天然风积沙基本特性及火山灰活性研究

2021-02-23郑木莲荆海洋朱琳琳

硅酸盐通报 2021年1期

郑木莲，荆海洋，陈旺，朱琳琳，张姝，高源

(长安大学,特殊地区公路工程教育部重点实验室，西安 710064)

0 引言

我国的风积沙面积覆盖范围巨大，土地沙漠化问题严重。截至2014年，全国沙化土地总面积172.12 万平方千米，占国土总面积的17.93%[1]。这些沙漠主要分布在新疆、宁夏、甘肃、陕西、青海、山西、河北、内蒙古、辽宁、吉林、黑龙江等12个省份[2]。全国的土地沙化面积新疆约占60%、内蒙古约占30%、青海占5.3%、甘肃约占2.7%、陕西约占1.5%、宁夏占0.6%，从数据上明显可以看出沙漠主要集中在我国西北地区。这些地区建筑材料资源普遍相对匮乏，但风积沙分布广泛，采用风积沙作为工程材料，既可以降低工程成本，又可以有效遏制沙漠化，实现可持续发展，具有重大的经济和社会效益。

国外对于风积沙的工程应用研究起步较早，尤其是作为筑路材料。Khan[3]对撒哈拉沙漠采集到的风积沙样品进行了化学分析，论述了风积沙用于公路工程建设的可行性。Al-Sanad和Al-Alansary[4-5]等对风积沙的工程特性进行测试分析，研究了风积沙的工程应用情况。美国《AASHTO规范》中的土壤分类也曾规定：颗粒粒径小于0.074 mm且质量分数小于35%的沙漠沙属于性能优良的筑路材料。国内关于风积沙的研究虽然起步较晚，但较为深入，长安大学、西安公路研究院、新疆交通科学研究所等单位对于风积沙的工程特性也纷纷展开研究，并成功应用风积沙材料填筑路基[6-8]。一些专家学者利用风积沙来配置砂浆或混凝土。张国学等[9]用腾格里沙漠风积沙配置砂浆和混凝土，研究表明，腾格里沙漠风积沙可以作为工程用砂, 配置一般土木工程的抹面砂浆和混凝土。董伟等[10-11]用风积沙部分替代河砂配置砂浆和轻骨料混凝土，研究表明，风积沙质量替代率为20%～30%为宜。目前关于风积沙特性的研究，大多学者都是在某一特定的工程背景下，针对与该工程相关的风积沙特性进行了研究，对于风积沙的基本特性及火山灰活性缺少系统的研究和分析。因此，本文选取了塔克拉玛干沙漠、古尔班通古特沙漠和腾格里沙漠三个地区的风积沙，通过对比分析，系统研究了风积沙的基本理化特性以及火山灰活性，旨在进一步推动风积沙的研究和应用。

1 实验

1.1 原材料

风积沙：所用的风积沙分别取自新疆塔克拉玛干沙漠、古尔班通古特沙漠和内蒙古腾格里沙漠天然形成的沙丘，其中塔克拉玛干沙漠和内蒙古腾格里沙漠风积沙样品取自流动沙丘，古尔班通古特沙漠取自半固定沙丘。每个沙漠地区的风积沙样品随机从3个取样点进行取样，取样点之间相距至少1 km，在每个取样点取样时，从地表至0.5 m深处取大量风积沙样品，装入容器，运送至实验室。随后将同一个沙漠地区3个取样点的沙样分别取部分混合形成一个代表性样品，得到三个地区的代表性样品。

标准砂：厦门艾思欧标准砂有限公司生产的ISO标准砂。

水泥：冀东P·O 42.5普通硅酸盐水泥，细度0.3%，比表面积364 m2/kg，烧失量3.89%，初凝时间202 min，终凝时间259 min，安定性检测合格。

水：普通自来水。

1.2 测试方法

天然风积沙的颗粒组成、表观密度、堆积密度、空隙率、含泥量、含水率和吸水率等指标的测试参考JTG/E 42—2005《公路工程集料试验规程》。

微观形貌测试：从3个代表性沙样中分别选取少量沙样，采用蔡司Sigma HD型扫描电子显微镜对风积沙分别进行了300倍、2 000倍、10 000倍、以及50 000倍放大的扫描拍照。

