天然風(fēng)積沙基本特性及火山灰活性研究

鄭木蓮，荊海洋，陳 旺，朱琳琳，張 姝，高 源

(長安大學(xué),特殊地區(qū)公路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710064)

0 引 言

我國的風(fēng)積沙面積覆蓋范圍巨大，土地沙漠化問題嚴(yán)重。截至2014年，全國沙化土地總面積172.12 萬平方千米，占國土總面積的17.93%[1]。這些沙漠主要分布在新疆、寧夏、甘肅、陜西、青海、山西、河北、內(nèi)蒙古、遼寧、吉林、黑龍江等12個省份[2]。全國的土地沙化面積新疆約占60%、內(nèi)蒙古約占30%、青海占5.3%、甘肅約占2.7%、陜西約占1.5%、寧夏占0.6%， 從數(shù)據(jù)上明顯可以看出沙漠主要集中在我國西北地區(qū)。這些地區(qū)建筑材料資源普遍相對匱乏，但風(fēng)積沙分布廣泛，采用風(fēng)積沙作為工程材料，既可以降低工程成本，又可以有效遏制沙漠化，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，具有重大的經(jīng)濟(jì)和社會效益。

國外對于風(fēng)積沙的工程應(yīng)用研究起步較早，尤其是作為筑路材料。Khan[3]對撒哈拉沙漠采集到的風(fēng)積沙樣品進(jìn)行了化學(xué)分析，論述了風(fēng)積沙用于公路工程建設(shè)的可行性。Al-Sanad和Al-Alansary[4-5]等對風(fēng)積沙的工程特性進(jìn)行測試分析，研究了風(fēng)積沙的工程應(yīng)用情況。美國《AASHTO規(guī)范》中的土壤分類也曾規(guī)定：顆粒粒徑小于0.074 mm且質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于35%的沙漠沙屬于性能優(yōu)良的筑路材料。國內(nèi)關(guān)于風(fēng)積沙的研究雖然起步較晚，但較為深入，長安大學(xué)、西安公路研究院、新疆交通科學(xué)研究所等單位對于風(fēng)積沙的工程特性也紛紛展開研究，并成功應(yīng)用風(fēng)積沙材料填筑路基[6-8]。一些專家學(xué)者利用風(fēng)積沙來配置砂漿或混凝土。張國學(xué)等[9]用騰格里沙漠風(fēng)積沙配置砂漿和混凝土，研究表明，騰格里沙漠風(fēng)積沙可以作為工程用砂, 配置一般土木工程的抹面砂漿和混凝土。董偉等[10-11]用風(fēng)積沙部分替代河砂配置砂漿和輕骨料混凝土，研究表明，風(fēng)積沙質(zhì)量替代率為20%～30%為宜。目前關(guān)于風(fēng)積沙特性的研究，大多學(xué)者都是在某一特定的工程背景下，針對與該工程相關(guān)的風(fēng)積沙特性進(jìn)行了研究，對于風(fēng)積沙的基本特性及火山灰活性缺少系統(tǒng)的研究和分析。因此，本文選取了塔克拉瑪干沙漠、古爾班通古特沙漠和騰格里沙漠三個地區(qū)的風(fēng)積沙，通過對比分析，系統(tǒng)研究了風(fēng)積沙的基本理化特性以及火山灰活性，旨在進(jìn)一步推動風(fēng)積沙的研究和應(yīng)用。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原材料

風(fēng)積沙：所用的風(fēng)積沙分別取自新疆塔克拉瑪干沙漠、古爾班通古特沙漠和內(nèi)蒙古騰格里沙漠天然形成的沙丘，其中塔克拉瑪干沙漠和內(nèi)蒙古騰格里沙漠風(fēng)積沙樣品取自流動沙丘，古爾班通古特沙漠取自半固定沙丘。每個沙漠地區(qū)的風(fēng)積沙樣品隨機(jī)從3個取樣點(diǎn)進(jìn)行取樣，取樣點(diǎn)之間相距至少1 km，在每個取樣點(diǎn)取樣時，從地表至0.5 m深處取大量風(fēng)積沙樣品，裝入容器，運(yùn)送至實(shí)驗(yàn)室。隨后將同一個沙漠地區(qū)3個取樣點(diǎn)的沙樣分別取部分混合形成一個代表性樣品，得到三個地區(qū)的代表性樣品。

標(biāo)準(zhǔn)砂：廈門艾思?xì)W標(biāo)準(zhǔn)砂有限公司生產(chǎn)的ISO標(biāo)準(zhǔn)砂。

水泥：冀東P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，細(xì)度0.3%，比表面積364 m2/kg，燒失量3.89%，初凝時間202 min，終凝時間259 min，安定性檢測合格。

