沙漠砂的化学成分、粒度与微结构特点
为揭示利用沙漠砂合成硅酸盐材料的优势和重要性，以内蒙古西部库布齐、乌兰布和、腾格里和巴丹吉林4大沙漠为例，通过实地考察并在沙漠边缘取样，研究了该沙漠砂的理化性质。总结了国内外沙漠砂材料的研究和应用现状，分析了利用沙漠砂合成硅酸盐材料的社会效益和经济效益，指出了其发展前景和面临的主要问题。
我国沙漠占国土面积的30%以上。沙产业被认为是沙漠地区实现生态保护、经济发展和人民脱贫致富等多重目标的重要途径。但是，由于沙漠覆盖区域非常大，且大多处于偏远地区，生态化治理和发展沙产业难度极大，特别是在绵延起伏的沙丘地带，交通运输极为困难，沙漠生态化治理成本很高。
目前沙漠砂工业化应用主要有2个方向，一是在工业园区或开发区内生产城市路面透水砖和简易房屋的墙板；但是由于产业配套、生产规模和技术力量等多方面因素的限制，生产效率低、产品档次低，难以形成显著的经济效益和示范作用。二是修筑沙漠地区公路的沙土路基和路面以及生产房屋、桥梁等的混凝土浆料和构件，基本满足沙漠腹地基础建设的需求。
沙漠砂、海砂和河砂等闲置资源以及粉煤灰、煤矸石、冶金渣等工业固废已成为高品质矿物原料的替代物，一定程度上缓减了硅酸盐材料需求增长和矿物资源减少之间的矛盾，是硅酸盐工业可持续发展的一个重要方向。因此，加强沙漠砂在硅酸盐材料领域应用的研究，开发高品质、高附加值的硅酸盐材料并将其转化为工业产品，将产生比农林业更高的经济效益和社会效益，有效促进硅酸盐工业和沙漠治理的可持续协同发展。
国内有研究团队近年来一直从事利用沙漠砂合成陶瓷的研发工作。本文在考查内蒙古西部4大沙漠的基础上，系统研究以沙漠砂为基础原料合成致密陶瓷、多孔陶瓷、复相陶瓷、颗粒增强复合陶瓷和微晶玻璃等材料的工艺技术，以及从沙漠砂中提取氧化硅、氧化铝和氧化镁等技术。
沙漠砂的化学成分、粒度与微结构特点
在规模化生产中，沙漠砂的粒度、化学成分、形貌、微结构及其随沙漠中地理位置的变化等因素严重影响生产工艺和产品质量的稳定性，因此了解沙漠砂的理化性质显得非常重要。
本研究以内蒙古西部的库布齐、乌兰布和、腾格里和巴丹吉林4大沙漠为例，通过考察并取样（为了安全考虑，取样点离沙漠边缘道路约200m，取样深度为500mm）如图1所示，进行分析后发现各沙漠不同位置样品的粒度和化学成分有所不同，但是差异并不大，粒度主要分布在100~300μm之间，平均粒度在170~280μm，SiO2质量分数在80%左右，如表1和表2所示。
图1 内蒙古4大沙漠取样位置
表1 内蒙古4大沙漠取样点沙漠砂的平均粒度
表2 内蒙古四大沙漠取样点沙漠砂的化学成分（%）
以库布齐沙漠砂为例，其相组成为α-石英和低熔点的长石相如钙长石、钾/钠长石等（图2、图3）。可以预见，内蒙古西部沙漠砂相对稳定的理化性质有利于硅酸盐材料生产工艺和产品质量的控制。
图2 库布齐沙漠砂形貌及粒度分布
图3 纯石英砂和沙漠砂的相组成（XRD）
沙漠砂不同于石英砂，沙颗粒之间除了化学成分和粒度的差异之外，还存在微结构上的差异（图4）。砂颗粒可以是单相石英（图4（a））、石英—长石相混合（图4（b）~（d）），或者石英—长石—钛铁氧化物相混合（图4（e））等形式，有的颗粒还存在较多的微裂纹（图4（a）和4（f））。
（a）~（e）砂颗粒的微观结构 （f）煅烧后微结构