化学成分测试：从3个代表性沙样中分别选取少量沙样，使用 ARLAdvant’X Intellipower 3600型扫描X射线荧光光谱仪，进行从氧(O)到铀(U)之间共计83种元素的定性和定量分析。

矿物成分测试：从3个代表性沙样中分别选取少量沙样，采用日本理学Rigaku Ultimate IV型X射线衍射仪测定其衍射强度，使用Cu靶，工作电压40 kV，电流40 mA，连续扫描方式采样，扫描速度为5(°)/min，步长为0.02°，2θ范围为5°～ 85°。

酸碱度测试：分别取三处沙样10 g，放入烧杯中，加水50 mL，振荡3 min，然后静置30 min，以制备悬浊液。随后，将25～30 mL的悬浊液盛于50 mL烧杯中，搅拌2 min，用滴管取少量液滴在pH试纸上，对照比色卡测定出pH值。

碱活性测试：采用JTG/E 42—2005《公路工程集料试验规程》中的砂浆长度法[12]对三处天然风积沙的碱活性进行评定。

火山灰活性评价：采用JG/T 315—2011《水泥砂浆和混凝土用天然火山灰质材料》中的活性指数法[13]对天然风积沙火山灰活性进行评价。将三处风积沙替代水泥质量的30%来制作试验胶砂试件(编号分别为1、2、3)，同时制备不含风积沙的对比胶砂试件(编号为0)，测定试验胶砂和对比胶砂的流动度和28 d抗压强度，并计算二者的流动度比和抗压强度比，以二者抗压强度的比值作为活性指数，活性指数越大，说明活性越强。

火山灰活性激发：采用CaCl2、NaCl、Ca(OH)2、NaOH、CaSO4、Na2SO4共6种化学激发剂对天然风积沙的活性进行激发，将古尔班通古特沙漠的风积沙和普通硅酸盐水泥按照质量比为3 ∶1的比例掺配，水灰比为0.85，激发剂的掺量均为风积沙质量的2%。按照GB/T 17671—1999《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》成型尺寸为40 mm×40 mm×160 mm的水泥胶砂试件，将成型好的试件放入标准养护箱中，标准养护24 h后脱模，放入(20±1) ℃的水中继续养护至3 d、7 d和28 d龄期后取出，测试抗折和抗压强度。

2 风积沙物理特性

2.1 颗粒组成

三个地区的风积沙筛分试验结果如表1所示，粒径分布曲线如图1所示。

表1 不同地区风积沙颗粒组成Table 1 Composition of aeolian sand particles in different regions

图1 不同地区风积沙粒径分布曲线Fig.1 Distribution curves of aeolian sand particle size in different regions

通过筛分试验对三处风积沙的颗粒组成进行分析，南疆塔克拉玛干沙漠沙粒径在0.075～0.3 mm占94.37%，北疆古尔班通古特沙漠沙粒径在0.075～0.3 mm占99.65%，内蒙古腾格里沙漠沙粒径在0.075～0.3 mm占70.77%。可以看出三个地区的风积沙粒径主要集中在0.075～0.3 mm之间，粒径较细且分布较为集中。对三个地区的风积沙的不均匀系数Cu和曲率系数Cc进行分析，得到Cu2

2.2 表观密度、堆积密度和空隙率

对三处风积沙的表观密度、堆积密度和空隙率进行测试，测试结果如表2所示。

表2 不同地区风积沙的表观密度Table 2 Apparent density of aeolian sand in different regions

根据表2试验结果可知，三处风积沙的表观密度在2.6～2.7 g/cm3之间，堆积密度在1.5～1.6 g/cm3之间，空隙率均小于44%。通常情况下，风积沙的密度取决于组成沙粒的矿物密度，风积沙颗粒的矿物组成较为稳定，主要由石英、长石和云母等轻矿物组成，因此，各个沙漠的风积沙密度一般相差不大。

