海砂及海砂混凝土研究進(jìn)展綜述

童斌 蔣婷 宋旭艷

摘 ? 要：隨著建筑混凝土用砂的不斷增長(zhǎng)和河砂資源的面臨枯竭，海砂作為河砂的替代品已經(jīng)成為建筑行業(yè)的新寵。本文綜述了海砂在混凝土中的應(yīng)用研究現(xiàn)狀，海砂對(duì)普通混凝土的力學(xué)性能和耐久性無顯著影響;海沙在經(jīng)過相應(yīng)的處理后，對(duì)鋼筋混凝土的銹蝕影響也可以降到最低。海砂可代替河砂應(yīng)用于混凝土中。

關(guān)鍵詞：海砂 ?混凝土 ?氯離子 ?耐久性 ?鋼筋銹蝕

中圖分類號(hào)：TU528 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-098X（2019）07（c）-0038-04

河砂是目前建筑混凝土用砂的主要來源。而隨著國(guó)內(nèi)外混凝土用量的飛速發(fā)展，全世界范圍內(nèi)的許多國(guó)家已經(jīng)出現(xiàn)了河砂資源緊張乃至稀缺的情況?，F(xiàn)有的河砂存量已經(jīng)不能滿足飛速增長(zhǎng)的建設(shè)需求。而且，河砂屬于不可再生資源，為了保護(hù)環(huán)境，政府已出臺(tái)許多政策以防止河砂的過度開采，進(jìn)一步加劇了河砂供不應(yīng)求的形勢(shì)。

海砂在全世界范圍內(nèi)儲(chǔ)量豐富。目前，世界上已有許多成功應(yīng)用海砂的例子。日本是世界上成功利用海砂的國(guó)家，在阻銹劑的使用上已十分成熟，其沿海地區(qū)建筑混凝土用砂90%以上都是海砂。我國(guó)也擁有較長(zhǎng)的海岸線，王圣潔[1]等人對(duì)我國(guó)的海砂資源總量進(jìn)行了初步估算，約為180.09×1010～181.50×1010t。我國(guó)的寧波、溫州等地也已有使用海砂及阻銹劑的工程，且質(zhì)量良好。但是，海砂應(yīng)用也有失敗的例子，韓國(guó)的三豐大廈就因?yàn)闉E用海砂而造成倒塌，導(dǎo)致多人死亡[2]。所以，海砂在應(yīng)用之前，必須根據(jù)相應(yīng)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行處理，以保證建筑物的安全使用。

1 ?海砂的特性

目前，天然砂和人工砂是主要的兩種建筑用砂。海砂屬于天然砂的一種，顏色比較暗沉，呈深褐色，一般會(huì)有貝殼等殘片。而河砂的顏色相對(duì)黃亮很多，含有大小不一的鵝卵石。通過對(duì)海砂、河砂和機(jī)制砂進(jìn)行篩分、密度、含泥量、氯離子含量測(cè)定等試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)海砂的顆粒級(jí)配十分接近河砂，級(jí)配較為良好;但表面棱角比機(jī)制砂光滑，比河砂突出;堅(jiān)固性低于河砂，同時(shí)，氯離子含量顯著高于河砂和機(jī)制砂。

2 ?海砂的應(yīng)用

2.1 海砂在普通混凝土中的應(yīng)用

海砂的顆粒級(jí)配與河砂十分接近，所以海砂代替河砂應(yīng)用于混凝土中是可行的。我國(guó)深圳、寧波等地最早開始使用淡化海砂，沿海地區(qū)的河砂資源一直面臨緊缺的挑戰(zhàn)。以寧波為例，海砂的使用量在寧波市每年建設(shè)用砂中的比例占了 80% 左右。我國(guó)每年都會(huì)使用如此大量的海砂，海砂對(duì)混凝土性能產(chǎn)生的影響就顯得尤為重要。

