沙漠砂資源的利用與沙漠砂混凝土改良研究現狀

寇玉冬　張利偉　向軍海

［關鍵詞］沙漠砂；沙漠砂混凝土；現狀研究；數值模擬

中國沙漠（Desert in China），包括戈壁、半干旱地區沙地、主要沙漠，總面積占國土面積的13.6%，高達130.8×104 km²，而西北干旱區是中國沙漠最為集中的地區，約占全國沙漠總面積的80%，主要沙漠自西向東有塔克拉瑪干沙漠、古爾班通古特沙漠、庫姆塔格沙漠、柴達木沙漠、巴丹吉林沙漠、騰格里沙漠、烏蘭布和沙漠及庫布齊沙漠等八大沙漠，沙漠砂資源儲量極大。沙漠資源豐富，但荒漠化治理問題嚴峻，作為一種常見的自然資源，認識并掌握沙漠砂（DS，DesertSand）的基本特征，并改良后用于工程建設，有助力荒漠化改善，提高干旱半干旱地區的經濟發展水平。本文基于大量國內外最新文獻，簡述了代表性沙漠，如毛烏素沙漠、古爾班通古特沙漠、塔克拉瑪干沙漠、騰格里沙漠等沙漠砂的基本屬性、工程特質、DS主要應用領域。最后簡述DS研究過程中的各種理論、技術手段。該工作為DS的改良與利用積累了有益經驗，有利于推動DS的研究與資源利用。

1. 沙漠砂的基本性質

沙漠砂主要是干旱半干旱地區的各類原巖，經風力侵蝕、搬運作用形成的，儲量豐富，可用于建材領域，但存在堿性大，顆粒過細（小于0.7～1.5 mm），砂粒干燥，帶來諸類工程應用問題。如沙漠砂混凝土（DSC， Des?ert Sand Concrete）承載力低，結構不穩定；風化和風力搬運成因的DS成分成熟度低，各組分含量高低不一，含有害物質，不利于直接的工程建設使用。因此，需要了解DS工程改良后的工程地質性質，如添加不同材料、不同沙漠砂替代率、高溫高應力環境、極端氣候及地質環境等條件下的抗壓強度及抗震性[1]、抗裂性能[2]、抗凍性、蠕變性、承載力、耐火性等。針對不同地區沙漠砂力學特性的差異性，本文簡述了代表性沙漠，如毛烏素沙漠、古爾班通古特沙漠、塔克拉瑪干沙漠、騰格里沙漠的基本性質、存在問題及發展方向（表1）。

以上DS的性質又與含水率[3]、DSC的組分、荷載加載方式、工況條件（凍融[4]、高溫環境[5，6]、低溫[7，8]）等有關。總體上，資源性開發利用DS的思路是，首先認識DS的基本特性，確定影響因素和作用機理，提高滿足工程要求的力學性能，同時發展DS改良方法，拓展DS的應用范圍。

2. 沙漠砂資源的利用現狀

中國的沙漠砂資源量大，主要開發利用集中在沙漠化防治、沙漠新型農業、DSC資源利用等方面。但沙漠砂本身堿性大、顆粒細、含有毒物質，且大規模運輸的成本很高。解決以上問題是資源性開發利用DS的關鍵，近年已取得部分進展。

2.1 沙漠砂的工程應用

沙漠砂在基建領域主要是作為沙漠砂混凝土利用，可用于裝配式輕鋼-沙漠砂輕骨料混凝土剪力墻中[9]，抗震性較好，常適用于在1～2層的農村建筑，也見應用于港口等大型工程[10]。Yan等[11]研究發現DSC的力學及抗震性能良好，能夠滿足工程建設需要[12-16]。Aarth等發現沙漠砂輕骨料混凝土具有較好的力學性能和耐久性，可作為輕質預制構件的生產材料[17-21]。牛愛宏等[22]認為沙漠砂蒸壓加氣混凝土墻體可作為一種新型墻體建筑材料，并開展了抗震性能研究。

DSC既利用了豐富的沙漠砂資源，又能保證工程建設的性能要求，顯示出巨大的發展潛力。另有研究學者開發了用于基建的沙漠砂混凝土材料，主要有沙漠砂可發性聚苯乙烯混凝土[23]、沙漠砂—PVA纖維水泥基材料[24]、用于低級公路的天然沙漠砂（NDS）熱拌瀝青（HMA）[25]、用于保溫承重墻體的沙漠砂輕骨料混凝土[26]、太陽能燒結沙漠砂轉化的建筑材料[27]（圖1）、海積砂和沙漠砂深度攪拌而成的水泥和鈉基膨潤土材料[28]。

