海砂快速淡化方法與淡化工藝改良研究

陳 航 耿志華 胡 慶 唐國樂

（中電建路橋集團有限公司，北京 100048）

隨著中國建筑行業的快速發展，已有的河沙資源逐漸出現供應不足的問題。未解決河沙短缺的問題，海砂代替河沙是目前新的發展方向。經過近幾十年的研究證明，淡化后的海砂適用于混凝土拌制中，可用于建筑施工領域。但是海砂與河沙相比，含有較多的氯離子、硫酸根離子、貝殼等有害于混凝土發揮性能的物質，會導致鋼筋銹蝕，降低混凝土的耐久性[1]。

目前，減少海砂中有害物質的方法是對海砂進行淡化處理，如果處理方式不當就會導致淡化海砂不符合規范要求，長期來看則會導致海砂混凝土出現耐久性問題，該類問題主要體現在鋼筋銹蝕、堿骨料反應和化學腐蝕等方面，其中由氯離子含量超標引起的鋼筋銹蝕是降低海砂混凝土耐久性的主要原因[2]。鋼筋銹蝕后會產生體積膨脹與強度降低現象，使結構開裂，進而失去耐久性與承載力。因此研究海砂的快速淡化方法與傳統淡化工藝的改良對淡化海砂的應用發展是有積極作用的[3]。

1 海砂快速淡化方法

1.1 海砂淡化對比試驗

關于海砂的淡化處理，該文試驗注重氯離子含量的變化，對硫酸根離子、貝殼等非主要影響的不利因素未進行考慮。試驗目的在于通過對比試驗確定氯離子含量最低的試驗方法，為海砂現場淡化施工提供參考依據。

1.1.1 試驗步驟

首先，該文試驗使用的海砂均為廣東汕尾地區09區塊開采而得。用于對比的3種淡化方式分別為手動淘洗、流水沖洗和淡水浸泡。其淡化處理方式分別如下：稱取800g的海砂置于玻璃容器內，使用淡水手動淘洗10min；稱取800g的海砂置于孔徑0.075mm的圓孔篩上，并用流動的淡水沖洗10min；稱取800g的海砂置于淡水中進行浸泡，浸泡時間為2h。

其次，經過上述3次淡化方式處理后，另稱取800g未經處理的海砂，將4種海砂進行烘干，冷卻到室溫后各稱取500g的樣品分開放入容器內備用，并貼好分類標簽。

再次，取500mL蒸餾水分別加入上述盛放烘干海砂的容器內，蓋上瓶蓋后浸泡2h，置于氯離子分析檢測儀器中進行測定，在檢測前的15min、10min、5min分別用玻璃棒進行攪拌，使氯鹽充分溶解。

最后，每種試樣均按上述方法檢測2次，取2次結果的算術平均值。

1.1.2 試驗結果

按上述步驟進行試驗后，結果見表1。

表1 不同淡化方式對應氯離子值

由表1可以看出，流水沖洗與手動淘洗均能有效降低氯離子含量，降低幅度度達82%以上，淡水浸泡的效果偏低，不建議應用于海砂淡化中。

在進行海砂淡化的生產現場，參照試驗結果并可根據實際情況采取機械淘洗或直接沖洗的方法。在產能較高的海砂淡化生產基地，可結合化學除氯劑的使用進一步提高產能，降低淡化海砂中氯離子的含量。

2 海砂淡化工藝改進

目前針對海砂淡化的措施有鋼筋阻銹劑法、鋼筋鍍膜法、混凝土配比優化法和淡水沖洗法等[4]。其中淡水沖洗法是我國目前應用最廣泛的淡化處理方法，但采用該方法存在淡水使用量高、資源利用率低、成本高、除氯效果不理想以及使用局限性較大的問題，因此該傳統淡水沖洗工藝需要進行工藝改良，進而解決部分存在的問題。

