塔克拉瑪干沙漠風(fēng)積沙工程性能試驗(yàn)研究

鄭世龍

中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司， 武漢 430063

風(fēng)積沙是沙漠地區(qū)在風(fēng)力作用下形成的粉粒、黏粒含量少的沙物質(zhì)。采用風(fēng)積沙作為建筑工程原材料，因地制宜，就地取材，對于推動我國西北沙漠地區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)發(fā)展意義重大。風(fēng)積沙作為公路路基填料已有較多應(yīng)用。國外如阿爾及利亞The Sixth Project 沙漠公路采用風(fēng)積沙作為填料新建路基，運(yùn)營狀態(tài)良好。法國、伊拉克等國家在道路修建中較早使用了風(fēng)積沙作為路基填料［1］。新疆維吾爾自治區(qū)省道215 線三岔口—莎車高速公路是第一次大面積以風(fēng)積沙作為路基填料，其沙漠區(qū)段內(nèi)以風(fēng)積沙填筑的路基高度甚至超過4 m［2］。阿勒泰—烏魯木齊高速公路大部分段落在古爾班通古特沙漠區(qū)，其中150 km 路基由風(fēng)積沙干壓法施工完成［3］。清伊高速公路（清水河—伊寧）有一段長約453 m 路段為風(fēng)積沙路基，運(yùn)營效果表明路基穩(wěn)定性良好［4］。

隨著中國西部大開發(fā)，鐵路逐漸延伸到西北沙漠地區(qū)，但同樣面臨優(yōu)質(zhì)填料短缺的問題。為解決這一問題，本文對風(fēng)積沙作為鐵路路基基床填料的工程性能開展試驗(yàn)，研究成果可為風(fēng)積沙鐵路路基基床的設(shè)計(jì)和施工提供參考。

1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用風(fēng)積沙（圖1）來自新疆塔克拉瑪干沙漠南緣某鐵路施工現(xiàn)場，取樣位置為地表0.1 m 以下。試驗(yàn)水泥為普通硅酸鹽P·O 42.5水泥，用水為長沙市自來水。

圖1 風(fēng)積沙

2 試驗(yàn)分析

2.1 顆粒密度和含水率試驗(yàn)

對風(fēng)積沙樣品進(jìn)行顆粒密度試驗(yàn)、密度和含水率試驗(yàn)，測得風(fēng)積沙顆粒密度為2.697 g/cm3，天然密度為1.58 g/cm3，天然含水率為0.9%，保水性較差。

采用量筒法、振動錘擊法進(jìn)行風(fēng)積沙干密度試驗(yàn)，測得風(fēng)積沙樣品最大干密度為1.61 g/cm3，最小干密度為1.40 g/cm3，計(jì)算得到最大、最小孔隙比分別為0.92、0.59。風(fēng)積沙樣品為特細(xì)沙，處于松散狀態(tài)。

2.2 顆粒分析試驗(yàn)

采用篩析法和甲種密度計(jì)法進(jìn)行風(fēng)積沙顆粒分析試驗(yàn)，得到風(fēng)積沙顆粒級配曲線，見圖2。根據(jù)TB 10102—2010《鐵路工程土工試驗(yàn)規(guī)程》要求，測得風(fēng)積沙粒度分布粒徑級配曲線上縱坐標(biāo)10%（d10）、30%（d30）、60%（d60）所對應(yīng)的粒徑分別為0.09、0.13、0.18 mm，不均勻系數(shù)、曲率系數(shù)分別為2.0、1.0。由圖2可知：在0.075 ～ 0.250 mm 粒徑范圍內(nèi)，風(fēng)積沙顆粒粒徑占比最大，接近97%，粉粒和黏粒均較少。風(fēng)積沙粒徑分布較為集中，粒徑均勻，但級配不良。根據(jù)TB 10001—2016《鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》分類，屬間斷級配C3填料。

圖2 風(fēng)積沙顆粒級配曲線

2.3 掃描電鏡試驗(yàn)

