海砂混凝土的研究和應(yīng)用綜述★

趙嘉瑋 薛瑞豐

(內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010050)

海砂混凝土的研究和應(yīng)用綜述★

趙嘉瑋 薛瑞豐

(內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010050)

通過(guò)大量國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)，從海砂的應(yīng)用現(xiàn)狀、海砂混凝土力學(xué)性能、海砂混凝土的淡化處理及其腐蝕性能、未經(jīng)淡化處理海砂混凝土的研究等方面出發(fā)，對(duì)海砂混凝土的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)，就海砂混凝土的應(yīng)用前景提出了一些看法。

海砂，混凝土，氯離子含量，海砂淡化

0 引言

隨著各國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展和建設(shè)規(guī)模日益擴(kuò)大，混凝土用量相應(yīng)增加，導(dǎo)致很多沿海城市面臨河砂資源枯竭的困境，而沿海地區(qū)海砂資源卻非常豐富，因此在沿海地區(qū)合理利用海砂資源，成為各國(guó)緩解河砂資源不足的一種有效方式。

海砂成分除貝殼外(成分為CaCO3)，與河砂大致相同，但未經(jīng)處理的海砂含有大量氯鹽及硫酸鹽，不能直接用于傳統(tǒng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，因此各國(guó)學(xué)者紛紛圍繞海砂淡化、海砂混凝土的耐久性等方面問(wèn)題進(jìn)行深入研究，以期望海砂作為建筑用砂代替河砂。

1 海砂混凝土腐蝕性能研究現(xiàn)狀

有關(guān)海砂混凝土腐蝕性能的研究相對(duì)較多，國(guó)內(nèi)有代表性的研究者主要有洪乃豐、干偉忠、肖建莊和殷惠光。

洪乃豐[1- 4]先后發(fā)表了幾篇文獻(xiàn)闡述了濫用海砂的危害性，海砂混凝土的銹蝕機(jī)理及其防范措施。干偉忠等[5]對(duì)影響鋼筋銹蝕進(jìn)行了快速耐久性試驗(yàn)，試驗(yàn)主要考慮了混凝土強(qiáng)度、保護(hù)層厚度、鋼筋直徑、氯離子含量對(duì)鋼筋銹蝕的影響。試驗(yàn)表明：同等條件下，混凝土強(qiáng)度高鋼筋銹蝕??；混凝土保護(hù)層厚度大鋼筋銹蝕??；Cl離子含量高鋼筋銹蝕程度大。

肖建莊等[6]對(duì)比研究了淡化海砂、海砂和河砂高性能混凝土的氯離子滲透性，共設(shè)計(jì)了C60和C80兩種強(qiáng)度的高性能混凝土12組，每組3個(gè)試件，研究了齡期為90 d和120 d的混凝土滲透性，C80混凝土的滲透性比C60要小，海砂的滲透性最大，河砂的最小，淡化海砂滲透性居中。

殷惠光等[7,8]通過(guò)試驗(yàn)研究了砂的種類(海砂、河砂、海砂和河砂混合)、水膠比、復(fù)合超細(xì)粉摻量、種類以及養(yǎng)護(hù)時(shí)間五種因素對(duì)混凝土抗氯離子滲透性的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明五種因素影響最大的是復(fù)合超細(xì)粉摻量，其次是水膠比，然后是養(yǎng)護(hù)時(shí)間，其他兩種因素影響甚微，在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，利用多元線性回歸方法提出一種預(yù)測(cè)混凝土抗氯離子滲透性的數(shù)學(xué)模型。國(guó)外學(xué)者研究了海砂混凝土的耐久性、氯離子含量、阻銹劑效應(yīng)等[9,10]。

2006年，由深圳大學(xué)邢鋒主持的國(guó)家自然科學(xué)基金課題《海砂混凝土腐蝕破壞特性與機(jī)理研究》(項(xiàng)目編號(hào)：50578095)對(duì)NaCl浸泡的河砂模擬海砂中氯離子的擴(kuò)散，水泥凝膠體與氯離子的結(jié)合特性、鋼筋銹蝕等方面進(jìn)行了微觀方面研究，發(fā)表了系列文章[11-15]。

