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【专家文章】周永祥:海砂及海砂混凝土应用技术
文章来源:周永祥,冷发光 中国建筑科学研究院   2015-03-19 14:52:34   浏览次数:2446次

1.  海砂资源及利用的问题

在我国东部沿海地区,人口稠密,经济发达,工程建设量大。当河砂资源出现供给不足时,又没有其他砂源替代(如内陆地区可以使用山砂或机制砂等替代),远距离运输河砂又会大大提高工程造价。与国外许多国家走过的路一样,在陆砂资源短缺的情况下,人们开始将注意力转向了当地砂源——海砂。因此,沿海地区开采利用海砂是经济发展的客观需要和历史发展的必然。

英国、丹麦、挪威、瑞典、比利时、加拿大、澳大利亚、新西兰、日本、韩国、土尔其、印度等国家以及我国的台湾地区在海砂应用于工程建设方面已有多年的历史和丰富的应用经验。尤其是河砂、陆砂资源短缺的日本,在20世纪40年代就已经开始利用海砂配制混凝土,特别是20世纪80年代到90年代,日本海砂的利用量达到历史的高点,海砂占建筑用砂的比例高达30%左右。

20世纪30~40年代,我国局部地区将海砂用于临时建筑。70年代末,个别沿海城市开始出现使用海砂的建筑结构,但规模较小。对海砂的开采利用在近十多年获得迅速发展。国内较早大规模使用海砂的是宁波舟山地区和深圳地区等。据笔者2007年前后实地调研,宁波、舟山地区当时的建筑用砂90%以上为海砂。

海砂含泥量低、粒形优良、细度均匀,适合配制混凝土。然而,海砂含有较高的氯盐、贝壳、轻物质等有害物质。未经净化处理的海砂容易造成混凝土中的钢筋过早锈蚀,给建筑工程埋下严重的质量隐患。国内外因滥用或误用海砂出现了一批“海砂屋”,造成了重大的经济损失和恶劣的社会影响。


中国建筑科学研究院主持了国家“十一五”科技支撑计划课题“海砂在建设工程应用中的关键技术及产品开发”(2006BAJ02B04)的研究工作,首次在我国黄海、东海、南海三大海域采取了典型的海砂样品进行研究,系统的研究了海砂作为建筑用砂的特性和应用技术条件、海砂净化处理技术、海砂混凝土性能、高性能海砂混凝土生产质量控制及工程应用技术、既有海砂混凝土建筑的结构检测技术和病害诊治技术等,建立了海砂净化示范生产线、海砂混凝土示范生产企业和海砂混凝土示范工程。制定了工程技术标准《海砂混凝土应用技术规范》(JGJ 206-2010)。

2.有效的净化处理是安全使用海砂的关键前提

海砂经过有效的净化处理之后,如果氯离子含量等技术指标达到标准要求,完全可以替代河砂生产结构混凝土,且混凝土的各项技术性能均良好。滨海环境中的自然暴露试验也表明海砂混凝土的耐久性良好,但前提是海砂需要进行有效的净化处理。鉴于此,《海砂混凝土应用技术规范》JGJ 206-2010规定“用于配制混凝土的海砂应作净化处理”并将其列为强制性条文,要求严格执行。同时,该规范对海砂混凝土的氯离子含量和耐久性能技术指标做出了明确的规定。严格执行该规范,才能确保海砂在建设工程中的安全使用。

海砂净化处理的技术是采用淡水冲洗。虽然目前我国的海砂净化技术和设备基本能够满足生产出符合规范要求的净化海砂,但存在以下问题:

1)设备简易,生产粗放,不规范,目前也无规范可以遵循;

2)普遍存在耗水量大、能耗高、占地广的问题;

3)工艺流程设计和用水量缺乏系统试验和科学依据,大多依靠经验,随意性很大,净化处理得到的海砂质量不稳定,特别是含盐量波动较大。因此,我国亟须在海砂净化处理技术上进行革新和升级,形成节水、节能、高效、稳定的净化处理技术系统,并制定相应的技术标准,以确保净化海砂的质量。

3.海砂的开采问题

在1993-1994年前后,宁波、舟山地区开始大规模采掘海砂,淡化后用于建筑工程。目前正在使用的采掘技术,是通过采砂船的泵抽吸技术。抽吸时,由海水携带海砂,进入吸管。船舱中设置初步处理设备,能够将吸上来的海砂进行处理,主要是筛去泥块、大的贝壳和其他杂物,得到比较均匀和洁净的海砂。

经上述采砂工艺处理后,所得海砂的含泥量较低,已不含大的贝壳等粗物,除含盐量和贝壳含量之外,其余指标一般都能满足建筑用砂的标准。


海砂的开采应考虑如下问题:

(1)海砂开采对海洋生态环境和地质环境的影响。

开采海砂,可能会破坏海洋生物群集中的各生物种类的栖息环境,破坏海底的生态环境同时影响一定范围的海水盐度、pH值、O2含量、营养盐等。日本曾经报道过开采海砂导致海底世界如同荒漠一般的景象,由此引起日本社会对开采海砂的反对。


