沙漠砂资源的利用与沙漠砂混凝土改良研究现状

寇玉冬　张利伟　向军海

［关键词］沙漠砂；沙漠砂混凝土；现状研究；数值模拟

中国沙漠（Desert in China），包括戈壁、半干旱地区沙地、主要沙漠，总面积占国土面积的13.6%，高达130.8×104 km²，而西北干旱区是中国沙漠最为集中的地区，约占全国沙漠总面积的80%，主要沙漠自西向东有塔克拉玛干沙漠、古尔班通古特沙漠、库姆塔格沙漠、柴达木沙漠、巴丹吉林沙漠、腾格里沙漠、乌兰布和沙漠及库布齐沙漠等八大沙漠，沙漠砂资源储量极大。沙漠资源丰富，但荒漠化治理问题严峻，作为一种常见的自然资源，认识并掌握沙漠砂（DS，DesertSand）的基本特征，并改良后用于工程建设，有助力荒漠化改善，提高干旱半干旱地区的经济发展水平。本文基于大量国内外最新文献，简述了代表性沙漠，如毛乌素沙漠、古尔班通古特沙漠、塔克拉玛干沙漠、腾格里沙漠等沙漠砂的基本属性、工程特质、DS主要应用领域。最后简述DS研究过程中的各种理论、技术手段。该工作为DS的改良与利用积累了有益经验，有利于推动DS的研究与资源利用。

1. 沙漠砂的基本性质

沙漠砂主要是干旱半干旱地区的各类原岩，经风力侵蚀、搬运作用形成的，储量丰富，可用于建材领域，但存在碱性大，颗粒过细（小于0.7～1.5 mm），砂粒干燥，带来诸类工程应用问题。如沙漠砂混凝土（DSC， Des?ert Sand Concrete）承载力低，结构不稳定；风化和风力搬运成因的DS成分成熟度低，各组分含量高低不一，含有害物质，不利于直接的工程建设使用。因此，需要了解DS工程改良后的工程地质性质，如添加不同材料、不同沙漠砂替代率、高温高应力环境、极端气候及地质环境等条件下的抗压强度及抗震性[1]、抗裂性能[2]、抗冻性、蠕变性、承载力、耐火性等。针对不同地区沙漠砂力学特性的差异性，本文简述了代表性沙漠，如毛乌素沙漠、古尔班通古特沙漠、塔克拉玛干沙漠、腾格里沙漠的基本性质、存在问题及发展方向（表1）。

以上DS的性质又与含水率[3]、DSC的组分、荷载加载方式、工况条件（冻融[4]、高温环境[5，6]、低温[7，8]）等有关。总体上，资源性开发利用DS的思路是，首先认识DS的基本特性，确定影响因素和作用机理，提高满足工程要求的力学性能，同时发展DS改良方法，拓展DS的应用范围。

2. 沙漠砂资源的利用现状

中国的沙漠砂资源量大，主要开发利用集中在沙漠化防治、沙漠新型农业、DSC资源利用等方面。但沙漠砂本身碱性大、颗粒细、含有毒物质，且大规模运输的成本很高。解决以上问题是资源性开发利用DS的关键，近年已取得部分进展。

2.1 沙漠砂的工程应用

沙漠砂在基建领域主要是作为沙漠砂混凝土利用，可用于装配式轻钢-沙漠砂轻骨料混凝土剪力墙中[9]，抗震性较好，常适用于在1～2层的农村建筑，也见应用于港口等大型工程[10]。Yan等[11]研究发现DSC的力学及抗震性能良好，能够满足工程建设需要[12-16]。Aarth等发现沙漠砂轻骨料混凝土具有较好的力学性能和耐久性，可作为轻质预制构件的生产材料[17-21]。牛爱宏等[22]认为沙漠砂蒸压加气混凝土墙体可作为一种新型墙体建筑材料，并开展了抗震性能研究。

DSC既利用了丰富的沙漠砂资源，又能保证工程建设的性能要求，显示出巨大的发展潜力。另有研究学者开发了用于基建的沙漠砂混凝土材料，主要有沙漠砂可发性聚苯乙烯混凝土[23]、沙漠砂—PVA纤维水泥基材料[24]、用于低级公路的天然沙漠砂（NDS）热拌沥青（HMA）[25]、用于保温承重墙体的沙漠砂轻骨料混凝土[26]、太阳能烧结沙漠砂转化的建筑材料[27]（图1）、海积砂和沙漠砂深度搅拌而成的水泥和钠基膨润土材料[28]。

