淡化海砂在混凝土中应用前景浅析_童昀 (2)

淡化海砂在混凝土中应用前景浅析

童

昀，李明利，杨顺荣，崔永锋

（厦门路桥翔通股份有限公司，福建厦门361000）

摘

要天然河砂资源日益紧张，使用淡化海砂等替代砂源势在必行。为减少氯离子对钢筋混凝土的侵害，

海砂的淡化过程应更加合理，其检验指标应在一定程度上收紧国家标准所规定的阈值，海砂混凝土出厂前应进行氯离子检验。掺加阻锈剂等阻锈方法应进一步深入研究，为海砂的使用拓宽道路。

关键词海砂；淡化；氯离子；钢筋锈蚀；混凝土

随着我国现代化建设规模的不断扩大，建筑用砂需求总量巨大。经过几十年的开采，部分河道砂资源已经大为减少或接近枯竭，天然河砂资源短缺的问题日益突出。而天然河砂的市场价格也迅速上涨，甚至出现过一年翻番。一方面，为了满足供应，许多地方出现了滥采乱挖的现象，导致当地水环境被严重破坏；另一方面，我国拥有漫长的海岸线以及大量可开采的海砂资源，同时海砂价格低廉（淡化处理后的价格仅为天然河砂价格的70%左右），因此广大沿海地区逐渐开始应用海砂作为建筑用砂，来缓解天然河砂供应困难的情况。

但是，由于海砂的使用日益广泛，淡化处理不彻底等违规使用海砂的“无序行为”，已经造成了“海砂屋”现象在宁波、深圳、台湾等沿海地区出现，且尚有增多的趋势。“海砂屋”的存在严重的安全隐患，威胁着当地居民的生命财产安全，将造成巨大的经济损失。毫无疑问，“滥用海砂”必须尽快制止，否则将后患无穷[1]。因此很有必要梳理一下国内外关于淡化海砂使用的研究成果及政策，为正确地淡化处理海砂，合理地使用淡化海砂做准备。

降低。当CO2、Cl-积聚足够的数量，导致混凝土的pH<9时，钢筋表面的钝化膜被逐渐破坏，脱钝活化，从而导致钢筋发生锈蚀。

Cl-锈蚀是一个电化学过程。Cl-和阳极因腐蚀产生的Fe2+，形成FeCl2（绿锈）。从钢筋阳极向含氧量较高的混凝土孔

隙迁徙，分解为Fe(OH)2（褐锈）。褐锈沉积于阳极周围，同时放出H+和Cl-，它们又回到阳极区，使阳极区附近的孔隙液局部酸化；Cl-再带出更多的Fe2+[2]。

Fe2++2Cl-+4H2O-→FeCl2+4H2O

FeCl2+4H2O-→Fe(OH)2↓+2Cl-+2H++2H2O

氯离子在过程中作为催化剂并不消耗，加速腐蚀建筑结构物内部的钢筋。钢筋锈蚀后，其体积可按溶解O2富余程度的不同膨胀2~4倍。锈蚀的不断深入，会导致混凝土保护层的开裂，钢筋与混凝土之间的黏结力破坏，钢筋受力截面减少，结构强度降低等，对混凝土的体积稳定性造成相当大的危害。

