風積沙代替河沙可行性探索

王 杰，伍宸睿，李子龍，王 穎

（蚌埠學(xué)院土木與水利工程學(xué)院，安徽 蚌埠 233030）

0 引言

河沙指舊河道里的沖積土，其形成要素包括：沙土、河流、流水沖洗、時間等。自然形成的河沙其來源多為表土，表層土風化后產(chǎn)生了土侵蝕，造成水土和植物礦質(zhì)營養(yǎng)元素流失，破壞生態(tài)環(huán)境[1]。開采河沙制造成河床面起伏不平，原為中粗砂的河床質(zhì)出現(xiàn)礫石化，河床糙度增加，嚴重影響排洪和水流的穩(wěn)定性。在受侵蝕的河岸特別是在河曲的凹岸采沙，易于誘發(fā)河流深泓線向侵蝕岸側(cè)擺動，造成河堤或河岸快速坍塌，威脅河岸公路和建筑物等[2]。河沙的無節(jié)制開采導(dǎo)致河沙資源越來越少，對水生生物和生態(tài)環(huán)境的破壞和河岸退化，對生態(tài)系統(tǒng)造成不利影響。因此，近年來政府加大了對于開采河沙的限制。

河沙的質(zhì)量不穩(wěn)定，顆粒大小和形狀不均勻，容易導(dǎo)致建筑材料的質(zhì)量不穩(wěn)定，對建筑物的結(jié)構(gòu)強度和穩(wěn)定性都會產(chǎn)生較大的影響。其中部分河沙中可能含有有機物質(zhì)、泥土和其他雜質(zhì)，這些雜質(zhì)會影響混凝土的強度和密實性，降低建筑物的質(zhì)量。需要經(jīng)過烘干篩分后才能投入建筑工程中。新鮮的河沙含水量較高，容易導(dǎo)致混凝土的收縮、開裂和變形，影響建筑物的使用壽命。河沙中可能存在一些有害物質(zhì)，如鹽類、硫酸鹽和有機化合物等，會對建筑材料產(chǎn)生腐蝕作用，降低建筑物的耐久性。

風積沙具有非常明顯的非塑性、剪切強度低、滲透性強、沙粒粒徑細、含水量較低、沙粒蓄水性差、毛細作用差等特點，在有外力作用的條件下極易松散。同時，沙漠地區(qū)往往氣候干燥，降水量較少且蒸發(fā)量很大，導(dǎo)致風積沙含水量降小，加之施工運輸過程中的條件影響，使得原本較低的風積沙中的水分散失，所以，在填筑路基時風積沙往往處于干燥狀態(tài)。沙漠及沙化地帶多位于邊遠地帶，礦產(chǎn)資源豐富，隨著現(xiàn)代化建設(shè)的需要，工程建設(shè)將會比其他地區(qū)更為迫切[3]，為利用風積沙的應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。

1 風積沙特性

1.1 風積沙的形成

風積沙地質(zhì)是自然界的沙石在風的搬運作用下，在一定地區(qū)內(nèi)下沉，堆積而成的堆積型地質(zhì)。從地質(zhì)或地理角度來看，風積沙的形成需要有兩個基礎(chǔ)條件：一是較為特殊的氣候條件；二是較為特殊的地質(zhì)、地貌條件[4]。風積沙形成的砂礫在長時間內(nèi)都會受到風力的影響，導(dǎo)致它們的顆粒表面變得平滑，砂礫之間的摩擦力減小，整體的抗剪強度也相對較低，這使得風積沙更容易滑動和滾動，具有更好的流動性，但其密實性和穩(wěn)定性則相對較差。在天然條件下，風積沙層是一種疏松多孔的物質(zhì)。當風積沙沒有連續(xù)的級配堆積時，顆粒間不能相互填充，從而形成緊湊、低空隙率的實體，因此自然的風積沙地層是相對松散的堆積體。

1.2 風積沙的技術(shù)特性

自然狀態(tài)下風積沙的含水量較低，最低不超過1%，而最大通常也不會超過5%。自然狀態(tài)下干燥時，風積沙的密度通常約為1.44g/cm3，而濕潤時的密度大概是1.48g/cm3。在壓實情況下，風積沙密度增長很快，最大干密度在壓實后可以達到1.74~2.00g/cm3，其密度是在自然狀態(tài)下的1.2~1.4 倍。風積沙的顆粒結(jié)構(gòu)非常細致，且顆粒分布均勻單一，但粉粘粒的含量相對較少，小于0.075mm 以下的顆粒含量小于5%，粘聚力和松散性都相對較低。此外，它的保水性和水穩(wěn)性都相對較差，易溶鹽的含量也很低，呈現(xiàn)微堿性。風積沙本身并不具有腐蝕性，其壓縮變形也很小。在壓縮完成的時間段內(nèi)，壓縮量與荷載之間存在指數(shù)關(guān)系，所以在保水狀態(tài)下，風積沙更容易被壓實。

