實提供了先進(jìn)的施工設(shè)備，為風(fēng)積沙路基的成型提供了良好條件。而國內(nèi)壓實設(shè)備的發(fā)展經(jīng)過引進(jìn)吸收和自主開發(fā)等階段，逐步形成規(guī)模，具備一定競爭力，產(chǎn)品日益呈現(xiàn)出多元化趨勢，并且出現(xiàn)了一大批具有自主知識產(chǎn)權(quán)的創(chuàng)新技術(shù)。當(dāng)前，由于天然砂的儲量和開采都受到很大限制，國內(nèi)外對風(fēng)積沙的研究顯得更加十分活躍，這集中體現(xiàn)在對風(fēng)積沙特性（物理化學(xué)特性、力學(xué)特性）的研究，以及風(fēng)積沙在制備混凝土、制備砂漿，風(fēng)積沙作為路基填料應(yīng)用等方面的研究。本文就風(fēng)積沙特性及應(yīng)用問題作一評述，希望對推動風(fēng)積沙的研究和應(yīng)用有所裨益。2風(fēng)積沙的特性2.1物理化學(xué)特性通過對內(nèi)蒙古科爾沁風(fēng)積沙的研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)仫L(fēng)積沙主要由巖屑、長石和石英等3種礦物組成。3種礦物的總含量一般占整個沙樣的90%以上。風(fēng)積沙中還有少量的其他礦物顆粒，包括白云母、黑云母及褐鐵礦、黃鐵礦和綠泥石等。風(fēng)積沙的化學(xué)成分中SiO2的含量最高，一般約占65%左右，最高可達(dá)82%，SiO2的硬度大且穩(wěn)定；其次為Al2O3（10%左右）、CaO（8%左右）等；而Fe2O3、Na2O、K2O、MgO等含量均為2%左右；TiO2、P2O5和MgO很少（共0.43%～0.60%）。風(fēng)積沙中的易溶巖、中溶巖含量很低，難溶巖成分不超過10%，基本屬非鹽漬土，含Al、Ca、Fe、Mg等礦物少且穩(wěn)定性不好。經(jīng)測試內(nèi)蒙古科爾沁風(fēng)積沙的酸堿度（pH值）為7.5（平均），呈弱堿性，有機質(zhì)含量平均約為0.52%。筆者對新疆塔克拉瑪干沙漠的風(fēng)積沙、新疆克拉瑪依風(fēng)積沙和內(nèi)蒙古騰格里風(fēng)積沙樣品進(jìn)行了測試，發(fā)現(xiàn)其化學(xué)成分十分相近，SiO2含量65%～86%、Al2O3含量8%～10%、Fe2O3含量1.5%～2.5%，另外還含有少量的CaO、Na2O、K2O和MgO等。圖1為3種來源的風(fēng)積沙的篩分析情況。風(fēng)積沙具有良好的透水性，即沙粒表面對水幾乎沒有物理吸附力，最大吸水率不超過1%，水在沙層能夠直接向下滲透，使沙的表層常處于干燥狀態(tài)，因此風(fēng)積沙的天然含水量很低。例如，毛烏素沙漠風(fēng)積沙距離表面20cm以內(nèi)的天然含水量為1.2%～3.4%。同時，由于沙漠地區(qū)的風(fēng)積沙大都以中沙和細(xì)沙為主，幾乎不含粉粒和黏粒，具有松散無塑性的特點，因此成型比較困難，而且成型后的抗剪切強度也較低。2.2力學(xué)特性2.2.1基本力學(xué)性質(zhì)由于風(fēng)積沙特殊的物理性質(zhì)，它的壓縮變形小，壓縮量與荷載呈指數(shù)關(guān)系；回彈模量較大（一般在70～90MPa），在荷載反復(fù)作用下其值可大于100MPa；常規(guī)的重型擊實無法測出其最大干密度，CBR值也無法測出；粘聚力值很小，在干燥狀態(tài)下幾乎為零，在有一定含水量的情況下，由于毛細(xì)作用產(chǎn)生的吸力，表現(xiàn)出一定的假粘聚力。通過直剪試驗和室內(nèi)回彈模量試驗，發(fā)現(xiàn)風(fēng)積沙的內(nèi)摩擦角與壓實度之間呈線性變化規(guī)律。顆粒級配是主要影響因素，含水量影響較小。風(fēng)積沙的室內(nèi)回彈模量和CBR值與壓實度之間大致呈非線性增大規(guī)律，在某一壓實度區(qū)間（90%～96%），增大的幅度非常小。