（g）指定点（相）的化学成分。1：微裂纹；2：氧化硅；3：长石；4：铁钛氧化物；5：孔洞
图4 库布齐沙漠砂的微观形貌和微区化学成分
利用沙漠砂合成硅酸盐材料的研究现状
国内外已经在沙漠砂材料的研发方面做了许多工作，目前开发的沙漠砂材料主要有5大类：建筑材料、玻璃与微晶玻璃、工业陶瓷、散体功能材料以及化学提取的氧化物粉体，这些材料在工业和民用领域都占有极其重要的地位。
1 建筑材料
沙土道路材料
沙漠砂最早应用于沙漠地区的道路建设，就地使用沙漠砂作为原料是最为现实的选项。沙漠砂由于粒度小、粒径分布范围窄等问题，用作沙土路基时密实性较差，难以满足路基质量的要求。工程技术人员开发了多种工艺解决这些难题，例如通过调节水含量、黏土比例和振实频率等对乌兰布和沙漠砂的密实工艺进行优化，路面密实度达到96%。
水泥熟料和混凝土
内蒙古蒙西水泥集团以乌兰布和沙漠砂替代黏土，开发了强度达到规范要求的水泥熟料。有研究表明，即使添加质量分数3%的细砂就会损害混凝土的表面性质。但是，由沙漠砂替代天然砂明显改善混凝土的工艺性，只是其强度比标准混凝土有所降低。从经济角度来看，在严重缺乏砂骨料的沙漠地区这种强度损失是完全可以接受的。
2 玻璃与微晶玻璃
通过熔化中东沙漠砂并添加黏土等辅料完全可以制成硅酸盐玻璃。另外，以库布齐沙漠砂，长石、高岭土、氧化镁和氧化铝为原料不仅能制成硅酸盐玻璃，还可以通过后续晶化工艺制成石英质和堇青石质微晶玻璃，它们都具有较高的强度和硬度，可用作高档建筑装饰和其它重要的工业零部件。
3工业陶瓷
硅酸盐陶瓷具有高硬度、耐热、耐腐蚀和耐磨损性能，在工业和民用领域得到广泛应用。利用沙漠砂替代石英并且添加其它辅助原料可以制成石英质陶瓷、镁橄榄石陶瓷（2MgO∙SiO2）、莫来石（3Al2O3∙2SiO2）陶瓷和纤维、假蓝宝石陶瓷（4MgO∙5Al2O3∙2SiO2）、堇青石陶瓷（2MgO∙2Al2O3∙5SiO2）等。
利用沙漠砂、高岭土、氧化铝等原料磨成粉末经压坯、烧结还可制成含不同比例石英相的致密陶瓷；当添加质量分数2.0%LiF并在1250烧结时，陶瓷的抗弯强度可达80MPa以上。用沙漠砂制备莫来石晶须也是沙漠砂高值化应用的成功案例。
4散体功能材料
天然沙漠砂具有储热温度高、流动性好、比表面积大、耐腐蚀等优异的物理、化学特性，可用于太阳能、风能和余热回收系统的储热材料。在腾格里沙漠边缘建成的太阳能电站，其热交换器使用了当地特定粒度范围的沙漠砂，气—固热交换效率高，成为沙漠地区推广太阳能的典范。
5高纯度氢氧化物和氧化物粉体
作为技术战略储备，从沙漠砂中提取Si、Al、Mg、Ca、Fe、Ti等的氧化物或氢氧化物也是可以实现的。比如，通过酸溶法将沙漠砂溶解成多离子溶液，借助电化学方法可以从该混合溶液中提取Si(OH)4、Fe(OH)3、Al(OH)3、Ca(OH)2和Mg(OH)2等高纯度纳米粉体，煅烧该氢氧化物又可获得氧化物粉体，这些高纯度的纳米粉体可用于制备高性能材料。
沙漠砂合成硅酸盐材料的原料成本和效益分析
硅酸盐材料在无机材料中所占比重很大，也并非所有的硅酸盐材料都必须使用优质石英砂或含SiO2 组分的黏土矿物作为原料。表3是根据部分产品、产量、沙漠砂替代比例等指标估算的产品成本和效益。例如，以修建长100km、宽20m、高3m的高速公路路基为例，用沙漠砂替代常规砂骨料可以移除约472万m³的沙漠砂，节约骨料的成本约为3.8亿元。
