風積沙代替河沙可行性探索

王 杰，伍宸睿，李子龍，王 穎

（蚌埠學院土木與水利工程學院，安徽 蚌埠 233030）

0 引言

河沙指舊河道里的沖積土，其形成要素包括：沙土、河流、流水沖洗、時間等。自然形成的河沙其來源多為表土，表層土風化后產生了土侵蝕，造成水土和植物礦質營養元素流失，破壞生態環境[1]。開采河沙制造成河床面起伏不平，原為中粗砂的河床質出現礫石化，河床糙度增加，嚴重影響排洪和水流的穩定性。在受侵蝕的河岸特別是在河曲的凹岸采沙，易于誘發河流深泓線向侵蝕岸側擺動，造成河堤或河岸快速坍塌，威脅河岸公路和建筑物等[2]。河沙的無節制開采導致河沙資源越來越少，對水生生物和生態環境的破壞和河岸退化，對生態系統造成不利影響。因此，近年來政府加大了對于開采河沙的限制。

河沙的質量不穩定，顆粒大小和形狀不均勻，容易導致建筑材料的質量不穩定，對建筑物的結構強度和穩定性都會產生較大的影響。其中部分河沙中可能含有有機物質、泥土和其他雜質，這些雜質會影響混凝土的強度和密實性，降低建筑物的質量。需要經過烘干篩分后才能投入建筑工程中。新鮮的河沙含水量較高，容易導致混凝土的收縮、開裂和變形，影響建筑物的使用壽命。河沙中可能存在一些有害物質，如鹽類、硫酸鹽和有機化合物等，會對建筑材料產生腐蝕作用，降低建筑物的耐久性。

風積沙具有非常明顯的非塑性、剪切強度低、滲透性強、沙粒粒徑細、含水量較低、沙粒蓄水性差、毛細作用差等特點，在有外力作用的條件下極易松散。同時，沙漠地區往往氣候干燥，降水量較少且蒸發量很大，導致風積沙含水量降小，加之施工運輸過程中的條件影響，使得原本較低的風積沙中的水分散失，所以，在填筑路基時風積沙往往處于干燥狀態。沙漠及沙化地帶多位于邊遠地帶，礦產資源豐富，隨著現代化建設的需要，工程建設將會比其他地區更為迫切[3]，為利用風積沙的應用提供了基礎。

1 風積沙特性

1.1 風積沙的形成

風積沙地質是自然界的沙石在風的搬運作用下，在一定地區內下沉，堆積而成的堆積型地質。從地質或地理角度來看，風積沙的形成需要有兩個基礎條件：一是較為特殊的氣候條件；二是較為特殊的地質、地貌條件[4]。風積沙形成的砂礫在長時間內都會受到風力的影響，導致它們的顆粒表面變得平滑，砂礫之間的摩擦力減小，整體的抗剪強度也相對較低，這使得風積沙更容易滑動和滾動，具有更好的流動性，但其密實性和穩定性則相對較差。在天然條件下，風積沙層是一種疏松多孔的物質。當風積沙沒有連續的級配堆積時，顆粒間不能相互填充，從而形成緊湊、低空隙率的實體，因此自然的風積沙地層是相對松散的堆積體。

1.2 風積沙的技術特性

自然狀態下風積沙的含水量較低，最低不超過1%，而最大通常也不會超過5%。自然狀態下干燥時，風積沙的密度通常約為1.44g/cm3，而濕潤時的密度大概是1.48g/cm3。在壓實情況下，風積沙密度增長很快，最大干密度在壓實后可以達到1.74~2.00g/cm3，其密度是在自然狀態下的1.2~1.4 倍。風積沙的顆粒結構非常細致，且顆粒分布均勻單一，但粉粘粒的含量相對較少，小于0.075mm 以下的顆粒含量小于5%，粘聚力和松散性都相對較低。此外，它的保水性和水穩性都相對較差，易溶鹽的含量也很低，呈現微堿性。風積沙本身并不具有腐蝕性，其壓縮變形也很小。在壓縮完成的時間段內，壓縮量與荷載之間存在指數關系，所以在保水狀態下，風積沙更容易被壓實。