研究了抗剪強度和干密度的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)直剪試驗得出的風(fēng)積沙的粘聚力基本為零，內(nèi)摩擦角在30°～40°之間，并且隨著干密度的增大，內(nèi)摩擦角增大。因此，為了提高風(fēng)積沙的抗剪變形能力，應(yīng)盡可能提高風(fēng)積沙的干密度。2.2.2壓實特性沙體的壓實，就是使沙體從松散狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槊軐崰顟B(tài)的過程。風(fēng)積沙的壓實是指風(fēng)積沙顆粒之間的空隙達(dá)到最小。在此過程中，首先風(fēng)積沙的小顆粒要填充于大顆粒的空隙中，其次是顆粒間的空隙達(dá)到最小。前者受風(fēng)積沙內(nèi)摩擦阻力的影響，后者受其內(nèi)部粘結(jié)力的影響。通過重型標(biāo)準(zhǔn)擊實試驗、不加荷載的干振試驗和水振試驗得出了3組沙樣的試驗結(jié)果曲線。通過對3組試樣最大干密度試驗結(jié)果的比較，發(fā)現(xiàn)不同顆粒級配風(fēng)積沙的最大干密度差異很大，按不同試驗方法得出的最大干密度也明顯不同。同時，使用重型標(biāo)準(zhǔn)擊實試驗得出的曲線有2個峰值，且含水率為0時的干密度最大。通過對風(fēng)積沙進(jìn)行壓實試驗，發(fā)現(xiàn)它的壓實規(guī)律與礫石土相近，表現(xiàn)為隨含水量增大，干密度先降低，經(jīng)過低谷后再上升，呈凹曲線型，最大干密度出現(xiàn)在含水量接近0及接近飽和處，有2個峰值。表明風(fēng)積沙具有干壓實和飽水壓實2個特性。在陜蒙高速公路K44+550路段取樣，通過重型擊實試驗法分析風(fēng)積沙的最大干密度和擊實特性，發(fā)現(xiàn)風(fēng)積沙具有2個最佳含水量點，其中較低的含水量隨級配組成的不同而不同，當(dāng)級配偏粗時最大密度點的含水量將增大。同時，對于一定級配的風(fēng)積沙，在不同含水量狀態(tài)下，密度雖然不同，但其值比較接近，變化差異較小，因此含水量對壓實特性影響不大。取烏蘭布和沙漠風(fēng)積沙試樣進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)重型擊實試驗，得到類似結(jié)論，并指出擊實功是影響擊實效果的重要因素之一。風(fēng)積沙的最佳含水率隨擊實功的增大而減小，而最大干密度隨擊實功的增大而增大。但隨擊實功逐漸增大，對最佳含水率和最大干密度的影響越來越小，當(dāng)擊實功增大到一定程度后，對最佳含水率和最大干密度無顯著影響。利用振動臺法研究了風(fēng)積沙的振動壓實特性，分析了振幅、頻率、振動時間、配重、含水量和填料方式等對風(fēng)積沙振動壓實特性的影響，同時還利用動態(tài)力學(xué)分析方法，分析了風(fēng)積沙的振動壓實機理。結(jié)果表明，干燥狀態(tài)和最佳含水量狀態(tài)下，風(fēng)積沙的最佳振動頻率為（45～50）Hz，風(fēng)積沙振動壓實時，宜采用高頻率（45～50）Hz和小振幅（0.4～1.0）mm。對風(fēng)積沙采用重型擊實試驗II法、振動臺法與表面振動壓實儀法進(jìn)行試驗，分析不同壓實條件對風(fēng)積沙干密度的影響規(guī)律。結(jié)果表明，風(fēng)積沙擊實曲線與振動壓實曲線均呈現(xiàn)“振實-振松-再振實”造成的“多峰”特征。振動法所得干密度一般優(yōu)于對應(yīng)含水率條件下?lián)魧嵲囼炈妹芏?。振動臺法在風(fēng)積沙含水率接近飽和時效果最好，風(fēng)積沙的密度最大。同時，表面振動壓實儀法3層填料的振動壓實效果明顯好于1層填料方式。濕風(fēng)積沙在含水率較低（2%～6%）狀態(tài)下，表面振動壓實曲線變化幅度較大，隨著含水率增大（8%～12%）及振動時間8～10min延長，曲線變化趨緩，“多峰”特征不再明顯，壓實效果達(dá)到最佳。