海水沖洗法凈化海砂的標(biāo)準(zhǔn)與實(shí)踐

海水沖洗法凈化海砂的標(biāo)準(zhǔn)與實(shí)踐

海砂與河砂混合使用進(jìn)行歷程中,我國沿線國家和地區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)土地對(duì)海灘砂的研究和大規(guī)模生產(chǎn)和使用來自國外。例如，英國、日本和荷蘭的30多個(gè)沿海國家開始利用海岸砂資源。特別是20世紀(jì)80年代以來，隨著國家土地開發(fā)中使用的砂源減少，以及環(huán)境保護(hù)的壓力，促使各國重新認(rèn)識(shí)海洋沙資源的潛力。海砂是繼海洋石油天然氣之后開發(fā)的第二大海上資產(chǎn)。臺(tái)灣于1986年開始陸續(xù)使用經(jīng)簡單凈化或未凈化的海砂。由于對(duì)海砂的知識(shí)不足,加上經(jīng)濟(jì)因素,認(rèn)為只要海砂和河砂混合,降低氯離子含量即可安全,因此將海砂與河砂混合使用,一般的比例為河砂∶海砂=4∶1,個(gè)別次要的工程為3∶1或2∶1或1∶1或1∶4等。1993年,臺(tái)灣爆發(fā)“海砂屋事件”,許多房屋剛建完尚未開始使用就已經(jīng)劣質(zhì)化,有的橋梁剛建成四年就不能使用,管理當(dāng)局檢討并參照日本標(biāo)準(zhǔn)制定臺(tái)灣的標(biāo)準(zhǔn),允許砂含氯離子為0.024%,規(guī)定新拌制的混凝土必須經(jīng)現(xiàn)場氯離子檢測通過后方可使用。后經(jīng)過實(shí)踐發(fā)現(xiàn)0.024%標(biāo)準(zhǔn)過于寬松,不利于管理和質(zhì)量安全,故將氯離子含量調(diào)整為0.012%,2011年臺(tái)灣又將氯離子含量限值降為<0.005%,此后再未出現(xiàn)“海砂屋”現(xiàn)象。中國大陸最早大規(guī)模利用海砂的地區(qū)是寧波。1997年寧波研究并建成第一條二道淡水沖洗法海砂凈化生產(chǎn)線。2003年出臺(tái)《寧波建筑工程使用海砂管理規(guī)定(試行)》后,凈化砂廠迅速增加,規(guī)定凈化砂的氯離子為≤0.02%,實(shí)際多數(shù)廠家產(chǎn)品氯離子在0.007%-0.015%之間。2010年出現(xiàn)了質(zhì)量問題,2011年政府禁止使用凈化砂,但仍然實(shí)施氯離子≤0.02%的標(biāo)準(zhǔn),使得外地的凈化海砂大量進(jìn)入寧波市場。2012年修改標(biāo)準(zhǔn),將砂的氯離子含量指標(biāo)修訂為≤0.0020%,寧波若能真正按此標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行,將十分有利于寧波的工程質(zhì)量安全?，F(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)中,氯離子含量的指標(biāo)范圍在0.01%-0.06%之間,標(biāo)準(zhǔn)過于寬松。目前全國沿海地區(qū)對(duì)氯離子的限量值有0.06%、0.03%、0.02%、0.01%、0.0020%等。如不修改并提升標(biāo)準(zhǔn),則無法禁止低品質(zhì)的凈化海砂在工程中的使用,會(huì)給沿海城市帶來潛在的危險(xiǎn)。海砂的凈化作用海砂是陸源砂,經(jīng)過遠(yuǎn)久的年代,在山洪及流水的作用下,河砂大量進(jìn)入海洋,并不斷在水動(dòng)力作用下搬運(yùn)、沉積,而形成海底砂礦。全國沿海城市蘊(yùn)藏著數(shù)量極大的砂礦,這些砂礦正在被開采利用,可為沿海城市建設(shè)服務(wù)數(shù)十年乃至上百年。海砂因是陸源砂,所以在礦物組成、機(jī)械強(qiáng)度、放射性含量以及顆粒級(jí)配與河砂基本一致。但由于水動(dòng)力搬遷摩擦的結(jié)果,海砂的磨圓度、堅(jiān)固性好,配制成混凝土和砂漿其和易性、流動(dòng)性更佳。河砂進(jìn)入大海后,長期浸泡在海水中,因不同區(qū)域的海水中組成物質(zhì)的含量不同,如入?？