风积沙的特性及应用

1前言沙漠化是当前全人类面临的最严峻的问题之一，而中国也正深受沙漠化的危害。中国沙漠化总面积已达到约17397万公顷，占国土面积的18.1%。中国沙漠化土地主要分布在新疆、内蒙古、青海、甘肃、陕西、宁夏、吉林、黑龙江和辽宁等省区。而这些省区的突出特点是地域广阔，人口稀少，经济欠发达。由于沙漠、戈壁以及大风的共同作用，空气中经常弥漫着沙粒（常称作“飞沙”），这些飞沙随着风向的改变而变化行进路线，进而飘落在农田、沟河、建筑物和构筑物上。这不仅破坏环境，而且严重影响着人们的生活。这里的“飞沙”飘落沉积后即形成风积沙，所以风积沙是被风沙流搬运到冲积平原地区而形成的。风积沙分布广泛，储量丰富，具有结构颗粒较细、松散、无粘性、含水量少、透水性好以及保水性差等特点。在对风积沙的应用研究方面，国外起步较早，尤其是将风积沙用作筑路材料方面取得较成功的经验。美国《AASHTO规范》中的土壤分类规定：颗粒粒径小于0.074mm且含量小于35%的细沙、海滩沙、沙漠沙以及河流冲击的不良级配的细沙等均属于性能优良的筑路材料。伊拉克和沙特阿拉伯等中东国家也应用风积沙成功修筑了沙漠公路。国内关于风积沙的应用研究虽然起步相对较晚，但研究比较深入。1985年，内蒙古修建试验路时，对当地风积沙的各项参数进行了测试研究，包括含水量、容重、颗粒级配、液限和塑限值、击实程度、回弹模量、承载比（CBR）和弯沉值等。1992年到1995年，我国首次在新疆塔克拉玛干沙漠中成功修筑一条长达300多km的三级公路，并结合工程实际对路基施工和压实机械等进行了较为全面的沙漠地区公路修筑技术研究，指导了沙漠路基工程施工，取得了很多有价值的研究成果。1998年，辽宁省交通厅邀请全国著名专家就风积沙在高速公路中的应用问题召开技术研讨会，专家们一致认为，风积沙不仅可以用于修筑高速公路的路基，而且还是一种性能优良的筑路材料。近年来，陕西、内蒙古和新疆等地区开展了多项有关沙漠筑路方面的西部交通建设科技项目，如何利用风积沙修筑沙漠公路便是其中的主要研究内容。在压实设备研究方面，国外起步较早，相对成熟，发展趋于稳定。具有智能化技术的连续振动变频、变幅振动压路机的出现，为沙漠风积沙的压实提供了先进的施工设备，为风积沙路基的成型提供了良好条件。而国内压实设备的发展经过引进吸收和自主开发等阶段，逐步形成规模，具备一定竞争力，产品日益呈现出多元化趋势，并且出现了一大批具有自主知识产权的创新技术。当前，由于天然砂的储量和开采都受到很大限制，国内外对风积沙的研究显得更加十分活跃，这集中体现在对风积沙特性（物理化学特性、力学特性）的研究，以及风积沙在制备混凝土、制备砂浆，风积沙作为路基填料应用等方面的研究。本文就风积沙特性及应用问题作一评述，希望对推动风积沙的研究和应用有所裨益。2风积沙的特性2.1物理化学特性通过对内蒙古科尔沁风积沙的研究发现，当地风积沙主要由岩屑、长石和石英等3种矿物组成。3种矿物的总含量一般占整个沙样的90%以上。风积沙中还有少量的其他矿物颗粒，包括白云母、黑云母及褐铁矿、黄铁矿和绿泥石等。风积沙的化学成分中SiO2的含量最高，一般约占65%左右，最高可达82%，SiO2的硬度大且稳定；其次为Al2O3（10%左右）、CaO（8%左右）等；而Fe2O3、Na2O、K2O、MgO等含量均为2%左右；TiO2、P2O5和MgO很少（共0.43%～0.60%）。