國(guó)外學(xué)者研究了海砂混凝土的耐久性、氯離子含量、阻銹劑效應(yīng)等[16,17]。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，控制氯離子含量可有效提高淡化海砂混凝土的耐久性、添加適當(dāng)阻銹劑可有效提高淡化海砂鋼筋混凝土的耐久性。

陸續(xù)還有許多學(xué)者[9,17]對(duì)海砂混凝土進(jìn)行了研究，經(jīng)過(guò)這些學(xué)者的大量研究可以發(fā)現(xiàn)，嚴(yán)格控制氯離子含量，淡化海砂可以代替河砂用于傳統(tǒng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，采用阻銹劑等阻隔氯離子的方式也可以防止鋼筋銹蝕。各國(guó)根據(jù)以上研究成果，都給出了淡化海砂氯離子含量限值規(guī)定。

2 國(guó)內(nèi)外對(duì)使用海砂混凝土氯離子含量限值規(guī)定

中國(guó)：1)對(duì)鋼筋混凝土，海砂中氯離子含量不應(yīng)大于0.06%。2)對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土不宜用海砂。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%。3)建筑工程中采用的海砂必須是經(jīng)過(guò)專門處理的淡化海砂。公共建筑或者高層建筑不宜采用海砂。鋼筋混凝土抹灰面層不得采用未處理的海砂作砂漿。采用海砂的建筑工程應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格檢查工程質(zhì)量；對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的混凝土保護(hù)層不符合規(guī)范要求的，必須進(jìn)行處理后，才能進(jìn)入下一工序。日本：BS:882:1992規(guī)定，淡化海砂中氯離子當(dāng)用于普通混凝土結(jié)構(gòu)中，氯離子的含量占骨料總質(zhì)量，必須控制在0.1%之內(nèi)，如果用于預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，必須控制在0.05%。BS:882:1997規(guī)定，淡化海砂中氯離子當(dāng)用于普通混凝土結(jié)構(gòu)中，氯離子的含量占水泥總質(zhì)量的比例，必須控制在0.4%之內(nèi)，如果用于預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，必須控制在0.1%之內(nèi)。

日本各部門對(duì)氯離子含量限制見(jiàn)表1。

表1 日本各部門對(duì)氯離子含量的規(guī)定 %

美國(guó)混凝土協(xié)會(huì)的相關(guān)規(guī)定見(jiàn)表2。

表2 美國(guó)相關(guān)規(guī)定(氯離子含量占總水泥的重量)

許多國(guó)家都延用美國(guó)規(guī)范。

3 海砂混凝土力學(xué)性能研究現(xiàn)狀

文獻(xiàn)[18]的作者調(diào)查了東京地區(qū)1999年8月17日和1998年6月27日兩次地震鋼筋混凝土房屋破壞和倒塌情況，調(diào)查發(fā)現(xiàn)混凝土質(zhì)量太差是導(dǎo)致結(jié)構(gòu)在地震發(fā)生時(shí)破壞的主要原因之一，其中大量房屋發(fā)現(xiàn)使用沒(méi)有經(jīng)過(guò)處理的海砂，導(dǎo)致鋼筋銹蝕嚴(yán)重，而且作者對(duì)破壞混凝土進(jìn)行化學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，這些混凝土中氯離子含量是使用河砂混凝土氯離子含量的20多倍，并對(duì)海砂混凝土和河砂混凝土的力學(xué)性能進(jìn)行了試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)海砂混凝土的強(qiáng)度比河沙混凝土強(qiáng)度低60%，海砂的級(jí)配也比河砂要差。因此如果采用不加淡化的海砂，有關(guān)它的力學(xué)性能必須進(jìn)行相關(guān)研究。

