风积沙代替河沙可行性探索

王 杰，伍宸睿，李子龙，王 颖

（蚌埠学院土木与水利工程学院，安徽 蚌埠 233030）

0 引言

河沙指旧河道里的冲积土，其形成要素包括：沙土、河流、流水冲洗、时间等。自然形成的河沙其来源多为表土，表层土风化后产生了土侵蚀，造成水土和植物矿质营养元素流失，破坏生态环境[1]。开采河沙制造成河床面起伏不平，原为中粗砂的河床质出现砾石化，河床糙度增加，严重影响排洪和水流的稳定性。在受侵蚀的河岸特别是在河曲的凹岸采沙，易于诱发河流深泓线向侵蚀岸侧摆动，造成河堤或河岸快速坍塌，威胁河岸公路和建筑物等[2]。河沙的无节制开采导致河沙资源越来越少，对水生生物和生态环境的破坏和河岸退化，对生态系统造成不利影响。因此，近年来政府加大了对于开采河沙的限制。

河沙的质量不稳定，颗粒大小和形状不均匀，容易导致建筑材料的质量不稳定，对建筑物的结构强度和稳定性都会产生较大的影响。其中部分河沙中可能含有有机物质、泥土和其他杂质，这些杂质会影响混凝土的强度和密实性，降低建筑物的质量。需要经过烘干筛分后才能投入建筑工程中。新鲜的河沙含水量较高，容易导致混凝土的收缩、开裂和变形，影响建筑物的使用寿命。河沙中可能存在一些有害物质，如盐类、硫酸盐和有机化合物等，会对建筑材料产生腐蚀作用，降低建筑物的耐久性。

风积沙具有非常明显的非塑性、剪切强度低、渗透性强、沙粒粒径细、含水量较低、沙粒蓄水性差、毛细作用差等特点，在有外力作用的条件下极易松散。同时，沙漠地区往往气候干燥，降水量较少且蒸发量很大，导致风积沙含水量降小，加之施工运输过程中的条件影响，使得原本较低的风积沙中的水分散失，所以，在填筑路基时风积沙往往处于干燥状态。沙漠及沙化地带多位于边远地带，矿产资源丰富，随着现代化建设的需要，工程建设将会比其他地区更为迫切[3]，为利用风积沙的应用提供了基础。

1 风积沙特性

1.1 风积沙的形成

风积沙地质是自然界的沙石在风的搬运作用下，在一定地区内下沉，堆积而成的堆积型地质。从地质或地理角度来看，风积沙的形成需要有两个基础条件：一是较为特殊的气候条件；二是较为特殊的地质、地貌条件[4]。风积沙形成的砂砾在长时间内都会受到风力的影响，导致它们的颗粒表面变得平滑，砂砾之间的摩擦力减小，整体的抗剪强度也相对较低，这使得风积沙更容易滑动和滚动，具有更好的流动性，但其密实性和稳定性则相对较差。在天然条件下，风积沙层是一种疏松多孔的物质。当风积沙没有连续的级配堆积时，颗粒间不能相互填充，从而形成紧凑、低空隙率的实体，因此自然的风积沙地层是相对松散的堆积体。

1.2 风积沙的技术特性

自然状态下风积沙的含水量较低，最低不超过1%，而最大通常也不会超过5%。自然状态下干燥时，风积沙的密度通常约为1.44g/cm3，而湿润时的密度大概是1.48g/cm3。在压实情况下，风积沙密度增长很快，最大干密度在压实后可以达到1.74~2.00g/cm3，其密度是在自然状态下的1.2~1.4 倍。风积沙的颗粒结构非常细致，且颗粒分布均匀单一，但粉粘粒的含量相对较少，小于0.075mm 以下的颗粒含量小于5%，粘聚力和松散性都相对较低。此外，它的保水性和水稳性都相对较差，易溶盐的含量也很低，呈现微碱性。风积沙本身并不具有腐蚀性，其压缩变形也很小。在压缩完成的时间段内，压缩量与荷载之间存在指数关系，所以在保水状态下，风积沙更容易被压实。

1.3 风积沙施工前的准备

1.3.1 风积沙最大干密度的确定方法

为确保风积沙填筑路基的工程质量，必须合理确定风积沙的最大干密度。依据干密度对风积沙进行较为细致的分类，其分类情况如下[5]。

Ⅰ类指土壤中d<0.075 的成分质量低于总质量的5%，包括无塑性（Ⅰ-1 类）和有塑性（Ⅰ-2 类）两种类型[6]。在工程应用上，可通过提高土料中粉质砂含量和降低粉质黏土含量来改善其流动性、强度等性质。

Ⅱ类指的是含有细粒的土沙，土壤中<0.075 的成分质量占总质量的5%~15%，这种土沙的显著特性是具有较高的塑性指数。在此基础上，通过对该类型土壤物理特性指标及力学性质指标的测试与分析研究，得出了此类土壤物理性质参数和力学性质指标的分布规律。

Ⅲ类指的是含有细粒的土沙，土壤中<0.075 的成分质量占到了总质量的15%~50%，其显著特性是具有较高的塑性指数。

风积沙最大干密度的确定方法包括标准击实法、表面振动压实法（干法、湿法）和振动台法（干法、湿法）等试验方法，在工程应用时必须按照不同类型对风积沙进行特殊处理，推荐方法如表1 所示。

表1 干密度确定推荐方法

在室内环境中，利用表面振动压实仪法和击实试验法，在不同含水量的条件下收集了风积沙的试验数据。而在室外，修建了试验路，并使用了多种机械设备来进行风积沙路基的压实实验，以此来验证室内的试验数据[7]。

