淡化海砂應用現狀及前景

陸 峰

上海建工集團股份有限公司 上海 200080

在建筑業中使用混凝土材料已有百余年的歷史，依據近期的研究報告推算，國內每年建筑用砂需求量可達26億～30億 t[1]，這使得河砂資源短缺現狀日益嚴峻[2]。另外，河砂的開采也對當地的生態環境造成不可逆轉的損害，這與節約資源和保護環境的基本國策相悖。因此，合理利用海砂資源，緩解沿海地區河砂資源不足的問題，已成為當務之急。

我國海砂儲量豐富，已探明儲量約1.6萬億 t[3]，且未處理海砂的價格低廉，僅約為河砂價格的70%[4]，廣大沿海地區常采用海砂作為建筑用砂以緩解天然河砂供應困難的窘境。然而，未經處理的海砂中含有大量氯鹽、重金屬鹽、貝殼雜質以及有害雜質等，并不能直接用于建筑工程領域，否則將導致“海砂屋”問題。以海南省為例，DBJ 46-018—2019《海南省預拌混凝土應用技術標準》中將砂的氯離子含量列為必檢項目，其中，規定鋼筋混凝土用砂氯離子含量不得大于0.02%，預應力混凝土用砂氯離子含量不得大于0.01%，以此杜絕偷用海砂所帶來的建筑質量問題。因此，如需使用海砂作為建筑用砂，需對其進行二次處理。我國早在1997年就提出了淡化海砂的概念，淡化海砂是指將開采出來的海砂經淡水沖洗處理凈化后而形成的天然砂。隨后GB/T 14684—2011《建設用砂》[5]將其作為天然砂分類予以明確，并于2016年形成建工行業建設標準JG/T 494—2016《建筑及市政工程用凈化海砂》[6]。目前，受天然河砂消耗量增加、儲備量不足以及價格攀升的影響，我國已有部分地區開始逐步將淡化海砂作為建筑用砂使用并制定了相應的標準。

本文簡要介紹當前淡化海砂開采應用的一些現狀，為后續淡化海砂在工程中的持續應用提供參考。

1 淡化海砂開發現狀及前景

1.1 國外淡化海砂開發現狀及前景

河砂的缺乏導致眾多國家將目光轉向海砂，如英國、日本、荷蘭、美國、德國、丹麥、法國等[7]。圖1為各國采用海砂作為建筑原材料的用量。據調查[8-10]，2002年至2006年，荷蘭海砂年使用量達2 907萬 m3，其次是英國（1 313萬 m3）、德國（757萬 m3）、丹麥（701萬 m3）；荷蘭占比為49.2%，英國為66.6%，丹麥為59.9%；比利時每年僅使用163萬 m3海砂，但其中93.8%用于建筑；丹麥近40%的海砂用于日德蘭半島沿岸的修復項目。Xiao等[11]的研究指出，海砂在用于混凝土之前需用淡水（例如淡化海砂）適當清洗，以避免鋼筋混凝土結構中出現鋼腐蝕問題。

圖1 各國海砂用量

淡化海砂的大規模生產和使用始于20世紀30年代[12]。在歐洲眾國中，海洋骨料總開采量的80%由英國、荷蘭及丹麥所供應。英國是最早在混凝土中使用淡化海砂作為細骨料的國家[13]。從20世紀發展至今，英國目前坐擁世界上最大的海洋骨料產業。從2000年至2004年，英格蘭和威爾士沿岸海砂和砂礫的開采量超過2 100萬 t/a，其中建筑用骨料的總量中淡化骨料約占17%[14]。截至2005年，其建設項目中已經使用了約5.82億 t的海洋骨料[15]。2008年數據顯示，英國海洋骨料的供應量約為2 220萬 t/a，占其建筑行業所用集料總量的66.7%[15]。

早在1973年，淡化海砂就已成為日本混凝土生產中細骨料的主要來源之一[16]，據統計，其海砂的開掘量約為9 100萬 m3/a，且約有40%的高品質砂被加工成水泥構件產品銷往海外[17]。目前，海砂已成為日本沿海地區9成以上建筑用砂的首選。2011年數據顯示，日本使用了約7 000萬 t細骨料生產預拌混凝土，其中淡化海砂占12.2%[18]，且這些采用淡化海砂的工程項目尚未出現建筑安全事故。這是由于日本對建筑用海砂進行了嚴苛的除鹽處理，使經脫鹽處理后的海砂氯離子含量低于其國家標準及行業規范[19]。

1.2 國內淡化海砂開發現狀及前景

海洋骨料開采與沿海經濟帶的人口增長和工業化水平密切相關。近20年來，中國沿海地區經濟快速發展，使得對海洋骨料總量的需求以每年30%的速度增加[20]。由于天然河砂資源總量逐漸枯竭，及國家對環保的要求，因而制定了更嚴苛的條例，這使得海砂與砂礫資源成為首選。在長江沿岸經濟區，低廉的淡化海砂成本也刺激了其實際需求。據不完全統計，2006年總需求量已達數億噸[20]。