2.1.1 海砂混凝土中Cl-的擴(kuò)散與固化

由于海砂中存在大量的Cl-，在使用海砂制備混凝土?xí)r，必須考慮海砂中存在的大量Cl-在混凝土中的擴(kuò)散以及固化對(duì)混凝土帶來的影響?；炷林械穆塞}分為內(nèi)摻型和外滲型兩類。內(nèi)摻型是指在混凝土拌和過程中進(jìn)入混凝土的Cl-。馬紅巖[3]在研究中發(fā)現(xiàn)海砂型內(nèi)摻Cl-的結(jié)合率低于普通型內(nèi)摻Cl-結(jié)合率，而且摻入粉煤灰會(huì)降低海砂型內(nèi)摻Cl-的結(jié)合率。另外，劉軍[4]等人也通過模擬海砂的方法，使用X射線能譜分析和掃描電鏡等儀器對(duì)凝膠表面進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)海砂型Cl-存在從海砂表面到水泥凝膠的擴(kuò)散過程。在此基礎(chǔ)上，董必欽[5]等人采用電化學(xué)阻抗譜（EIS）的方法發(fā)現(xiàn)海砂砂漿在水化過程中，砂漿中Cl-含量會(huì)持續(xù)提高，造成C-S-H凝膠體積分?jǐn)?shù)下降，導(dǎo)致Ca（OH）2體積分?jǐn)?shù)增大，砂漿的孔分布不均勻且結(jié)構(gòu)疏松。

混凝土經(jīng)過物理化學(xué)作用對(duì)Cl-的吸附能力稱為混凝土對(duì)Cl-的固化能力。一些活性礦物摻合料對(duì)混凝土的固化能力影響很大。黃華縣[6]對(duì)水泥、粉煤灰、礦渣三種材料的固化能力進(jìn)行研究比較，發(fā)現(xiàn)礦物摻合料摻量增加，28天硬化砂漿對(duì)Cl-固化能力增強(qiáng)， 固化能力從弱到強(qiáng)依次排序?yàn)榈V渣、粉煤灰、水泥。在此基礎(chǔ)上，柳俊哲[7]采用X射線衍射、熱分析和掃描電鏡等方法對(duì)海砂混凝土的微結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)海砂混凝土中的水溶性游離Cl-濃度隨溫度增高而增大。

2.1.2 海砂混凝土的物理力學(xué)性能

海砂中的有害物質(zhì)除了氯鹽，還有貝殼。貝殼的主要成分是CaCO3，外觀一般都是片狀，表面較光滑，強(qiáng)度較低，容易沿解理方向破壞。同時(shí)，貝殼與水泥的粘結(jié)性也不好，容易造成新拌混凝土泌水，影響其和易性，還會(huì)造成泵送混凝土難以輸送等問題。因此，海砂中貝殼對(duì)混凝土物理力學(xué)性能造成的影響也應(yīng)該加以考慮。

劉偉[8]等人分別使用珠江口原狀海砂和河砂制備混凝土并進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)海砂中所含的Cl-和少量的貝殼并對(duì)混凝土的工作性、抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度及彈性模量所造成的影響并不顯著。在此基礎(chǔ)上，邢麗[9]等人通過一系列不同含量的貝殼的海砂制備混凝土，發(fā)現(xiàn)隨著海砂摻量的增加，海水海砂混凝土的坍落度顯著增加，粘聚力明顯變差;貝殼含量的增加也導(dǎo)致了其坍落度減小，保水性變差。并且海砂混凝土的早期強(qiáng)度會(huì)因?yàn)楹Ｉ皳搅亢拓悮ず康脑黾佣陀趥鹘y(tǒng)混凝土，但最終強(qiáng)度與傳統(tǒng)混凝凝土相差不大，而且海砂混凝土的抗?jié)B性和抗碳化性優(yōu)于傳統(tǒng)混凝土。寧博、歐陽(yáng)東[10]進(jìn)一步研究海砂水泥膠砂的力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)了其抗壓強(qiáng)度比河砂低，但是抗折強(qiáng)度比河砂高。在混凝土強(qiáng)度等級(jí)相同情況下，海砂混凝土的工作性、28d抗壓強(qiáng)度及劈裂抗拉強(qiáng)度都要比天然河砂制備的混凝土體系好，而且其早期強(qiáng)度發(fā)展迅速。