风积沙中的易溶岩、中溶岩含量很低，难溶岩成分不超过10%，基本属非盐渍土，含Al、Ca、Fe、Mg等矿物少且稳定性不好。经测试内蒙古科尔沁风积沙的酸碱度（pH值）为7.5（平均），呈弱碱性，有机质含量平均约为0.52%。笔者对新疆塔克拉玛干沙漠的风积沙、新疆克拉玛依风积沙和内蒙古腾格里风积沙样品进行了测试，发现其化学成分十分相近，SiO2含量65%～86%、Al2O3含量8%～10%、Fe2O3含量1.5%～2.5%，另外还含有少量的CaO、Na2O、K2O和MgO等。图1为3种来源的风积沙的筛分析情况。风积沙具有良好的透水性，即沙粒表面对水几乎没有物理吸附力，最大吸水率不超过1%，水在沙层能够直接向下渗透，使沙的表层常处于干燥状态，因此风积沙的天然含水量很低。例如，毛乌素沙漠风积沙距离表面20cm以内的天然含水量为1.2%～3.4%。同时，由于沙漠地区的风积沙大都以中沙和细沙为主，几乎不含粉粒和黏粒，具有松散无塑性的特点，因此成型比较困难，而且成型后的抗剪切强度也较低。2.2力学特性2.2.1基本力学性质由于风积沙特殊的物理性质，它的压缩变形小，压缩量与荷载呈指数关系；回弹模量较大（一般在70～90MPa），在荷载反复作用下其值可大于100MPa；常规的重型击实无法测出其最大干密度，CBR值也无法测出；粘聚力值很小，在干燥状态下几乎为零，在有一定含水量的情况下，由于毛细作用产生的吸力，表现出一定的假粘聚力。通过直剪试验和室内回弹模量试验，发现风积沙的内摩擦角与压实度之间呈线性变化规律。颗粒级配是主要影响因素，含水量影响较小。风积沙的室内回弹模量和CBR值与压实度之间大致呈非线性增大规律，在某一压实度区间（90%～96%），增大的幅度非常小。研究了抗剪强度和干密度的关系，发现直剪试验得出的风积沙的粘聚力基本为零，内摩擦角在30°～40°之间，并且随着干密度的增大，内摩擦角增大。因此，为了提高风积沙的抗剪变形能力，应尽可能提高风积沙的干密度。2.2.2压实特性沙体的压实，就是使沙体从松散状态转变为密实状态的过程。风积沙的压实是指风积沙颗粒之间的空隙达到最小。在此过程中，首先风积沙的小颗粒要填充于大颗粒的空隙中，其次是颗粒间的空隙达到最小。前者受风积沙内摩擦阻力的影响，后者受其内部粘结力的影响。通过重型标准击实试验、不加荷载的干振试验和水振试验得出了3组沙样的试验结果曲线。通过对3组试样最大干密度试验结果的比较，发现不同颗粒级配风积沙的最大干密度差异很大，按不同试验方法得出的最大干密度也明显不同。同时，使用重型标准击实试验得出的曲线有2个峰值，且含水率为0时的干密度最大。通过对风积沙进行压实试验，发现它的压实规律与砾石土相近，表现为随含水量增大，干密度先降低，经过低谷后再上升，呈凹曲线型，最大干密度出现在含水量接近0及接近饱和处，有2个峰值。表明风积沙具有干压实和饱水压实2个特性。在陕蒙高速公路K44+550路段取样，通过重型击实试验法分析风积沙的最大干密度和击实特性，发现风积沙具有2个最佳含水量点，其中较低的含水量随级配组成的不同而不同，当级配偏粗时最大密度点的含水量将增大。同时，对于一定级配的风积沙，在不同含水量状态下，密度虽然不同，但其值比较接近，变化差异较小，因此含水量对压实特性影响不大。取乌兰布和沙漠风积沙试样进行标准重型击实试验，得到类似结论，并指出击实功是影响击实效果的重要因素之一。风积沙的最佳含水率随击实功的增大而减小，而最大干密度随击实功的增大而增大。