2.2 沙漠砂的农业应用

发展沙漠农业，需要预防风暴、冰雹、极端温度等气候，故可采用温室种植技术[29]。而且，沙漠砂是温室的生长基质组分之一，沙丘利于机械化耕种，结合现代灌溉和施肥技术、计算机智能控制，有利于发展先进的沙漠农业种植体系[30]。

2.3 沙漠砂的其他应用

除建筑材料和农业利用外，沙漠砂还可用于人类用水净化，作为发电厂热能储存介质、工业制品的原材料等。

沙漠砂的收集低成本，易吸收太阳能，被认为是一种潜在的高温热能储存材料，用于集中式太阳能发电（CSP，Concentrated Solar Power）技术的开发，潜力巨大[31]。图2为DS颗粒热交换器的示意图，冷砂在一个呈锥形漏斗的太阳能接收器中积累、流动。当颗粒通过接收器时，被集中的太阳照射加热。加热的颗粒被回收并储存在接收器下方的一个容器中，直到最后被送入一个与电源模块相连的颗粒热交换器。之后冷颗粒由传送带返回到冷储罐，周而复始，完成热量的收集、转换和利用。

有学者关注了DS制成的钙镁铝硅酸盐（CMAS，Calcium Magnesium Alum-inosilicate）玻璃的裂纹慢速扩展和压痕损伤过程，结果表明CMAS的性能与“常规”玻璃无异，可归类于其中[32]。在阿尔及利亚，选用有效粒径0.17 mm，不均匀系数为1.76的砂土作为水处理的过滤层，该过滤方法广泛用于该地区人类用水的处理和预处理中[33]。

3. 沙漠砂改良研究

DS的研究方法主要有室内试验和数值模拟，前者可根据实际工况设计试验，直接确定沙漠砂替代率、粉煤灰掺量、受压力学特性和承载力等；后者则操作简单，算力强大，可分析沙漠砂试样的厚度、抗压强度、尺寸、组分和级配等因素的影响。改良研究方法对比见表2：

3.1 试验方法

李帅雄等[34]采用正交试验方法，考虑了水胶比、粉煤灰掺量、沙漠砂替代率对DSC性能的影响，确定了各组分的最优掺量比例，且发现掺入细颗粒的DS可提高混凝土的抗压强度。Singlin Zhang et al.[26]增加了含砂量这一影響因素，结果发现，DS替代率和水胶比对DS坍落度、抗压强度的影响最大。另有研究表明，冻融循环试验条件，保持一定水胶比，20%沙漠砂替代率和10% 粉煤灰掺量[35]时，DSC 的力学性能最优。卢仲元等[36]采用四周约束平板法研究了DSC的开裂性质，最优替代率为42%。李志强等[37]研究了沙漠砂混凝土梁的抗弯性能，提出考虑沙漠砂替代率相关的修正系数的沙漠砂混凝土梁跨中挠度的建议公式。后续，李志强对沙漠砂混凝土梁进行抗剪试验，分析了剪跨比、沙漠砂替代率、配箍率和配筋率对DSC抗剪能力的影响。基于试验，修正了沙漠砂混凝土梁结构的承载力计算公式。X. F. Li et al.[38，39]开展了腾格里DS的动静态真三轴试验，发现腾格里DS的强度特征与中主应力密切有关：当最小主应力和相对密度一定时，中主应力逐渐增大，砂土的强度增加；接近最大主应力时，强度下降。考虑中主应力的影响，腾格里DS在低围压条件下，表现为剪胀破坏。何静等[40]发现掺入风积砂可促进砂浆内部结晶的生成，改善水泥砂浆的内部结构，提高强度。

在国外，Talal S. Amhadi et al.[41] 對天然沙漠砂（NDS，Natural Desert Sand）进行单轴压缩试验，分析级配、加州承载比（CBR）、渗透性、压实作用等对改善NDS 混合材料力学性能的影响，探讨了考虑水泥比例、公路养护时间、干密度和含水量的改良NDS用作公路建设用料的可能性。

以上，可以看到，试验方法可直观地得到考虑级配、组分、荷载及作用形式、不同温度条件下的DSC力学性质，操作性强，方法成熟，试验结果可靠。但是，试验手段耗时长，成本较高，不具普遍性。基于大量试验数据，可结合数值模拟方法开展DSC的相关研究。