2.1.3 海砂混凝土的耐久性

混凝土耐久性指的是混凝土抵抗環(huán)境介質(zhì)作用并長(zhǎng)期保持其良好的使用性能和外觀完整性，從而維持混凝土結(jié)構(gòu)的安全、正常使用的性能。

Lv Henglin[11]分別利用海砂和河砂制備混凝土并進(jìn)行碳化試驗(yàn)，研究表明兩種混凝土的碳化均不嚴(yán)重;在海砂混凝土體系中，對(duì)不同因素水平下Cl-擴(kuò)散系數(shù)進(jìn)行了分析，建立了混凝土中Cl-擴(kuò)散的預(yù)測(cè)模型，發(fā)現(xiàn)對(duì)Cl-滲透和混凝土耐久性影響從大到小的因素分別是養(yǎng)護(hù)時(shí)間、砂的類型、每立方米用水量以及水灰比。何世欽[12]對(duì)海砂混凝土梁和河砂混凝土梁的長(zhǎng)期荷載和疲勞進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)在長(zhǎng)期荷載下，海砂混凝土梁的疲勞壽命顯著低于普通混凝土梁，嚴(yán)重危害了構(gòu)件的耐久性。

2.2 海砂在鋼筋混凝土中的應(yīng)用

隨著建筑業(yè)的發(fā)展，建筑用混凝土很大一部分為鋼筋混凝土，鋼筋是否發(fā)生銹蝕直接影響了混凝土的強(qiáng)度和耐久性，從而危害建筑物的安全。所以，保護(hù)鋼筋混凝土中的鋼筋不發(fā)生銹蝕，對(duì)鋼筋混凝土建筑物的安全尤為重要。

混凝土中鋼筋的銹蝕是電化學(xué)過程，海砂中超高含量的Cl-在鋼筋混凝土中會(huì)破壞鋼筋表面的鈍化膜，使鋼筋發(fā)生銹蝕。電化學(xué)腐蝕過程機(jī)理見下述反應(yīng)式：

Fe（OH）2+O2+H2O →nFe2O3·mH2O+Fe3O4

Fe（OH）Cl+ O2+H2O →nFe2O3·mH2O+HCl

曹承偉[13]等人在在飽和Ca（OH）2溶液中摻入不同濃度的NaCl溶液，模擬不同濃度的單一氯鹽，并研究其對(duì)鋼筋的腐蝕行為，使用電化學(xué)阻抗譜法和線性極化法評(píng)定鋼筋的銹蝕程度，結(jié)果表明氯鹽的濃度越高，溶液的電阻越小，鋼筋腐蝕電流密度越大，即越容易發(fā)生腐蝕。在此基礎(chǔ)上，林碧蘭[14]研究不同PH和Cl-濃度下的鋼筋的腐蝕行為，得出了Cl-濃度對(duì)鈍化膜的破壞存在臨界值的結(jié)論，且鋼筋鈍化膜在高PH環(huán)境下更容易趨向穩(wěn)定。此外，還有學(xué)者通過不同的含氧量來研究鋼筋銹蝕于其的關(guān)系，表明氧氣含量在一定值時(shí)，會(huì)使鋼筋鈍化膜的破壞速度減緩，但對(duì)鈍化膜破壞時(shí)的臨界Cl-濃度影響不大，同時(shí)提出了建議，建立鋼筋腐蝕數(shù)據(jù)庫(kù)和腐蝕預(yù)測(cè)模型，為海砂鋼筋混凝土的應(yīng)用及服役壽命提供保障依據(jù)。