诤蜕詈Ｇ闆r不同,同一地區(qū)的不同區(qū)域亦有不同,所以海砂受海水侵蝕是不同的,而且相差甚大,但在一般的情況下,典型的海水中含有氯化鈉2.7%,氯化鎂0.32%,氯化鈣0.05%,硫酸鎂0.22%,硫酸鈣0.11%,還有一些微生物、貝殼、有機(jī)物、泥和其他水溶性無機(jī)鹽、有機(jī)鹽等離子。長期浸泡使得這些物質(zhì)填充在海砂的裂縫中、間隙中和沉積吸附在海砂的表面,要徹底清洗掉這些物質(zhì),還原成入海前河砂的狀況狀態(tài),相當(dāng)困難。但研究中發(fā)現(xiàn)這些物質(zhì)并不與海砂起化學(xué)反應(yīng),它們存在形式的最基本特征是物理吸附,只要根據(jù)它們的吸附特性,便可設(shè)計(jì)合理的工藝將其徹底清除,將海砂還原成入海前的河砂狀態(tài)。這一過程就是海砂的凈化,經(jīng)凈化后合格產(chǎn)品在中國大陸給予專有名稱——凈化海砂。臺(tái)灣及國外沒有凈化海砂這一專稱。海砂中有害物質(zhì)大致可分為以下12種類型:放射性,堿活性物,硫酸鹽,微生物,貝殼,雜質(zhì),泥、泥塊,云母,硫化物等,其他鹽類,有機(jī)物,氯鹽。研究學(xué)家對(duì)海水中的這些物質(zhì)對(duì)鋼筋混凝土和對(duì)建筑砂漿的影響和危害已有一定的研究,并根據(jù)當(dāng)時(shí)認(rèn)知的技術(shù)水平及經(jīng)濟(jì)因素,在規(guī)范中給予明確的定量規(guī)定。當(dāng)然隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步,隨著對(duì)海砂使用過程產(chǎn)生的新問題和經(jīng)驗(yàn)的總結(jié),對(duì)凈化海砂產(chǎn)品的各種指標(biāo)都在做調(diào)整和修訂,使其既能在現(xiàn)有技術(shù)水平上為建設(shè)服務(wù),又能保證安全和耐久性。下面討論海砂不同于河砂的兩個(gè)重要指標(biāo):1.硫酸根離子檢測由海砂引入的水溶性無機(jī)鹽類,會(huì)不同程度影響混凝土的凝結(jié)時(shí)間及早期強(qiáng)度和制成混凝土制品的導(dǎo)電性。如果是硫酸鹽,硫酸根離子會(huì)與水泥水化產(chǎn)物Ca(OH)2反應(yīng)生成CaSO4·2H2O水化物,再與水泥中的C3A水化物反應(yīng)生成鈣釩石,導(dǎo)致混凝土膨脹,產(chǎn)生裂紋,從而影響混凝土的耐久性等。堿金屬含量高會(huì)增大堿活性的風(fēng)險(xiǎn),因而必須最大限度地將這些鹽類及含硫酸根、硫化物全部清除,以確?；炷恋哪途眯浴?.混凝土中氯離子的危害氯鹽在有水的條件下,會(huì)產(chǎn)生游離的氯離子。當(dāng)氯離子在鋼筋表面聚集到一定的濃度時(shí),不僅能破壞鋼筋鈍化膜,形成腐蝕電池,降低PH值,造成鋼筋銹蝕,而且能增大溶液的導(dǎo)電性,增大電極電位差,從而加速鋼筋銹蝕進(jìn)程,所以氯離子為海砂中銹蝕鋼筋最有害的物質(zhì)之首。因而衡量凈化海砂品質(zhì)的優(yōu)劣,其氯離子含量指標(biāo)是最重要的,若能將氯離子清除到0.000%(小數(shù)點(diǎn)后四位數(shù)四舍五入),即可認(rèn)為是河砂,在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)允許的情況下,應(yīng)提倡將凈化海砂產(chǎn)品的氯離子清除至越低越好。氯離子對(duì)鋼筋銹蝕的機(jī)理:(1)破壞鈍化膜:混凝土內(nèi)具有高堿環(huán)境,新制成的混凝土一般的PH值在12.5-13.5之間,新制成的混凝土鋼筋表面一般會(huì)形成一層鈍化膜,阻止氯離子對(duì)鋼筋的銹蝕。然而該鈍化膜只有在高堿的環(huán)境中才能穩(wěn)定。當(dāng)PH值小于9.0時(shí),鋼筋表面的鈍化膜就會(huì)逐漸被破壞。Cl-是較強(qiáng)的去鈍化劑,當(dāng)Cl-進(jìn)入混凝土到達(dá)鋼筋表面吸附于局部鈍化膜時(shí),可使該部位的PH值迅速下降,從而破壞鋼筋表面的鈍化膜。