該文在傳統淡化除氯的方式上引入“氧化脫氯”的方法，其原理是采用先進行氧化脫氯、再進行淡水沖洗的方式，以達到降低淡水使用量、加強除氯效果的目標。

2.1 工藝原理

將開采出的海砂經過輸送皮帶機進入振動篩沙機，篩去掉貝殼等多余的雜質成分，經清洗后浸入特定比例的臭氧水溶液中，將該混合溶液攪拌2h～5h進行除氯，完成除氯作業后將海砂撈取出來并在溫度為60℃～90℃的傳送皮帶上進行加熱并進行清洗作業，得到淡化完成的海砂成品。其工藝流程圖如圖1所示。

圖1 海砂淡化新型工藝流程圖

該文重在研究海砂與除氯劑的用量比值、除氯劑的濃度與浸泡攪拌時間對海砂淡化處理后的影響關系，并由此確定海砂淡化的指標參數，優化工藝流程。參照文獻[5]進行評價。

2.2 除氯劑的濃度對海砂淡化的影響

試驗環境選在實驗室內，其中除氯劑為臭氧水。制備臭氧水的方法為在室內環境溫度下使用臭氧水機產生臭氧，并持續通入蒸餾水中，蒸餾水溫度保持在25℃。同時為測定臭氧通入時間與臭氧水中臭氧濃度的關系，按一定時間進行連續取樣并按碘量法進行濃度測定。然后按不同濃度的臭氧水進行海砂的除氯作業，其結果如表2和圖2所示。

圖2 臭氧在水中隨通入時間的濃度變化曲線

表2 臭氧水濃度與海砂除氯后氯含量效果的影響

由表2與圖2可知，當蒸餾水溫度為25℃時，臭氧水中臭氧濃度在持續通入15min后達到飽和，飽和時濃度為120.5mg/L，并且臭氧濃度越高，其除氯效果越強，即氯離子與臭氧的反應越充分，當臭氧濃度達到飽和后氯離子含量降到0.008%。由此可知，在海砂淡化生產過程中應使臭氧水濃度達到飽和，以此保持良好的除氯效果。

2.3 臭氧水隨時間分解規律

臭氧在水中較不穩定，如未采取降溫加壓的措施，臭氧濃度隨著時間會逐漸降低。因此在海砂淡化生產中需要對臭氧的分解規律有正確的認識。為研究其分解規律，在實驗室內按上述方法制備臭氧水的飽和溶液，每隔1h進行取樣并按碘量法進行濃度測定，得到臭氧水濃度隨時間的分解情況表，并繪制出臭氧水隨時間的臭氧濃度曲線圖，如表3與圖3所示。

圖3 臭氧水隨時間的臭氧濃度曲線圖

表3 臭氧水濃度隨時間的分解情況表

由表3與圖3可知，臭氧水中臭氧濃度在未采取降溫加壓的措施下，隨著放置時間的增長臭氧濃度不斷降低，并且在0h～2h內下降速度最快，放置時間達到2h后臭氧濃度下降到飽和濃度的一半左右，當放置時間達到6h后臭氧濃度下降幅度超過90%。因此在海砂淡化過程中，在不采取降溫加壓的措施下，臭氧浸泡池內應不斷補充臭氧，保持臭氧濃度達到飽和狀態，防止臭氧分解后除氯效果降低。

2.4 海砂與除氯劑的用量比值

為降低將臭氧作為除氯劑產生的生產成本，需要得到最佳的海砂與除氯劑的用量比值。試驗采用臭氧水為飽和濃度，即臭氧濃度為120.5mg/L，并在試驗過程中保持臭氧的通入，使其一直維持在飽和濃度。浸泡攪拌的淡化作業時間均為3h，海砂試樣均為100g，將不同重量的臭氧水進行淡化作業后測定海砂的氯離子含量、含泥量與泥塊含量。試驗結果見表4。