3.2 数值模拟方法

在高温条件下，对沙漠砂泥浆柱（DSM，DesertSand Mortar）进行单轴压缩实验，获得DSM升温过程中的力学性质。基于试验结果，开展了DSC界面相压缩破坏过程的数值模拟，研究发现：DSC抗压强度与界面相的抗压强度线性相关：DSC抗压强度随粗骨料的增多，先增加后降低，体积含量45%时最优，且温度升高，影响明显减弱；DSC抗压强度随最小粒径的增加而降低，粒径20 mm时，抗压强度最佳[42]。

以上为常规的有限元模拟软件，原理成熟，适合快速获得多种工况下的模拟结果。但随着计算机技术的发展，离散元数值模拟方法开始应用到工业[43]、农业[44]、能源、地质[45]等诸多领域。基于此开发的高性能离散元数值模拟软件MatDEM（Matrix computing ofDiscrete Element Method）[46]，采用了创新的离散元矩阵计算[47]和三维接触算法，已实现百万级颗粒系统的数值模拟。基于此，本文提出一种可能用于DSC力学特性研究的离散元数值分析方法。

MatDEM构建的离散元模型由一系列符合牛顿定律、具有特定力学性质的颗粒堆积和胶结组成，如图3（a），假定颗粒之间通过弹簧来相互接触和产生力的作用[43]，如图3（b）、（c），考虑了颗粒的固有属性和离散性，非常适合颗粒系统的数值模拟研究。如在DSC抗压、抗剪性的研究中，可利用MatDEM已有的滚刀破岩代码，即案例user_BoxTBMCutter1，生成不同材料的组合体[48]；随后在建立的不同组分混合后的模型中，即案例user_BoxShear0-3，实现直剪和环剪[49]、真三轴试验[50]（案例user_Box3DJointStress1-3），进一步分析并确定DS材料的力学特性和变化规律。

3.3 统计预测方法

除试验和数值模拟外，近几年出现了基于数据统计和人工智能的DSC力学性质的预测方法。王文明等[51]通过比较三种紧密堆积理论下的最优沙漠砂替代率，结果发现，变i法、Fuller、Alfred堆积理论下的最优DS 替代率均是30%。贺业邦等[52]根据Dinger 和Funk紧密堆积理论，调整了Dinger-Funk方程的分布模数，最终得到了DSC各组分的最优配比，实现了DS应用在DSC中的最优价值。张明虎等[53]开展不同DS替代率下DSC动态压缩试验，分析了沙漠砂替代率和应变率对DSC强度的影响，并基于ZWT模型（非线性热黏弹性本构模型），建立了DSC动态本构模型，可预测DSC的动态力学行为。另有学者引入人工神经网络（ANN）和粒子群优化（PSO）方法，快速预测了DSC抗压强度，已应用于隧道建设[54]。

4 . 讨论与结论

现对沙漠砂的应用主要集中于工程应用，虽然张辉等学者（2002年）研究指出沙漠砂的热导率与含水率有关，为利用沙漠砂制备蓄热、传热材料打下了基础。但沙漠砂用于地热、高温热能等储能材料、人文价值、干旱半干旱地区新型农业等领域的应用研究尚需深入。另外，沙漠砂的研究与利用仍面临以下难点：人文旅游、经济政策、农业开发等多领域融合研究滞后；沙漠砂的强度变化机制和影响因素需要进一步确定，有助于确定统一的生产沙漠砂混凝土的模型；深入开展产学研相结合，提高DSC的实际应用规模和范围；数值模拟的相关研究不够丰富和深入，无法快速建立合理、一致的模型。以上均需要持续加大对DSC的关注和研究。

沙漠砂资源量丰富，应用潜力巨大，试验、数值模拟、统计学和人工智能是研究DSC特性的主要方法。在认识DSC基本力学性质的基础上，研究学者提出将其应用在农业、隧道、公路、民房、水库等基础设施的建设上。基于前人研究进展，提出将离散元数值模拟方法应用在DSC研究中的可能性，离散元模型中可考虑DS不同组分本身的属性，更真实更快地模拟出不同条件下的DSC抗压、抗剪等特性。可为DSC的数值模拟研究提供了新方法，积累了一定的经验。