表3 沙漠砂替代传统原料产生的成本和社会效益分析
注：*砂石路基尺寸为100km（长）×20m（宽）×3m（高），路基密度1.7t/m³；①砂骨料：50元/t；②黏土：150元/t；③石英砂：200元/t；④高纯化合物：5万元/t；⑤沙漠砂：密度1.6t/m³，0元/t。
该项目具有很高的经济效益和生态效益，对于加快新农村建设和偏远地区脱贫攻坚步伐以及建设和谐社会都有极为重要的作用和意义。
沙漠砂材料研发和应用面临的主要问题及对策
在思想观念层面上，目前对沙漠砂的工业应用还存在相当模糊的认识，这直接导致了对沙漠砂的开发利用缺乏有效的政策和措施。其原因之一可能与近期部分硅酸盐产品产能过剩导致的对资源、环境问题的重视程度降低有关。在技术层面上也存在诸多问题。
1）沙漠砂的物理化学性质对工业化生产的工艺以及产品质量影响很大，但是目前还相当缺乏对国内各地区沙漠砂理化性质的比较研究。更为严重的问题是有的地区沙漠砂根本不能用于工业化开发，所以在项目执行前还需要认真评价沙漠砂的可用性。
2）沙漠砂的理化性质实际上不完全符合硅酸盐材料生产对原料的要求，需要做更为深入细致的工艺研究。例如沙漠砂粒度小、分布窄，用于制备砂浆或混凝土时，只能替代砂骨料中的细砂部分，而增加微细颗粒的比例又要消耗更多的水和外加剂，这在沙漠地区难度极大。
3）对硅酸盐材料的合成机理、合成工艺和性能的研究还不够深入，对产品质量的评价还不够系统，导致对产品的质量和适用性产生过多疑虑。
一方面需要从材料与制造科学、生态环境、资源、管理和政策等多个方面进行综合研究与协调，形成全社会共同的认识、明确的发展目标和具体的行动。另一方面，在已经具备条件的工业园区或者企业建立示范生产线，政府以研发经费的方式支持企业开展产品的研发工作，企业自身要积极寻求技术合作，引进人才，加强新产品的研发，解决好原料运输、设备配套、生产组织、产品销售和企业管理等一系列问题，形成畅通的经营渠道。
结 论
仍然严峻的沙漠化趋势以及硅酸盐材料的巨大需求与矿物资源减少的矛盾决定了沙漠砂工业应用的必然性，沙漠砂材料及其技术的研发与应用揭示了利用沙漠砂为原料生产硅酸盐材料的可行性。该项目以低成本绿色制造为龙头，将矿物资源节约、土地保护、沙漠生态修复和偏远地区社会经济发展有机结合起来，凸显了利用沙漠砂制造硅酸盐材料的广阔前景和巨大潜力。
利用沙漠砂制造硅酸盐材料有别于以石英砂和黏土等矿物原料生产硅酸盐材料的传统模式。实施该项目可引导硅酸盐工业转移到沙漠附近的欠发达地区。因此，在基础条件具备的沙漠附近建立硅酸盐工业基地，可以将大量闲置的沙漠砂就地转化为如前所述的工业产品，产生显著的经济效益，这有助于改善当地居民的生活水平，也有利于社会的均衡发展。
我国已经在沙漠生态化治理方面走在了世界前列，创新发展工业化沙漠治理新模式，引领硅酸盐工业可持续发展的新方向，可继续为全球提供沙漠治理—硅酸盐材料生产—矿产土地资源节约—生态环境改善—社会经济综合发展的中国方案。
作者简介：史志铭，内蒙古工业大学材料科学与工程学院，教授，研究方向为无机非金属材料。
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