淺談淡化海砂應(yīng)用前景

張藝瑩，羅作球，袁啟濤

（中建商品混凝土天津有限公司，天津 300450）

淺談淡化海砂應(yīng)用前景

張藝瑩，羅作球，袁啟濤

（中建商品混凝土天津有限公司，天津 300450）

中國河砂資源日益枯竭，致使建筑市場砂源短缺，影響整個(gè)建筑行業(yè)的發(fā)展。海砂儲量豐富，但由于含有有害成分，其應(yīng)用受到了限制。本文從海砂使用情況、河砂現(xiàn)狀、淡化海砂的應(yīng)用前景幾方面剖析了海砂作為河砂替代砂源的可行性，并指出淡化海砂由于資源豐富、淡化成本低等優(yōu)勢，未來的應(yīng)用前景廣闊。

海砂應(yīng)用；河砂；海砂淡化工藝；應(yīng)用前景

0 引言

隨著中國建筑業(yè)的蓬勃發(fā)展，作為建筑重要組成部分的混凝土，其需求量也隨之增加。砂子是混凝土主要組成材料，其用量也在逐年攀升，根據(jù) 2007 年聯(lián)合國亞太經(jīng)社會的研究報(bào)告，人均國民生產(chǎn)總值達(dá)1000 美元時(shí)，人均建筑砂的需求為每年 2t，如此推算，我國年需求建筑用砂將達(dá)到 26億t[1]，這對國內(nèi)砂源儲量是一個(gè)巨大挑戰(zhàn)。而如今中國河砂資源日益匱乏，河砂的開采也造成了生態(tài)環(huán)境的破壞，找到替代砂源變得極為迫切，因此人們將關(guān)注度轉(zhuǎn)移到了儲量豐富的海砂資源上。海砂相比于河砂有其特有的優(yōu)勢，它成本低、粒形好、含泥量低，在未來大量合理的利用海砂，成為了必然的發(fā)展趨勢，但海砂中含有較多有害的雜質(zhì)，對混凝土的耐久性能有一定的影響，因此，我們需要合理、科學(xué)的使用海砂。

1 海砂利用現(xiàn)狀

由于全球人口增長、經(jīng)濟(jì)發(fā)展引發(fā)的高速城市化和工業(yè)化進(jìn)程，同時(shí)陸地礦產(chǎn)和建筑用料資源不斷減少以及環(huán)境保護(hù)的壓力，極大地刺激了對海砂礦產(chǎn)的需求膨脹。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2003～2008 年，各國建筑用砂用量驚人，以人均消費(fèi)砂用量計(jì)，韓國為 8.5t、日本為 7.8t，美國、德國和法國都達(dá)到 7t左右，英國為 3.6t，其中海砂占了相當(dāng)?shù)谋壤?(＞30%)[2]。

海砂在混凝土中應(yīng)用存在以下問題：（1）海砂中含有的氯鹽主要有 KCl、MgCl2、CaCl2與 NaCl 等，氯離子會促使水泥中的硅酸鹽類分解，加速水化反應(yīng)的進(jìn)行，在較短的時(shí)間內(nèi)，生成較為致密的 C-S-H 膠體，造成鈣釩石的含量較少，氯化鋁酸鹽水化物的含量較多，因此可使混凝土獲得較高的早期強(qiáng)度，然而也會破壞鋼筋的鈍態(tài)保護(hù)膜，從而導(dǎo)致鋼筋腐蝕[3]；（2）海砂中含有的硫酸鹽類主要為 Na2SO4，由于SO4

2-會與水泥水化產(chǎn)物 Ca(OH)2反應(yīng)生成 CaSO4·2HO2水化物，再與水泥中的水化物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生高硫酸鋁酸鈣又稱鈣釩石，導(dǎo)致體積膨脹，使混凝土產(chǎn)生龜裂，對混凝土的耐久性影響極大[4]；（3）貝殼主要成分為 CaCO3，屬于惰性材料，一般不與水泥發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，但這些輕物質(zhì)往往呈薄片狀，表面光滑，本身強(qiáng)度很低，且較易沿節(jié)理錯(cuò)裂，而且與水泥漿的黏結(jié)能力很差。一般來說，當(dāng)貝殼類等輕物質(zhì)含量較多時(shí)，會明顯使混凝土的和易性變差，使混凝土的抗拉、抗壓、抗折強(qiáng)度等力學(xué)性能及抗凍性、抗磨性、抗?jié)B性等耐久性能均有所降低[5]，因此必須對海砂中貝殼類物質(zhì)的含量加以限制。