根據(jù)掃描電鏡試驗(yàn)可直接觀察風(fēng)積沙微觀形態(tài)，試驗(yàn)所用儀器為JSM6490LV 掃描電鏡儀。先在風(fēng)積沙樣品表面噴涂一層導(dǎo)電膜，以增大風(fēng)積沙導(dǎo)電性能。烘干冷卻后，將涂有導(dǎo)電膜的風(fēng)積沙樣品放在掃描電鏡儀上進(jìn)行觀察，見圖3。

圖3 掃描電鏡下的風(fēng)積沙

由圖3（a）可知，風(fēng)積沙顆粒粒徑差別較小，粒徑較均勻，通過Digital Micrograph 軟件測得風(fēng)積沙主要粒徑在0.075 ～ 0.250 mm，與顆粒分析試驗(yàn)結(jié)果一致。此外，風(fēng)積沙空隙率接近42%，顆粒之間空隙較多，松散程度較高。

由圖3（b）可知，風(fēng)積沙顆粒表面無棱角或棱角較為圓滑，不適合直接用作建筑材料，這與徐德富［5］對甘肅省河西走廊風(fēng)積沙顆粒形態(tài)研究結(jié)論存在較大差異。風(fēng)積沙在風(fēng)力作用下移動方式主要有蠕移、躍移和懸移三種［6-10］，當(dāng)風(fēng)積沙粒徑在0.075 ～ 0.250 mm時，以躍移為主，且躍移過程中持續(xù)與地面或顆粒之間發(fā)生碰撞、摩擦，造成顆粒表面磨損程度較高，因此表面無棱角或棱角較為圓滑。

2.4 能譜分析試驗(yàn)

能譜分析儀是微區(qū)成分分析的主要手段之一，通過能譜分析試驗(yàn)，分析風(fēng)積沙化學(xué)元素成分。試驗(yàn)所用儀器為JSM7610F 光電子能譜儀，主要技術(shù)參數(shù)及測得的風(fēng)積沙主要化學(xué)元素及含量見表1和表2。

表1 能譜儀主要技術(shù)參數(shù)

表2 風(fēng)積沙主要化學(xué)元素及含量

由表2 可知：O 和Si為主要元素，兩者共占比超過81%；其次為Al、Ca、K、Na，占比接近15%。

2.5 X射線衍射分析試驗(yàn)

通過開展風(fēng)積沙XRD 試驗(yàn)，分析風(fēng)積沙的物相組成。試驗(yàn)所用儀器為SmarLab9 智能X 射線衍射儀，主要技術(shù)參數(shù)見表3。

表3 衍射儀主要技術(shù)參數(shù)

風(fēng)積沙的X 射線衍射光譜（X?Ray Diffraction Spectroscopy，XRD）見圖4?？梢?，出現(xiàn)較強(qiáng)的SiO2衍射峰（衍射角2θ= 26.6°，最高），表明風(fēng)積沙內(nèi)部SiO2占比最高，其次為Al2O3衍射峰（2θ= 21.2°）和CaO 衍射峰（2θ= 50.7°）。風(fēng)積沙主要由SiO2、Al2O3、CaO 等物相組成，主要為SiO2晶體，優(yōu)勢晶面為（101）。

圖4 風(fēng)積沙XRD衍射圖譜

風(fēng)積沙主要成分為SiO2，含量達(dá)74%，其余成分包括Al2O3、CaO、MgO 等。高純石英砂中SiO2含量在99.5%和99.9%之間，風(fēng)積沙中SiO2含量低于高純石英砂。

2.6 擊實(shí)試驗(yàn)

風(fēng)積沙最優(yōu)含水率及最大干密度是風(fēng)積沙路基填料壓實(shí)性能的重要指標(biāo)，可通過重型擊實(shí)Z3試驗(yàn)測定，落錘質(zhì)量4.5 kg。總共擊實(shí)3層，每層分別擊實(shí)94次。技術(shù)參數(shù)見表4。

表4 標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)主要技術(shù)參數(shù)

