淺談海砂在混凝土中的應(yīng)用

王 超 曹娟麗 韓阿慧

1中設(shè)設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司（210001） 2 西安長(zhǎng)安大學(xué)工程設(shè)計(jì)研究院有限公司（710061）

0 前言

近年來，隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，基礎(chǔ)設(shè)施大量擴(kuò)建，工程建設(shè)中的混凝土用量隨之大幅增加。 目前混凝土用砂大多為河砂，混凝土需求量的激增直接導(dǎo)致了砂石資源的匱乏。 砂石的過度開采，對(duì)河流的行洪能力、生態(tài)環(huán)境等造成了極大的影響[1]。因此砂石材料需要更多的選擇和來源。

海砂在全世界儲(chǔ)藏豐富，如英、美、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家早已實(shí)現(xiàn)海砂資源在工程建設(shè)中的大量使用。日本的海砂使用量已達(dá)砂礫石總產(chǎn)量的30%，其中的40%用于水泥制品[2]。 沿海地區(qū)的工程建設(shè)用砂中，90%都是海砂[3]。 因此，可借鑒發(fā)達(dá)國(guó)家的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)海砂進(jìn)行開采利用。 同時(shí)，我國(guó)擁有18 000 km 的海岸線， 近海的海資源量大， 初步估算為67.96×106m3~68.49×1010m3， 并且近岸淺海的海砂以中砂、粗砂為主，具有開發(fā)方便的特點(diǎn)，可成為開采的主要目標(biāo)[4-5]。

海砂在混凝土中的使用也有很多失敗的慘痛事例。 如1995 年韓國(guó)首爾的三豐大廈倒塌事故和2011 年廣東汕尾塌樓事故等造成了大量傷亡，這都是因?yàn)闆]有正確使用海砂， 從而導(dǎo)致了慘痛事故。 因此，更全面深入地對(duì)海砂混凝土各性能進(jìn)行研究，對(duì)其有一個(gè)更加合理、全面的認(rèn)識(shí)尤為重要。為了更好地實(shí)現(xiàn)海砂在混凝土中的應(yīng)用，文章介紹了海砂的特性，同時(shí)對(duì)部分學(xué)者就海砂性能及使用處理方法所作的研究進(jìn)行了簡(jiǎn)單綜述，以便促進(jìn)海砂在工程建設(shè)中的合理應(yīng)用。

1 海砂

海砂與河砂成分較為接近， 比河砂多了貝殼、氯鹽、硫酸鹽等。 海砂主要的用途之一就是作為工程建設(shè)的原材料，但是未經(jīng)處理的海砂中氯離子會(huì)侵蝕鋼筋，給工程帶來極大的安全隱患。 建設(shè)部早在2004 年就下發(fā)了 《關(guān)于嚴(yán)格建筑用海砂管理的意見》[6]。海砂依照用途可分為建筑用砂、工業(yè)用砂、煉鐵用砂等。由于工程建設(shè)的大力發(fā)展，河砂資源逐漸匱乏，海砂的需求量勢(shì)必大幅度增長(zhǎng)。