淡化海砂力學(xué)性能與河砂力學(xué)性能比較的文獻(xiàn)非常少，文獻(xiàn)[19]對(duì)挖掘海砂混凝土與河砂的混凝土進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)研究，主要研究挖掘海砂對(duì)混凝土和易性、力學(xué)性能、耐久性的影響。試驗(yàn)共設(shè)計(jì)了三種混凝土，一種為常規(guī)混凝土，設(shè)計(jì)強(qiáng)度為30 MPa,采用常規(guī)河砂細(xì)骨料，水泥采用快凝水泥，骨料采用石灰石碎料，共有四種尺寸，分別為0 mm～2 mm，0 mm～5 mm，5 mm～12 mm，12 mm～20 mm；第二種混凝土用挖掘海砂代替0 mm～2 mm的細(xì)骨料，其他相同；第三種為用挖掘海砂代替0 mm～2 mm的細(xì)骨料，并在混凝土中添加塑料纖維。其中挖掘海砂從海中挖出后，在海邊堆放3個(gè)月干燥后使用。海砂中氯離子含量最高為所有骨料重量的0.046%，SO3含量為0.038%，符合規(guī)范UNE-EN 1744-1對(duì)氯離子和硫化物含量的限值要求。水灰比也控制在規(guī)范UNE-EN 1744-1要求0.5的限值之內(nèi)。

用上述三種混凝土分別澆筑了三條15 m長(zhǎng)，5 m寬，25 cm厚的港灣路，并在澆筑路面的時(shí)候同時(shí)澆筑了標(biāo)準(zhǔn)棱柱體試塊。主要試驗(yàn)測(cè)試了棱柱體試塊的坍落度和標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d后的力學(xué)性能。并在150 d后選取澆筑的路面核心進(jìn)行了試驗(yàn)。還進(jìn)行了滲透性試驗(yàn)和毛細(xì)系數(shù)試驗(yàn)，以比較挖掘海砂混凝土的耐久性。

三種混凝土的坍落度試驗(yàn)值分別為17 cm,22 cm,19 cm，相差不大，說(shuō)明海砂對(duì)混凝土的和易性沒(méi)有影響，采用海砂細(xì)骨料的混凝土坍落度反而要比石灰石磨碎細(xì)骨料的和易性要好。

試驗(yàn)結(jié)果三種混凝土的抗壓強(qiáng)度分別為39 MPa，36 MPa，33 MPa，三種混凝土的力學(xué)性能相差不大。

文獻(xiàn)[20]對(duì)含鹽量、貝殼含量對(duì)海砂海水混凝土強(qiáng)度的影響進(jìn)行了深入研究，研究發(fā)現(xiàn)隨著含鹽量的增加，混凝土強(qiáng)度下降；隨著貝殼含量的增加，混凝土強(qiáng)度下降，但是只要貝殼含量和含鹽量控制在一定范圍，海砂海水混凝土可作為建筑用混凝土材料使用。

有關(guān)淡化海砂與傳統(tǒng)河砂混凝土力學(xué)性能的比較還沒(méi)有查到相關(guān)文獻(xiàn)，可能是以下兩方面的原因：1)海砂和河砂的主要區(qū)別是海砂中含有大量的氯離子和氧化物，如果把氯離子控制在不對(duì)鋼筋造成銹蝕危害的含量，去除一定的貝殼，海砂從級(jí)配等方面與河砂具有相同的性質(zhì)；2)查閱文獻(xiàn)從近期向早期推進(jìn)，目前查閱到的文獻(xiàn)都是比較近期的，而海砂混凝土的研究最早開(kāi)始于1965年，所以有關(guān)的力學(xué)性能研究可能是在早期進(jìn)行的，還沒(méi)有查閱到，所以后續(xù)還要繼續(xù)查閱。