1.3 風積沙施工前的準備

1.3.1 風積沙最大干密度的確定方法

為確保風積沙填筑路基的工程質(zhì)量，必須合理確定風積沙的最大干密度。依據(jù)干密度對風積沙進行較為細致的分類，其分類情況如下[5]。

Ⅰ類指土壤中d<0.075 的成分質(zhì)量低于總質(zhì)量的5%，包括無塑性（Ⅰ-1 類）和有塑性（Ⅰ-2 類）兩種類型[6]。在工程應(yīng)用上，可通過提高土料中粉質(zhì)砂含量和降低粉質(zhì)黏土含量來改善其流動性、強度等性質(zhì)。

Ⅱ類指的是含有細粒的土沙，土壤中<0.075 的成分質(zhì)量占總質(zhì)量的5%~15%，這種土沙的顯著特性是具有較高的塑性指數(shù)。在此基礎(chǔ)上，通過對該類型土壤物理特性指標及力學(xué)性質(zhì)指標的測試與分析研究，得出了此類土壤物理性質(zhì)參數(shù)和力學(xué)性質(zhì)指標的分布規(guī)律。

Ⅲ類指的是含有細粒的土沙，土壤中<0.075 的成分質(zhì)量占到了總質(zhì)量的15%~50%，其顯著特性是具有較高的塑性指數(shù)。

風積沙最大干密度的確定方法包括標準擊實法、表面振動壓實法（干法、濕法）和振動臺法（干法、濕法）等試驗方法，在工程應(yīng)用時必須按照不同類型對風積沙進行特殊處理，推薦方法如表1 所示。

表1 干密度確定推薦方法

在室內(nèi)環(huán)境中，利用表面振動壓實儀法和擊實試驗法，在不同含水量的條件下收集了風積沙的試驗數(shù)據(jù)。而在室外，修建了試驗路，并使用了多種機械設(shè)備來進行風積沙路基的壓實實驗，以此來驗證室內(nèi)的試驗數(shù)據(jù)[7]。

1.3.2 風積沙的密實原理與方法

由于風積沙具有獨特的物理屬性和自身屬性，這導(dǎo)致了風積沙顆粒之間的結(jié)合力不佳、流動性差、抗干擾能力差，以及難以壓實等問題。然而，在特定的水分含量和振動影響后，當風積沙在特定的壓力下受到水分的濕潤，會變得更加緊密，從而確保其結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。風積沙在壓實情況下其密度增長很快，特別是在壓實后的干密度會迅速提高，為自然狀態(tài)的1~2 倍[8]，在實際應(yīng)用中壓縮時的變形很小，并且壓縮的程度與荷載之間存在指數(shù)關(guān)聯(lián)。較早時候，人們就已經(jīng)意識到風積沙所具有的這一獨特性質(zhì)在受風積沙影響的地區(qū)，當進行房屋或其他建筑的地基處理時，通常會選擇使用風積沙作為基底的替代材料。常用的方法稱為“搖砂法”[9]該施工技術(shù)包括在預(yù)先挖掘好的基坑或基槽中加入風積沙，然后按照預(yù)定的厚度將其平鋪，接著大量地灑水直至表面出現(xiàn)積水。隨后，用木棒或鐵棍以一定的距離插入已經(jīng)飽和的風積沙中，并進行來回搖晃或扳動，直到風積沙的頂部不再下沉，并且表面不再出現(xiàn)氣泡為止。

2 風積沙在工程的應(yīng)用

風積沙是由砂性土組成的，它包含了一定數(shù)量的粗顆粒，這使得這種材料具備了良好的強度和穩(wěn)定性。同時，它還含有一定數(shù)量的細顆粒，這使得它具有一定的黏結(jié)性，不會變得過于松散。當遇到水時，它會迅速干燥，不會膨脹，濕潤時也不會粘，容易壓實，因此它是工程建筑的優(yōu)質(zhì)材料。然而，風積沙是一種分布均勻的松散物質(zhì)，如果施工質(zhì)量管理不當，將會對材料性能產(chǎn)生嚴重不良影響。