1.3 風積沙施工前的準備

1.3.1 風積沙最大干密度的確定方法

為確保風積沙填筑路基的工程質量，必須合理確定風積沙的最大干密度。依據干密度對風積沙進行較為細致的分類，其分類情況如下[5]。

Ⅰ類指土壤中d<0.075 的成分質量低于總質量的5%，包括無塑性（Ⅰ-1 類）和有塑性（Ⅰ-2 類）兩種類型[6]。在工程應用上，可通過提高土料中粉質砂含量和降低粉質黏土含量來改善其流動性、強度等性質。

Ⅱ類指的是含有細粒的土沙，土壤中<0.075 的成分質量占總質量的5%~15%，這種土沙的顯著特性是具有較高的塑性指數。在此基礎上，通過對該類型土壤物理特性指標及力學性質指標的測試與分析研究，得出了此類土壤物理性質參數和力學性質指標的分布規律。

Ⅲ類指的是含有細粒的土沙，土壤中<0.075 的成分質量占到了總質量的15%~50%，其顯著特性是具有較高的塑性指數。

風積沙最大干密度的確定方法包括標準擊實法、表面振動壓實法（干法、濕法）和振動臺法（干法、濕法）等試驗方法，在工程應用時必須按照不同類型對風積沙進行特殊處理，推薦方法如表1 所示。

表1 干密度確定推薦方法

在室內環境中，利用表面振動壓實儀法和擊實試驗法，在不同含水量的條件下收集了風積沙的試驗數據。而在室外，修建了試驗路，并使用了多種機械設備來進行風積沙路基的壓實實驗，以此來驗證室內的試驗數據[7]。

1.3.2 風積沙的密實原理與方法

由于風積沙具有獨特的物理屬性和自身屬性，這導致了風積沙顆粒之間的結合力不佳、流動性差、抗干擾能力差，以及難以壓實等問題。然而，在特定的水分含量和振動影響后，當風積沙在特定的壓力下受到水分的濕潤，會變得更加緊密，從而確保其結構的穩定性。風積沙在壓實情況下其密度增長很快，特別是在壓實后的干密度會迅速提高，為自然狀態的1~2 倍[8]，在實際應用中壓縮時的變形很小，并且壓縮的程度與荷載之間存在指數關聯。較早時候，人們就已經意識到風積沙所具有的這一獨特性質在受風積沙影響的地區，當進行房屋或其他建筑的地基處理時，通常會選擇使用風積沙作為基底的替代材料。常用的方法稱為“搖砂法”[9]該施工技術包括在預先挖掘好的基坑或基槽中加入風積沙，然后按照預定的厚度將其平鋪，接著大量地灑水直至表面出現積水。隨后，用木棒或鐵棍以一定的距離插入已經飽和的風積沙中，并進行來回搖晃或扳動，直到風積沙的頂部不再下沉，并且表面不再出現氣泡為止。

2 風積沙在工程的應用

風積沙是由砂性土組成的，它包含了一定數量的粗顆粒，這使得這種材料具備了良好的強度和穩定性。同時，它還含有一定數量的細顆粒，這使得它具有一定的黏結性，不會變得過于松散。當遇到水時，它會迅速干燥，不會膨脹，濕潤時也不會粘，容易壓實，因此它是工程建筑的優質材料。然而，風積沙是一種分布均勻的松散物質，如果施工質量管理不當，將會對材料性能產生嚴重不良影響。