4 海砂混凝土應(yīng)用

使用海砂于傳統(tǒng)混凝土結(jié)構(gòu)中，首先要嚴(yán)格進(jìn)行除鹽處理，使其達(dá)到合格后才能使用。但是，由于未經(jīng)處理的海砂的價(jià)格僅為河砂的1/3～1/4[21]，這使得在某些建筑結(jié)構(gòu)施工中，以公開(kāi)或隱蔽的方式使用未經(jīng)處理的海砂，導(dǎo)致建筑物成為了“海砂屋”，比較出名的事件有臺(tái)灣“海砂屋”事件[22]。韓國(guó)曾濫用過(guò)海砂，其中最大的事件是漢城“三豐大廈”的垮塌，造成多人傷亡[23]。

我國(guó)沿海地區(qū)，偷挖、濫用海砂現(xiàn)象由來(lái)已久，1999年國(guó)土資源部發(fā)布了《關(guān)于加強(qiáng)海砂開(kāi)采管理的通知》，在保護(hù)海洋環(huán)境的前提下，允許有序地開(kāi)發(fā)海砂資源，以解決建筑用砂問(wèn)題。據(jù)初步估算[21]，2000年我國(guó)建筑用海砂約9 000萬(wàn)t均由近岸海域開(kāi)采而得，產(chǎn)值約2 215億元。最近哈爾濱工業(yè)大學(xué)的查曉雄教授[24]研究不經(jīng)過(guò)淡化處理的海砂混凝土的應(yīng)用。主要研究在鋼管和不經(jīng)淡化處理海砂混凝土之間隔離一層FRP管組成鋼管—FRP—海砂混凝土柱，通過(guò)有限元分析了鋼管厚度、鋼材屈服強(qiáng)度、混凝土強(qiáng)度、FRP纏繞方向?qū)χ休d力的影響。廣東省交通廳2012年剛立項(xiàng)高性能纖維復(fù)合材料筋(FRP筋)海砂混凝土在橋梁結(jié)構(gòu)中的推廣應(yīng)用研究項(xiàng)目[25]。2014年浙江省科技廳立項(xiàng)海砂海水混凝土及其工程應(yīng)用研究項(xiàng)目[26]，研究高性能材料和海砂海水混凝土在工程中的應(yīng)用。

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)閱讀大量文獻(xiàn)，總結(jié)了目前有關(guān)淡化海砂混凝土的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀，淡化海砂用于傳統(tǒng)混凝土結(jié)構(gòu)的技術(shù)已經(jīng)非常成熟，但是有關(guān)海砂和高性能FRP材料結(jié)合直接用于建筑結(jié)構(gòu)的研究才剛剛起步，還需要進(jìn)行大量研究。

建設(shè)海島國(guó)防和軍用基礎(chǔ)設(shè)施、發(fā)展海洋經(jīng)濟(jì)勢(shì)必要興建許多海洋和港口建筑物及構(gòu)筑物，大量的土建工程，混凝土用量可觀，而且對(duì)于一些距離內(nèi)陸比較遠(yuǎn)的島嶼建設(shè)，大量砂、水等混凝土材料的運(yùn)輸也非常困難，與此同時(shí)，對(duì)于這些海島或沿海地區(qū)，有大量的海砂和海水資源可用，如果可以利用海水和海砂資源配制混凝土，對(duì)滿足海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展和海島國(guó)防建設(shè)具有非比尋常的意義。因此高性能復(fù)合材料與海砂混凝土的應(yīng)用將是未來(lái)海砂混凝土的發(fā)展趨勢(shì)。

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Review of research and application on the sea sand concrete★

Zhao Jiawei Xue Ruifeng

(CivilEngineeringCollege,InnerMongoliaUniversityofTechnology,Hohhot010050,China)

Mechanical properties of sea sand concrete, sand, sea sand concrete desalination and its corrosion resistance without respect, sea sand concrete research desalination processing, research status of sea sand concrete are summarized, by domestic and foreign literature. Put forward the original opinion on the prospect of the application of sea sand concrete.

sea sand, concrete, chlorine ion content, desalted sea sand

1009-6825(2015)07-0103-03

2014-12-28 ★：浙江省科技廳面上項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：2013C31126)

趙嘉瑋(1989- )，男，在讀碩士； 薛瑞豐(1990- )，男，在讀碩士

TU528

A