定量研究發(fā)現(xiàn),氯離子滲入到混凝土鋼筋表面,只有達(dá)到一定濃度時(shí)鋼筋才開始銹蝕。通常認(rèn)為,在混凝土液相中,當(dāng)濃度比值為【Cl-】/【OH-】>0.61時(shí),鋼筋才開始銹蝕,此比值被用為引起鋼筋銹蝕的氯離子的“臨界值”。因此,國內(nèi)外規(guī)范中規(guī)定的限值,皆是以“臨界值”為基本參考制定混凝土中氯離子的限值。實(shí)際上,混凝土內(nèi)部相互作用的因素很多,其中【OH-】的濃度也在不斷變化中,而且混凝土的局部也有不均勻性,同時(shí)會(huì)因外界環(huán)境的變化而變化,也由此可知以臨界值為基礎(chǔ)得出的對(duì)海砂【Cl-】含量限值的不合理性。(2)形成腐蝕電池:Cl-對(duì)鋼筋表面鈍化膜的破壞發(fā)生在局部,使這些部位露出了鐵基體,形成陽極,大面積的鈍化膜作為陰極,形成腐蝕電池。Cl-與陽極反應(yīng)生成FeCl2將陽極產(chǎn)物搬去,在向混凝土內(nèi)擴(kuò)散時(shí)遇到OH-生成Fe(OH)2沉淀又放出H+、Cl-。這樣Cl-就又回到陽極,將陽極產(chǎn)物再搬走,由此可見起到了搬運(yùn)的作用,卻并不被消耗,也就是說,凡是進(jìn)入混凝土中的Cl-的存在會(huì)周而復(fù)始地起到破壞作用,這就是氯離子危害的特點(diǎn)。(3)鋼筋被銹蝕:FeCl2+4H2O=Fe(OH)2+2Cl-+2H++2H2O增加酸性PH值下降同時(shí):2Fe(OH)2+2Cl-+H2O=Fe2O3·mH2O+2HClPH值下降氯離子在鋼筋的銹蝕過程中扮演催化劑的作用,它參與鐵變成鐵銹的化學(xué)反應(yīng)過程,生成中間產(chǎn)物FeCl2與水反應(yīng)生成Fe(OH)2和HCl,Cl-在化學(xué)溶液中的存在,大大減少了電化學(xué)溶液中的電阻,同時(shí)降低鋼筋附近的PH值,加速鐵銹的生成,周而復(fù)始,鐵銹的體積是鐵的數(shù)倍,鐵銹積少成多,造成海砂砼出現(xiàn)順鋼筋開裂等一系列劣化現(xiàn)象。當(dāng)鋼筋鈍化膜開始破壞,混凝土對(duì)鋼筋的握裹力就開始下降,隨著鋼筋的生銹,鋼筋截面積的減少,混凝土對(duì)鋼筋握裹力進(jìn)一步下降,直到完全失去,這時(shí)混凝土失去鋼筋的支撐,當(dāng)有外力的作用時(shí),便出現(xiàn)了潰塌。實(shí)際上,砼中的鋼筋銹蝕是一個(gè)多因素的復(fù)雜過程,它和砼內(nèi)部的孔隙特征、水化程度、C3A含量、保護(hù)層厚度、PH值、氯離子含量以及外部的因素,如溫度、濕度、碳化、酸堿性環(huán)境、含氧量等均有關(guān),這些因素之間相互影響、相互作用,最終導(dǎo)致鋼筋的銹蝕。當(dāng)然氯離子的作用是導(dǎo)致和加速鋼筋銹蝕最重要的內(nèi)因。因此提倡將凈化海砂的氯離子含量值降低至接近于河砂或達(dá)到河砂的水平,使其可視同河砂使用。當(dāng)然用河砂制成的混凝土并不是鋼筋就不生銹、混凝土不老化。鋼筋生銹和混凝土老化還有別的因素,河砂也存在不少的有害物質(zhì),使用河砂同樣必須滿足其品質(zhì)指標(biāo)的要求。建筑用砂或簡單凈化的混凝土海砂雖然含有十幾種對(duì)鋼筋混凝土及建筑砂漿有害的物質(zhì),在當(dāng)前的用淡水法清洗海砂為主要工藝的凈化過程中,這些物質(zhì)的含量與氯離子含量有一定的相關(guān)性,在一般的情況下,當(dāng)生產(chǎn)線出料口的凈化砂檢出的實(shí)際所含氯離子≤0.005%時(shí),其他的有害物質(zhì)基本同時(shí)被清除干凈(貝殼、放射性、云母等除外)。當(dāng)凈化海砂的氯離子凈化到≤0.005%時(shí),用其制成的混凝土與用海砂或凈化不徹底的海砂制成的混凝土以及和用純河砂制成混凝土相比,經(jīng)約一年養(yǎng)護(hù)后會(huì)發(fā)現(xiàn),用優(yōu)質(zhì)河砂和用氯離子≤0.005%的凈化海砂制成混凝土的強(qiáng)度同樣在增加,而用海砂或簡單凈化的海砂制成的混凝土強(qiáng)度會(huì)下降。