國內最早利用淡化海砂作為河砂替代品的有寧波、舟山、深圳等沿海河砂資源短缺地區。由于寧波地區土地資源的嚴重短缺，以及沿海工業和城市建設的發展需求，海砂則成為了首選。因此，該地區的淡化海砂產業于20世紀90年代初期迅猛發展，形成我國最大的淡化海砂生產銷售區域。寧波市于2003年制定了《寧波市建筑工程使用海砂管理規定（試行）》，使淡化海砂的應用標準規范化。至2009年，大部分的寧波預拌混凝土公司使用的是淡化海砂，且未出現因淡化海砂使用而導致的安全事故[21]。寧波建筑工程中淡化海砂的成功應用，為淡化海砂的推廣提供了基礎。然而，從寧波市國土資源部門的有關統計來看，目前寧波舟山海域的海砂資源逐漸枯竭，可開采量下滑至逾10 000億 t，而寧波市場上的淡化海砂需求量約為3 000萬 t/a[22]，這使得偷用不合格淡化海砂以及原狀海砂的問題日趨嚴重。因此，為從源頭上解決此問題，政府部門為禁止淡化海砂而逐步推廣機制砂作為替代材料[23]。

由于受河流與水域的沖刷以及港灣封閉的雙重影響，福建海域形成了富饒的海洋砂礦資源，其中已探明的砂帶19條，砂礦產地50余條，這為福建地區淡化海砂的發展提供了物質資源前提。2008年，泉州市印發的《關于規范建設工程用砂管理的通知》[24]指出，政府相關部門應積極開展淡化海砂的研究，以約束規范淡化海砂企業的生產及經營行為。福建省經信委于2017年表示，省內對原狀海砂的淡化技術日趨成熟，但還不具備全面推廣的條件，仍需對后續的市場需求及相關政策導向進行觀望[25]。而廈門市于2018年建成產量約500萬 t/a淡化海砂一期基地[26]，其經淡化后的原狀海砂質量符合國家標準，為廈門市內工程建設用砂提供保障。福建省限制淡化海砂使用的政策與廈門市淡化海砂的推行二者間存在著矛盾，不利于淡化海砂后續持久長效的工程應用。

海南省的海砂資源經勘測發現[27]，島內除東線（文昌、萬寧）以及西線（儋州、臨高）的部分地區海岸多為基巖或礫石外，砂質沉積物環島錯落分布。有報告指出[28]，海砂尤其在萬寧至三亞的東線、樂東至東方的西線一帶海灣內儲量豐富。此外，西部沿岸、瓊州海峽的東口以及瓊西淺海區也蘊藏著豐富的海砂資源，其開采潛力巨大[29]。海南省地質局的河砂資源勘察結果顯示[30]，海南省內天然河砂資源儲存量僅為5億 m3，而海南省具有開采潛力巨大的海砂資源，因此，科學合理、依法合規地對這些海砂資源進行采掘，可有效解決島內建筑施工所需建筑用砂資源問題。在海南自由貿易港政策的引導下，國家相關政府頒布的《海南自由貿易港鼓勵類產業目錄（2020年本）》中表示，從事淡化海砂的相關企業預期將獲得15%所得稅率。以此政策為導向，三亞崖州擬建立可對海砂淡化處理量為300萬 m3/a的大型海砂淡化基地，后續還將在海口、洋浦及東方等地區繼續籌建多個海砂淡化項目，為保障海南島自由貿易港的工程建設保駕護航。

然而，除以上個別沿海地區外，目前淡化海砂并未廣泛應用，甚至一部分城市禁止使用淡化海砂，究其原因是對在建筑上采用淡化海砂而引發安全性問題的疑慮。為此，須以日本等國家的經驗為借鑒，以政府及學者的引導和支撐為導向，以國家淡化海砂相關標準為基礎，以期海砂應用的全國化推廣。

2 淡化海砂在工程中應用

淡化海砂在工程中應用的可行性早有論證。早在1997年，寧波市城鄉建委就已采用淡化海砂作為重要的科技研發成果在土建項目中進行推廣應用。目前，寧波與舟山地區淡化海砂已成為主要的建筑用砂，占比在90%以上[31]。寧波建筑工程集團采用淡化海砂成功生產出C60泵送混凝土配方[21]，并將其應用在后續先張法管樁的制作中，獲得了質量優異的“拳頭”產品，并在寧波的管樁市場中占據較高市場份額[32]。中港三航四公司經過為期1年的論證，于1998年開始先后在其協和石化碼頭、長江口整治小黃龍出料碼頭、金漸石化碼頭、金山石化2.5萬 t碼頭等項目中成功應用淡化海砂[33]，后續的監測表明采用淡化海砂并未對混凝土結構質量造成影響。

上海寶鋼在其1998年開工的馬跡山港25萬 t級礦石中轉碼頭項目中，為節約建造成本，成功將淡化海砂作為混凝土原材料進行施工建造，此項目中淡化海砂的利用率高達80%左右[34]。該項目竣工驗收時質量核定為優良，節約成本53.4～80.8萬元[35]，且此項目完工后的使用過程中并未出現質量與安全問題的報道。淡化海砂除成功應用在港口碼頭等水工工程外，在道路工程中也應用較多。范軼[36]依托汕尾路段改建工程，將淡化海砂應用于其混凝土路面及水泥砂漿薄層罩面中，且經濟成本相較天然河砂混凝土降低4.6元/m3。在中冶集團斯里蘭卡機場高速公路（CKE）項目中，由于該國建筑資源短缺，可利用砂為海砂，而國內采購河砂成本較高，故最終采用海砂淡化技術，成功將海砂進行淡化處理并應用于項目中[37]。

3 結語

隨著天然河砂資源的日益枯竭，海砂資源可緩解河砂供應不足的窘境，然而海砂因其氯鹽含量超標等問題而未能得到大范圍的推廣與應用。如果相關政府職能部門在后續能對海砂質量進行嚴格監管并頒布相關政策措施，使得海砂經淡化處理后在建筑中的應用得到大眾認可，打消固有“海砂屋”的認知疑慮，那么淡化海砂作為建筑用砂的應用范圍將得到拓展。