3風(fēng)積沙的工程應(yīng)用3.1風(fēng)積沙混凝土隨著國內(nèi)各種基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)力度不斷加大以及城市化的迅速發(fā)展，混凝土作為主要建筑材料之一，被廣泛應(yīng)用到工程中，因而對砂的需求量也日益增加。采用風(fēng)積沙制備混凝土可減少對天然砂的依賴，解決風(fēng)積沙的處理難題，對環(huán)境保護(hù)具有深遠(yuǎn)意義。采用風(fēng)積沙按一定比例（10%、30%、50%、70%及90%，質(zhì)量百分比）等量取代河砂，經(jīng)過配合比設(shè)計制備風(fēng)積沙混凝土。試驗結(jié)果表明，當(dāng)風(fēng)積沙的取代率為10%、30%和50%時，風(fēng)積沙混凝土的坍落度均大于純河砂混凝土。且當(dāng)取代率為30%時，坍落度值最大，為88mm。同時，風(fēng)積沙混凝土的黏聚性和保水性良好，無分層和泌水現(xiàn)象，能夠滿足施工要求。而當(dāng)取代率為70%和90%時，風(fēng)積沙混凝土的坍落度較小，并出現(xiàn)明顯的分層離析和泌水現(xiàn)象，無法滿足施工要求。另外，還對風(fēng)積沙混凝土的力學(xué)性能進(jìn)行了測試。結(jié)果表明，混凝土試件抗壓強度和抗拉強度都隨風(fēng)積沙取代率的增加而呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，且當(dāng)取代率為30%時，抗壓強度和抗折強度均出現(xiàn)最大值。通過正交試驗設(shè)計，考慮了水膠比、砂率、風(fēng)積沙取代率和粉煤灰摻量共4個因素對混凝土力學(xué)性能的影響。試驗結(jié)果表明，4種因素對風(fēng)積沙混凝土7d抗壓強度的影響大小順序為：砂率>水膠比>粉煤灰摻量>風(fēng)積沙取代率；28d抗壓強度的影響大小順序為：水膠比>砂率>粉煤灰摻量>風(fēng)積沙取代率。由此，得到了7d和28d抗壓強度最優(yōu)的因素水平組合，分別為水膠比0.3、砂率36%、風(fēng)積沙取代率20%和粉煤灰摻量10%，以及水膠比0.3、砂率38%、風(fēng)積沙取代率40%和粉煤灰摻量10%。在此基礎(chǔ)上，擬定了風(fēng)積沙混凝土的配合比，進(jìn)一步明確了風(fēng)積沙取代率對混凝土抗壓強度的影響。結(jié)果表明，風(fēng)積沙配制C50高強混凝土?xí)r，其最佳取代率應(yīng)在0～40%范圍內(nèi)?？梢姡渲骑L(fēng)積沙混凝土?xí)r，要考慮到風(fēng)積沙的取代率對混凝土性能的影響。當(dāng)取代率在0～40%時，既能消耗一定的風(fēng)積沙，又能夠滿足實際工程的需要。當(dāng)然，在實際施工過程中，需要通過改變風(fēng)積沙的摻量來找到最佳的取代率，以此作為最終配合比進(jìn)行施工。3.2風(fēng)積沙砂漿顧名思義，風(fēng)積沙砂漿就是利用風(fēng)積沙部分或全部替代砂漿中的河砂而制得的砂漿。目前，國內(nèi)一些學(xué)者對風(fēng)積沙替代河砂后砂漿的性能進(jìn)行了工作性、力學(xué)性能和耐久性等方面的測試，結(jié)果表明適當(dāng)摻加風(fēng)積沙能夠一定程度上改善砂漿的性能。3.2.1工作性以風(fēng)積沙按照10%、20%、30%和40%的質(zhì)量分?jǐn)?shù)等量替代河砂，配制風(fēng)積沙砂漿（膠砂比0.19，水灰比0.857），并對砂漿的工作性進(jìn)行測試。試驗結(jié)果表明，當(dāng)風(fēng)積沙替代率在10%～30%時，砂漿的流動度均有不同程度的提高，并且當(dāng)替代率為20%時，流動度最大，相比基準(zhǔn)組提高了13%。而當(dāng)風(fēng)積沙替代率繼續(xù)提高至40%時，流動度有所下降?？梢姡L(fēng)積沙在等量替代河砂的過程中，對于砂漿流動度的提高存在最佳替代率。