這說明了海砂的抗老化差,由其制成的混凝土易于老化,所以海砂不但會(huì)銹蝕鋼筋,還會(huì)降低混凝土的耐久性。所謂的“海砂屋”就是鋼筋的銹蝕和混凝土強(qiáng)度降低劣化的現(xiàn)象。關(guān)于建設(shè)用砂氯離子含量限定值,我們認(rèn)為:1.各國及中國各地對(duì)建設(shè)用砂的氯離子含量標(biāo)準(zhǔn)存在著很大的差異,這體現(xiàn)了對(duì)砂中氯離子的危害性的認(rèn)識(shí)差異。寧波、臺(tái)灣、日本的許多經(jīng)驗(yàn)已證明按現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行會(huì)出現(xiàn)不同程度的質(zhì)量問題,所以標(biāo)準(zhǔn)一直在不斷的修正之中,且日漸趨嚴(yán)。在實(shí)際的商品混凝土工廠中,不同等級(jí)混凝土用砂是難以分開堆放使用的,低等級(jí)的混凝土由于膠凝材料少,放寬氯離子的限定值更不安全。因此,有必要對(duì)建設(shè)用砂的氯離子含量作統(tǒng)一的規(guī)定,并且要嚴(yán)格限定,才能確保安全。2.在混凝土的制作中,除海砂引入氯離子外,還有如自來水(約0.002%-0.004%之間)、外加劑、石子、粉煤灰、礦粉、水泥等引入,這些氯離子疊加結(jié)果會(huì)使Cl-進(jìn)一步增加。在使用中并未規(guī)定或未檢其他材料的Cl-含量,因而也需要降低凈化海砂中Cl-的含量,使制成混凝土氯離子總含量在較小的數(shù)值內(nèi)。3.由于沿海地區(qū)多數(shù)使用海砂或簡單清洗后的海砂抹面,Cl-會(huì)反滲入砼中,大量增加砼中的Cl-含量。同時(shí)氯鹽含量高的凈化海砂用作抹灰,鹽份的存在使抹灰面易于吸濕,不利于居住者的健康,同時(shí)會(huì)更容易向混凝土滲入水分和氯離子,加速鋼筋的銹蝕。建筑砂漿用砂的氯離子同樣應(yīng)規(guī)定為≤0.005%。4.現(xiàn)有海砂凈化技術(shù)已很成熟,成本低,經(jīng)濟(jì)性好,其工藝已可將氯離子凈化到≤0.005%,其直接生產(chǎn)成本在4-6元/噸左右。用其制成的混凝土砂漿與優(yōu)質(zhì)純河砂制成的混凝土和砂漿比較,長期實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,二者品質(zhì)基本一致。因此,建議將凈化海砂的Cl-含量進(jìn)行修改,為≤0.005%為宜。凈化海砂用砂復(fù)合利用法律依據(jù)1.中國沿海蘊(yùn)藏著非常豐富的海砂資源,海砂實(shí)際上已大量用于建設(shè)工程?，F(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)太寬松,工程建設(shè)潛在很大的風(fēng)險(xiǎn),有的已出現(xiàn)工程質(zhì)量問題,若繼續(xù)下去,會(huì)給社會(huì)帶來極大的損失,由此可能引起社會(huì)的不穩(wěn)定因素。若不提升指標(biāo),人們會(huì)懼怕,最終導(dǎo)致杜絕凈化海砂的使用。2.現(xiàn)在的海砂凈化技術(shù)已能將海砂凈化到入海前河砂的基本狀態(tài),且經(jīng)濟(jì)指標(biāo)良好。建議將凈化海砂的氯離子含量指標(biāo)修改為≤0.005%,這樣便能放心大膽地使用海砂,讓凈化海砂為沿海城市的建設(shè)服務(wù),成為環(huán)境友好型建筑材料。3.建設(shè)用砂應(yīng)在政府的規(guī)劃管理下建設(shè)發(fā)展,有條件的地方還可統(tǒng)籌運(yùn)用河砂、凈化海砂、人工砂、再生砂等多種砂源,統(tǒng)一布局規(guī)劃。要管住劣質(zhì)凈化海砂,必須管住凈化砂廠。凈化海砂生產(chǎn)銷售應(yīng)建立許可證制度,凈化砂廠應(yīng)經(jīng)驗(yàn)收合格后方能生產(chǎn)、銷售,并在政府及相關(guān)部門的監(jiān)管下運(yùn)行,有益于建設(shè)安全,有益于砂行業(yè)的