2.2.1 海砂處理方法

海砂存在的大量的Cl-會(huì)使鋼筋混凝土中的鋼筋銹蝕嚴(yán)重，必須在使用之前先進(jìn)行相應(yīng)的處理。目前，使用最多的三種方法就是對(duì)海砂進(jìn)行淡化處理、添加阻銹劑或使用其他耐腐蝕材料代替鋼筋，如纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（FRP）等。

（1）海砂淡化。

海砂中的氯化鈉含量占了約氯鹽總量的75%。而海砂的淡化指的就是在通過一系列的物理和化學(xué)措施，使海砂中的Cl-含量降低到標(biāo)準(zhǔn)濃度之下。2004年8月份，國(guó)家建設(shè)部就出臺(tái)了一個(gè)《關(guān)于嚴(yán)格建筑用海砂管理的意見》，其中提到海砂要在鋼筋混凝土中使用必須經(jīng)過淡化處理，且Cl-含量不得超過混凝土重量的0.06%。如果以1000kg的混凝土為例，那么Cl-含量不能高于0.6kg。

目前，工業(yè)上海砂的淡化方法主要有兩種：海砂自然放置法和淡水沖洗法。海砂自然放置法是指將海砂堆積，自然放置一段時(shí)間使其Cl-濃度降低的一種方法。該方法所需的時(shí)間長(zhǎng)，只適用時(shí)間較久及有較大空余場(chǎng)地的工程。淡水沖洗法是指用大量的淡水沖洗海砂，以降低其Cl-含量的方法。與自然放置法相比，淡水沖洗法所需時(shí)間短，效率較高，但會(huì)造成淡水資源的大量浪費(fèi)，并提高工程造價(jià)。

孫炳全[15]使用兩級(jí)雙隔膜電滲析和隔膜電解相配合的方法，制備了pH較高的淡化海水，并用該方法制得的淡化海水沖洗海砂，顯著降低了海砂混凝土液相中Cl-/OH-的比值，從而抑制了Cl-侵蝕。在此基礎(chǔ)上，蘇卿[16]采用電化學(xué)法研究海砂混凝土與淡化海砂混凝土的鋼筋銹蝕規(guī)律，結(jié)果表明在強(qiáng)度等級(jí)相同的情況下，淡化海砂混凝土的鋼筋銹蝕速度比海砂混凝土體系顯著降低。并且還對(duì)淡化海砂進(jìn)行了毛細(xì)吸收和氯離子遷移（RCM）試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)淡化海砂混凝土的氯離子擴(kuò)散速度已十分接近河砂混凝土。

（2）摻加阻銹劑。

鋼筋阻銹劑，是通過抑制或減弱海砂中氯鹽對(duì)鋼筋的侵蝕作用，從而阻止或減緩鋼筋銹蝕的外加劑，可以有效延長(zhǎng)混凝土建筑物的使用壽命。

周俊龍[17]將偏高嶺土阻銹劑和三乙醇胺阻銹劑進(jìn)行復(fù)摻，發(fā)現(xiàn)復(fù)摻型阻銹劑顯著提升了海水海砂混凝土的護(hù)筋性，鋼筋極化電位與淡水標(biāo)準(zhǔn)砂配置的普通混凝土十分接近?？姴腫18]使用X射線光電子能譜研究阻銹劑對(duì)鋼筋的保護(hù)機(jī)理，得出結(jié)論，混凝土孔溶液中的電荷轉(zhuǎn)移電阻在摻加阻銹劑之后顯著提高，表面裸露零價(jià)鐵的含量也明顯降低，從而減輕了Cl-對(duì)鋼筋鈍化膜的損壞。同時(shí)摻加阻銹劑還在一定程度上延緩了水泥的水化，提高了混凝土密實(shí)程度，增加了鋼筋及其鈍化膜的穩(wěn)定性。Hosam El-Din H.Seleem[19]通過X射線衍射研究摻入硅灰、磨細(xì)礦渣和偏高嶺土的混凝土在二元和三元組合中水泥的抗海水侵蝕性，發(fā)現(xiàn)在測(cè)試樣品的表層和核心處Cl-濃度均已接近河砂鋼筋混凝土。

