海砂氯離子含量淡化處理試驗與分析

鄭 軒,李安華，許新水

(廣東交科檢測有限公司,廣州 510550)

0 引言

近年來，我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，基建行業(yè)對建筑用砂的需求日益增加，據(jù)估算，當(dāng)前建筑用砂量約為每年30億t。大江大河依然是建筑用砂的主要來源，但隨著國家對生態(tài)環(huán)境、資源保護(hù)以及穩(wěn)固河堤、保障防洪等多方面的管控，很多地區(qū)對在大江大河中開采江砂或河砂的行為也進(jìn)一步加強(qiáng)了管制。2019年7月1日開始實施的《廣東省河道采砂管理條例》規(guī)定：河道采砂應(yīng)當(dāng)實行總量控制、計劃開采，嚴(yán)格監(jiān)管、確保安全的原則，嚴(yán)禁在水工程、橋梁、碼頭、航道設(shè)施、水下管線(隧道)、取水口、各類保護(hù)區(qū)等管理和保護(hù)范圍內(nèi)劃定河砂可采區(qū)。按照相關(guān)的管理要求，江砂及河砂的開采量受到了制約。

大部分建設(shè)項目混凝土中的細(xì)集料已用機(jī)制砂替代了江砂或河砂。雖然機(jī)制砂在制造過程中可從選材、破碎等一系列工藝方面采取工廠化穩(wěn)定生產(chǎn)，但仍然避免不了機(jī)制砂存在粉塵含量控制難度大、存放過程易離析、顆粒級配不穩(wěn)定、混凝土拌和物和易性不好等缺點，部分經(jīng)淡化處理的海砂仍有被用在工程實體上的風(fēng)險。

本文首先采集了廣東省內(nèi)韓江流域梅州段、東江流域惠州段、西江流域肇慶段、北江流域清遠(yuǎn)段、鑒江流域吳川段范圍內(nèi)的江砂，采用硝酸銀滴定法進(jìn)行氯離子含量試驗，得到5條主流水道范圍內(nèi)江砂的氯離子含量分布情況。根據(jù)廣東主流水道的地域分布及大部分建設(shè)項目砂源地的選取情況，將該5條水道內(nèi)江砂氯離子含量平均值作為廣東主流水道內(nèi)江砂氯離子含量的參照值。隨后又采集了湛江海域東海島、珠海海域淇澳島的海砂，采用硝酸銀滴定法進(jìn)行氯離子含量試驗，得到海砂氯離子含量初始值。最后分別采用淡水沖洗、淡水淋洗兩種方式對湛江海域東海島、珠海海域淇澳島兩地的海砂表面附著性氯化物進(jìn)行淡化，在淡化過程中按一定的沖洗時間間隔、淋洗次數(shù)，對淡化過程中的海砂進(jìn)行氯離子含量試驗，同時對比廣東省主流水道范圍內(nèi)江砂的氯離子含量平均值，探索海砂淡化過程中氯離子含量的變化規(guī)律。

1 廣東主流水道內(nèi)江砂氯離子含量參照值

分別于廣東省內(nèi)韓江流域梅州段、東江流域惠州段、西江流域肇慶段、北江流域清遠(yuǎn)段、鑒江流域吳川段8個不同地點，隨機(jī)抽取27個江砂樣品，每個砂樣經(jīng)烘干翻拌均勻后進(jìn)行3次氯離子含量試驗，試驗結(jié)果見表1。

表1 廣東主流水道內(nèi)江砂氯離子含量

表2 現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)及各行業(yè)規(guī)范對細(xì)集料氯離子含量限值

通過表1可見，韓江流域梅州段、東江流域惠州段、西江流域肇慶段、北江流域清遠(yuǎn)段、鑒江流域吳川段江砂的氯離子含量分布在0.000 21%～0.000 88%之間，考慮到廣東省內(nèi)主流水道的地域分布情況、大部分建設(shè)項目砂源地的選取地點、試驗檢測過程中存在的誤差等方面的因素，取5條主流水道江砂的氯離子含量平均值0.000 53%作為廣東主流水道內(nèi)江砂氯離子含量的參照值。通過對比表2可見，其檢測結(jié)果的數(shù)量級遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于規(guī)范要求的數(shù)量級，約為規(guī)范要求值的1/20～1/120之間。

由于目前國內(nèi)大部分水道河砂或者江砂開采已嚴(yán)格管控，導(dǎo)致了基建用砂供需矛盾的加劇，部分參建單位將海砂淡化后利用到混凝土中的風(fēng)險依然存在。通過建立海砂氯離子淡化模型，探索淡化后的海砂達(dá)到廣東主流水道內(nèi)江砂氯離子含量參照值同等數(shù)量級的有效途徑，從而推動海砂的規(guī)范化使用，具有重要的現(xiàn)實意義。