2.3 含泥量

对三个地区的风积沙的含泥量进行测试，测试结果如表3所示。

表3 不同地区风积沙的含泥量Table 3 Mud content of aeolian sand in different regions

从表3可以看出，三处风积沙的含泥量均小于3%，其中，塔克拉玛干沙漠风积沙的含泥量最高，古尔班通古特沙漠风积沙次之，腾格里沙漠的风积沙含泥量最低。

2.4 含水率和吸水率

三处风积沙的天然含水率和吸水率的测试结果如表4所示。

表4 不同地区风积沙的天然含水率和吸水率Table 4 Natural moisture content and water absorption of aeolian sand in different regions

根据表4天然含水率数据可知，三个地区沙漠的风积沙含水率很低，均在0.5%以下。通常情况下，由于沙漠地区的降雨量很少，蒸发量很大，且沙漠的地下水一般埋藏很深，因此沙层含水率一般极小，通常表层20 cm以下为含水量小于0.5%的干沙层，40 cm以下沙层保持 2%～3%的稳定含水量[14]。从吸水率的数据可以看出，风积沙本身吸水率也很低，都在1%以下，说明风积沙的滤水作用十分明显，渗透性较强，水在沙层中直接往下渗，使沙漠表面沙常处于干燥状态，因此导致风积沙天然含水率也很低。

2.5 微观形貌

三个地区风积沙微观形貌的扫描结果如图2、图3和图4所示。

图2 塔克拉玛干沙漠风积沙SEM照片Fig.2 SEM images of aeolian sand in the Taklamakan desert

图4 腾格里沙漠风积沙SEM照片Fig.4 SEM images of aeolian sand in the Tengger desert

从风积沙的SEM照片中可以看出，三个地区的风积沙表面形貌特征表现出一定的共性，在较低的放大倍数下，风积沙颗粒表面都较为光滑，近似圆形，边缘处有一定的棱角，但不明显。这与风积沙的成因有关，岩石经过长期剥蚀风化，形成风化碎屑物，这些碎屑物经过风力的长期搬运沉积，最终形成风积沙，由于经过长时间滚动磨耗，棱角逐渐被磨平，风积沙颗粒几乎呈圆形。在较大的放大倍数下，风积沙颗粒表面呈现层片状破裂，可以观察到较为明显的壳片状碎屑，这可能是因为岩石经过长期风化剥蚀作用，表面出现较多的层片状破裂，最终形成的风积沙表面也会出现较多壳片状碎屑物。

3 风积沙化学特性

3.1 化学成分

三处风积沙颗粒化学成分的测试结果如表5所示。

表5 不同地区风积沙的化合物组成Table 5 Compound composition of aeolian sand in different regions

由表5可以看出，三个地区风积沙的化合物组成类型基本相同，均具有富含硅质或硅铝质特点，即SiO2的质量含量都超过65%，或者是SiO2和Al2O3总的质量含量超过80%。三个地区的风积沙中，腾格里沙漠风积沙的SiO2质量含量最高，超过了80%，明显高于塔克拉玛干和古尔班通古特沙漠。从以上试验结果中还可以发现，风积沙中对砂浆和混凝土有害的硫酸盐和氯化物的含量几乎为0。因此，从化学组成方面分析，风积沙具备用作砂浆或混凝土掺合料的潜质。

图5 塔克拉玛干沙漠风积沙XRD谱Fig.5 XRD pattern of aeolian sand in the Taklamakan desert

3.2 矿物组成

为了分析三个地区的风积沙矿物成分，采用X射线衍射仪测定衍射强度，三处样品的X射线衍射谱如图5、图6和图7所示。

从三处沙漠风积沙样品的XRD谱中可以看出，风积沙的矿物成分主要由石英和长石组成，且石英的衍射峰强度最大，说明石英含量最高，长石类矿物次之，还有其他少量的矿物成分，包括铁云母、白云母、硅钙石、绿泥石、高岭石、堇青石、副羟砷锌石等矿物。从样品的主要衍射峰可以看出，其峰形比较尖锐，这说明样品的矿物结晶程度较高。