水：普通自來水。

1.2 測試方法

天然風(fēng)積沙的顆粒組成、表觀密度、堆積密度、空隙率、含泥量、含水率和吸水率等指標(biāo)的測試參考JTG/E 42—2005《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》。

微觀形貌測試：從3個代表性沙樣中分別選取少量沙樣，采用蔡司Sigma HD型掃描電子顯微鏡對風(fēng)積沙分別進(jìn)行了300倍、2 000倍、10 000倍、以及50 000倍放大的掃描拍照。

化學(xué)成分測試：從3個代表性沙樣中分別選取少量沙樣，使用 ARLAdvant’X Intellipower 3600型掃描X射線熒光光譜儀，進(jìn)行從氧(O)到鈾(U)之間共計(jì)83種元素的定性和定量分析。

礦物成分測試：從3個代表性沙樣中分別選取少量沙樣，采用日本理學(xué)Rigaku Ultimate IV型X射線衍射儀測定其衍射強(qiáng)度，使用Cu靶，工作電壓40 kV，電流40 mA，連續(xù)掃描方式采樣，掃描速度為5(°)/min，步長為0.02°，2θ范圍為5°～ 85°。

酸堿度測試：分別取三處沙樣10 g，放入燒杯中，加水50 mL，振蕩3 min，然后靜置30 min，以制備懸濁液。隨后，將25～30 mL的懸濁液盛于50 mL燒杯中，攪拌2 min，用滴管取少量液滴在pH試紙上，對照比色卡測定出pH值。

堿活性測試：采用JTG/E 42—2005《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》中的砂漿長度法[12]對三處天然風(fēng)積沙的堿活性進(jìn)行評定。

火山灰活性評價：采用JG/T 315—2011《水泥砂漿和混凝土用天然火山灰質(zhì)材料》中的活性指數(shù)法[13]對天然風(fēng)積沙火山灰活性進(jìn)行評價。將三處風(fēng)積沙替代水泥質(zhì)量的30%來制作試驗(yàn)?zāi)z砂試件(編號分別為1、2、3)，同時制備不含風(fēng)積沙的對比膠砂試件(編號為0)，測定試驗(yàn)?zāi)z砂和對比膠砂的流動度和28 d抗壓強(qiáng)度，并計(jì)算二者的流動度比和抗壓強(qiáng)度比，以二者抗壓強(qiáng)度的比值作為活性指數(shù)，活性指數(shù)越大，說明活性越強(qiáng)。

火山灰活性激發(fā)：采用CaCl2、NaCl、Ca(OH)2、NaOH、CaSO4、Na2SO4共6種化學(xué)激發(fā)劑對天然風(fēng)積沙的活性進(jìn)行激發(fā)，將古爾班通古特沙漠的風(fēng)積沙和普通硅酸鹽水泥按照質(zhì)量比為3 ∶1的比例摻配，水灰比為0.85，激發(fā)劑的摻量均為風(fēng)積沙質(zhì)量的2%。按照GB/T 17671—1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法(ISO法)》成型尺寸為40 mm×40 mm×160 mm的水泥膠砂試件，將成型好的試件放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)24 h后脫模，放入(20±1) ℃的水中繼續(xù)養(yǎng)護(hù)至3 d、7 d和28 d齡期后取出，測試抗折和抗壓強(qiáng)度。

2 風(fēng)積沙物理特性

2.1 顆粒組成

三個地區(qū)的風(fēng)積沙篩分試驗(yàn)結(jié)果如表1所示，粒徑分布曲線如圖1所示。

表1 不同地區(qū)風(fēng)積沙顆粒組成Table 1 Composition of aeolian sand particles in different regions

圖1 不同地區(qū)風(fēng)積沙粒徑分布曲線Fig.1 Distribution curves of aeolian sand particle size in different regions

通過篩分試驗(yàn)對三處風(fēng)積沙的顆粒組成進(jìn)行分析，南疆塔克拉瑪干沙漠沙粒徑在0.075～0.3 mm占94.37%，北疆古爾班通古特沙漠沙粒徑在0.075～0.3 mm占99.65%，內(nèi)蒙古騰格里沙漠沙粒徑在0.075～0.3 mm占70.77%?？梢钥闯鋈齻€地區(qū)的風(fēng)積沙粒徑主要集中在0.075～0.3 mm之間，粒徑較細(xì)且分布較為集中。對三個地區(qū)的風(fēng)積沙的不均勻系數(shù)Cu和曲率系數(shù)Cc進(jìn)行分析，得到Cu2