海砂开采可能造成海域输砂量失衡、附近海域流场、波场改变,使得海岸受到侵蚀,国土流失。在近海大规模开采海砂,可能会引起近海地质环境的改变,甚至引起局部陆架的地质灾害。

(2)海砂开采用考虑海砂矿产资源的综合利用

海砂是海底重要的矿产资源,有的海砂矿产中含有大量的稀有金属元素,如可能含有锰、铜、镍、钴等多种元素,还可能含铁矿、钛铁石与锆石等珍贵矿产的赋存地。如果此类极具冶金价值的海砂直接作为建筑用砂,不仅是极大的资源浪费,而且对人居环境也可能存在放射性等潜在危害。

因此,海砂的开采应由国家国土资源部门详细勘探规划,有计划、有步骤的开采使用。盲目开采使用,后果十分严重。

4.  海砂的基本技术指标

海滩砂比较细,多属于细砂范畴,而海底砂则多是中砂,但不同地区的海砂级配等差别较大。淡化海砂的表观密度分布在2590~2650 kg/m3范围内,与河砂相比,一般来说海砂表观密度略小。由于海砂中存在一定量强度较低的软弱颗粒,造成海砂的压碎值指标偏大,坚固性指标稍差,含泥量较低,但贝壳等轻物质含量整体偏高;海砂具有较高的氯离子含量,此外,海砂还含有一定量的硫酸盐、硫化物、以及含磷的矿物。

根据来源不同,海砂中可能含有不同的含泥量、贝壳含量和轻物质含量。海砂的含泥量、贝壳含量和轻物质含量均比较低,经过淡化处理后的海砂相应物质含量均有显著降低。


岩相分析表明,不同海域的海砂、滩砂的样品可能存在潜在碱活性。但通过砂浆棒法检测碱活性,绝大多数海砂样的试件6个月的膨胀率均远小于标准要求值0.10%,证明海砂一般无潜在碱活性危害。

绝大多数海砂的放射性检测结果表明,内、外照射指数符合《建筑材料放射性核素限量》(GB6566-2001)和《民用建筑工程室内环境污染控制规范》(GB50325-2001)的规定要求,对人的健康和安全不造成危害。



4.  海砂混凝土的基本性能

相同配合比和外加剂掺量情况下,海砂混凝土的工作性能不如河砂混凝土,达到相同工作性能需要提高海砂混凝土的外加剂用量。

海砂混凝土和河砂混凝土的抗压强度、轴压强度和弹性模量相差不多,基本相当。海砂中含有微量贝壳和轻物质不会影响混凝土与钢筋的粘结性能,海砂混凝土的钢筋握裹强度与河砂混凝土基本相当。

淡化海砂混凝土中钢筋锈蚀失重率略大于河砂混凝土,但相差不多。淡化海砂混凝土的干燥收缩性能与河砂混凝土的干燥收缩性能基本相当,干燥收缩发展规律相同。淡化海砂混凝土的受压徐变性能与河砂混凝土的受压徐变性能基本相当,受压徐变值发展规律相同。

随着海砂中盐分的提高,混凝土的早期抗压强度(3d左右)明显提高,但28d的抗压强度基本一致;随着海砂中盐分的提高,混凝土中钢筋锈蚀失重率明显增加。

 

5.  《海砂混凝土应用技术规范》JGJ 206-2010的几个技术要点

(1)海砂及海砂混凝土的定义

《海砂混凝土应用技术规范》中将“海砂”定义为:出产于海洋和入海口附近的砂,包括滩砂、海底砂和入海口附近的砂。本规范将“入海口附近的砂”纳入海砂范畴,从而解决了一直以来对江河入海口附近的所谓“咸水砂”是否属于海砂的争论。入海口是河流与海洋的汇合处,淡水和海水的界线不易分明,且随着季节发生变化,本着从严控制的原则,故将入海口附近的砂纳入海砂范畴。

规范中将“海砂混凝土”定义为:细骨料全部或部分采用海砂的混凝土。这样一来,凡是掺有海砂的混凝土,无论掺加比例多少,都视为海砂混凝土,这也体现了为工程质量百年大计考虑、从严控制的思想。

(2)净化处理

《海砂混凝土应用技术规范》规定“用于配制混凝土的海砂应作净化处理”,并将将此作为强制性条文。“净化处理”作为本规范的特有术语,定义为:采用专用设备对海砂进行淡水淘洗并使之符合本规范要求的生产过程。因此,海砂的净化处理需要采用专用设备进行淡水淘洗,并去除泥、泥块、粗大的砾石和贝壳等杂质。这主要考虑到采用简易的人工清洗,含盐量和杂质不易去除干净,且均匀性差,质量难以控制。海砂用于配制混凝土,应特别考虑影响建设工程安全性和耐久性的因素,确保工程质量,确保海砂应用的安全性。鉴于我国目前质量管理的现实状况,本规范对此进行了严格规定。该强制性条文一是为了禁止将海砂原砂直接用于生产混凝土,二是为了避免采用自然淡化、简单的人工淘洗等无法保证净化质量的方式来敷衍了事的行为。

