童斌 蔣婷 宋旭艷

摘 ? 要：隨著建筑混凝土用砂的不斷增長和河砂資源的面臨枯竭，海砂作為河砂的替代品已經(jīng)成為建筑行業(yè)的新寵。本文綜述了海砂在混凝土中的應(yīng)用研究現(xiàn)狀，海砂對普通混凝土的力學(xué)性能和耐久性無顯著影響;海沙在經(jīng)過相應(yīng)的處理后，對鋼筋混凝土的銹蝕影響也可以降到最低。海砂可代替河砂應(yīng)用于混凝土中。

關(guān)鍵詞：海砂 ?混凝土 ?氯離子 ?耐久性 ?鋼筋銹蝕

中圖分類號：TU528 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2019）07（c）-0038-04

河砂是目前建筑混凝土用砂的主要來源。而隨著國內(nèi)外混凝土用量的飛速發(fā)展，全世界范圍內(nèi)的許多國家已經(jīng)出現(xiàn)了河砂資源緊張乃至稀缺的情況?，F(xiàn)有的河砂存量已經(jīng)不能滿足飛速增長的建設(shè)需求。而且，河砂屬于不可再生資源，為了保護環(huán)境，政府已出臺許多政策以防止河砂的過度開采，進一步加劇了河砂供不應(yīng)求的形勢。

海砂在全世界范圍內(nèi)儲量豐富。目前，世界上已有許多成功應(yīng)用海砂的例子。日本是世界上成功利用海砂的國家，在阻銹劑的使用上已十分成熟，其沿海地區(qū)建筑混凝土用砂90%以上都是海砂。我國也擁有較長的海岸線，王圣潔[1]等人對我國的海砂資源總量進行了初步估算，約為180.09×1010～181.50×1010t。我國的寧波、溫州等地也已有使用海砂及阻銹劑的工程，且質(zhì)量良好。但是，海砂應(yīng)用也有失敗的例子，韓國的三豐大廈就因為濫用海砂而造成倒塌，導(dǎo)致多人死亡[2]。所以，海砂在應(yīng)用之前，必須根據(jù)相應(yīng)的規(guī)范標準進行處理，以保證建筑物的安全使用。

1 ?海砂的特性

目前，天然砂和人工砂是主要的兩種建筑用砂。海砂屬于天然砂的一種，顏色比較暗沉，呈深褐色，一般會有貝殼等殘片。而河砂的顏色相對黃亮很多，含有大小不一的鵝卵石。通過對海砂、河砂和機制砂進行篩分、密度、含泥量、氯離子含量測定等試驗，發(fā)現(xiàn)海砂的顆粒級配十分接近河砂，級配較為良好;但表面棱角比機制砂光滑，比河砂突出;堅固性低于河砂，同時，氯離子含量顯著高于河砂和機制砂。

2 ?海砂的應(yīng)用

2.1 海砂在普通混凝土中的應(yīng)用

海砂的顆粒級配與河砂十分接近，所以海砂代替河砂應(yīng)用于混凝土中是可行的。我國深圳、寧波等地最早開始使用淡化海砂，沿海地區(qū)的河砂資源一直面臨緊缺的挑戰(zhàn)。以寧波為例，海砂的使用量在寧波市每年建設(shè)用砂中的比例占了 80% 左右。我國每年都會使用如此大量的海砂，海砂對混凝土性能產(chǎn)生的影響就顯得尤為重要。

2.1.1 海砂混凝土中Cl-的擴散與固化

由于海砂中存在大量的Cl-，在使用海砂制備混凝土?xí)r，必須考慮海砂中存在的大量Cl-在混凝土中的擴散以及固化對混凝土帶來的影響?；炷林械穆塞}分為內(nèi)摻型和外滲型兩類。內(nèi)摻型是指在混凝土拌和過程中進入混凝土的Cl-。馬紅巖[3]在研究中發(fā)現(xiàn)海砂型內(nèi)摻Cl-的結(jié)合率低于普通型內(nèi)摻Cl-結(jié)合率，而且摻入粉煤灰會降低海砂型內(nèi)摻Cl-的結(jié)合率。另外，劉軍[4]等人也通過模擬海砂的方法，使用X射線能譜分析和掃描電鏡等儀器對凝膠表面進行分析，發(fā)現(xiàn)海砂型Cl-存在從海砂表面到水泥凝膠的擴散過程。在此基礎(chǔ)上，董必欽[5]等人采用電化學(xué)阻抗譜（EIS）的方法發(fā)現(xiàn)海砂砂漿在水化過程中，砂漿中Cl-含量會持續(xù)提高，造成C-S-H凝膠體積分數(shù)下降，導(dǎo)致Ca（OH）2體積分數(shù)增大，砂漿的孔分布不均勻且結(jié)構(gòu)疏松。

