沙漠砂資源的利用與沙漠砂混凝土改良研究現(xiàn)狀

寇玉冬　張利偉　向軍海

［關(guān)鍵詞］沙漠砂；沙漠砂混凝土；現(xiàn)狀研究；數(shù)值模擬

中國沙漠（Desert in China），包括戈壁、半干旱地區(qū)沙地、主要沙漠，總面積占國土面積的13.6%，高達(dá)130.8×104 km²，而西北干旱區(qū)是中國沙漠最為集中的地區(qū)，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(dá)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(yán)峻，作為一種常見的自然資源，認(rèn)識并掌握沙漠砂（DS，DesertSand）的基本特征，并改良后用于工程建設(shè)，有助力荒漠化改善，提高干旱半干旱地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平。本文基于大量國內(nèi)外最新文獻(xiàn)，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(zhì)、DS主要應(yīng)用領(lǐng)域。最后簡述DS研究過程中的各種理論、技術(shù)手段。該工作為DS的改良與利用積累了有益經(jīng)驗(yàn)，有利于推動DS的研究與資源利用。

1. 沙漠砂的基本性質(zhì)

沙漠砂主要是干旱半干旱地區(qū)的各類原巖，經(jīng)風(fēng)力侵蝕、搬運(yùn)作用形成的，儲量豐富，可用于建材領(lǐng)域，但存在堿性大，顆粒過細(xì)（小于0.7～1.5 mm），砂粒干燥，帶來諸類工程應(yīng)用問題。如沙漠砂混凝土（DSC， Des?ert Sand Concrete）承載力低，結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定；風(fēng)化和風(fēng)力搬運(yùn)成因的DS成分成熟度低，各組分含量高低不一，含有害物質(zhì)，不利于直接的工程建設(shè)使用。因此，需要了解DS工程改良后的工程地質(zhì)性質(zhì)，如添加不同材料、不同沙漠砂替代率、高溫高應(yīng)力環(huán)境、極端氣候及地質(zhì)環(huán)境等條件下的抗壓強(qiáng)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(qū)沙漠砂力學(xué)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(zhì)、存在問題及發(fā)展方向（表1）。

以上DS的性質(zhì)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(huán)境[5，6]、低溫[7，8]）等有關(guān)?？傮w上，資源性開發(fā)利用DS的思路是，首先認(rèn)識DS的基本特性，確定影響因素和作用機(jī)理，提高滿足工程要求的力學(xué)性能，同時(shí)發(fā)展DS改良方法，拓展DS的應(yīng)用范圍。

2. 沙漠砂資源的利用現(xiàn)狀

中國的沙漠砂資源量大，主要開發(fā)利用集中在沙漠化防治、沙漠新型農(nóng)業(yè)、DSC資源利用等方面。但沙漠砂本身堿性大、顆粒細(xì)、含有毒物質(zhì)，且大規(guī)模運(yùn)輸?shù)某杀竞芨摺＝鉀Q以上問題是資源性開發(fā)利用DS的關(guān)鍵，近年已取得部分進(jìn)展。

2.1 沙漠砂的工程應(yīng)用

沙漠砂在基建領(lǐng)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(nóng)村建筑，也見應(yīng)用于港口等大型工程[10]。Yan等[11]研究發(fā)現(xiàn)DSC的力學(xué)及抗震性能良好，能夠滿足工程建設(shè)需要[12-16]。Aarth等發(fā)現(xiàn)沙漠砂輕骨料混凝土具有較好的力學(xué)性能和耐久性，可作為輕質(zhì)預(yù)制構(gòu)件的生產(chǎn)材料[17-21]。牛愛宏等[22]認(rèn)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(shè)的性能要求，顯示出巨大的發(fā)展?jié)摿?。另有研究學(xué)者開發(fā)了用于基建的沙漠砂混凝土材料，主要有沙漠砂可發(fā)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(jié)沙漠砂轉(zhuǎn)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(nóng)業(yè)應(yīng)用

發(fā)展沙漠農(nóng)業(yè)，需要預(yù)防風(fēng)暴、冰雹、極端溫度等氣候，故可采用溫室種植技術(shù)[29]。而且，沙漠砂是溫室的生長基質(zhì)組分之一，沙丘利于機(jī)械化耕種，結(jié)合現(xiàn)代灌溉和施肥技術(shù)、計(jì)算機(jī)智能控制，有利于發(fā)展先進(jìn)的沙漠農(nóng)業(yè)種植體系[30]。