2.1 風積沙混凝土材料

隨著我國基礎建設的大幅度提升，混凝土是目前應用最廣泛的建筑材料，為了保護環境保護河道減少破壞，風積沙代替河沙便成為熱點問題。風積沙的物理特性和化學特性、風積沙的力學性質、風積沙的摻入對混凝土力學及工作性能的影響、風積沙混凝土的收縮性能、及耐久性能和風積沙混凝土微觀試驗對風積沙代替混凝土都是至關重要的因素。針對目前風積沙特性、風積沙混凝土的性能進行了相關研究[10]，研究表明，風積沙取代率不宜超過30%，風積沙自密實混凝土風積沙取代率不宜超過20%，在配制風積沙高性能混凝土時，應優先考慮級配優化，增加粗顆粒，減少細顆粒密度。

2.2 風積沙砂漿材料

通過替換一般建筑砂漿中部分或全部和河沙來制得風積沙建筑砂漿。研究表明，在砂漿中添加適量的風積沙可以一定程度上優化砂漿的性能。用風積沙替代部分天然河砂，所得到的砂漿性能提升的程度不僅與風積沙的級配、替換比例等參數有關，同時也受到天然河砂性能參數的影響。風積沙的組成和顆粒特性也會對砂漿的性能產生影響，風積沙在砂漿中的作用機制主要可以歸納為填充效應、形態效應、活性效應等3 點[11]。

2.3 風積沙路基填筑材料

在干旱地區以及缺乏路基填料的地區，采用風積沙作為路基填筑材料，既可以解決路基填筑材料的缺乏、治理沙害，又能加快施工進度、縮短工期。但不同于河沙和一般路基填筑材料，風積沙沙粒粒徑細、含水量較低、沙粒蓄水性差、毛細作用差，且具有明顯的非塑性、剪切強度低、滲透性強等特點。以風積沙作為路基填筑材料，必須考慮風積沙的特性，掌握風積沙路基填筑施工的關鍵要素，嚴格按照風積沙路基填筑施工工藝，采取有效地環境保護措施，避免施工過程中可能出現的施工問題，減少對環境的影響。

2.3.1 風積沙路基填筑施工關鍵要素

風積沙顆粒細膩并均勻，試驗結果表明，風積沙顆粒級配曲線較為陡峭，說明風積沙顆粒級配差異不大，分散程度相對較小，風積沙的特點是相對穩定，在正常條件下不易變形，在荷載的反復作用下，其回彈模量可達100MPa。風沙的黏聚力很小，在干燥環境下接近于零。如果含水量高，就會表現出假黏聚的特點。因此，需要采取科學的施工方法，加強施工過程中的質量控制是風積沙施工的關鍵要素。設計試驗方案：虛鋪厚度35cm，壓實后30cm，壓實系數為1.15；砂土摻配方案①：1:1.5，方案②：1:2。

通過多次試驗總結得出[12]，方案①：靜壓7 遍后可壓縮性和壓實度均可以達到設計和驗標要求，可作為指導路基本體土方填筑施工依據。方案②：靜壓2 遍后，弱振3 遍再靜壓2 遍，可壓縮性大小和壓實度均可以達到設計要求，可作為指導風積沙路基土方基床底層填筑施工依據。

2.3.2 風積沙路基填筑施工工藝

風積沙中的水分較少，土質較為松散，粘聚力差，剪切強度低，給路基填筑施工帶來很大挑戰。在路基填筑施工過程中，應該嚴格遵循施工流程，如圖1 所示，通過嚴格把控各個施工環節質量，采取精準的碾壓施工方式，從而提升路基壓實度和穩定性，保證工程的穩固性與可靠性[13]。

圖1 路基填筑施工流程

3 結語

隨著工程建設數量的增加，近年來對河沙的需求越來越大，而過量開采河沙將產生諸多環境生態問題。風積沙作為一種替代河沙的材料，已被逐漸應用于混凝土材料、砂漿材料、路基填筑材料等。風積沙不同于一般建筑材料，在應用風積沙過程中，應綜合考慮風積沙的特性、力學性能和耐久性等，在施工過程中，要嚴格遵循施工流程，控制施工質量。總體而言，風積沙的廣泛應用能有效防治環境污染，促進建筑材料的可持續利用。