3.2.2力學(xué)性能對以上五組風(fēng)積沙砂漿試件分別測定了其7d、28d和60d抗壓強度（試件尺寸為70.7mm×70.7mm×70.7mm，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)）。試驗結(jié)果表明，各組抗壓強度均隨著齡期的增長而提高，并在60d時達(dá)到最大。在水膠比相同的情況下，當(dāng)風(fēng)積沙替代率不大于20%時，抗壓強度隨著替代率的提高而增大；當(dāng)替代率大于20%時，則相反。7d時，風(fēng)積沙替代率為20%的試件抗壓強度比基準(zhǔn)組提高了8.6%。按照10%、15%、20%、30%和40%的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，以風(fēng)積沙等量替代河砂，配制風(fēng)積沙砂漿（膠砂比0.2，水灰比0.8），并對砂漿不同齡期（3d、7d、14d、21d、28d、60d和90d）的力學(xué)性能進(jìn)行測試。結(jié)果表明，砂漿抗壓強度隨風(fēng)積沙替代率的增加表現(xiàn)出先提高后降低的變化趨勢，替代率為15%時風(fēng)積沙砂漿的強度最高，之后緩慢下降，但強度依然大于基準(zhǔn)組。在齡期為3d、7d、14d、21d、28d、60d、90d時，風(fēng)積沙摻量為20%的組的砂漿抗壓強度較基準(zhǔn)組分別提高了62.4%、45.3%、45.2%、47.2%、42.4%、38.65%和38.66%。從以上兩位研究者的數(shù)據(jù)可見，風(fēng)積沙替代部分天然河砂，所配制的砂漿性能的改善程度不僅與風(fēng)積沙的級配、替代率等參數(shù)有關(guān)，也與天然河砂的性能參數(shù)有關(guān)。由于風(fēng)積沙的組成和顆粒特性，風(fēng)積沙在砂漿中的作用機理主要可以歸納為三點。（1）填充效應(yīng)。風(fēng)積沙的粒徑組成主要為0.074mm～0.25mm，屬于特細(xì)砂。摻入砂漿中能夠有效改善河砂的顆粒級配，提高密實度。（2）形態(tài)效應(yīng)。風(fēng)積沙是球形顆粒，粒徑小，表面積大，粘聚力小，其在水泥與河砂之間能起到“滾珠”的作用，有助于減小內(nèi)部摩擦力，提高砂漿工作性。（3）活性效應(yīng)。由于風(fēng)積沙中含有大量的無定形二氧化硅，所以風(fēng)積沙是具有火山灰活性的，尤其是蒸壓養(yǎng)護(hù)下，火山灰效應(yīng)相當(dāng)明顯。其中的二氧化硅與水泥水化生成的Ca（OH）2反應(yīng)生成CSH凝膠，能夠降低孔隙率，改善砂漿的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。3.3風(fēng)積沙作為路基填料在鹽漬土翻漿和砂石料缺乏地區(qū)，可考慮將風(fēng)積沙用作筑路材料。只要充分認(rèn)識風(fēng)積沙的各種特性并加以正確利用，通過采取有效的加固和壓實等技術(shù)，就能發(fā)揮其經(jīng)濟和社會效益。以下從路面結(jié)構(gòu)及路基施工、路基合理高度等兩個方面闡述風(fēng)積沙筑路施工中的若干問題。3.3.1路面結(jié)構(gòu)及路基施工風(fēng)積沙具有良好的水穩(wěn)定性和較高的強度，是鹽漬土和少砂石地區(qū)良好的筑路材料。本著就地取材、施工方便及經(jīng)濟合理的原則，針對不同載荷等級要求以及不同土基情況確定風(fēng)積沙層厚度，可將風(fēng)積沙作為路面結(jié)構(gòu)層。采用風(fēng)積沙填筑路堤時，應(yīng)分層壓實。根據(jù)現(xiàn)場自然條件、沙的特性及水源分布等情況確定壓實機械和壓實方法，宜采取機械振動壓實為主，結(jié)合蓄水、快成型、快防護(hù)的施工方法。對缺土、缺水，壓實確有困難的風(fēng)積沙路基，可采用土工合成材料對路基進(jìn)