特别策划：利用海砂生产混凝土的进展及注意事项探讨

2015-12-20黄清林,漆贵海,周永祥

商品混凝土 2015年1期

编者按：随着经济的飞速发展，作为混凝土细骨料的砂子用量特别巨大，在沿海某些地区相继出现河砂短缺、滥用海砂的现象。但是，海砂作为建筑用砂是把“双刃剑”，一方面可以缓解河砂短缺局面、避免过度开采河砂带来的生态环境问题，另一方面由于海砂中所含的氯离子会腐蚀钢筋，滥用海砂有可能引发“海砂屋”等严重工程事故。本期诚请业内专家和相关技术人员对对如何科学、规范、合理地使用的利用海砂资源生产混凝土展开讨论。

黄清林（嘉兴市鼎业新型建材有限公司，总经理）

随着天然河砂、江砂资源的紧缺，部分区域的混凝土企业对海砂出现滥用现象，导致质量事故隐患不断，所以许多人“谈海砂色变”，其实没有想象中严重，能正确利用海砂，不但能解决河砂滥采现象，也是资源合理利用的体现。

海砂与河砂相比，主要缺点是氯离子含量高，造成对钢筋的腐蚀，影响工程质量，通常我们使用海砂主要采取以下措施：

（1）必须使用淡化后的海砂，且氯离子含量检测结果低于规定标准，严禁未经淡化滥用。

（2）在混凝土中掺加一定量的“钢筋防锈剂”，以抑制、消除海砂中的可溶性氯盐对钢筋的腐蚀。在国外有许多建筑就采用海砂，采用这种办法使用，效果比较好。

（3）就是将海砂与河砂按适当的比例掺和在一起混合使用，主要是降低氯化物的含量并改变海砂的级配。

（4）海砂使用在淡化时应该采用砂网进行过滤掉海砂中的贝壳类杂物，否则混凝土浇筑完成后表面有贝壳浮出，影响外观。

（5）海砂的强度不会比河砂差，但海砂经过淡化后，不是连续级配了，所以在使用时最好与河砂混合使用效果最佳。

（6）使用海砂对混凝土的耐久性的检测主要体现在碳化性能上，通过大量试验表明，海砂与河砂的碳化深发展规律是一致的。碳化深度随着时间的增加而增大，随着强度等级的提高而减小。

总之，我们如何正确使用海砂，关键是技术人员对海砂的认知程度，不能盲目去模仿。如今，利用海水拌制的混凝土的新技术已经开发成功运用，所以，对于海砂在混凝土中的利用不要再跟风叫停，应正确对待，合理利用。

漆贵海（贵州中建建筑科研设计院有限公司，工程师）

随着建筑业对建筑用砂需求量的不断增加以及河砂资源的日益匮乏，使人们将注意力转移到了储量丰富的海砂上。海砂相对于河砂具有含泥量低和细度模数均匀等特点，但海砂中含有大量的氯盐，氯离子是导致钢筋混凝土中钢筋锈蚀的关键因素，也是导致混凝土耐久性降低的重要原因。

那么如何才能很好地利用我国沿海地区丰富的海砂资源呢？笔者通过查阅文献总结出一些海砂中氯盐的处理方法。

（1）淡化海砂的方法

方法一：海砂自然放置法。这种方法就是将海砂堆积到一定厚度，自然堆放数月或几年，取样化验其氯化物的含量，合格后再使用。此技术措施简单，不需要特别大的场地，但周期长，放置时间一般需要2 个月以上，并且空间利用率低且不能解决应急需要。

方法二：淡水冲洗法。这种方法又包括斗式滤水法和散水法。其中斗式滤水法可在较窄的场地上作业，每立方米砂需消耗淡水 0.8t 以上，每批砂除盐时间约 12～24h。散水法则需较大场地，而用水量则较少（每立方米砂需消耗淡水0.2t 以上），每批砂除盐时间 12h 以上。此种方法快捷，能满足应急需要，但通常需要冲洗设备，造价高，并且水资源浪费严重，不符合可持续发展需要。

方法三：机械法。这种方法可在较窄的场地上作业，每立方米砂需消耗淡水 1.5t 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）掺加阻锈剂的方法

这种方法目前已在日本得到广泛应用，它采取的主要技术措施是掺加一种叫做“钢筋防锈剂”的化学药剂，以抑制、消除海砂中海盐对钢筋的腐蚀作用。

目前对钢筋阻锈剂按使用方式和应用对象可分为：掺入型、渗透型阻锈剂；按形态可分为：水剂型、粉剂型阻锈剂；按化学成分可分为：无机型、有机型和混合型阻锈剂；按作用机理可划分为；阴极型、阳极型、混合型阻锈剂。

（3）混合法：这一方法就是将海砂与河砂按适当的比例掺和在一起，其根本也是降低氯化物的含量。海砂与河砂的比例可根据其混合物取样化验其氯化物的含量，当其氯化物的含量小于国家规定的标准后，方可使用。

从以上几种方法比较得知，机械法一次性投资较大，自然堆放法省钱但耗时，掺加阻锈剂省时但费钱，而淡水冲洗法则介于两者之间，这种方法也为较多的生产厂家所采用。各海砂生产单位可以根据自身的条件和实际情况，选择适合的生产方式进行海砂的生产。

日本对开发利用海砂，采取了积极、慎重的政策和严格的技术与管理措施，虽然大量使用了海砂，但没有出现“滥用海砂”和造成“海砂屋”等问题。

目前，美国、日本、英国等国家和我国宁波、温州、北京、青岛、湛江、台湾等沿海地区都己经开始大量使用钢筋阻锈剂来预防钢筋混凝土中钢筋的锈蚀，特别是在海工、海岛工程的应用尤其普遍，但是比起发达国家的利用率还差很远，希望海砂在我国的利用能够进一步实现突破性的进展。

周永祥（中国建筑科学研究院，副总工）

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。

我国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和舟山地区、深圳地区等。目前，宁波、舟山地区的建筑用砂 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承担了“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”（2006 BAJ02B04）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JGJ206-2010《海砂混凝土应用技术规范》。

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，JGJ206-2010《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能够基本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的、科学的依据，大多依靠经验，随意性很大，因而，净化处理出来的海砂质量不稳定，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、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。

（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海水的盐度、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用于建筑用砂，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，海砂的开采因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2590～2650kg/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。

根据出处的不同，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对应物质含量均有显著降低。

3.4 增加文化经费投入。文化主管部门要积极争取国家和省上的项目、资金支持，做好各项乡镇文化建设的项目申请建设、人员使用等方面的统一规划。财政部门要加大乡镇文化人才队伍建设工程的投入，保证各项目标任务的落实。要积极动员社会力量投资文化事业，培育乡镇文化人才。

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%，海砂无潜在碱活性危害。

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

图1　我国典型海砂样品的筛分曲线

表1　海砂的基本性能测试结果

5　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。随着海砂中盐分的提高，海砂混凝土的抗氯离子渗透性能基本相当。

6　JGJ206-2010《海砂混凝土应用技术规范》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。该强制性条文一是是为了杜绝将海砂原砂直接用于生产混凝土，二是为了杜绝采用自然淡化、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

《海砂混凝土应用技术规范》提高了对海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。

JGJ 52-2006《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》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 JIS A5308:2003《预拌混凝土》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 CNS 1240 《混凝土粒料》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%，低于 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 JGJ/T 322-2013《混凝土中氯离子含量检测技术规程》。

（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 GB/T 148684《建筑用砂》和 JGJ 52-2006《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》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。