海砂作为建筑用砂的探讨

2013-08-15刘瑾

山西建筑 2013年19期

刘瑾

(深圳市盐田区工程质量监督站，广东深圳 518081)

央视财经报道，华润涉嫌在建筑工程中使用不合格海砂，一时间引起广泛关注。海砂的危害，主要是因为海砂里含有氯离子，一旦超标，将严重腐蚀混凝土里的钢筋，破坏混凝土结构，降低结构耐久性，产生安全隐患。其实“海砂屋”在国内外早已屡见不鲜。但是总是有人铤而走险，因为:1)河砂资源紧缺，在建材市场河砂已近绝迹。2)还是一个“利”字当头，河砂价格现在超过160元/m3，海砂1 m3只需30多元，但经过淡化的合格海砂，价格至少要翻一倍。然而海砂并不是洪水猛兽，科学规范地利用海砂不仅能够解决河砂资源紧缺的矛盾，而且能够大幅度降低成本。我国海砂资源丰富，浅海海砂储量约1.6万亿t，海砂含泥量低，粒形好，细度均匀，硬度高，适合配制混凝土。所以合理利用海砂资源成为客观需要，也是必然的发展趋势。尤其对于河砂资源紧缺，日益匮乏的东南沿海地区具有非常重大的现实意义。海砂应用于工程建设已有多年历史，并积累了不少成功经验。日本是世界上成功利用海砂的国家之一。日本早在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～90年代，日本海砂的利用量所占建筑用砂的比例高达30%，现在建筑用砂90%以上已是海砂［1］。

1 海砂的利用关键在于科学规范

《海砂混凝土应用技术规范》规定:海砂必须经过净化处理，满足本规范要求后，方可用于配制混凝土，而且在海砂混凝土生产过程中，应检测混凝土中的氯离子含量。海砂混凝土不得用于预应力混凝土结构。中华人民共和国建设部2004年9月发布《关于严格建筑用海砂管理的意见》要求:对重要工程混凝土使用的砂，应采用化学法和砂浆长度法进行骨料的碱活性检验。对钢筋混凝土，海砂中氯离子含量不应大于0.06%。对预应力混凝土不宜用海砂。若必须使用海砂时，则应经淡水冲洗，其氯离子含量不得大于0.02%。建筑工程中采用的海砂必须是经过专门处理的淡化海砂。公共建筑或者高层建筑不宜采用海砂。钢筋混凝土抹灰面层不得采用未处理的海砂作砂浆。

2 海砂中的氯离子引起钢筋锈蚀对建筑结构产生危害的机理

海砂中的氯离子能够降低混凝土的pH值，从而破坏钢筋的钝化膜，形成腐蚀电池，造成钢筋锈蚀。在这个电化学腐蚀过程中氯离子作为中间产物，充当了催化剂，增大溶液导电性，增大电位差从而加速钢筋腐蚀过程。钢筋锈蚀对结构的危害来自以下三方面:1)钢筋锈蚀会使钢筋截面积减小，强度降低。而且锈蚀是不均匀的，钢筋表面凹凸不平，缺口处会产生应力集中，更易折损。2)钢筋腐蚀导致钢筋与混凝土之间的粘结强度下降，钢筋所受的拉应力不能有效传递给混凝土，使结构承载力降低。3)锈蚀产物的体积比钢筋体积大2倍～4倍，使混凝土内产生了体积应力，可能导致混凝土开裂、剥落等破坏。

3 影响钢筋锈蚀的因素

3.1 混凝土pH值

混凝土孔隙中有碱性很高的Ca(OH)2饱和溶液及少量其他强碱盐，所以混凝土在浇筑之初呈碱性，其pH值大于12.5，在此环境下钢筋容易钝化，钢筋表面会生成一层钝化膜。钝化膜能够阻止有害物质侵蚀钢筋，防止钢筋锈蚀。当外界的二氧化碳、水汽或氯离子通过混凝土的孔隙进入，与混凝土材料中的碱性物质发生中和反应。随着有害物质浓度增加，混凝土pH逐渐降低，当pH值小于9时，钢筋表面的钝化膜开始被破坏，由此钢筋开始锈蚀。

3.2 混凝土密实度和保护层厚度

有害物质能够通过混凝土的孔隙，尤其是连通的孔隙进入混凝土内部，侵蚀钢筋。所以混凝土结构越致密，孔隙率越低，越能有效阻止有害物质的侵入，对钢筋起保护作用。而保护层有一定的厚度就能延缓有害物质通过的时间，延迟或降低钢筋的锈蚀。

3.3 钢筋的应力状态

应力的存在使钢筋表面产生微裂缝，腐蚀沿钢筋的裂缝逐渐深入，而应力又促进裂缝进一步发展，也就是机械应力促进了钢筋锈蚀的进程。预应力钢筋较一般钢筋更脆，极有可能在无任何预兆的情况下导致结构的突然破坏，这种腐蚀更危险。因此标准对预应力钢筋混凝土使用海砂的要求更为慎重、严格。