（3）使用FRP筋替換鋼筋。

減少氯鹽對(duì)鋼筋的腐蝕作用，除了降低氯鹽含量和摻加阻銹劑外，還可以對(duì)鋼筋表面進(jìn)行處理，增加鋼筋表面涂層，避免鋼筋與Cl-的直接接觸，但是該方法效果并不明顯。使用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（簡(jiǎn)稱FRP）代替鋼筋制備混凝土是一種全新的思路與方法，也是最有效的技術(shù)之一。使用FRP制備的混凝土稱為FRP筋混凝土。FRP復(fù)合材料是非金屬材料，是一種通過以一定比例混合纖維材料和基質(zhì)材料而形成的高性能材料，具有輕質(zhì)、堅(jiān)硬、不導(dǎo)電、機(jī)械強(qiáng)度高、耐腐蝕等優(yōu)良的性質(zhì)，故而可以代替鋼筋制備混凝土，也能抵制Cl-的化學(xué)侵蝕作用。

馮鵬和王杰[20]等人認(rèn)為在海砂混凝土中，使用FRP取代鋼筋從根本上解決了銹蝕問題，并提出了一種針對(duì)海洋的新型FRP海砂混凝土組合結(jié)構(gòu)，為中國(guó)和世界海洋設(shè)施建設(shè)提出了新的解決方案，也為海砂混凝土的應(yīng)用提供了新的思路。R.K. Singh Raman和Saad Al-Saadi[21]等人研究了玄武巖增強(qiáng)復(fù)合材料（BFRP）和玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（GFRP）在海砂混凝土中的長(zhǎng)期耐久性，發(fā)現(xiàn)玄武巖增強(qiáng)復(fù)合材料比玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料更加耐用。還有學(xué)者在模擬海洋環(huán)境，對(duì)FRP復(fù)合筋、鋼筋和混凝土粘結(jié)耐久性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)在相同條件下，F(xiàn)RP復(fù)合筋銹蝕輕微，且粘結(jié)性比鋼筋更好。

3 ?結(jié)語(yǔ)

隨著我國(guó)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的飛速發(fā)展，河砂日益短缺，部分地區(qū)已經(jīng)出現(xiàn)了過度開采河砂而導(dǎo)致的生態(tài)破壞和環(huán)境污染問題。如何正確合理的使用海砂，是對(duì)當(dāng)前河砂短缺形勢(shì)的考驗(yàn)。

使用海砂作為原材料制備的混凝土，其力學(xué)性能與耐久性與河砂混凝土相比，均無顯著差異;但在鋼筋混凝土中，海砂中大量Cl-的存在會(huì)破壞鋼筋的鈍化膜，并發(fā)生嚴(yán)重的銹蝕，危害了建筑物的耐久性和安全。使用海砂，應(yīng)嚴(yán)格遵守海砂使用規(guī)范，進(jìn)行海砂的淡化或者使用FRP材料代替鋼筋，做到不濫用、不偷用海砂，可以最大限度的減少海砂對(duì)鋼筋混凝土的不利影響。

海砂是一把雙刃劍。我國(guó)的海砂資源豐富，如何以更加高效、更加經(jīng)濟(jì)的方式將海砂應(yīng)用到鋼筋混凝土中，并減少海砂對(duì)鋼筋混凝土的危害，以及FRP材料與海砂混凝土的結(jié)合使用，將會(huì)是以后主要的兩個(gè)研究方向?；炷林械腃l-會(huì)破壞鋼筋鈍化膜造成鋼筋銹蝕，OH-會(huì)使鋼筋鈍化膜趨于穩(wěn)定狀態(tài)，所以探索Cl-和OH-在混凝土中的臨界比例值，使鋼筋不發(fā)生銹蝕也是一條嶄新的思路。

參考文獻(xiàn)

[1] 王圣潔，劉錫清，戴勤奮，等.中國(guó)海砂資源分布特征及找礦方向[J].海洋地質(zhì)與第四紀(jì)地質(zhì)，2003，3（27）：76-82.