2.2 表觀密度、堆積密度和空隙率

對三處風(fēng)積沙的表觀密度、堆積密度和空隙率進(jìn)行測試，測試結(jié)果如表2所示。

表2 不同地區(qū)風(fēng)積沙的表觀密度Table 2 Apparent density of aeolian sand in different regions

根據(jù)表2試驗(yàn)結(jié)果可知，三處風(fēng)積沙的表觀密度在2.6～2.7 g/cm3之間，堆積密度在1.5～1.6 g/cm3之間，空隙率均小于44%。通常情況下，風(fēng)積沙的密度取決于組成沙粒的礦物密度，風(fēng)積沙顆粒的礦物組成較為穩(wěn)定，主要由石英、長石和云母等輕礦物組成，因此，各個沙漠的風(fēng)積沙密度一般相差不大。

2.3 含泥量

對三個地區(qū)的風(fēng)積沙的含泥量進(jìn)行測試，測試結(jié)果如表3所示。

表3 不同地區(qū)風(fēng)積沙的含泥量Table 3 Mud content of aeolian sand in different regions

從表3可以看出，三處風(fēng)積沙的含泥量均小于3%，其中，塔克拉瑪干沙漠風(fēng)積沙的含泥量最高，古爾班通古特沙漠風(fēng)積沙次之，騰格里沙漠的風(fēng)積沙含泥量最低。

2.4 含水率和吸水率

三處風(fēng)積沙的天然含水率和吸水率的測試結(jié)果如表4所示。

表4 不同地區(qū)風(fēng)積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

根據(jù)表4天然含水率數(shù)據(jù)可知，三個地區(qū)沙漠的風(fēng)積沙含水率很低，均在0.5%以下。通常情況下，由于沙漠地區(qū)的降雨量很少，蒸發(fā)量很大，且沙漠的地下水一般埋藏很深，因此沙層含水率一般極小，通常表層20 cm以下為含水量小于0.5%的干沙層，40 cm以下沙層保持 2%～3%的穩(wěn)定含水量[14]。從吸水率的數(shù)據(jù)可以看出，風(fēng)積沙本身吸水率也很低，都在1%以下，說明風(fēng)積沙的濾水作用十分明顯，滲透性較強(qiáng)，水在沙層中直接往下滲，使沙漠表面沙常處于干燥狀態(tài)，因此導(dǎo)致風(fēng)積沙天然含水率也很低。

2.5 微觀形貌

三個地區(qū)風(fēng)積沙微觀形貌的掃描結(jié)果如圖2、圖3和圖4所示。

圖2 塔克拉瑪干沙漠風(fēng)積沙SEM照片F(xiàn)ig.2 SEM images of aeolian sand in the Taklamakan desert

圖4 騰格里沙漠風(fēng)積沙SEM照片F(xiàn)ig.4 SEM images of aeolian sand in the Tengger desert

從風(fēng)積沙的SEM照片中可以看出，三個地區(qū)的風(fēng)積沙表面形貌特征表現(xiàn)出一定的共性，在較低的放大倍數(shù)下，風(fēng)積沙顆粒表面都較為光滑，近似圓形，邊緣處有一定的棱角，但不明顯。這與風(fēng)積沙的成因有關(guān)，巖石經(jīng)過長期剝蝕風(fēng)化，形成風(fēng)化碎屑物，這些碎屑物經(jīng)過風(fēng)力的長期搬運(yùn)沉積，最終形成風(fēng)積沙，由于經(jīng)過長時間滾動磨耗，棱角逐漸被磨平，風(fēng)積沙顆粒幾乎呈圓形。在較大的放大倍數(shù)下，風(fēng)積沙顆粒表面呈現(xiàn)層片狀破裂，可以觀察到較為明顯的殼片狀碎屑，這可能是因?yàn)閹r石經(jīng)過長期風(fēng)化剝蝕作用，表面出現(xiàn)較多的層片狀破裂，最終形成的風(fēng)積沙表面也會出現(xiàn)較多殼片狀碎屑物。

3 風(fēng)積沙化學(xué)特性

3.1 化學(xué)成分

三處風(fēng)積沙顆粒化學(xué)成分的測試結(jié)果如表5所示。

表5 不同地區(qū)風(fēng)積沙的化合物組成Table 5 Compound composition of aeolian sand in different regions