图6 古尔班通古特沙漠风积沙XRD谱Fig.6 XRD pattern of aeolian sand in the Gurbantunggut desert

图7 腾格里沙漠风积沙XRD谱Fig.7 XRD pattern of aeolian sand in the Tengger desert

3.3 酸碱度

三处天然风积沙酸碱度的测试结果如表6所示，从测试结果来看，三处风积沙的pH值基本都在9左右，呈碱性。

表6 不同地区风积沙酸碱度Table 6 pH of aeolian sand in different regions

3.4 碱活性

为了探究风积沙用于砂浆或混凝土集料时，水泥中的碱是否与风积沙之间产生膨胀性反应从而引起混凝土开裂，需要对风积沙的碱活性进行测定。采用砂浆长度法对三处风积沙的碱活性进行检测，检测结果如表7所示。从检测结果可知，三处风积沙试件90 d龄期的膨胀率基本都在0.02%左右，小于JTG/E 42—2005《公路工程集料试验规程》规定的评定值0.05%，因此根据砂浆长度法，判定风积沙为非活性集料。

表7 不同地区风积沙碱活性测试结果Table 7 Alkali activity test results of aeolian sand in different regions

4 火山灰活性

4.1 火山灰活性评价

为了探究天然风积沙是否可以作为水泥砂浆和混凝土用的天然火山灰质材料，采用火山灰活性指数法对三处风积沙的火山灰活性进行评价。试验结果如表8所示。

表8 不同地区风积沙火山灰活性测试结果Table 8 Pozzolanic activity test results of aeolian sand in different regions

从表8可以看出，风积沙的掺入可以增大水泥胶砂的流动度，主要是因为风积沙颗粒的粒径较细，且表面较为圆滑，能够在较粗的集料颗粒间起到滚珠作用，减小摩擦阻力，从而提高浆体的流动度。除此之外，三处风积沙的火山灰活性指数在50%～60%之间，其中腾格里沙漠风积沙的活性指数最高，其次是古尔班通古特沙漠风积沙，塔克拉玛干沙漠风积沙的活性指数最低，这可能与三处沙漠风积沙的SiO2和Al2O3含量有关[15]。根据行业标准JG/T 315—2011《水泥砂浆和混凝土用天然火山灰质材料》规定：用于水泥砂浆和混凝土的天然火山灰质材料的火山灰活性指数应不小于65%。三处天然风积沙的活性指数与规范规定的65%均还有一定差距，从风积沙的XRD谱中也可以看出，SiO2作为风积沙的主要化学成分，其衍射峰强度最高且峰形比较尖锐，说明结晶程度很高，活性较低。因此，如果要将风积沙用于水泥砂浆或混凝土的活性掺合料，需要对天然风积沙进行活化处理，进一步激发其潜在活性。

4.2 火山灰活性激发

为了进一步激发天然风积沙的火山灰活性，采用CaCl2、NaCl、Ca(OH)2、NaOH、CaSO4、Na2SO4共6种化学激发剂对其活性进行激发，6种激发剂对于胶砂试件抗折和抗压强度的影响结果如图8所示。

从图8可以看出，在掺入6种激发剂后，均对胶砂试件的强度造成了一定影响，从作用效果来看，Na2SO4和Ca (OH)2的激发效果较好，其余几种激发剂的激发效果不明显，甚至会降低强度。掺入Na2SO4后，水泥胶砂3 d、7 d、28 d的抗折强度和抗压强度均有一定增长，这主要与Na2SO4的双重激发效果有关，一方面由于Na2SO4易溶解于水, 可以和体系中的Ca(OH)2反应生成高度分散的CaSO4，这种CaSO4比外掺的石膏更容易生成AFt，另一方面Na2SO4可以和Ca(OH)2反应生成NaOH，增强了体系的碱性,使Si-O键和Al-O键更容易断裂，提高了风积沙的反应活性[16]。掺入Ca(OH)2增大了水泥胶砂28 d的抗折和抗压强度，主要是因为Ca(OH)2可以和风积沙颗粒表面的部分活性SiO2和Al2O3发生火山灰反应，生成具有较高强度和水硬性的C-S-H和C-A-H。