2 海砂混凝土的物理力學(xué)性能

不同學(xué)者的研究成果得出了不同的發(fā)現(xiàn)。 部分學(xué)者的研究結(jié)果表明， 海砂的摻入都會(huì)加快水泥水化，從而提高混凝土的早期抗壓強(qiáng)度，但是由于貝殼的存在，海砂混凝土長(zhǎng)期抗壓強(qiáng)度較河砂混凝土低。以海水海砂為原材料時(shí)， 混凝土早期強(qiáng)度要高于以淡水河砂為原材料的混凝土。 李田雨等[7]研究表明，相比河水河砂混凝土， 海水和海砂的使用可以使水泥水化更充分， 加速混凝土早期強(qiáng)度的增長(zhǎng)。Ratnayake[8]和 Girish[9]等的研究結(jié)果都表明，海砂混凝土的長(zhǎng)期抗壓強(qiáng)度比河砂混凝土低。 部分學(xué)者的研究表明， 海砂混凝土的早期強(qiáng)度低于普通河砂混凝土，長(zhǎng)期抗壓強(qiáng)度并不受海砂材料的影響。 然而，邢麗[10]等的研究成果表明，海水海砂混凝土的早期強(qiáng)度低于普通混凝土20%左右，最終海水海砂混凝土的強(qiáng)度與傳統(tǒng)混凝土強(qiáng)度相當(dāng)。 劉偉[11]等的研究結(jié)果表明， 海砂中的氯鹽和少量貝殼對(duì)于混凝土抗壓、軸心抗拉、抗折強(qiáng)度均無不良影響；Li[12]等的研究成果表明，以海水海砂為原材料時(shí)，混凝土的長(zhǎng)期強(qiáng)度要高于以淡水河砂為原材料的混凝土。

3 海砂處理方法

3.1 海砂淡化處理

對(duì)海砂進(jìn)行淡化處理是如今世界上利用海砂最常用的手段。 海砂淡化的處理方法主要有以下幾種:

3.1.1 自然堆置法

將海砂不作任何處理，自然堆積在較大場(chǎng)地?cái)?shù)月或數(shù)年，淡化后的海砂必須檢測(cè)各性能指標(biāo)，當(dāng)滿足要求后可應(yīng)用于工程施工中。

3.1.2 機(jī)械法

采用專業(yè)的機(jī)械設(shè)備對(duì)海砂進(jìn)行多工序處理，處理效率高，但造價(jià)也較高。

3.1.3 淡水沖洗法

淡水沖洗法包括斗式濾水和散水法，目前在我國(guó)應(yīng)用較多，但是對(duì)淡水資源的重復(fù)利用率較低。

3.1.4 混合法

將海砂、河砂、機(jī)制砂按一定比例混合，從而降低氯化物的含量，制成氯離子含量符合建設(shè)用砂要求的混合砂。 此法操作簡(jiǎn)單，成本較低，但難以保證大批量的混合砂質(zhì)量達(dá)標(biāo)。 由于沒有具體的規(guī)范可循，此法未能進(jìn)一步得到推廣。

3.1.5 添加阻銹劑法

在混凝土配合比中添加外加劑，此法經(jīng)濟(jì)可靠，但需要設(shè)計(jì)人員進(jìn)行準(zhǔn)確的計(jì)算和由專業(yè)技術(shù)人員進(jìn)行嚴(yán)格的操作。

3.1.6 生物方法

通過一種除氯菌來分解海砂中的氯化物，并且分解產(chǎn)物無毒，可自由揮發(fā)[17]。

3.2 FRP 筋替換鋼筋

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料筋是采用若干股連續(xù)纖維束按特定的工藝經(jīng)配套基體樹脂浸漬固化而成的條棒狀纖維增強(qiáng)樹脂材料[18]。 FRP 筋密度較小，僅為鋼筋的1/6～1/4，具有輕質(zhì)、高強(qiáng)的特點(diǎn)，同時(shí)耐腐蝕性能、電磁絕緣性能、抗疲勞性能良好，成型工藝簡(jiǎn)單、靈活，可設(shè)計(jì)性也較好[19]。使用FRP 筋代替鋼筋作為海砂混凝土中的筋材，既可以發(fā)揮FRP 筋的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)也會(huì)使海砂混凝土充分利用。

4 結(jié)語

海砂資源儲(chǔ)藏豐富，其開發(fā)和利用不僅可以大幅減緩河砂資源的匱乏問題，還符合我國(guó)加速海洋開發(fā)的重要戰(zhàn)略方向。 科研技術(shù)人員如何科學(xué)、合理地開發(fā)、處理、利用海砂資源，是未來應(yīng)該持續(xù)關(guān)注的重點(diǎn)。