3.4 环境温湿度

温度会加速锈蚀反应，而湿度为形成电解质溶液提供介质。

4 预防钢筋锈蚀的措施

1)最直接的措施是控制原材料中氯离子的含量。

海砂要经过淡化处理，氯离子达标后方可使用。降氯方法有海砂自然放置法、淡水冲洗法、机械法和混合砂法［3］。目前沿海地区，海砂基本上是通过淡水冲洗法进行降氯。这种方法浪费水资源，成本较高，但操作简便，处理时间短。机械法可在较窄的场地上作业，每立方米砂需消耗淡水1.5 t以上，耗水量较大，并需要分级机械、离心机械、给水设备、排水设备等，但它所需时间短。

2)增加混凝土密实度，降低孔隙率。

增加混凝土密实度，降低孔隙率，最根本的方法就是在保证流动度的前提下减小水灰比，减少用水量。增加混凝土密实度有以下几种措施:

a.选用符合要求的骨料。骨料级配要好，而且细骨料应含适量粉料，骨料的含泥量要符合要求。因为如果骨料级配不好，含泥量偏大，就会使混凝土内部的孔隙增大，需水量增加，粘结强度降低，混凝土密实度随之降低。

b.设计合理的配比。首先要在保证流动性的前提下尽量减小水灰比。有研究表明，当水灰比小于0.38时，混凝土毛细孔隙基本可以消除，掺加高效减水剂便是一种有效途径。其次，选择适当的砂率可以降低孔隙率，增加密实度。

c.掺入适量粉煤灰。掺入粉煤灰能大大改善混凝土的抗氯离子渗透性能。由于粉煤灰的颗粒比水泥小，掺入后能够填充到水泥凝胶的孔隙中，在微观层次上改善了混凝土的密实性，减少了较大孔隙的数量。同时使水泥颗粒间水分得以释放，形成自由水，提高混凝土流动性，这是粉煤灰的微集料效应。粉煤灰富含玻璃体，可以增加混凝土流动性，有利于降低水灰比。粉煤灰较水泥水化热低，可以减少温度裂缝。粉煤灰与水泥水化产物游离Ca(OH)2进行二次水化，生成更加稳定的产物C—S—H凝胶，填充混凝土内部孔隙，使水泥石结构更为致密，阻断可能形成的渗透路径，同时使界面区的Ca(OH)2晶粒变小，改善了混凝土的微观结构，使水泥浆体的孔隙率明显下降，强化了集料界面的粘结力，使得混凝土密实度大大增加，耐久性增强［4］。粉煤灰颗粒小，比表面积大，具有较强的吸附氯离子的能力，对氯离子起到了固化作用，在一定程度上提高了混凝土抗氯离子渗透能力。

d.保证混凝土的施工质量。20世纪90年代后建筑工程普遍采用商品混凝土，混凝土的质量有了相当的保证。但在现场施工时为了便于操作会有边浇筑边加水的情况，这样不仅会增大水灰比而且会导致混凝土极不均匀，这种情况是一定要杜绝的。另外还要做到边浇筑边振捣，及时做好混凝土的养护工作。

3)增加混凝土保护层厚度。

4)混凝土表面涂层。

混凝土表面涂层作为第一道防线是一种简单、经济和有效的辅助性保护措施。

5)掺加钢筋阻锈剂。

钢筋阻锈剂的作用是钢筋钝化膜被破坏时能够自行再生，自动修复，从而避免钢筋腐蚀，亚硝酸盐是目前应用最广的钢筋阻锈剂。日本成功利用海砂采取的主要措施就是添加阻锈剂。

6)控制混凝土裂缝。

混凝土裂缝产生的原因很多，常见的有干缩裂缝、沉降裂缝和温度裂缝等。预防混凝土裂缝的主要措施有:a.在原材料选择上，尽量选用水化热低的水泥，如粉煤灰水泥;粗细骨料级配要好，含泥量要低。b.设计合理的配比，混凝土的干缩受水灰比的影响很大，水灰比越大，干缩越大，因此要在保证流动度的前提下尽可能减小水灰比，通过掺加高效减水剂来改善和易性，减少用水量;选择合适的砂率，减少水泥用量;掺加适量粉煤灰。c.及时做好混凝土的养护工作，尤其重要的是早期养护。及时覆盖塑料薄膜或者潮湿的草垫、麻片等，或者在混凝土表面喷洒养护剂等，保证混凝土终凝前表面湿润。冬季施工时要采取混凝土保温措施。在高温和大风天气要设置遮阳和挡风设施。d.在混凝土结构中设置合适的收缩缝。e.为防止出现沉降裂缝，应对松软地基进行夯实和加固;加强上部结构的刚度，同时要加强地基、基础和上部结构的整体性;合理设置沉降缝;在施工顺序上，先施工荷载大的，后施工荷载小的。f.对于大体积混凝土，特别要注意的是通过选用低水化热水泥，减少水泥用量，掺加适量活性混合材，利用三冷技术(水冷、冰冷、风冷)、分层、分块浇筑等施工工艺降低混凝土的浇筑温度，减小内外温差［2］。