2.2 沙漠砂的農業應用

發展沙漠農業，需要預防風暴、冰雹、極端溫度等氣候，故可采用溫室種植技術[29]。而且，沙漠砂是溫室的生長基質組分之一，沙丘利于機械化耕種，結合現代灌溉和施肥技術、計算機智能控制，有利于發展先進的沙漠農業種植體系[30]。

2.3 沙漠砂的其他應用

除建筑材料和農業利用外，沙漠砂還可用于人類用水凈化，作為發電廠熱能儲存介質、工業制品的原材料等。

沙漠砂的收集低成本，易吸收太陽能，被認為是一種潛在的高溫熱能儲存材料，用于集中式太陽能發電（CSP，Concentrated Solar Power）技術的開發，潛力巨大[31]。圖2為DS顆粒熱交換器的示意圖，冷砂在一個呈錐形漏斗的太陽能接收器中積累、流動。當顆粒通過接收器時，被集中的太陽照射加熱。加熱的顆粒被回收并儲存在接收器下方的一個容器中，直到最后被送入一個與電源模塊相連的顆粒熱交換器。之后冷顆粒由傳送帶返回到冷儲罐，周而復始，完成熱量的收集、轉換和利用。

有學者關注了DS制成的鈣鎂鋁硅酸鹽（CMAS，Calcium Magnesium Alum-inosilicate）玻璃的裂紋慢速擴展和壓痕損傷過程，結果表明CMAS的性能與“常規”玻璃無異，可歸類于其中[32]。在阿爾及利亞，選用有效粒徑0.17 mm，不均勻系數為1.76的砂土作為水處理的過濾層，該過濾方法廣泛用于該地區人類用水的處理和預處理中[33]。

3. 沙漠砂改良研究

DS的研究方法主要有室內試驗和數值模擬，前者可根據實際工況設計試驗，直接確定沙漠砂替代率、粉煤灰摻量、受壓力學特性和承載力等；后者則操作簡單，算力強大，可分析沙漠砂試樣的厚度、抗壓強度、尺寸、組分和級配等因素的影響。改良研究方法對比見表2：

3.1 試驗方法

李帥雄等[34]采用正交試驗方法，考慮了水膠比、粉煤灰摻量、沙漠砂替代率對DSC性能的影響，確定了各組分的最優摻量比例，且發現摻入細顆粒的DS可提高混凝土的抗壓強度。Singlin Zhang et al.[26]增加了含砂量這一影響因素，結果發現，DS替代率和水膠比對DS坍落度、抗壓強度的影響最大。另有研究表明，凍融循環試驗條件，保持一定水膠比，20%沙漠砂替代率和10% 粉煤灰摻量[35]時，DSC 的力學性能最優。盧仲元等[36]采用四周約束平板法研究了DSC的開裂性質，最優替代率為42%。李志強等[37]研究了沙漠砂混凝土梁的抗彎性能，提出考慮沙漠砂替代率相關的修正系數的沙漠砂混凝土梁跨中撓度的建議公式。后續，李志強對沙漠砂混凝土梁進行抗剪試驗，分析了剪跨比、沙漠砂替代率、配箍率和配筋率對DSC抗剪能力的影響。基于試驗，修正了沙漠砂混凝土梁結構的承載力計算公式。X. F. Li et al.[38，39]開展了騰格里DS的動靜態真三軸試驗，發現騰格里DS的強度特征與中主應力密切有關：當最小主應力和相對密度一定時，中主應力逐漸增大，砂土的強度增加；接近最大主應力時，強度下降。考慮中主應力的影響，騰格里DS在低圍壓條件下，表現為剪脹破壞。何靜等[40]發現摻入風積砂可促進砂漿內部結晶的生成，改善水泥砂漿的內部結構，提高強度。

在國外，Talal S. Amhadi et al.[41] 對天然沙漠砂（NDS，Natural Desert Sand）進行單軸壓縮試驗，分析級配、加州承載比（CBR）、滲透性、壓實作用等對改善NDS 混合材料力學性能的影響，探討了考慮水泥比例、公路養護時間、干密度和含水量的改良NDS用作公路建設用料的可能性。

以上，可以看到，試驗方法可直觀地得到考慮級配、組分、荷載及作用形式、不同溫度條件下的DSC力學性質，操作性強，方法成熟，試驗結果可靠。但是，試驗手段耗時長，成本較高，不具普遍性。基于大量試驗數據，可結合數值模擬方法開展DSC的相關研究。