但随击实功逐渐增大，对最佳含水率和最大干密度的影响越来越小，当击实功增大到一定程度后，对最佳含水率和最大干密度无显著影响。利用振动台法研究了风积沙的振动压实特性，分析了振幅、频率、振动时间、配重、含水量和填料方式等对风积沙振动压实特性的影响，同时还利用动态力学分析方法，分析了风积沙的振动压实机理。结果表明，干燥状态和最佳含水量状态下，风积沙的最佳振动频率为（45～50）Hz，风积沙振动压实时，宜采用高频率（45～50）Hz和小振幅（0.4～1.0）mm。对风积沙采用重型击实试验II法、振动台法与表面振动压实仪法进行试验，分析不同压实条件对风积沙干密度的影响规律。结果表明，风积沙击实曲线与振动压实曲线均呈现“振实-振松-再振实”造成的“多峰”特征。振动法所得干密度一般优于对应含水率条件下击实试验所得密度。振动台法在风积沙含水率接近饱和时效果最好，风积沙的密度最大。同时，表面振动压实仪法3层填料的振动压实效果明显好于1层填料方式。湿风积沙在含水率较低（2%～6%）状态下，表面振动压实曲线变化幅度较大，随着含水率增大（8%～12%）及振动时间8～10min延长，曲线变化趋缓，“多峰”特征不再明显，压实效果达到最佳。3风积沙的工程应用3.1风积沙混凝土随着国内各种基础设施建设力度不断加大以及城市化的迅速发展，混凝土作为主要建筑材料之一，被广泛应用到工程中，因而对砂的需求量也日益增加。采用风积沙制备混凝土可减少对天然砂的依赖，解决风积沙的处理难题，对环境保护具有深远意义。采用风积沙按一定比例（10%、30%、50%、70%及90%，质量百分比）等量取代河砂，经过配合比设计制备风积沙混凝土。试验结果表明，当风积沙的取代率为10%、30%和50%时，风积沙混凝土的坍落度均大于纯河砂混凝土。且当取代率为30%时，坍落度值最大，为88mm。同时，风积沙混凝土的黏聚性和保水性良好，无分层和泌水现象，能够满足施工要求。而当取代率为70%和90%时，风积沙混凝土的坍落度较小，并出现明显的分层离析和泌水现象，无法满足施工要求。另外，还对风积沙混凝土的力学性能进行了测试。结果表明，混凝土试件抗压强度和抗拉强度都随风积沙取代率的增加而呈现先增大后减小的趋势，且当取代率为30%时，抗压强度和抗折强度均出现最大值。通过正交试验设计，考虑了水胶比、砂率、风积沙取代率和粉煤灰掺量共4个因素对混凝土力学性能的影响。试验结果表明，4种因素对风积沙混凝土7d抗压强度的影响大小顺序为：砂率>水胶比>粉煤灰掺量>风积沙取代率；28d抗压强度的影响大小顺序为：水胶比>砂率>粉煤灰掺量>风积沙取代率。由此，得到了7d和28d抗压强度最优的因素水平组合，分别为水胶比0.3、砂率36%、风积沙取代率20%和粉煤灰掺量10%，以及水胶比0.3、砂率38%、风积沙取代率40%和粉煤灰掺量10%。在此基础上，拟定了风积沙混凝土的配合比，进一步明确了风积沙取代率对混凝土抗压强度的影响。结果表明，风积沙配制C50高强混凝土时，其最佳取代率应在0～40%范围内。可见，配制风积沙混凝土时，要考虑到风积沙的取代率对混凝土性能的影响。当取代率在0～40%时，既能消耗一定的风积沙，又能够满足实际工程的需要。当然，在实际施工过程中，需要通过改变风积沙的掺量来找到最佳的取代率，以此作为最终配合比进行施工。3.2风积沙砂浆顾名思义，风积沙砂浆就是利用风积沙部分或全部替代砂浆中的河砂而制得的砂浆。