混凝土經(jīng)過物理化學(xué)作用對Cl-的吸附能力稱為混凝土對Cl-的固化能力。一些活性礦物摻合料對混凝土的固化能力影響很大。黃華縣[6]對水泥、粉煤灰、礦渣三種材料的固化能力進行研究比較，發(fā)現(xiàn)礦物摻合料摻量增加，28天硬化砂漿對Cl-固化能力增強， 固化能力從弱到強依次排序為礦渣、粉煤灰、水泥。在此基礎(chǔ)上，柳俊哲[7]采用X射線衍射、熱分析和掃描電鏡等方法對海砂混凝土的微結(jié)構(gòu)進行了研究，發(fā)現(xiàn)海砂混凝土中的水溶性游離Cl-濃度隨溫度增高而增大。

2.1.2 海砂混凝土的物理力學(xué)性能

海砂中的有害物質(zhì)除了氯鹽，還有貝殼。貝殼的主要成分是CaCO3，外觀一般都是片狀，表面較光滑，強度較低，容易沿解理方向破壞。同時，貝殼與水泥的粘結(jié)性也不好，容易造成新拌混凝土泌水，影響其和易性，還會造成泵送混凝土難以輸送等問題。因此，海砂中貝殼對混凝土物理力學(xué)性能造成的影響也應(yīng)該加以考慮。

劉偉[8]等人分別使用珠江口原狀海砂和河砂制備混凝土并進行對比，發(fā)現(xiàn)海砂中所含的Cl-和少量的貝殼并對混凝土的工作性、抗壓強度、抗折強度及彈性模量所造成的影響并不顯著。在此基礎(chǔ)上，邢麗[9]等人通過一系列不同含量的貝殼的海砂制備混凝土，發(fā)現(xiàn)隨著海砂摻量的增加，海水海砂混凝土的坍落度顯著增加，粘聚力明顯變差;貝殼含量的增加也導(dǎo)致了其坍落度減小，保水性變差。并且海砂混凝土的早期強度會因為海砂摻量和貝殼含量的增加而低于傳統(tǒng)混凝土，但最終強度與傳統(tǒng)混凝凝土相差不大，而且海砂混凝土的抗?jié)B性和抗碳化性優(yōu)于傳統(tǒng)混凝土。寧博、歐陽東[10]進一步研究海砂水泥膠砂的力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)了其抗壓強度比河砂低，但是抗折強度比河砂高。在混凝土強度等級相同情況下，海砂混凝土的工作性、28d抗壓強度及劈裂抗拉強度都要比天然河砂制備的混凝土體系好，而且其早期強度發(fā)展迅速。

2.1.3 海砂混凝土的耐久性

混凝土耐久性指的是混凝土抵抗環(huán)境介質(zhì)作用并長期保持其良好的使用性能和外觀完整性，從而維持混凝土結(jié)構(gòu)的安全、正常使用的性能。

Lv Henglin[11]分別利用海砂和河砂制備混凝土并進行碳化試驗，研究表明兩種混凝土的碳化均不嚴重;在海砂混凝土體系中，對不同因素水平下Cl-擴散系數(shù)進行了分析，建立了混凝土中Cl-擴散的預(yù)測模型，發(fā)現(xiàn)對Cl-滲透和混凝土耐久性影響從大到小的因素分別是養(yǎng)護時間、砂的類型、每立方米用水量以及水灰比。何世欽[12]對海砂混凝土梁和河砂混凝土梁的長期荷載和疲勞進行研究，發(fā)現(xiàn)在長期荷載下，海砂混凝土梁的疲勞壽命顯著低于普通混凝土梁，嚴重危害了構(gòu)件的耐久性。

2.2 海砂在鋼筋混凝土中的應(yīng)用

隨著建筑業(yè)的發(fā)展，建筑用混凝土很大一部分為鋼筋混凝土，鋼筋是否發(fā)生銹蝕直接影響了混凝土的強度和耐久性，從而危害建筑物的安全。所以，保護鋼筋混凝土中的鋼筋不發(fā)生銹蝕，對鋼筋混凝土建筑物的安全尤為重要。