表4 不同臭氧水質量下的海砂淡化效果

由表4可以看出，在海砂質量為100g時，隨著臭氧水質量的增加，淡化效果加強，當臭氧水質量在500g以上時氯離子含量、含泥量和泥塊含量基本保持不變，氯離子含量最低為0.008%。這是因為當氯離子占比低于一定數量時，氯離子與臭氧的接觸反應大大降低，此時氯離子含量基本保持不變。考慮生產成本，當海砂質量∶臭氧水質量在1∶5以上時，可達到最優的用量比值。

2.5 除氯反應時間

當脫氯反應進行到一定程度后，反應析出的氯氣在溶液里達到飽和狀態，反應趨于平衡，在現有條件下無法再進一步降低氯離子含量，因此除氯反應的時間應進行試驗確定。采用臭氧水為飽和濃度，即臭氧濃度為120.5mg/L，并在試驗過程中保持臭氧的通入，使其一直維持在飽和濃度。海砂質量與臭氧水質量之比為1∶5。通過改變攪拌反應時間并取樣按碘量法進行濃度測定，得到的結果見表5。

表5 不同除氯反應時間下的海砂淡化效果

由表5可知，隨著反應時間的增長，氯離子含量有明顯降低，但當反應時間到4h以上時，氯離子含量無明顯變化，此時反應析出的氯氣在溶液里達到飽和狀態，無法再進一步降低氯離子含量。因此除氯反應時間控制在4h左右為宜。

3 淡化海砂的應用

海砂直接用于混凝土中造成的問題主要是鋼筋的發生腐蝕破壞，進而影響混凝土結構的安全性，而鋼筋的腐蝕破壞主要是由混凝土中的氯離子引起的相關反應，因此海砂應用于混凝中應嚴格控制氯離子的含量。通常認為當拌制的混凝土液相內氯離子與氫氧根離子的比值大于0.61時，混凝土會出現銹蝕情況[6]，根據該理論，國內外規范以此為基準制定了混凝土氯離子的上限值，當滿足該條件時，海砂可應用于混凝土施工中。

當淡化后的海砂應用于混凝土施工中時，為控制海砂混凝土中氯離子的含量，控制混凝土性能，應注意如下事項：1）使用合格的淡化海砂材料。在混凝土的原材料中，主要引起氯離子含量上升的材料為砂，因此選用合格的淡化海砂時控制混凝土氯離子含量的有效手段。2）選用合適的配合比。混凝土中加入適當礦物摻和料能通過自身性質與化學反應抑制與固化氯離子，可有效降低混凝土拌合液中游離的氯離子含量。同時，凝固成型后的混凝土也有一定抗氯侵入的能力，混凝土的耐久性能得到有效提高。但應控制摻入的比例，如果摻入過多，對混凝土的水膠比有較大影響，進而抑制外加劑中粉煤灰的和礦渣對混凝土的性能貢獻，因此應進行試驗，確定合適的配合比。3）及時檢測氯離子含量。為有效控制氯離子含量，在混凝土拌制完成后應使用電極法進行氯離子的含量檢測，確保混凝土的安全防線，保障混凝土結構的使用年限。

4 結論

該文所用的海砂均為廣東汕尾09區塊開采所得，并基于海砂混凝土的破壞原理研究改良了海砂的淡化工藝，形成如下結論：1）流水沖洗與手動淘洗均能有效降低氯離子含量，降低幅度度達82%以上，淡水浸泡的效果偏低，不建議應用于海砂淡化中。2）臭氧濃度越高，其除氯效果越強，當蒸餾水溫度為25℃時，臭氧水中臭氧濃度在持續通入15min后達到飽和，飽和時濃度為120.5mg/L。3）臭氧水中臭氧濃度在未采取降溫加壓的措施下，隨著放置時間的增長，臭氧濃度不斷降低，在海砂淡化過程中應不斷補充臭氧，保持臭氧濃度達到飽和狀態。4）考慮生產成本，當海砂質量∶臭氧水質量在1∶5以上時，可達到最優的用量比值。5）隨著反應時間的增長，氯離子含量會明顯降低，但有下限值，除氯反應時間控制在4h左右為宜。