3.2 數值模擬方法

在高溫條件下，對沙漠砂泥漿柱（DSM，DesertSand Mortar）進行單軸壓縮實驗，獲得DSM升溫過程中的力學性質。基于試驗結果，開展了DSC界面相壓縮破壞過程的數值模擬，研究發現：DSC抗壓強度與界面相的抗壓強度線性相關：DSC抗壓強度隨粗骨料的增多，先增加后降低，體積含量45%時最優，且溫度升高，影響明顯減弱；DSC抗壓強度隨最小粒徑的增加而降低，粒徑20 mm時，抗壓強度最佳[42]。

以上為常規的有限元模擬軟件，原理成熟，適合快速獲得多種工況下的模擬結果。但隨著計算機技術的發展，離散元數值模擬方法開始應用到工業[43]、農業[44]、能源、地質[45]等諸多領域。基于此開發的高性能離散元數值模擬軟件MatDEM（Matrix computing ofDiscrete Element Method）[46]，采用了創新的離散元矩陣計算[47]和三維接觸算法，已實現百萬級顆粒系統的數值模擬。基于此，本文提出一種可能用于DSC力學特性研究的離散元數值分析方法。

MatDEM構建的離散元模型由一系列符合牛頓定律、具有特定力學性質的顆粒堆積和膠結組成，如圖3（a），假定顆粒之間通過彈簧來相互接觸和產生力的作用[43]，如圖3（b）、（c），考慮了顆粒的固有屬性和離散性，非常適合顆粒系統的數值模擬研究。如在DSC抗壓、抗剪性的研究中，可利用MatDEM已有的滾刀破巖代碼，即案例user_BoxTBMCutter1，生成不同材料的組合體[48]；隨后在建立的不同組分混合后的模型中，即案例user_BoxShear0-3，實現直剪和環剪[49]、真三軸試驗[50]（案例user_Box3DJointStress1-3），進一步分析并確定DS材料的力學特性和變化規律。

3.3 統計預測方法

除試驗和數值模擬外，近幾年出現了基于數據統計和人工智能的DSC力學性質的預測方法。王文明等[51]通過比較三種緊密堆積理論下的最優沙漠砂替代率，結果發現，變i法、Fuller、Alfred堆積理論下的最優DS 替代率均是30%。賀業邦等[52]根據Dinger 和Funk緊密堆積理論，調整了Dinger-Funk方程的分布模數，最終得到了DSC各組分的最優配比，實現了DS應用在DSC中的最優價值。張明虎等[53]開展不同DS替代率下DSC動態壓縮試驗，分析了沙漠砂替代率和應變率對DSC強度的影響，并基于ZWT模型（非線性熱黏彈性本構模型），建立了DSC動態本構模型，可預測DSC的動態力學行為。另有學者引入人工神經網絡（ANN）和粒子群優化（PSO）方法，快速預測了DSC抗壓強度，已應用于隧道建設[54]。

4 . 討論與結論

現對沙漠砂的應用主要集中于工程應用，雖然張輝等學者（2002年）研究指出沙漠砂的熱導率與含水率有關，為利用沙漠砂制備蓄熱、傳熱材料打下了基礎。但沙漠砂用于地熱、高溫熱能等儲能材料、人文價值、干旱半干旱地區新型農業等領域的應用研究尚需深入。另外，沙漠砂的研究與利用仍面臨以下難點：人文旅游、經濟政策、農業開發等多領域融合研究滯后；沙漠砂的強度變化機制和影響因素需要進一步確定，有助于確定統一的生產沙漠砂混凝土的模型；深入開展產學研相結合，提高DSC的實際應用規模和范圍；數值模擬的相關研究不夠豐富和深入，無法快速建立合理、一致的模型。以上均需要持續加大對DSC的關注和研究。

沙漠砂資源量豐富，應用潛力巨大，試驗、數值模擬、統計學和人工智能是研究DSC特性的主要方法。在認識DSC基本力學性質的基礎上，研究學者提出將其應用在農業、隧道、公路、民房、水庫等基礎設施的建設上。基于前人研究進展，提出將離散元數值模擬方法應用在DSC研究中的可能性，離散元模型中可考慮DS不同組分本身的屬性，更真實更快地模擬出不同條件下的DSC抗壓、抗剪等特性。可為DSC的數值模擬研究提供了新方法，積累了一定的經驗。