2 海砂氯離子含量的采集以及淡化模型

通過采集湛江海域東海島、珠海海域淇澳島等地的海砂，并進(jìn)行氯離子含量試驗，摸清湛江、珠海等地海域海砂氯離子含量的數(shù)量等級情況，同時根據(jù)砂子凈化的常規(guī)工藝，建立起淡水沖洗、淡水淋洗兩個淡化模型，獲取不同模型下海砂的淡化效果以及氯離子含量的變化曲線。

2.1 樣品準(zhǔn)備

(1)湛江海域東海島附近的海砂，取樣位置水深約30m，由采砂船在海底抽砂后，在采砂船儲砂倉內(nèi)不同部位取樣5份。將5份海砂砂樣翻拌3次，使其混合均勻，經(jīng)烘干后采用硝酸銀滴定法檢測砂樣氯離子含量，檢測結(jié)果為0.126 20%。

(2)珠海海域淇澳島附近的海砂，在珠海淇澳島近海海岸處，人工采用鐵鍬鏟取，深度約20cm，隨機(jī)選取5個取樣地點。將5份海砂砂樣翻拌3次，使其混合均勻，經(jīng)烘干后采用硝酸銀滴定法檢測砂樣氯離子含量，檢測結(jié)果為0.048 41%。

通過以上兩個海砂氯離子含量試驗結(jié)果，對比表2中現(xiàn)行規(guī)范對細(xì)集料氯離子含量限值表明，兩個海砂的氯離子含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過建設(shè)工程常用的Ⅱ類砂及預(yù)應(yīng)力混凝土用砂氯離子含量≤0.02%的限值要求，不能用于工程實體。

2.2 淡水沖洗海砂的淡化試驗

2.2.1 試驗裝置的組成

取兩個容積為125L的儲物箱，底部墊高100mm，形成坡度約為14.9%的流水面，儲物箱上方固定一根流水管，調(diào)整水流量約為60L/h，整個試驗過程中保持該水流流速不變。取經(jīng)混合均勻后的每種海砂樣品約25kg，均勻投入已裝滿水的儲物箱，使其鋪滿箱底，此時儲物箱底部砂厚度約為150mm，砂水體積比約為1:4.8(圖1)。

圖1 流水沖洗

2.2.2 淡水沖洗每間隔30min海砂氯離子含量變化趨勢

在試驗過程中，每間隔30min于儲物箱箱底6個部位共取約1 300g砂樣，經(jīng)烘干翻拌均勻后采用硝酸銀滴定法對砂樣進(jìn)行氯離子含量試驗，分析兩種海砂淡化過程中氯離子含量的變化趨勢。

(1)湛江東海島海砂氯離子含量變化趨勢(氯離子含量初始值0.126 20%)如圖2所示。

圖2 湛江東海島海砂氯離子含量變化曲線 (淡水沖洗間隔30min)

(2)珠海淇澳島海砂氯離子含量變化趨勢(氯離子含量初始值0.048 41%)如圖3所示。

圖3 珠海淇澳島海砂氯離子含量變化曲線 (淡水沖洗間隔30min)

(3)綜合分析：

①湛江海域東海島海砂氯離子含量初始值為0.126 20%，第30～120min及第390min試驗結(jié)果波動較大，可能是由于箱底海砂經(jīng)過取樣擾動后導(dǎo)致砂厚度不均勻，砂樣表面附著的氯化物溶出速度有差異。

②經(jīng)淡水沖洗30min后，湛江東海島海砂氯離子含量由0.126 20%下降至0.006 67%，珠海淇澳島海砂氯離子含量由0.048 41%下降至0.005 00%，氯離子含量均遠(yuǎn)小于0.02%，說明向儲物箱內(nèi)投砂及撈砂過程中，對砂樣表面附著的氯化物淡化程度較好。

③湛江海域東海島海砂氯離子含量初始值為0.126 20%，經(jīng)淡水沖洗330min后氯離子含量趨于穩(wěn)定;珠海海域淇澳島海砂氯離子含量初始值為0.048 41%，經(jīng)淡水沖洗120min后氯離子含量趨于穩(wěn)定。氯離子含量能夠達(dá)到目前廣東主流水道內(nèi)江砂氯離子含量同數(shù)量等級的數(shù)值。

2.2.3 淡水沖洗每間隔10min海砂氯離子含量變化趨勢

每間隔10min于儲物箱箱底6個部位共取約1 300g砂樣，經(jīng)烘干拌勻后采用硝酸銀滴定法對砂樣進(jìn)行氯離子含量試驗，分析兩種海砂淡化過程中氯離子含量的變化趨勢。