1.1 國外海砂使用情況

日本是最早使用海砂的國家之一，20 世紀(jì) 40 年代就開始使用海砂。日本是島國，河砂資源匱乏，根據(jù) 1994 年的統(tǒng)計(jì)，僅長崎、香川、福岡三地區(qū)的海砂年用量，就達(dá) 248711萬噸[6]。日本沿海地區(qū) 90% 以上的建筑用砂都是海砂，但未出現(xiàn)過濫用海砂和“ 海砂屋 ”等問題[7]。日本嚴(yán)格規(guī)定每立方米混凝土中氯離子含量的限定值，日本土木學(xué)會編制的規(guī)范中規(guī)定，對于耐久性要求較高的鋼筋混凝土，其氯離子總量不超過 0.3kg/m3，一般鋼筋混凝土的氯離子總量不超過 0.6kg/m3，日本規(guī)范（JASS5）規(guī)定“海砂含鹽量超過0.04% 又不得不使用時(shí)，必須采取減小水灰比、增加保護(hù)層厚度和使用阻銹劑等措施”[5]。美國混凝土學(xué)會（ACI201、ACI318、ACI222）相關(guān)規(guī)定，預(yù)應(yīng)力混凝土氯離子含量分別不超過0.06% 、0.06%、0.08%；潮濕環(huán)境下或者有氯鹽的情況下，氯離子含量不超過 0.1%、0.15%、0.2%[8]。

1.2 我國海砂使用情況

我國最早使用海砂的地區(qū)主要是寧波、舟山、深圳等地，沿海地區(qū)一直存在著河砂資源不足的情況，就福建而言，由于受土地資源嚴(yán)重不足的制約，以及大規(guī)模發(fā)展臨海工業(yè)和城市建設(shè)的需要，很大一部份土地是通過圍海造地來提供的，這樣僅福建本地就使用了大量的海砂[9]；據(jù)寧波市建筑材料管理處的調(diào)查顯示，寧波市每年建設(shè)用砂中海砂的使用量在 80% 左右，僅以 2003 年為例，寧波市建筑用砂約為1000萬t，其中用海砂 800萬t。而這 800萬t 海砂中，未經(jīng)淡化的海砂使用量高達(dá) 520 萬t，占 65%[10]。每年我國都有如此大量的海砂被使用，若沒有按相關(guān)規(guī)定要求控制海砂氯離子含量，使用不規(guī)范，將會給建筑埋下危險(xiǎn)隱患，也會對社會和人民財(cái)產(chǎn)安全造成威脅。因此，為了規(guī)范建筑市場對海砂的使用，國家及地區(qū)相繼出臺了一系列控制標(biāo)準(zhǔn)及管理辦法。

近年來，我國出臺了有關(guān)規(guī)程，對海砂及混凝土拌合物中的氯離子最大含量進(jìn)行了限定。GB50164—2011《混凝土質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，對于Ⅱ類海砂，氯化物含量應(yīng)低于0.02%，在潮濕且含有氯離子環(huán)境中，對于普通鋼筋混凝土水溶性氯離子最大含量應(yīng)為 0.10%，預(yù)應(yīng)力混凝土水溶性氯離子最大含量為 0.06%；JGJ52—2011《普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定海砂中水溶性氯離子含量應(yīng)低于0.03%。臺灣經(jīng)濟(jì)部標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)局也明確規(guī)定混凝土氯離子含量的標(biāo)準(zhǔn)為 0.3kg/m3[5]。近幾年，由于高強(qiáng)混凝土的廣泛應(yīng)用，新公布的 JGJ/T281－2012《高強(qiáng)混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》也對海砂氯離子含量限定在 ≤0.03%，這較《混凝土質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)》更嚴(yán)格，體現(xiàn)了國家規(guī)范及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對混凝土用砂從嚴(yán)控制的目的[11]。2004 年國家建設(shè)部頒發(fā)的《關(guān)于嚴(yán)格建筑用海砂管理的意見》中明確規(guī)定：“建筑工程中采用的海砂必須是經(jīng)過專門處理的淡化海砂，對鋼筋混凝土，海砂中氯離子含量不應(yīng)大于 0.06%。若必須使用海砂時(shí)，則應(yīng)經(jīng)淡水沖洗，其氯離子含量不得大于 0.02%”。住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部于2010 年 5 月 18 日發(fā)布《海砂混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》，將第3.0.1 條 “用于配制混凝土的海砂應(yīng)作凈化處理”作為強(qiáng)制性條文，必須嚴(yán)格執(zhí)行工作。