風(fēng)積沙擊實(shí)試驗(yàn)流程為：①稱取5份烘干風(fēng)積沙，每份質(zhì)量約為5.5 kg，按照8%、11%、14%、16%、18%預(yù)定含水率將其與水?dāng)嚢杈鶆蚝笱b袋燜料24 h；②將不同含水率風(fēng)積沙分3 層分別倒入擊實(shí)筒內(nèi)，平整表面，進(jìn)行擊實(shí)；③拆下鋼護(hù)筒，取出擊實(shí)后的風(fēng)積沙試件，用刮刀修平試件頂部和底部，稱取擊實(shí)筒和風(fēng)積沙試件總質(zhì)量；④用推土器將試件從試筒內(nèi)推出，再由上至下從試件中心取1/4 試件直徑的土柱，裝入金屬碗中測定含水率。

水泥摻量對風(fēng)積沙干密度及含水率的影響見圖5。可知：當(dāng)水泥摻量為0 時，風(fēng)積沙擊實(shí)曲線呈明顯單峰形；隨著含水率增大，風(fēng)積沙干密度先增大后減小，最優(yōu)含水率為12.5%，最大干密度為1.61 g/cm3。這與趙瑩瑩等［11］研究結(jié)果亦存在較大差異，趙瑩瑩等認(rèn)為風(fēng)積沙擊實(shí)曲線為雙峰形，存在兩個峰值干密度。風(fēng)積沙在干燥和最優(yōu)含水率下易被壓實(shí)，具有干壓和濕壓雙重特性。

圖5 水泥摻量對風(fēng)積沙干密度及含水率影響

干燥狀態(tài)下風(fēng)積沙黏聚力基本為0，在外荷載作用下，沙顆粒發(fā)生相對移動，沙顆粒之間相互嵌合，風(fēng)積沙逐漸變得密實(shí)。當(dāng)摻入少量水時，風(fēng)積沙顆粒表面會形成一層水薄膜，其間引力降低［12-13］；隨著含水率繼續(xù)提高，顆粒之間水膜厚度增大，引力降低幅度增大。此外，由于水的潤滑作用，顆粒之間更易發(fā)生相對移動，因此風(fēng)積沙干密度逐步提高，但含水率超過一定值后，過多的水分會使風(fēng)積沙發(fā)生液化現(xiàn)象，部分外荷載作用擊實(shí)功被吸收，風(fēng)積沙干密度出現(xiàn)下降。

當(dāng)風(fēng)積沙含水率較低時，擊實(shí)后風(fēng)積沙易被振起，顆粒之間更為疏松，疏松程度甚至隨著擊實(shí)次數(shù)增多而增大。當(dāng)風(fēng)積沙含水率接近12.5%時，每次擊實(shí)后雖有部分風(fēng)積沙仍出現(xiàn)鼓起疏松現(xiàn)象，但風(fēng)積沙緊密程度隨著擊實(shí)次數(shù)增多而增大。當(dāng)風(fēng)積沙含水率較高時，風(fēng)積沙表面液化，錘擊時風(fēng)積沙向外四處飛濺，甚至部分風(fēng)積沙會黏附在擊錘上，浪費(fèi)了大量擊實(shí)功，隨著擊實(shí)次數(shù)增大，擊實(shí)筒頂部和底部有大量水從試件中滲出，如圖6所示。

圖6 風(fēng)積沙試件中滲出水分

在風(fēng)積沙中摻入水泥時，其最大干密度和最優(yōu)含水率會發(fā)生變化，見圖7?？芍?，當(dāng)水泥摻量從0 增大到4%時，最大干密度從1.61 g/cm3增大到1.76 g/cm3，增長幅度為0.16 g/cm3，最優(yōu)含水率從12.5%增大到13.5%，增長幅度為1.0%。隨著水泥摻量的增大，水泥混合風(fēng)積沙的最大干密度和最優(yōu)含水率逐步增大，但實(shí)際增長幅度較小。整體而言，水泥的摻入能致密化風(fēng)積沙內(nèi)部結(jié)構(gòu)，有效提高風(fēng)積沙的物體力學(xué)性能。