《海砂混凝土应用技术规范》规定“海砂不得用于预应力混凝土”。

(3)氯离子含量问题

跟其他砂相比,《海砂混凝土应用技术规范》提高了对砂中氯离子含量的要求,规定海砂的离子含量不得大于0.03%。同时对其他原材料(水泥、拌和用水等)的氯离子含量也提出了较高要求,以达到从严控制的目的。

《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》JGJ 52-2006中对砂的氯离子含量作为强制性条文规定:钢筋混凝土用砂,氯离子含量不得大于0.06%(以干砂质量百分率计);预应力钢筋混凝土用砂,氯离子含量不得大于0.02%。日本标准《预拌混凝土》JIS A5308:2003对砂的氯离子含量的要求是:氯盐(按NaCl计算)含量不超过0.04%(相当于0.024%的Cl-含量),同时又规定:如砂的氯盐含量超过0.04%,则应获得用户许可,但不得超过0.1%(相当于0.06%的Cl-含量);如果用于先张预应力混凝土的砂,氯盐含量不应超过0.02%(相当于0.012%的Cl-含量),即使得到用户许可,也不应超过0.03%(相当于0.018%的Cl-含量)。我国台湾地区的标准《混凝土粒料》CNS 1240沿用了日本最严格的规定:预应力钢筋混凝土用砂,水溶性氯离子含量不得大于0.012%;所有其他混凝土用砂,水溶性氯离子含量不得大于0.024%。

借鉴日本和我国台湾地区的标准,并同时考虑到我国大陆地区的实际情况,将钢筋混凝土用海砂的氯离子含量限值规定为0.03%,严于JGJ 52-2006规定的0.06%。

值得注意的是,《海砂混凝土应用技术规范》规定了配合比设计和生产过程中应检测海砂混凝土拌合物的水溶性氯离子含量。由于此前氯离子检测方法的不完善,中国建筑科学研究院组织编制了《混凝土中氯离子含量检测技术规程》JGJ/T 322-2013,混凝土拌合物的水溶性氯离子含量的检测,可按照该标准进行 

(4)其他技术指标

规范从严控制海砂中的坚固性、含泥量、泥块含量、云母含量等技术指标,这些指标都是取《建筑用砂》GB/T148684和《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》JGJ 52-2006中偏于安全、甚至最严格的限值(见表2)。同时,本规范还对海砂的碱活性和放射性进行了规定。


4.  结束语

储量丰富的海砂是沿海地区重要的建筑用砂来源。海砂作为生产混凝土的主要原材料而用于建设工程,是海砂使用的主要途径之一。中外不同历史时期的经验和教训表明:使用海砂是经济社会发展的必然,但关键在于能否科学、合理地使用,用得好,可以创造巨大经济、社会和环境效益;相反,如果盲目、不科学地使用海砂将会造成灾难性后果。

海砂的开采利用应该注意两个关键环节:第一是“采”,海砂的开采必须由国家有关部门详细勘探规划,有计划、有步骤的开采使用。严禁盲目开采、盗采。第二是“洗”,海砂应用最关键的环节是做好海砂的净化处理。淡水冲洗目前仍然是最为简单有效的办法。

 

作者简介

周永祥,博士,研究员,九三学社社员。2007年毕业于清华大学,获土木工程学博士。现任中国建筑科学研究院建材所副总工、混凝土室主任,高性能混凝土技术研究中心主任。主要研究方向:混凝土技术及标准化研究。国家十一五科技支撑计划课题“海砂在建设工程中应用的关键技术及产品开发”和国家行业标准《海砂混凝土应用技术规范》、《混凝土中氯离子含量检测技术规程》的骨干成员。

学术任职:全国“高性能混凝土推广应用技术指导组”办公室副主任,全国混凝土标准化技术委员会(SAC/TC 458)副秘书长,中国建筑学会建材分会副秘书长,中国土木工程学会混凝土质量专业委员会秘书长等。(Xiangzizhou2006@126.com;158 0157 0532)

 

冷发光,工学博士,研究员。现任中国建筑科学研究院建材所总工;全国混凝土标准化技术委员会秘书长;中国土木工程学会混凝土质量专业委员会主任委员;中国建筑学会建筑材料测试技术专业委员会主任委员。主持了国家十一五科技支撑计划“海砂在建设工程中应用的关键技术及产品开发”等多项课题;主编了《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》、《海砂混凝土应用技术规范》、《混凝土中氯离子含量检测技术规程》等多项标准。主要研究领域为混凝土耐久性及特种建材。(lengfaguang@126.com;139 1175 6931

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