淺談淡化海砂應用前景

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，未來的應用前景廣闊。

海砂應用；河砂；海砂淡化工藝；應用前景

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)社會的研究報告，人均國民生產(chǎn)總值達1000 美元時，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到 26億t[1]，這對國內(nèi)砂源儲量是一個巨大挑戰(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、科學的使用海砂。

1 海砂利用現(xiàn)狀

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

海砂在混凝土中應用存在以下問題：（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，加速水化反應的進行，在較短的時間內(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度，然而也會破壞鋼筋的鈍態(tài)保護膜，從而導致鋼筋腐蝕[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反應生成 CaSO4·2HO2水化物，再與水泥中的水化物發(fā)生化學反應，產(chǎn)生高硫酸鋁酸鈣又稱鈣釩石，導致體積膨脹，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)生化學反應，但這些輕物質(zhì)往往呈薄片狀，表面光滑，本身強度很低，且較易沿節(jié)理錯裂，而且與水泥漿的黏結(jié)能力很差。一般來說，當貝殼類等輕物質(zhì)含量較多時，會明顯使混凝土的和易性變差，使混凝土的抗拉、抗壓、抗折強度等力學性能及抗凍性、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 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，僅長崎、香川、福岡三地區(qū)的海砂年用量，就達 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，必須采取減小水灰比、增加保護層厚度和使用阻銹劑等措施”[5]。美國混凝土學會（ACI201、ACI318、ACI222）相關規(guī)定，預應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 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隱患，也會對社會和人民財產(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準及管理辦法。

近年來，我國出臺了有關規(guī)程，對海砂及混凝土拌合物中的氯離子最大含量進行了限定。GB50164—2011《混凝土質(zhì)量控制標準》規(guī)定，對于Ⅱ類海砂，氯化物含量應低于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為 0.10%，預應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)量及檢驗方法標準》規(guī)定海砂中水溶性氯離子含量應低于0.03%。臺灣經(jīng)濟部標準檢驗局也明確規(guī)定混凝土氯離子含量的標準為 0.3kg/m3[5]。近幾年，由于高強混凝土的廣泛應用，新公布的 JGJ/T281－2012《高強混凝土應用技術規(guī)程》也對海砂氯離子含量限定在 ≤0.03%，這較《混凝土質(zhì)量控制標準》更嚴格，體現(xiàn)了國家規(guī)范及行業(yè)標準對混凝土用砂從嚴控制的目的[11]。2004 年國家建設部頒發(fā)的《關于嚴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大于 0.06%。若必須使用海砂時，則應經(jīng)淡水沖洗，其氯離子含量不得大于 0.02%”。住房和城鄉(xiāng)建設部于2010 年 5 月 18 日發(fā)布《海砂混凝土應用技術規(guī)范》，將第3.0.1 條 “用于配制混凝土的海砂應作凈化處理”作為強制性條文，必須嚴格執(zhí)行工作。

2 淡化海砂的應用

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)境造成嚴重的破壞，每年開采的河砂，對河床及水利設施造成很大的破壞，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，且我國沿海地區(qū)海砂資源相當豐富，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，淡化海砂技術也在不斷的改進和完善中。

2.2 淡化海砂工藝優(yōu)化

世界很多發(fā)達國家如英國、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、機械等方式。我國寧波地區(qū)上世紀 90 年代就開始采用機械除鹽的方法生產(chǎn)淡化海砂，積累了豐富的淡化海砂生產(chǎn)和使用經(jīng)驗[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)，但淡化技術薄弱，浪費大量淡水資源，海砂淡化后技術指標缺乏系統(tǒng)的研究及評價，很容易造成淡化的不徹底，進而影響混凝土結(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—淡水處理海砂關鍵技術。中水是指污水經(jīng)處理后達到一定水質(zhì)標準，可在一定范圍內(nèi)重復使用的非飲用、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施過程如下：首先，在沖洗前應先進行淡化效果試驗，確定淡化砂水比及最佳淡化時間，以使海砂達到最佳的淡化效果；其次，利用中水進行初步淡化，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)過程中對水進行處理，去除其中氯離子等雜質(zhì)再進行循環(huán)使用，這樣不僅可以節(jié)約淡水資源，更實現(xiàn)了變廢為寶，使淡化廢水得到了有效利用。待技術成熟后，努力實現(xiàn)海砂淡化—水質(zhì)處理—循環(huán)使用的自動化工藝流程，并實現(xiàn)淡化廢水零排放的目標。

2.3 淡化海砂應用前景

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，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致工程質(zhì)量問題的報道[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)濟建設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用，重要原因是人們對其在建筑上的應用存在疑慮，這就需要我們借鑒日本等國家的經(jīng)驗，依靠政府及相關學者給予的引導和支持，鼓勵國家制定淡化海砂在混凝土中應用規(guī)范，實現(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，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政策，指導及規(guī)范海砂淡化市場。

隨著海砂淡化技術的發(fā)展及輔助措施的不斷成熟，淡化海砂在建筑上的應用前景將是光明的，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，海砂淡化技術及工藝的研究將獲得更多的關注，進而推動建筑行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

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［通訊地址］天津市臨港經(jīng)濟區(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。