2.3 沙漠砂的其他應(yīng)用

除建筑材料和農(nóng)業(yè)利用外，沙漠砂還可用于人類用水凈化，作為發(fā)電廠熱能儲存介質(zhì)、工業(yè)制品的原材料等。

沙漠砂的收集低成本，易吸收太陽能，被認(rèn)為是一種潛在的高溫?zé)崮軆Υ娌牧?，用于集中式太陽能發(fā)電（CSP，Concentrated Solar Power）技術(shù)的開發(fā)，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(dāng)顆粒通過接收器時(shí)，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(fù)始，完成熱量的收集、轉(zhuǎn)換和利用。

有學(xué)者關(guān)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(kuò)展和壓痕損傷過程，結(jié)果表明CMAS的性能與“常規(guī)”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(shù)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(qū)人類用水的處理和預(yù)處理中[33]。

3. 沙漠砂改良研究

DS的研究方法主要有室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)值模擬，前者可根據(jù)實(shí)際工況設(shè)計(jì)試驗(yàn)，直接確定沙漠砂替代率、粉煤灰摻量、受壓力學(xué)特性和承載力等；后者則操作簡單，算力強(qiáng)大，可分析沙漠砂試樣的厚度、抗壓強(qiáng)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(yàn)方法

李帥雄等[34]采用正交試驗(yàn)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(yōu)摻量比例，且發(fā)現(xiàn)摻入細(xì)顆粒的DS可提高混凝土的抗壓強(qiáng)度。Singlin Zhang et al.[26]增加了含砂量這一影響因素，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，DS替代率和水膠比對DS坍落度、抗壓強(qiáng)度的影響最大。另有研究表明，凍融循環(huán)試驗(yàn)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(shí)，DSC 的力學(xué)性能最優(yōu)。盧仲元等[36]采用四周約束平板法研究了DSC的開裂性質(zhì)，最優(yōu)替代率為42%。李志強(qiáng)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(guān)的修正系數(shù)的沙漠砂混凝土梁跨中撓度的建議公式。后續(xù)，李志強(qiáng)對沙漠砂混凝土梁進(jìn)行抗剪試驗(yàn)，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?；谠囼?yàn)，修正了沙漠砂混凝土梁結(jié)構(gòu)的承載力計(jì)算公式。X. F. Li et al.[38，39]開展了騰格里DS的動靜態(tài)真三軸試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)騰格里DS的強(qiáng)度特征與中主應(yīng)力密切有關(guān)：當(dāng)最小主應(yīng)力和相對密度一定時(shí)，中主應(yīng)力逐漸增大，砂土的強(qiáng)度增加；接近最大主應(yīng)力時(shí)，強(qiáng)度下降。考慮中主應(yīng)力的影響，騰格里DS在低圍壓條件下，表現(xiàn)為剪脹破壞。何靜等[40]發(fā)現(xiàn)摻入風(fēng)積砂可促進(jìn)砂漿內(nèi)部結(jié)晶的生成，改善水泥砂漿的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，提高強(qiáng)度。

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

以上，可以看到，試驗(yàn)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(xué)性質(zhì)，操作性強(qiáng)，方法成熟，試驗(yàn)結(jié)果可靠。但是，試驗(yàn)手段耗時(shí)長，成本較高，不具普遍性。基于大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可結(jié)合數(shù)值模擬方法開展DSC的相關(guān)研究。

3.2 數(shù)值模擬方法

在高溫條件下，對沙漠砂泥漿柱（DSM，DesertSand Mortar）進(jìn)行單軸壓縮實(shí)驗(yàn)，獲得DSM升溫過程中的力學(xué)性質(zhì)?；谠囼?yàn)結(jié)果，開展了DSC界面相壓縮破壞過程的數(shù)值模擬，研究發(fā)現(xiàn)：DSC抗壓強(qiáng)度與界面相的抗壓強(qiáng)度線性相關(guān)：DSC抗壓強(qiáng)度隨粗骨料的增多，先增加后降低，體積含量45%時(shí)最優(yōu)，且溫度升高，影響明顯減弱；DSC抗壓強(qiáng)度隨最小粒徑的增加而降低，粒徑20 mm時(shí)，抗壓強(qiáng)度最佳[42]。