Cl-在钢筋表面只有达到一定浓度时钢筋才会锈蚀，此浓

度为引起钢筋锈蚀的“临界值”。临界值是随条件而变的，混

图1“海砂屋”钢筋锈蚀混凝土破坏

1海砂的特点

海砂与天然河砂的组成及性能非常接近，粒型圆滑、级配良好、质地坚硬。但是海砂与天然河砂相比，不同点在于：

凝土的pH值即其中最重要的条件之一。Housmen等人的实验研究结果表明，混凝土中液相的离子浓度比值为Cl-/OH->

0.61时，钢筋开始锈蚀，以此作为临界值具有一定的实际指

导意义[3]。

Cl-含量、SO42-含量及贝壳等含量较高。1.1Cl-导致钢筋锈蚀

Cl-对混凝土结构物的破坏相当严重。混凝土中的液相pH值一般可达12.5~13.5，钢材在这种高碱的环境中能形成

致密稳定的钝化膜，使得钢筋内部无法形成腐蚀电流。当

1.2氯盐的早强作用

海砂中的氯盐还可能对混凝土有促凝作用（含盐量在

0.2%以上时比较明显），因此对于大体积混凝土有初期温升

较高的问题。使用含盐量较高的海砂的混凝土早期强度较高，但可能损害后期强度发育。

CO2、H2O或Cl-等有害物质从混凝土表面通过孔隙进入到混

凝土内部，与内部的碱性物质发生中和，导致混凝土的pH值

1.3SO42-的影响

·5·

■综合论述

海水中的硫酸盐含量大约只有氯盐含量的1/10，经过淡化处理后的海砂SO42-含量就更少了，一般不会对混凝土性能造成大的影响。但是海砂中的盐分可能使混凝土的干燥收缩增加。因此必须十分关注含盐量对混凝土的性能影响。

2010年

土-钢筋界面孔溶液中的电化学腐蚀反应。其保护效果比通过改善混凝土的抗渗性等来延缓腐蚀的间接手段更加稳定和优异。按国际公认的数据，如果加足量的钢筋阻锈剂到混凝土中，氯离子渗入量即使达到10kg/m3，仍可保证钢筋不锈。

前苏联、日本和美国是最早使用钢筋阻锈剂的国家。目前日本沿海地区建筑用砂的90%以上是用淡化海砂，成为世界上在建筑领域使用淡化海砂最成功的国家。据美国“全寿命经济分析”，采用添加钢筋阻锈剂的处理方法具有最优的经济效果。国内对钢筋阻锈剂的研究起步相对较晚，20世纪

1.4贝壳的影响

贝壳类一般不会与混凝土发生化学反应，这些轻物质本身强度很低，呈表面光滑的薄片状，易沿节理错裂，与水泥浆的粘结能力很差。较高含量的贝壳类等轻物质会明显降低混凝土的和易性、力学性能及各种耐久性能。

1.5含泥量的影响

经过筛洗淡化后的海砂的含泥量一般较低。据2008年度宁波市海砂淡化生产企业产品抽检结果显示，其含泥量一般都低于Ⅰ类砂要求的0.1%的限值，可以不予过多的考虑。

90年代初期钢筋阻锈剂才开始引起人们的注意并逐步得到

应用[6]。

2.3其他的方法

①对于配合比，淡化海砂用于混凝土中的通常做法是同

时加大矿物掺合料如粉煤灰和矿渣粉的用量。矿物掺合料的填充作用以及火山灰反应，对细化混凝土中的孔隙，提高胶凝体系的密实度，增强混凝土抗氯离子渗透性能，有着极大的帮助，尤其是矿渣粉和粉煤灰双掺效果更佳。②在混凝土中掺入纤维，阻止基体开裂，也可以一定程度上提高混凝土的抗渗性能，缓解氯离子对钢筋的侵蚀。③研究表明钢筋锈蚀与绝对保护层厚度和混凝土的密实度相关，在设计中加大保护层厚度以及提高混凝土质量对延缓钢筋腐蚀速度是有效的。④在钢筋表层涂敷聚脲弹性体，直接防止钢筋锈蚀是目前发展起来的一项新技术，效果显著，但是因为原料需进口，因此成本较高[7]。⑤另外还有生物方法--“除氯菌”清除混凝土中的氯离子的高新技术[8]。

1.6淡化海砂对混凝土碳化的影响

混凝土碳化（中性化）主要由Ca（OH）2与CO2反应引起。有研究指出：在碳化初期，天然河砂混凝土的抗碳化性能要优于于淡化海砂混凝土；随着碳化时间的增加，在碳化中后期，两种混凝土的抗碳化性能无明显差异；碳化对淡化海砂混凝土的影响程度与河砂混凝土很接近，无明显差异[4]。