圖7 不同水泥摻量下風(fēng)積沙最大干密度和最優(yōu)含水率

水泥顆粒比風(fēng)積沙顆粒細(xì)，當(dāng)風(fēng)積沙中空隙被水泥填充時，會形成致密結(jié)構(gòu)，增大了最大干密度；同時，水泥相對密度（3.1）大于風(fēng)積沙相對密度（2.7），因此在風(fēng)積沙中摻入水泥會使最大干密度增大。水泥混合風(fēng)積沙最優(yōu)含水率增加也主要是因?yàn)樗嗟奈裕陲L(fēng)積沙顆粒間充當(dāng)潤滑劑，降低風(fēng)積沙顆粒間的摩擦力，提高壓實(shí)性能，過少的水分會使得壓實(shí)困難，因此隨著水泥摻量的增加，水泥混合風(fēng)積沙最優(yōu)含水率會增大。

由于風(fēng)積沙不吸水，且水泥含量遠(yuǎn)低于風(fēng)積沙，因此即使水泥摻量增大到11%，但最優(yōu)含水率和最大干密度實(shí)際增長幅度都較小。

2.7 直接剪切試驗(yàn)

風(fēng)積沙在干燥狀態(tài)下黏聚力（c）為0，內(nèi)摩擦角（φ）為27.4°，抗剪能力較差。風(fēng)積沙力學(xué)特性直接影響著風(fēng)積沙工程的強(qiáng)度及穩(wěn)定性，通過風(fēng)積沙直接剪切試驗(yàn)得到風(fēng)積沙抗剪強(qiáng)度參數(shù)，見圖8?？芍猴L(fēng)積沙在一定含水率狀態(tài)下黏聚力不為0，具有較低的數(shù)值，這是因?yàn)轱L(fēng)積沙比表面積較小，缺乏表面活動性，吸水性較弱，顆粒之間咬合剪脹而形成的結(jié)構(gòu)力和毛細(xì)作用產(chǎn)生的吸力使得風(fēng)積沙在一定含水率狀態(tài)下表現(xiàn)出一定的假黏聚力［11］。

圖8 風(fēng)積沙抗剪強(qiáng)度曲線

風(fēng)積沙在沙漠地區(qū)分布廣泛，作為鐵路路基基床重要的填料來源，其物理力學(xué)性質(zhì)較差，不滿足鐵路路基基床填料要求［14］，不能直接用于鐵路路基基床的填筑，應(yīng)對風(fēng)積沙進(jìn)行改良處理［15］，可往風(fēng)積沙中摻入水泥以優(yōu)化其物理力學(xué)性質(zhì)［16-18］。

3 結(jié)論

1）風(fēng)積沙主要元素為O 和Si，兩者總占比超過81%；風(fēng)積沙主要由SiO2、Al2O3和CaO 等物相組成，主要為SiO2晶體，優(yōu)勢晶面為（101）。

2）風(fēng)積沙主要粒徑為0.075～0.250 mm，占比達(dá)到97%，風(fēng)積沙粒徑均勻，級配不良；風(fēng)積沙顆粒松散，空隙率接近42%，顆粒表面無棱角或棱角較為圓滑。

3）風(fēng)積沙擊實(shí)曲線呈明顯單峰形，最大干密度和最優(yōu)含水率分別為1.61 g/cm3、12.5%，水泥混合風(fēng)積沙最大干密度和最優(yōu)含水率均隨著水泥摻量的增大而增大。

4）風(fēng)積沙理論黏聚力和內(nèi)摩擦角分別為0 和27.4°，但風(fēng)積沙在一定含水率狀態(tài)下表現(xiàn)出一定的假黏聚力。

5）風(fēng)積沙不可直接用作鐵路路基基床填料，應(yīng)對風(fēng)積沙進(jìn)行改良處理，可往風(fēng)積沙中摻入水泥以優(yōu)化其物理力學(xué)性質(zhì)。