以上為常規(guī)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(jié)果。但隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，離散元數(shù)值模擬方法開始應(yīng)用到工業(yè)[43]、農(nóng)業(yè)[44]、能源、地質(zhì)[45]等諸多領(lǐng)域?；诖碎_發(fā)的高性能離散元數(shù)值模擬軟件MatDEM（Matrix computing ofDiscrete Element Method）[46]，采用了創(chuàng)新的離散元矩陣計(jì)算[47]和三維接觸算法，已實(shí)現(xiàn)百萬級顆粒系統(tǒng)的數(shù)值模擬。基于此，本文提出一種可能用于DSC力學(xué)特性研究的離散元數(shù)值分析方法。

MatDEM構(gòu)建的離散元模型由一系列符合牛頓定律、具有特定力學(xué)性質(zhì)的顆粒堆積和膠結(jié)組成，如圖3（a），假定顆粒之間通過彈簧來相互接觸和產(chǎn)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(tǒng)的數(shù)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(shí)現(xiàn)直剪和環(huán)剪[49]、真三軸試驗(yàn)[50]（案例user_Box3DJointStress1-3），進(jìn)一步分析并確定DS材料的力學(xué)特性和變化規(guī)律。

3.3 統(tǒng)計(jì)預(yù)測方法

除試驗(yàn)和數(shù)值模擬外，近幾年出現(xiàn)了基于數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和人工智能的DSC力學(xué)性質(zhì)的預(yù)測方法。王文明等[51]通過比較三種緊密堆積理論下的最優(yōu)沙漠砂替代率，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，變i法、Fuller、Alfred堆積理論下的最優(yōu)DS 替代率均是30%。賀業(yè)邦等[52]根據(jù)Dinger 和Funk緊密堆積理論，調(diào)整了Dinger-Funk方程的分布模數(shù)，最終得到了DSC各組分的最優(yōu)配比，實(shí)現(xiàn)了DS應(yīng)用在DSC中的最優(yōu)價(jià)值。張明虎等[53]開展不同DS替代率下DSC動態(tài)壓縮試驗(yàn)，分析了沙漠砂替代率和應(yīng)變率對DSC強(qiáng)度的影響，并基于ZWT模型（非線性熱黏彈性本構(gòu)模型），建立了DSC動態(tài)本構(gòu)模型，可預(yù)測DSC的動態(tài)力學(xué)行為。另有學(xué)者引入人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）和粒子群優(yōu)化（PSO）方法，快速預(yù)測了DSC抗壓強(qiáng)度，已應(yīng)用于隧道建設(shè)[54]。

4 . 討論與結(jié)論

現(xiàn)對沙漠砂的應(yīng)用主要集中于工程應(yīng)用，雖然張輝等學(xué)者（2002年）研究指出沙漠砂的熱導(dǎo)率與含水率有關(guān)，為利用沙漠砂制備蓄熱、傳熱材料打下了基礎(chǔ)。但沙漠砂用于地?zé)?、高溫?zé)崮艿葍δ懿牧稀⑷宋膬r(jià)值、干旱半干旱地區(qū)新型農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域的應(yīng)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(diǎn)：人文旅游、經(jīng)濟(jì)政策、農(nóng)業(yè)開發(fā)等多領(lǐng)域融合研究滯后；沙漠砂的強(qiáng)度變化機(jī)制和影響因素需要進(jìn)一步確定，有助于確定統(tǒng)一的生產(chǎn)沙漠砂混凝土的模型；深入開展產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合，提高DSC的實(shí)際應(yīng)用規(guī)模和范圍；數(shù)值模擬的相關(guān)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(xù)加大對DSC的關(guān)注和研究。

沙漠砂資源量豐富，應(yīng)用潛力巨大，試驗(yàn)、數(shù)值模擬、統(tǒng)計(jì)學(xué)和人工智能是研究DSC特性的主要方法。在認(rèn)識DSC基本力學(xué)性質(zhì)的基礎(chǔ)上，研究學(xué)者提出將其應(yīng)用在農(nóng)業(yè)、隧道、公路、民房、水庫等基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)上。基于前人研究進(jìn)展，提出將離散元數(shù)值模擬方法應(yīng)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(shí)更快地模擬出不同條件下的DSC抗壓、抗剪等特性?？蔀镈SC的數(shù)值模擬研究提供了新方法，積累了一定的經(jīng)驗(yàn)。