2 淡化海砂的應(yīng)用

2.1 建筑用河砂現(xiàn)狀

河砂是經(jīng)過河水多年沖刷而形成的表面光滑的砂子種類，河砂形成周期較長，它可以算是一種不可再生的資源，目前河砂的儲量隨著中國經(jīng)濟(jì)和建筑業(yè)的迅猛發(fā)展，呈現(xiàn)逐漸減少甚至枯竭的趨勢。而且，河砂的開采對生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重的破壞，每年開采的河砂，對河床及水利設(shè)施造成很大的破壞，降低了防汛能力，對環(huán)境產(chǎn)生一定的污染。因此，減少河砂的使用并尋找其替代砂源，是目前急需解決的問題。

海砂是海里的石頭在海浪的沖擊下形成的顆粒，相比于河砂，海砂具有粒形好、含泥量低、成本低等特點(diǎn)，且我國沿海地區(qū)海砂資源相當(dāng)豐富，資料顯示我國淺海砂資源總量為 1.6 萬億t，發(fā)掘潛力巨大，分布集中，適合建筑的大規(guī)模開采應(yīng)用[12]。然而，由于海水中存在大量的鈉鹽、鎂鹽，造成海砂中也大量存在這些腐蝕性鹽類，國家明確規(guī)定，未經(jīng)處理的海砂不能用于建筑上，面對儲量如此豐富的海砂，我們怎樣才能“變廢為寶”呢？我國早在 1997 年就提出了淡化海砂的概念，在借鑒其他國家使用海砂拌制混凝土先例的基礎(chǔ)上，目前，多地區(qū)已開始使用淡化海砂拌制混凝土，淡化海砂技術(shù)也在不斷的改進(jìn)和完善中。

2.2 淡化海砂工藝優(yōu)化

世界很多發(fā)達(dá)國家如英國、日本、美國等很早就開始淡化海砂的生產(chǎn)和利用。其中，日本是世界上淡化海砂最大的生產(chǎn)與使用國。日本對海砂的除鹽方法包括噴灑、浸泡、機(jī)械等方式。我國寧波地區(qū)上世紀(jì) 90 年代就開始采用機(jī)械除鹽的方法生產(chǎn)淡化海砂，積累了豐富的淡化海砂生產(chǎn)和使用經(jīng)驗(yàn)[13]。

傳統(tǒng)淡化工藝是通過淡水沖洗及篩選去除海砂中有害物質(zhì)，但淡化技術(shù)薄弱，浪費(fèi)大量淡水資源，海砂淡化后技術(shù)指標(biāo)缺乏系統(tǒng)的研究及評價(jià)，很容易造成淡化的不徹底，進(jìn)而影響混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性能。根據(jù)以上情況，天津等一些淡水缺乏的沿海城市提出使用中水—淡水處理海砂關(guān)鍵技術(shù)。中水是指污水經(jīng)處理后達(dá)到一定水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，可在一定范圍內(nèi)重復(fù)使用的非飲用、雜用水，攪拌站中水包括海水、攪拌站循環(huán)凈化中水、收集雨水等。中水的有效利用對于淡水資源缺乏的沿海城市，顯得尤其重要。中水—淡水海砂淡化工藝具體實(shí)施過程如下：首先，在沖洗前應(yīng)先進(jìn)行淡化效果試驗(yàn)，確定淡化砂水比及最佳淡化時(shí)間，以使海砂達(dá)到最佳的淡化效果；其次，利用中水進(jìn)行初步淡化，去除一部分氯離子等雜質(zhì)后，再利用淡水對海砂進(jìn)行二次淡化，通過兩次淡化，最終生產(chǎn)出符合要求的淡化海砂；最后，在解決淡化廢水排放問題上，可將淡化后用水循環(huán)使用，循環(huán)過程中對水進(jìn)行處理，去除其中氯離子等雜質(zhì)再進(jìn)行循環(huán)使用，這樣不僅可以節(jié)約淡水資源，更實(shí)現(xiàn)了變廢為寶，使淡化廢水得到了有效利用。待技術(shù)成熟后，努力實(shí)現(xiàn)海砂淡化—水質(zhì)處理—循環(huán)使用的自動(dòng)化工藝流程，并實(shí)現(xiàn)淡化廢水零排放的目標(biāo)。