由表5可以看出，三個地區(qū)風(fēng)積沙的化合物組成類型基本相同，均具有富含硅質(zhì)或硅鋁質(zhì)特點(diǎn)，即SiO2的質(zhì)量含量都超過65%，或者是SiO2和Al2O3總的質(zhì)量含量超過80%。三個地區(qū)的風(fēng)積沙中，騰格里沙漠風(fēng)積沙的SiO2質(zhì)量含量最高，超過了80%，明顯高于塔克拉瑪干和古爾班通古特沙漠。從以上試驗(yàn)結(jié)果中還可以發(fā)現(xiàn)，風(fēng)積沙中對砂漿和混凝土有害的硫酸鹽和氯化物的含量幾乎為0。因此，從化學(xué)組成方面分析，風(fēng)積沙具備用作砂漿或混凝土摻合料的潛質(zhì)。

圖5 塔克拉瑪干沙漠風(fēng)積沙XRD譜Fig.5 XRD pattern of aeolian sand in the Taklamakan desert

3.2 礦物組成

為了分析三個地區(qū)的風(fēng)積沙礦物成分，采用X射線衍射儀測定衍射強(qiáng)度，三處樣品的X射線衍射譜如圖5、圖6和圖7所示。

從三處沙漠風(fēng)積沙樣品的XRD譜中可以看出，風(fēng)積沙的礦物成分主要由石英和長石組成，且石英的衍射峰強(qiáng)度最大，說明石英含量最高，長石類礦物次之，還有其他少量的礦物成分，包括鐵云母、白云母、硅鈣石、綠泥石、高嶺石、堇青石、副羥砷鋅石等礦物。從樣品的主要衍射峰可以看出，其峰形比較尖銳，這說明樣品的礦物結(jié)晶程度較高。

圖6 古爾班通古特沙漠風(fēng)積沙XRD譜Fig.6 XRD pattern of aeolian sand in the Gurbantunggut desert

圖7 騰格里沙漠風(fēng)積沙XRD譜Fig.7 XRD pattern of aeolian sand in the Tengger desert

3.3 酸堿度

三處天然風(fēng)積沙酸堿度的測試結(jié)果如表6所示，從測試結(jié)果來看，三處風(fēng)積沙的pH值基本都在9左右，呈堿性。

表6 不同地區(qū)風(fēng)積沙酸堿度Table 6 pH of aeolian sand in different regions

3.4 堿活性

為了探究風(fēng)積沙用于砂漿或混凝土集料時，水泥中的堿是否與風(fēng)積沙之間產(chǎn)生膨脹性反應(yīng)從而引起混凝土開裂，需要對風(fēng)積沙的堿活性進(jìn)行測定。采用砂漿長度法對三處風(fēng)積沙的堿活性進(jìn)行檢測，檢測結(jié)果如表7所示。從檢測結(jié)果可知，三處風(fēng)積沙試件90 d齡期的膨脹率基本都在0.02%左右，小于JTG/E 42—2005《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》規(guī)定的評定值0.05%，因此根據(jù)砂漿長度法，判定風(fēng)積沙為非活性集料。

表7 不同地區(qū)風(fēng)積沙堿活性測試結(jié)果Table 7 Alkali activity test results of aeolian sand in different regions

4 火山灰活性

4.1 火山灰活性評價

為了探究天然風(fēng)積沙是否可以作為水泥砂漿和混凝土用的天然火山灰質(zhì)材料，采用火山灰活性指數(shù)法對三處風(fēng)積沙的火山灰活性進(jìn)行評價。試驗(yàn)結(jié)果如表8所示。

表8 不同地區(qū)風(fēng)積沙火山灰活性測試結(jié)果Table 8 Pozzolanic activity test results of aeolian sand in different regions

從表8可以看出，風(fēng)積沙的摻入可以增大水泥膠砂的流動度，主要是因?yàn)轱L(fēng)積沙顆粒的粒徑較細(xì)，且表面較為圓滑，能夠在較粗的集料顆粒間起到滾珠作用，減小摩擦阻力，從而提高漿體的流動度。除此之外，三處風(fēng)積沙的火山灰活性指數(shù)在50%～60%之間，其中騰格里沙漠風(fēng)積沙的活性指數(shù)最高，其次是古爾班通古特沙漠風(fēng)積沙，塔克拉瑪干沙漠風(fēng)積沙的活性指數(shù)最低，這可能與三處沙漠風(fēng)積沙的SiO2和Al2O3含量有關(guān)[15]。根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JG/T 315—2011《水泥砂漿和混凝土用天然火山灰質(zhì)材料》規(guī)定：用于水泥砂漿和混凝土的天然火山灰質(zhì)材料的火山灰活性指數(shù)應(yīng)不小于65%。三處天然風(fēng)積沙的活性指數(shù)與規(guī)范規(guī)定的65%均還有一定差距，從風(fēng)積沙的XRD譜中也可以看出，SiO2作為風(fēng)積沙的主要化學(xué)成分，其衍射峰強(qiáng)度最高且峰形比較尖銳，說明結(jié)晶程度很高，活性較低。因此，如果要將風(fēng)積沙用于水泥砂漿或混凝土的活性摻合料，需要對天然風(fēng)積沙進(jìn)行活化處理，進(jìn)一步激發(fā)其潛在活性。