1.3.2 风积沙的密实原理与方法

由于风积沙具有独特的物理属性和自身属性，这导致了风积沙颗粒之间的结合力不佳、流动性差、抗干扰能力差，以及难以压实等问题。然而，在特定的水分含量和振动影响后，当风积沙在特定的压力下受到水分的湿润，会变得更加紧密，从而确保其结构的稳定性。风积沙在压实情况下其密度增长很快，特别是在压实后的干密度会迅速提高，为自然状态的1~2 倍[8]，在实际应用中压缩时的变形很小，并且压缩的程度与荷载之间存在指数关联。较早时候，人们就已经意识到风积沙所具有的这一独特性质在受风积沙影响的地区，当进行房屋或其他建筑的地基处理时，通常会选择使用风积沙作为基底的替代材料。常用的方法称为“摇砂法”[9]该施工技术包括在预先挖掘好的基坑或基槽中加入风积沙，然后按照预定的厚度将其平铺，接着大量地洒水直至表面出现积水。随后，用木棒或铁棍以一定的距离插入已经饱和的风积沙中，并进行来回摇晃或扳动，直到风积沙的顶部不再下沉，并且表面不再出现气泡为止。

2 风积沙在工程的应用

风积沙是由砂性土组成的，它包含了一定数量的粗颗粒，这使得这种材料具备了良好的强度和稳定性。同时，它还含有一定数量的细颗粒，这使得它具有一定的黏结性，不会变得过于松散。当遇到水时，它会迅速干燥，不会膨胀，湿润时也不会粘，容易压实，因此它是工程建筑的优质材料。然而，风积沙是一种分布均匀的松散物质，如果施工质量管理不当，将会对材料性能产生严重不良影响。

2.1 风积沙混凝土材料

随着我国基础建设的大幅度提升，混凝土是目前应用最广泛的建筑材料，为了保护环境保护河道减少破坏，风积沙代替河沙便成为热点问题。风积沙的物理特性和化学特性、风积沙的力学性质、风积沙的掺入对混凝土力学及工作性能的影响、风积沙混凝土的收缩性能、及耐久性能和风积沙混凝土微观试验对风积沙代替混凝土都是至关重要的因素。针对目前风积沙特性、风积沙混凝土的性能进行了相关研究[10]，研究表明，风积沙取代率不宜超过30%，风积沙自密实混凝土风积沙取代率不宜超过20%，在配制风积沙高性能混凝土时，应优先考虑级配优化，增加粗颗粒，减少细颗粒密度。

2.2 风积沙砂浆材料

通过替换一般建筑砂浆中部分或全部和河沙来制得风积沙建筑砂浆。研究表明，在砂浆中添加适量的风积沙可以一定程度上优化砂浆的性能。用风积沙替代部分天然河砂，所得到的砂浆性能提升的程度不仅与风积沙的级配、替换比例等参数有关，同时也受到天然河砂性能参数的影响。风积沙的组成和颗粒特性也会对砂浆的性能产生影响，风积沙在砂浆中的作用机制主要可以归纳为填充效应、形态效应、活性效应等3 点[11]。

2.3 风积沙路基填筑材料

在干旱地区以及缺乏路基填料的地区，采用风积沙作为路基填筑材料，既可以解决路基填筑材料的缺乏、治理沙害，又能加快施工进度、缩短工期。但不同于河沙和一般路基填筑材料，风积沙沙粒粒径细、含水量较低、沙粒蓄水性差、毛细作用差，且具有明显的非塑性、剪切强度低、渗透性强等特点。以风积沙作为路基填筑材料，必须考虑风积沙的特性，掌握风积沙路基填筑施工的关键要素，严格按照风积沙路基填筑施工工艺，采取有效地环境保护措施，避免施工过程中可能出现的施工问题，减少对环境的影响。

2.3.1 风积沙路基填筑施工关键要素

风积沙颗粒细腻并均匀，试验结果表明，风积沙颗粒级配曲线较为陡峭，说明风积沙颗粒级配差异不大，分散程度相对较小，风积沙的特点是相对稳定，在正常条件下不易变形，在荷载的反复作用下，其回弹模量可达100MPa。风沙的黏聚力很小，在干燥环境下接近于零。如果含水量高，就会表现出假黏聚的特点。因此，需要采取科学的施工方法，加强施工过程中的质量控制是风积沙施工的关键要素。设计试验方案：虚铺厚度35cm，压实后30cm，压实系数为1.15；砂土掺配方案①：1:1.5，方案②：1:2。

通过多次试验总结得出[12]，方案①：静压7 遍后可压缩性和压实度均可以达到设计和验标要求，可作为指导路基本体土方填筑施工依据。方案②：静压2 遍后，弱振3 遍再静压2 遍，可压缩性大小和压实度均可以达到设计要求，可作为指导风积沙路基土方基床底层填筑施工依据。

2.3.2 风积沙路基填筑施工工艺

风积沙中的水分较少，土质较为松散，粘聚力差，剪切强度低，给路基填筑施工带来很大挑战。在路基填筑施工过程中，应该严格遵循施工流程，如图1 所示，通过严格把控各个施工环节质量，采取精准的碾压施工方式，从而提升路基压实度和稳定性，保证工程的稳固性与可靠性[13]。

图1 路基填筑施工流程

3 结语

随着工程建设数量的增加，近年来对河沙的需求越来越大，而过量开采河沙将产生诸多环境生态问题。风积沙作为一种替代河沙的材料，已被逐渐应用于混凝土材料、砂浆材料、路基填筑材料等。风积沙不同于一般建筑材料，在应用风积沙过程中，应综合考虑风积沙的特性、力学性能和耐久性等，在施工过程中，要严格遵循施工流程，控制施工质量。总体而言，风积沙的广泛应用能有效防治环境污染，促进建筑材料的可持续利用。