2防止氯离子侵蚀的研究

如前所述，淡化海砂应用的最主要问题在于防氯盐腐蚀。因此，只要充分淡化海砂，控制其含盐量，混凝土依然可以获得好的耐久性能。

2.1限定值

一般以“限定值”作为混凝土中Cl-含量的总量（水泥重量百分比）控制值。1990CEB/FIB和EN20621指出：游离氯化物超过混凝土中水泥重量的0.35%可导致腐蚀；对预应力混凝土而言，氯化物超过0.2%就应判定有害。

表1列出了美国混凝土学会（ACI）的相关规定，其中以

3国内相关标准及政策的规定

各类与海砂相关的国家标准和行业标准，主要有以下几种：①《混凝土结构工程施工质量验收规范》GB50204-2002、

ACI201委员会的规定比较严格，并被世界许多国家参照采

用。

表1混凝土中允许Cl-含量的限定值（水泥重量百分比）

类型预应力混凝土

湿环境、有氯盐

普通混凝土

一般环境、无氯盐干燥环境或有外防护层

②《混凝土质量控制标准》GB5016492、③《建筑用砂》GB/T14684-2001、④《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》JGJ52-2006、⑤《公路水泥混凝土路面施工技术规范》JTG-F30-2003、⑥《公路工程水泥混凝土外加剂与掺合料应用技

术指南》等。各种标准的相关指标不尽相同，现列表2~表4。

表2GB/T14684-2001中的相关指标

项目

含泥量（按质量计，%）氯化物含量（以氯离子质量计，%）

指标

ACI201ACI318ACI2220.060.100.15无规定

0.060.150.301.0

0.080.200.200.20

Ⅰ类≤1.0＜0.01

Ⅱ类≤3.0＜0.02

Ⅲ类≤5.0＜0.06

日本土木学会编制的规范中规定，对于耐久性要求较高的钢筋混凝土，Cl-总量不超过0.3kg/m3；一般钢筋混凝土，Cl-总量不超过0.6kg/m3。

以“限定值”为标准，日本对海砂的含盐量进行了分级规定，氯盐含量为0.02%（以NaCl占干砂重量的百分比）以下者可直接使用；对于普通钢筋混凝土，海砂的含盐量低于0.04%者可直接使用。并同时规定，凡使用含盐量超标的海砂，必须采取防盐腐蚀的技术措施[5]。

注：淡化海砂带入每立方米混凝土中的总含盐量应不大于1.0kg/m3，淡化海砂与标准砂对比试验，应对混凝土凝结时间、强度等无不利影响。

同时，干伟忠、Alois·Boes等的试验中0.03%的Cl-含量对应的钢筋钝化膜已有活化迹象，因此认为现行标准中有关海砂Cl-含量的阈值或许偏松[9]。保证淡化海砂氯离子达到标准指标应是最低要求。