4.2 火山灰活性激發(fā)

為了進(jìn)一步激發(fā)天然風(fēng)積沙的火山灰活性，采用CaCl2、NaCl、Ca(OH)2、NaOH、CaSO4、Na2SO4共6種化學(xué)激發(fā)劑對其活性進(jìn)行激發(fā)，6種激發(fā)劑對于膠砂試件抗折和抗壓強(qiáng)度的影響結(jié)果如圖8所示。

從圖8可以看出，在摻入6種激發(fā)劑后，均對膠砂試件的強(qiáng)度造成了一定影響，從作用效果來看，Na2SO4和Ca (OH)2的激發(fā)效果較好，其余幾種激發(fā)劑的激發(fā)效果不明顯，甚至?xí)档蛷?qiáng)度。摻入Na2SO4后，水泥膠砂3 d、7 d、28 d的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度均有一定增長，這主要與Na2SO4的雙重激發(fā)效果有關(guān)，一方面由于Na2SO4易溶解于水, 可以和體系中的Ca(OH)2反應(yīng)生成高度分散的CaSO4， 這種CaSO4比外摻的石膏更容易生成AFt， 另一方面Na2SO4可以和Ca(OH)2反應(yīng)生成NaOH，增強(qiáng)了體系的堿性,使Si-O鍵和Al-O鍵更容易斷裂，提高了風(fēng)積沙的反應(yīng)活性[16]。摻入Ca(OH)2增大了水泥膠砂28 d的抗折和抗壓強(qiáng)度，主要是因?yàn)镃a(OH)2可以和風(fēng)積沙顆粒表面的部分活性SiO2和Al2O3發(fā)生火山灰反應(yīng)，生成具有較高強(qiáng)度和水硬性的C-S-H和C-A-H。

圖8 水泥膠砂的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度測試結(jié)果Fig.8 Compressive strength and flexural strength test results of cement mortar

5 結(jié) 論

(1)三個地區(qū)的風(fēng)積沙顆粒大小比較均勻，粒徑主要集中在0.075～0.3 mm之間，根據(jù)細(xì)度模數(shù)來劃分，屬于特細(xì)砂，且塔克拉瑪干沙漠風(fēng)積沙最細(xì)，古爾班通古特沙漠風(fēng)積沙次之，騰格里沙漠的風(fēng)積沙最粗。

(2)三個地區(qū)的風(fēng)積沙表觀密度在2.6～2.7 g/cm3之間，堆積密度在1.5～1.6 g/cm3之間，空隙率均小于44%，天然含水率不到0.5%，且具有良好的透水性，吸水率都在1%以下。

(3)利用掃描電鏡對風(fēng)積沙的微觀形貌進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)風(fēng)積沙顆粒表面都較為光滑，近似圓形，邊緣處有一定的棱角，但不明顯，隨著放大倍數(shù)的增大，可以看到風(fēng)積沙顆粒表面附著許多層片狀碎屑物。

(4)利用XRD和XRF對風(fēng)積沙的化學(xué)成分和礦物組成進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)三個地區(qū)風(fēng)積沙的化合物組成類型基本相同，主要化學(xué)成分都是SiO2，對砂漿和混凝土有害的硫酸鹽和氯化物的含量幾乎為0。

(5)采用砂漿長度法對風(fēng)積沙集料堿活性進(jìn)行分析，判定風(fēng)積沙為非活性集料。

(6)采用火山灰活性指數(shù)法分析風(fēng)積沙的火山灰活性，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)天然風(fēng)積沙的火山灰活性不滿足規(guī)范要求，需要進(jìn)行活化處理，方能用作水泥砂漿或混凝土的活性摻合料。

(7)采用不同的化學(xué)激發(fā)劑對風(fēng)積沙的火山灰活性進(jìn)行激發(fā)，發(fā)現(xiàn)Na2SO4和Ca(OH)2的作用效果較好，可以提高水泥膠砂試件的抗折和抗壓強(qiáng)度。