目前，国内一些学者对风积沙替代河砂后砂浆的性能进行了工作性、力学性能和耐久性等方面的测试，结果表明适当掺加风积沙能够一定程度上改善砂浆的性能。3.2.1工作性以风积沙按照10%、20%、30%和40%的质量分数等量替代河砂，配制风积沙砂浆（胶砂比0.19，水灰比0.857），并对砂浆的工作性进行测试。试验结果表明，当风积沙替代率在10%～30%时，砂浆的流动度均有不同程度的提高，并且当替代率为20%时，流动度最大，相比基准组提高了13%。而当风积沙替代率继续提高至40%时，流动度有所下降。可见，风积沙在等量替代河砂的过程中，对于砂浆流动度的提高存在最佳替代率。3.2.2力学性能对以上五组风积沙砂浆试件分别测定了其7d、28d和60d抗压强度（试件尺寸为70.7mm×70.7mm×70.7mm，标准养护）。试验结果表明，各组抗压强度均随着龄期的增长而提高，并在60d时达到最大。在水胶比相同的情况下，当风积沙替代率不大于20%时，抗压强度随着替代率的提高而增大；当替代率大于20%时，则相反。7d时，风积沙替代率为20%的试件抗压强度比基准组提高了8.6%。按照10%、15%、20%、30%和40%的质量分数，以风积沙等量替代河砂，配制风积沙砂浆（胶砂比0.2，水灰比0.8），并对砂浆不同龄期（3d、7d、14d、21d、28d、60d和90d）的力学性能进行测试。结果表明，砂浆抗压强度随风积沙替代率的增加表现出先提高后降低的变化趋势，替代率为15%时风积沙砂浆的强度最高，之后缓慢下降，但强度依然大于基准组。在龄期为3d、7d、14d、21d、28d、60d、90d时，风积沙掺量为20%的组的砂浆抗压强度较基准组分别提高了62.4%、45.3%、45.2%、47.2%、42.4%、38.65%和38.66%。从以上两位研究者的数据可见，风积沙替代部分天然河砂，所配制的砂浆性能的改善程度不仅与风积沙的级配、替代率等参数有关，也与天然河砂的性能参数有关。由于风积沙的组成和颗粒特性，风积沙在砂浆中的作用机理主要可以归纳为三点。（1）填充效应。风积沙的粒径组成主要为0.074mm～0.25mm，属于特细砂。掺入砂浆中能够有效改善河砂的颗粒级配，提高密实度。（2）形态效应。风积沙是球形颗粒，粒径小，表面积大，粘聚力小，其在水泥与河砂之间能起到“滚珠”的作用，有助于减小内部摩擦力，提高砂浆工作性。（3）活性效应。由于风积沙中含有大量的无定形二氧化硅，所以风积沙是具有火山灰活性的，尤其是蒸压养护下，火山灰效应相当明显。其中的二氧化硅与水泥水化生成的Ca（OH）2反应生成CSH凝胶，能够降低孔隙率，改善砂浆的内部结构。3.3风积沙作为路基填料在盐渍土翻浆和砂石料缺乏地区，可考虑将风积沙用作筑路材料。只要充分认识风积沙的各种特性并加以正确利用，通过采取有效的加固和压实等技术，就能发挥其经济和社会效益。以下从路面结构及路基施工、路基合理高度等两个方面阐述风积沙筑路施工中的若干问题。3.3.1路面结构及路基施工风积沙具有良好的水稳定性和较高的强度，是盐渍土和少砂石地区良好的筑路材料。本着就地取材、施工方便及经济合理的原则，针对不同载荷等级要求以及不同土基情况确定风积沙层厚度，可将风积沙作为路面结构层。采用风积沙填筑路堤时，应分层压实。根据现场自然条件、沙的特性及水源分布等情况确定压实机械和压实方法，宜采取机械振动压实为主，结合蓄水、快成型、快防护的施工方法。对缺土、缺水，压实确有困难的风积沙路基，可采用土工合成材料对路基进