[2] 洪乃豐.海砂腐蝕與“海砂屋”危害[J].工業(yè)建筑，2004（11）：65-67.

[3] 馬紅巖，邢鋒，董必欽，等.海砂混凝土中的氯離子結(jié)合特性研究[J].低溫建筑技術(shù)，2007（6）：1-3.

[4] 劉軍，邢鋒，霍元.模擬海砂混凝土中氯離子擴(kuò)散研究[J].混凝土，2008（3）：33-35.

[5] 董必欽，劉偉，馬紅巖，等.海砂砂漿水化過程的電化學(xué)阻抗譜研究[J].建筑材料學(xué)報(bào)，2013，16（2）：306-309，320.

[6] 黃華縣.海砂混凝土氯離子的固化[J].腐蝕與防護(hù)，2012，33（5）：415-418.

[7] 柳俊哲，蔣義，賀智敏，等.海砂混凝土中氯離子固化的影響因素研究[J].材料導(dǎo)報(bào)，2013，27（20）：129-132.

[8] 劉偉，謝友均，董必欽，等.海砂特性及海砂混凝土力學(xué)性能的研究[J].硅酸鹽通報(bào)，2014，33（1）：15-22.

[9] 邢麗，薛瑞豐，曹喜.海砂海水混凝土性能研究[J].混凝土，2015（11）：137-141.

[10]寧博，歐陽(yáng)東，溫喜廉.利用海砂制備高性能混凝土試驗(yàn)研究[J].混凝土，2012（1）：88-90，93.

[11] Durability of sea-sand containing concrete：Effects of chloride ion penetration[J].Mining Science and Technology，2011，21（1）：123-127.

[12]何世欽，曾帥，李鵬飛.長(zhǎng)期荷載后海砂混凝土梁疲勞性能試驗(yàn)研究[J].混凝土，2016（12）：57-59，63.

[13]曹承偉，趙鐵軍，馬志鳴.模擬氯鹽和硫酸鹽環(huán)境下鋼筋的腐蝕行為研究[J].公路，2016，61（5）：157-161.

[14]林碧蘭，徐玉野.基于循環(huán)動(dòng)電位極化法的HRB500鋼筋腐蝕行為研究[J].鄭州輕工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2010，25（4）：45-50.

[15]孫炳全，王立久，陳超核，等.海砂沖洗工藝研究與應(yīng)用[J].混凝土，2011（3）：105-107.

[16]蘇卿，陳艾榮，趙鐵軍.淡化海砂混凝土中鋼筋的銹蝕特征[J].新型建筑材料，2012，39（8）：48-52，55.

[17]周俊龍，歐忠文，江世永.摻阻銹劑摻合料海水海砂混凝土護(hù)筋性探討[J].建筑材料學(xué)報(bào)，2012，1（15）：69-74.

[18]繆昌文，周偉玲，陳翠翠.模擬混凝土孔溶液中有機(jī)阻銹劑對(duì)鋼筋的保護(hù)作用[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2010，40（S2）：187-191.

[19]Hosam El-Din H.Seleem，Alaa M.Rashad，Basil A.El-Sabbagh.Durability and strength evaluation of high-performance concrete in marine structures[J]. Construction and Building Materials，2010（24）：878-884.

[20]馮鵬，王杰，張梟，等.FRP與海砂混凝土組合應(yīng)用的發(fā)展與創(chuàng)新[J].玻璃鋼/復(fù)合材料，2014（12）：13-18.

[21]R.K.Singh Raman，Saad Al-Saadi.Long-term durability of basalt-and glass-fibre reinforced polymer （BFRP/GFRP） bars in seawater and sea sand concrete environment[J].Construction and Building Materials，2017（139）：467-489.