在推行国家及行业标准的同时，国家及地方也相继出台

2.2使用阻锈剂

阻锈剂通过在钢筋表面“成膜”直接保护钢筋，抑制混凝

·6·第3期（总第116期）

表3JGJ52-2006中的相关指标

项目

含泥量（按质量计，%）氯化物含量（以氯离子质量计，%）

贝壳含量（按质量计，%）

综合论述■

≥C60≤2.0

C35～C30≤3.0

≤C25≤5.0

对于钢筋混凝土用砂，其氯离子含量不得大于0.06%（以干砂重的百分率计,下同）；

对于预应力混凝土用砂，其氯离子含量不得大于0.02%。

≤3.0≤5.0≤8.0（对于有抗冻、抗渗等其他特殊要求的用砂,应≤5.0）

%素混凝土

表4JTG-F30-2003及《公路工程水泥混凝土外加剂与掺合料应用技术指南》中的相关指标

结构种类及环境条件

贝壳含量含泥量

拌合物的Cl-总含量占水泥用量外加剂、掺合料等带入Cl-占水泥用量

预应力混凝土及腐蚀环境中的钢筋混凝土

潮湿但不含氯离子环境中的钢筋混凝土

干燥环境或有防潮措施的钢筋混凝土

≤2.0≤2.0

0.060.02

0.300.10

1.000.33

1.80-

了一系列政策法规，如：《建设部关于严格建筑用海砂管理的意见》建标[2004]143号、《宁波市建筑工程使用海砂管理规定（试行）》、《广东省建设厅严禁在混凝土结构工程中使用未经处理海砂的通知》粤建管函[2008]137号等等，来规范海砂市场及淡化海砂的使用。

（2）海砂在使用前必须经过淡化冲洗处理，使砂的氯离子含量、贝壳含量、含泥量等指标合格，并应符合工程实际的指标要求。

（3）海砂的检验指标应在一定程度上收紧国标所规定的阈值。

（4）海砂混凝土出厂前应进行氯离子检验。

（5）对海砂的研究应继续深入，寻找新的方式方法，尤其是掺加阻锈剂的阻锈方法研究应进一步开展，为海砂的使用拓宽道路。

参考文献

4海砂淡化加工的方法

日本对海砂的除盐方法包括喷洒、浸泡、机械等方式，各有利弊。国内海砂的清洗处理方式也有多种，工序及工具不尽相同，一次滚筛和二次淡水冲洗[10]为主要工序，可操作性强、工艺简单，产品质量可基本达到Ⅰ类砂标准。

[1]洪乃丰.震后反思“海砂屋”[J].腐蚀与防护，2008，29（07）：

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[2]张璐，施养杭.海砂对混凝土结构耐久性的影响及防治措

施[J].基建优化，2006，27（3）：76-77

图2淡化海砂生产设备：冲洗及滚筛

[3]洪乃丰.海砂对钢筋混凝土的腐蚀与对策[J].混凝土.

2002，154（8）：12-14

[4]蒋真，赵铁军，宋晓翠.海砂混凝土碳化性能研究[J].工程

建设.2009，41（4）：11-14

在有场地条件的淡化海砂处理厂，淡化过程可以增加浸渍、洒水的过程，缩短机械处理时间，均化处理效果，减小淡化用水量。

5海砂的检验方法

海砂中氯离子含量的测定方法可依据《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》（JGJ52-2006）的6.18进行。

邓文红、黎帆所作的《离子选择电极法测定海砂中氯离子》一文展示了用离子选择电极法较快速地测定海砂中的氯离子的数据。测定结果与JGJ52-2006方法的结果一致性较高[11]。

建标[2004]143号要求，商品混凝土出厂前应当进行氯离子含量检验。基于离子选择电极法设计的便携式氯离子含量快速测定仪可以满足混凝土出厂检验时氯离子快速测定的需要。

[5]洪乃丰.海砂腐蚀与\"海砂屋\"危害[J].工业建筑.2004，34

（11）：65-67

[6]周庆，许艳红，颜东洲.建筑中合理利用海砂资源的新技

术[J].全面腐蚀控制.2006，20（3）：8-10

[7]王海容，张海信.聚脲弹性体防腐涂料在海上钢结构中的

应用研究[J].新型建筑材料.2006（8）

[8]樊毅，侯蕾，丛树民.解决\"海砂屋\"问题的几种措施[J].辽宁

建材.2009（07）

[9]干伟忠，AloisBoes.海砂对钢筋混凝土结构耐久性影响的

试验研究工业建筑[J].2002，32（2）:8-11

[10]李学文.建筑用淡化海砂的生产和应用[J].广东建材.2009

（1）：17-18

6结论

（1）在目前天然河砂砂资源日益紧张的情况下，使用淡化海砂等替代砂源势在必行，但是对淡化海砂的使用必须符合各项规范以及政策文件的要求。不合格的海砂不得使用。

[11]邓文红，黎帆.离子选择电极法测定海砂中氯离子[J].广

东建材.2009（2）：100-101

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