(1)湛江東海島海砂氯離子含量變化趨勢(氯離子含量初始值為0.126 20%)如圖4所示。

圖4 湛江東海島海砂氯離子含量變化曲線 (淡水沖洗間隔10min)

(2)珠海淇澳島海砂氯離子含量變化趨勢(氯離子含量初始值為0.048 41%)如圖5所示。

圖5 珠海淇澳島海砂氯離子含量變化曲線 (淡水沖洗間隔10min)

(3)綜合分析：

①經(jīng)淡水沖洗10min后，湛江東海島海砂氯離子含量由0.126 20%下降到0.013 00%，珠海淇澳島海砂氯離子含量由0.048 41%下降到0.007 73%。氯離子含量小于0.02%，說明向儲物箱內(nèi)投砂及撈砂過程中，對砂樣表面附著的氯化物稀釋程度較好。

②湛江海域東海島海砂氯離子含量初始值為0.126 20%，珠海海域淇澳島海砂氯離子含量初始值為0.048 41%，經(jīng)淡水沖洗120min后氯離子含量趨于穩(wěn)定，氯離子含量能夠達(dá)到目前廣東主流水道內(nèi)江砂氯離子含量同數(shù)量等級的數(shù)值。

2.3 淡水淋洗海砂的淡化試驗

取長度1.5m、寬度1.0m，孔徑3mm、0.06mm篩網(wǎng)各一張，篩網(wǎng)懸空放置，3mm篩網(wǎng)在下起承重作用，0.06mm篩網(wǎng)在上起過濾作用。兩種海砂各取約25kg，均勻平鋪放置于0.06mm篩網(wǎng)上，此時砂的厚度約為100mm，調(diào)整好花灑水流流速約為120L/h，噴淋1次水量約為0.8L。試驗過程中該花灑流水不調(diào)整、不關(guān)閉，確保整個試驗過程中水流速、噴淋1次用水量基本不變，用花灑由外到內(nèi)均勻噴淋1次后再將砂樣翻拌3次。取樣約1.5kg，經(jīng)烘干拌勻后進(jìn)行氯離子含量試驗。淡水淋洗海砂如圖6所示。

圖6 流水淋洗

(1)湛江東海島海砂氯離子含量變化趨勢如圖7所示。

圖7 湛江東海島海砂氯離子含量變化曲線

(2)珠海淇澳島海砂氯離子含量變化趨勢如圖8所示。

圖8 珠海淇澳島海砂氯離子含量變化曲線

(3)綜合分析：

①湛江東海島海砂氯離子含量初始值為0.126 20%，經(jīng)花灑淋洗10次后氯離子含量小于0.02%，淋洗12次后氯離子含量趨于平穩(wěn)，能夠達(dá)到目前廣東主流水道內(nèi)江砂氯離子含量同數(shù)量等級的數(shù)值。

②珠海淇澳島氯離子含量初始值為 0.048 41%，經(jīng)花灑淋洗3次后氯離子含量小于0.02%，淋洗8次后氯離子含量趨于平穩(wěn)，能夠達(dá)到目前廣東主流水道內(nèi)江砂氯離子含量同數(shù)量等級的數(shù)值。

3 結(jié)論

(1)淡水沖洗、淡水淋洗兩種淡化模型簡單有效，對海砂淡化效果較好，均能快速、有效地降低海砂表面附著的氯化物。經(jīng)過兩種模型淡化后的海砂氯離子含量在數(shù)量級上能夠達(dá)到廣東主流水道內(nèi)江砂氯離子含量的同等數(shù)量級，同時能滿足規(guī)范對氯離子含量的要求。

(2)淡水沖洗情況下，海砂表面附著性的氯離子消散速度更快，且海砂表面附著性的氯離子淡化的均勻程度及線性關(guān)系更好。

(3)在砂水體積比為1.0:4.8的情況下，淡水沖洗時間在10min內(nèi)，氯離子含量均可快速下降至0.02%以下。由于江流或河流中砂水體積比和水流量遠(yuǎn)大于試驗方案中的模型情況，若能夠依托江流或河流的天然條件建設(shè)海砂淡化的生產(chǎn)線，海砂的淡化效果將更好。

(4)基于兩種淡化模型簡單有效且容易被生產(chǎn)企業(yè)所接受，因而在一定范圍內(nèi)放寬海砂的使用限制，引導(dǎo)、扶持專業(yè)海砂淡化企業(yè)的發(fā)展，形成專業(yè)化的海砂淡化生產(chǎn)線，規(guī)范海砂淡化企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營行為，嚴(yán)格監(jiān)管海砂的凈化處理、運(yùn)輸、檢驗等環(huán)節(jié)，積極開展海砂淡化、使用及長期性能的研究，具有現(xiàn)實意義。