2.3 淡化海砂應(yīng)用前景

2002年 寧波地區(qū)混凝土量 600～700 萬m3，其中，使用淡化海砂混凝土方量約 250 萬m3，占到 35%～40% 。據(jù)統(tǒng)計(jì)，寧波七大商品混凝土公司，2002 年商品混凝土產(chǎn)量 70 萬m3，全部使用淡化海砂。至目前為止，未有因淡化海砂的使用而導(dǎo)致工程質(zhì)量問題的報(bào)道[14]。從 2009 年后寧波地區(qū)的商混站已基本都采用淡化海砂，在 2001 年，寧波地區(qū)已經(jīng)建成投產(chǎn)淡化海砂場三十多家，年產(chǎn)淡化海砂 450 萬t[15]，生產(chǎn)一噸淡化海砂的成本與目前市場上河砂相比低 15～20 元左右，具有明顯的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢，而且淡化海砂資源豐富，作為建筑材料有很好的使用前景，是解決資源枯乏與經(jīng)濟(jì)建設(shè)需求之間矛盾的良好途徑。但目前淡化海砂沒有得到廣泛應(yīng)用，重要原因是人們對其在建筑上的應(yīng)用存在疑慮，這就需要我們借鑒日本等國家的經(jīng)驗(yàn)，依靠政府及相關(guān)學(xué)者給予的引導(dǎo)和支持，鼓勵(lì)國家制定淡化海砂在混凝土中應(yīng)用規(guī)范，實(shí)現(xiàn)海砂的華麗轉(zhuǎn)型。

3 結(jié)論

對于建筑使用海砂，雖然現(xiàn)在處于較尷尬的境地，但這并不意味著我們要拒絕使用海砂。目前，我國對淡化海砂的研究與應(yīng)用已經(jīng)有一定的積累，為淡化海砂處理工藝的優(yōu)化及海砂混凝土的推廣奠定了一定的基礎(chǔ)，但現(xiàn)在海砂淡化缺乏系統(tǒng)的研究，淡化市場比較混亂，充斥著大量的不法商家，這就需要國家及地方出臺相關(guān)政策，指導(dǎo)及規(guī)范海砂淡化市場。

隨著海砂淡化技術(shù)的發(fā)展及輔助措施的不斷成熟，淡化海砂在建筑上的應(yīng)用前景將是光明的，是解決建筑市場河砂資源短缺、“海砂屋”泛濫、建筑質(zhì)量堪憂等問題行之有效的方法。在未來，海砂淡化技術(shù)及工藝的研究將獲得更多的關(guān)注，進(jìn)而推動(dòng)建筑行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

[1] 傅建彬．海砂建筑材料資源化幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)的研究[D]．武漢．武漢大學(xué)，2005．

[2] 白鳳龍．中國海砂資源勘查、開采與可持續(xù)發(fā)展 [J]．礦床地質(zhì)．2010(29):771-772．

[3] Grattan-Bellew P E．Microstructural investigation ofdeteriorated Portland cement concretes[J]．Construction and Building Materials，1996,10(1):3-16．

[4] Dehwah H A F．Effect of sulfate concentration and associated cation type on concrete deterioration and morphological changes in cement hydrates[J].Construction and Building Materials，2007,21(1):160-165．

[5] 廖佳慶．海砂在福建地區(qū)混凝土中的應(yīng)用前景[C]. 2009GHMT第 7 屆兩岸四地工程師（臺北）論壇論文集，福建：2009:423-424.

[6] 洪乃豐．海砂對鋼筋混凝土的腐蝕與對策 [J]．混凝土，2002,(8):12-14.

[7] 張泳．沿海地區(qū)海砂利用及所引發(fā)問題的研究 [J] ．四川建筑，2006(6):129-130．

[8] 薛靖．氯離子對混凝土結(jié)構(gòu)的侵蝕作用研究[J]．建筑與工程，2009(11):620-621．

[9] 陳堅(jiān)．我國海砂資源的開發(fā)與對策[J]．海洋地質(zhì)動(dòng)態(tài)2005(21):5-6．

[10] 柳志賢．海砂的利用現(xiàn)狀及對策研究[J]．福建建材，2012(3):25-26．

[11] 吳佳健．對混凝土海砂使用中品質(zhì)控制的幾點(diǎn)思考[J]．混凝土世界，2013 (48):96-97．

[12] 陳杰林．淺析淡化海砂在混凝土中的應(yīng)用前景[J]．福建建材，2011(6):64-65．

[13] 李學(xué)文．建筑用淡化海砂的生產(chǎn)和應(yīng)用[J]．廣東建材2009(1):17-18．

[14] 史美鵬．淡化海砂在高性能混凝土中的應(yīng)用研究[J]．混凝土，2004(4):65-66．

［通訊地址］天津市臨港經(jīng)濟(jì)區(qū)渤海十六南路 289 號中建商品混凝土天津有限公司臨港站（300450）

張藝瑩，女，中建商品混凝土天津有限公司，從事混凝土原材料檢測及研究工作。