2.1 風積沙混凝土材料

隨著我國基礎(chǔ)建設(shè)的大幅度提升，混凝土是目前應(yīng)用最廣泛的建筑材料，為了保護環(huán)境保護河道減少破壞，風積沙代替河沙便成為熱點問題。風積沙的物理特性和化學(xué)特性、風積沙的力學(xué)性質(zhì)、風積沙的摻入對混凝土力學(xué)及工作性能的影響、風積沙混凝土的收縮性能、及耐久性能和風積沙混凝土微觀試驗對風積沙代替混凝土都是至關(guān)重要的因素。針對目前風積沙特性、風積沙混凝土的性能進行了相關(guān)研究[10]，研究表明，風積沙取代率不宜超過30%，風積沙自密實混凝土風積沙取代率不宜超過20%，在配制風積沙高性能混凝土?xí)r，應(yīng)優(yōu)先考慮級配優(yōu)化，增加粗顆粒，減少細顆粒密度。

2.2 風積沙砂漿材料

通過替換一般建筑砂漿中部分或全部和河沙來制得風積沙建筑砂漿。研究表明，在砂漿中添加適量的風積沙可以一定程度上優(yōu)化砂漿的性能。用風積沙替代部分天然河砂，所得到的砂漿性能提升的程度不僅與風積沙的級配、替換比例等參數(shù)有關(guān)，同時也受到天然河砂性能參數(shù)的影響。風積沙的組成和顆粒特性也會對砂漿的性能產(chǎn)生影響，風積沙在砂漿中的作用機制主要可以歸納為填充效應(yīng)、形態(tài)效應(yīng)、活性效應(yīng)等3 點[11]。

2.3 風積沙路基填筑材料

在干旱地區(qū)以及缺乏路基填料的地區(qū)，采用風積沙作為路基填筑材料，既可以解決路基填筑材料的缺乏、治理沙害，又能加快施工進度、縮短工期。但不同于河沙和一般路基填筑材料，風積沙沙粒粒徑細、含水量較低、沙粒蓄水性差、毛細作用差，且具有明顯的非塑性、剪切強度低、滲透性強等特點。以風積沙作為路基填筑材料，必須考慮風積沙的特性，掌握風積沙路基填筑施工的關(guān)鍵要素，嚴格按照風積沙路基填筑施工工藝，采取有效地環(huán)境保護措施，避免施工過程中可能出現(xiàn)的施工問題，減少對環(huán)境的影響。

2.3.1 風積沙路基填筑施工關(guān)鍵要素

風積沙顆粒細膩并均勻，試驗結(jié)果表明，風積沙顆粒級配曲線較為陡峭，說明風積沙顆粒級配差異不大，分散程度相對較小，風積沙的特點是相對穩(wěn)定，在正常條件下不易變形，在荷載的反復(fù)作用下，其回彈模量可達100MPa。風沙的黏聚力很小，在干燥環(huán)境下接近于零。如果含水量高，就會表現(xiàn)出假黏聚的特點。因此，需要采取科學(xué)的施工方法，加強施工過程中的質(zhì)量控制是風積沙施工的關(guān)鍵要素。設(shè)計試驗方案：虛鋪厚度35cm，壓實后30cm，壓實系數(shù)為1.15；砂土摻配方案①：1:1.5，方案②：1:2。

通過多次試驗總結(jié)得出[12]，方案①：靜壓7 遍后可壓縮性和壓實度均可以達到設(shè)計和驗標要求，可作為指導(dǎo)路基本體土方填筑施工依據(jù)。方案②：靜壓2 遍后，弱振3 遍再靜壓2 遍，可壓縮性大小和壓實度均可以達到設(shè)計要求，可作為指導(dǎo)風積沙路基土方基床底層填筑施工依據(jù)。

2.3.2 風積沙路基填筑施工工藝

風積沙中的水分較少，土質(zhì)較為松散，粘聚力差，剪切強度低，給路基填筑施工帶來很大挑戰(zhàn)。在路基填筑施工過程中，應(yīng)該嚴格遵循施工流程，如圖1 所示，通過嚴格把控各個施工環(huán)節(jié)質(zhì)量，采取精準的碾壓施工方式，從而提升路基壓實度和穩(wěn)定性，保證工程的穩(wěn)固性與可靠性[13]。

圖1 路基填筑施工流程

3 結(jié)語

隨著工程建設(shè)數(shù)量的增加，近年來對河沙的需求越來越大，而過量開采河沙將產(chǎn)生諸多環(huán)境生態(tài)問題。風積沙作為一種替代河沙的材料，已被逐漸應(yīng)用于混凝土材料、砂漿材料、路基填筑材料等。風積沙不同于一般建筑材料，在應(yīng)用風積沙過程中，應(yīng)綜合考慮風積沙的特性、力學(xué)性能和耐久性等，在施工過程中，要嚴格遵循施工流程，控制施工質(zhì)量。總體而言，風積沙的廣泛應(yīng)用能有效防治環(huán)境污染，促進建筑材料的可持續(xù)利用。