混凝土中鋼筋的銹蝕是電化學(xué)過程，海砂中超高含量的Cl-在鋼筋混凝土中會破壞鋼筋表面的鈍化膜，使鋼筋發(fā)生銹蝕。電化學(xué)腐蝕過程機理見下述反應(yīng)式：

Fe（OH）2+O2+H2O →nFe2O3·mH2O+Fe3O4

Fe（OH）Cl+ O2+H2O →nFe2O3·mH2O+HCl

曹承偉[13]等人在在飽和Ca（OH）2溶液中摻入不同濃度的NaCl溶液，模擬不同濃度的單一氯鹽，并研究其對鋼筋的腐蝕行為，使用電化學(xué)阻抗譜法和線性極化法評定鋼筋的銹蝕程度，結(jié)果表明氯鹽的濃度越高，溶液的電阻越小，鋼筋腐蝕電流密度越大，即越容易發(fā)生腐蝕。在此基礎(chǔ)上，林碧蘭[14]研究不同PH和Cl-濃度下的鋼筋的腐蝕行為，得出了Cl-濃度對鈍化膜的破壞存在臨界值的結(jié)論，且鋼筋鈍化膜在高PH環(huán)境下更容易趨向穩(wěn)定。此外，還有學(xué)者通過不同的含氧量來研究鋼筋銹蝕于其的關(guān)系，表明氧氣含量在一定值時，會使鋼筋鈍化膜的破壞速度減緩，但對鈍化膜破壞時的臨界Cl-濃度影響不大，同時提出了建議，建立鋼筋腐蝕數(shù)據(jù)庫和腐蝕預(yù)測模型，為海砂鋼筋混凝土的應(yīng)用及服役壽命提供保障依據(jù)。

2.2.1 海砂處理方法

海砂存在的大量的Cl-會使鋼筋混凝土中的鋼筋銹蝕嚴重，必須在使用之前先進行相應(yīng)的處理。目前，使用最多的三種方法就是對海砂進行淡化處理、添加阻銹劑或使用其他耐腐蝕材料代替鋼筋，如纖維增強復(fù)合材料（FRP）等。

（1）海砂淡化。

海砂中的氯化鈉含量占了約氯鹽總量的75%。而海砂的淡化指的就是在通過一系列的物理和化學(xué)措施，使海砂中的Cl-含量降低到標準濃度之下。2004年8月份，國家建設(shè)部就出臺了一個《關(guān)于嚴格建筑用海砂管理的意見》，其中提到海砂要在鋼筋混凝土中使用必須經(jīng)過淡化處理，且Cl-含量不得超過混凝土重量的0.06%。如果以1000kg的混凝土為例，那么Cl-含量不能高于0.6kg。

目前，工業(yè)上海砂的淡化方法主要有兩種：海砂自然放置法和淡水沖洗法。海砂自然放置法是指將海砂堆積，自然放置一段時間使其Cl-濃度降低的一種方法。該方法所需的時間長，只適用時間較久及有較大空余場地的工程。淡水沖洗法是指用大量的淡水沖洗海砂，以降低其Cl-含量的方法。與自然放置法相比，淡水沖洗法所需時間短，效率較高，但會造成淡水資源的大量浪費，并提高工程造價。

孫炳全[15]使用兩級雙隔膜電滲析和隔膜電解相配合的方法，制備了pH較高的淡化海水，并用該方法制得的淡化海水沖洗海砂，顯著降低了海砂混凝土液相中Cl-/OH-的比值，從而抑制了Cl-侵蝕。在此基礎(chǔ)上，蘇卿[16]采用電化學(xué)法研究海砂混凝土與淡化海砂混凝土的鋼筋銹蝕規(guī)律，結(jié)果表明在強度等級相同的情況下，淡化海砂混凝土的鋼筋銹蝕速度比海砂混凝土體系顯著降低。并且還對淡化海砂進行了毛細吸收和氯離子遷移（RCM）試驗，發(fā)現(xiàn)淡化海砂混凝土的氯離子擴散速度已十分接近河砂混凝土。

（2）摻加阻銹劑。

鋼筋阻銹劑，是通過抑制或減弱海砂中氯鹽對鋼筋的侵蝕作用，從而阻止或減緩鋼筋銹蝕的外加劑，可以有效延長混凝土建筑物的使用壽命。

周俊龍[17]將偏高嶺土阻銹劑和三乙醇胺阻銹劑進行復(fù)摻，發(fā)現(xiàn)復(fù)摻型阻銹劑顯著提升了海水海砂混凝土的護筋性，鋼筋極化電位與淡水標準砂配置的普通混凝土十分接近?？姴腫18]使用X射線光電子能譜研究阻銹劑對鋼筋的保護機理，得出結(jié)論，混凝土孔溶液中的電荷轉(zhuǎn)移電阻在摻加阻銹劑之后顯著提高，表面裸露零價鐵的含量也明顯降低，從而減輕了Cl-對鋼筋鈍化膜的損壞。同時摻加阻銹劑還在一定程度上延緩了水泥的水化，提高了混凝土密實程度，增加了鋼筋及其鈍化膜的穩(wěn)定性。Hosam El-Din H.Seleem[19]通過X射線衍射研究摻入硅灰、磨細礦渣和偏高嶺土的混凝土在二元和三元組合中水泥的抗海水侵蝕性，發(fā)現(xiàn)在測試樣品的表層和核心處Cl-濃度均已接近河砂鋼筋混凝土。

（3）使用FRP筋替換鋼筋。

減少氯鹽對鋼筋的腐蝕作用，除了降低氯鹽含量和摻加阻銹劑外，還可以對鋼筋表面進行處理，增加鋼筋表面涂層，避免鋼筋與Cl-的直接接觸，但是該方法效果并不明顯。使用纖維增強復(fù)合材料（簡稱FRP）代替鋼筋制備混凝土是一種全新的思路與方法，也是最有效的技術(shù)之一。使用FRP制備的混凝土稱為FRP筋混凝土。FRP復(fù)合材料是非金屬材料，是一種通過以一定比例混合纖維材料和基質(zhì)材料而形成的高性能材料，具有輕質(zhì)、堅硬、不導(dǎo)電、機械強度高、耐腐蝕等優(yōu)良的性質(zhì)，故而可以代替鋼筋制備混凝土，也能抵制Cl-的化學(xué)侵蝕作用。

馮鵬和王杰[20]等人認為在海砂混凝土中，使用FRP取代鋼筋從根本上解決了銹蝕問題，并提出了一種針對海洋的新型FRP海砂混凝土組合結(jié)構(gòu)，為中國和世界海洋設(shè)施建設(shè)提出了新的解決方案，也為海砂混凝土的應(yīng)用提供了新的思路。R.K. Singh Raman和Saad Al-Saadi[21]等人研究了玄武巖增強復(fù)合材料（BFRP）和玻璃纖維增強復(fù)合材料（GFRP）在海砂混凝土中的長期耐久性，發(fā)現(xiàn)玄武巖增強復(fù)合材料比玻璃纖維增強復(fù)合材料更加耐用。還有學(xué)者在模擬海洋環(huán)境，對FRP復(fù)合筋、鋼筋和混凝土粘結(jié)耐久性進行了研究，發(fā)現(xiàn)在相同條件下，F(xiàn)RP復(fù)合筋銹蝕輕微，且粘結(jié)性比鋼筋更好。

3 ?結(jié)語

隨著我國的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的飛速發(fā)展，河砂日益短缺，部分地區(qū)已經(jīng)出現(xiàn)了過度開采河砂而導(dǎo)致的生態(tài)破壞和環(huán)境污染問題。如何正確合理的使用海砂，是對當(dāng)前河砂短缺形勢的考驗。

使用海砂作為原材料制備的混凝土，其力學(xué)性能與耐久性與河砂混凝土相比，均無顯著差異;但在鋼筋混凝土中，海砂中大量Cl-的存在會破壞鋼筋的鈍化膜，并發(fā)生嚴重的銹蝕，危害了建筑物的耐久性和安全。使用海砂，應(yīng)嚴格遵守海砂使用規(guī)范，進行海砂的淡化或者使用FRP材料代替鋼筋，做到不濫用、不偷用海砂，可以最大限度的減少海砂對鋼筋混凝土的不利影響。

海砂是一把雙刃劍。我國的海砂資源豐富，如何以更加高效、更加經(jīng)濟的方式將海砂應(yīng)用到鋼筋混凝土中，并減少海砂對鋼筋混凝土的危害，以及FRP材料與海砂混凝土的結(jié)合使用，將會是以后主要的兩個研究方向。混凝土中的Cl-會破壞鋼筋鈍化膜造成鋼筋銹蝕，OH-會使鋼筋鈍化膜趨于穩(wěn)定狀態(tài)，所以探索Cl-和OH-在混凝土中的臨界比例值，使鋼筋不發(fā)生銹蝕也是一條嶄新的思路。

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