1、1海砂在建设工程中的应用综述 冷发光 田冠飞 丁威 张仁瑜（中国建筑科学研究院建筑材料研究所，北京 100013）摘要：由于陆 地建筑用河/江砂资源锐减，加之 对生 态、环境修复和保护的压力，以及远途运砂成本之高，迫使人们将目光转向潜力巨大、优势明显的海砂资源。本文介绍了海砂在建设工程中的利用现状、研究现状和方向，分析了海砂在建设工程应用中的经济效益、社会效益和环境效益等。海砂的合理开采和有效利用，符合中长期发展规划纲要 20062020 年和十一五规划纲要中的可持续发展要求，是适应我国大规模工程项目建设的一项重要内容。关键词 ：海砂、混凝土、可持 续发展A REVIEW OF MARINE
2、SAND APPLICATION IN CONSTRUCTION ENGINEERINGLeng Faguang Tian Guanfei Ding Wei Zhang Renyu(Institute of Building Materials, China academy of Building Research, Beijing, 100013)Abstract： Such phenomena as sharp decrease of the river sand because of large-scale construction, the pressure of repair and
3、 protection of the river ecology and environment, and high cost of long way transportation for river sand, that impel people turn their steps to use marine sand resource which has gigantic potential and distinct predominance. In this paper, researches and the developments of marine sand in construct
4、ion engineering are reviewed. Meanwhile, the economic, social and environmental benefits are analyzed. Its reasonable exploitation and effective utilitarian accord with the sustainable development principle in the world and be also important for our countrys macro construction. Keywords：Marine sand;
5、 Concrete; Sustainable development1 概述国家科技支撑计划项目（2006BAJ02B04） ；科研院所社会公益研究专项（2005DIB5J225）2目前，我国已经进入经济建设飞速发展时期， 许多大型基础设施和重要工程纷纷上马，水泥产量与日俱增（如图 1 所示 1）。2005 年我国混凝土产量约 20 亿m3，建筑用砂超过 20 亿吨，其中主要是生产混凝土和建筑砂浆用砂，而且这个数字会随着经济的发展逐年增加，根据联合国亚太经社会（UN ESCAP）的研究报告推算 2 3，2010 年我国建筑用砂将接近 30 亿吨。与此同时，沿海及周边许多地区已经出现河/江砂资源
6、缺乏的现象，为防止过度开采河 /江砂对自然景观和生态环境造成严重后果，政府不得不开始限制开采河/江砂，然而远途运输河/ 江砂会提高工程造价，国外研究资料表明，只有距离目的地 60km 以内的建筑砂资源才是经济可行的 3。因此，人 们 将注意力部分转向了海砂 资源，以保证我国的经济建设和社会主义建设的稳定发展。这一趋势已经为世界上发达国家的发展历史所证实。我国是海洋资源大国，18000km 的海岸线居世界第四位，2.73 亿公顷的沿海海域和大陆架面积位居世界第五位，200 海里专属经济区面积为世界第十位。沿海地区海砂资源丰富，据最新 统计，各 类砂体面积达 34.2 万 km2，浅海砂资源存量约
7、 1.6 万亿吨，挖掘潜力大，且具有分选好、分布集中的特点，适合大规模工业化开采，同时海运费用低 34 。在技 术性能上，海砂 较河/江砂相比有其独特的优点：（1）含泥量低；（2）细度模数均匀。但缺点是氯盐含量和贝壳含量较高 5。未经淡化的海砂由于含氯盐成分较大，容易引发混凝土中钢筋锈蚀，还有就是贝壳含量较高，使混凝土的和易性 变差， 对混凝土的强度也有一定的影响，如果将未 经淡化的海砂应用于建筑工程中，必定会给建筑工程埋下严重隐患。30246810121416182020 20 204020406080100120205203 各年度增长率 /水 泥 产 量各年度水泥产量 /万t201 增
8、长 率图 1 20002005 年中国水泥产量与增幅海砂在建设工程中的研究与应用，不仅可以解决沿海地区建筑用砂资源普遍匮乏的难题，而且避免了 远程开采运输补给，有利于节约能源、保 护生态环境，符合我国实施可持续发展、海洋开发、科教 兴国等战 略。海砂在建 设工程应用中的开发利用是一项促进人口、 经济、社会、环境和资 源相互协调的可持续发展道路的重要举措，具有现实意 义和长远意义。但是需要指出的是，海砂的无序开采也出现了一些负面问题：国有矿产资源浪费和流失、局部海洋生态环 境的破坏、局部地区海岸侵蚀等灾害的危害程度加重，危害部分海岸和海底设 施的安全。因此，既要严厉 杜绝滥用海砂现象，又应该在采
9、取严格可靠措施的前提下，开发利用海砂资源。实行有限开发、有序开 发、有偿开发，加强对海砂资源的保护和管理。2 海砂在建设工程中的利用现状21 国外海砂利用现状4国外很多国家都在建设工程中大量使用海砂，英国、法国、荷兰、丹麦、挪威、瑞典、比利时、西班牙、爱尔兰、葡萄牙、美国、加拿大、澳大利 亚、新西兰、日本、韩国、土 尔其、印度和印度尼西亚等国家都在开采海砂，并将其用于工程建 设。如英国在 1999 年超过总骨料用量的 10是来自海洋，其中英国东南部 33的骨料和南威尔士 90的骨料是产自海洋。日本建设用砂的 90以上是海砂，根据 1994 年统计 6，仅长崎、香川、福岗三地区的海砂用量，就达
10、248711 万吨。表1 列出了日本沿海地区建筑用砂的使用情况，可以看出，海砂占据建筑用砂的主导地位。表 1 日本沿海地区建筑用砂的使用情况用砂分类 海 砂 河口砂 山 砂 河 砂 其 他所占比例（） 91.5 5.5 1.8 0.4 0.822 国内海砂利用现状我国于 20 世纪 3040 年代将海砂用于临时建筑。70 年代末，由于河/江砂资源的匮乏，个别沿海城市开始出现使用海砂的建筑结构，规模较小。 80 年代中期，中国建研院对个别地区使用海砂的情况以及混凝土结构耐久性状况进行过调查。根据多次调查情况，结合试验研究和其他国家 标准的规定，制 订的普通混凝土用砂质量标准及检验方法、 建筑用砂
11、和混凝土质量控制标准允许使用海砂，并作了严格规定 7。总的来说，我国的海砂开采利用的相关研究较少，无论是勘探水平及深度、规划管理控制力度、采砂技 术和利用水平，均 较发达国家有较大的差距，与我国目前的建设规模极不相称。 23 不合理使用海砂的工程破坏实例海砂在建设工程中的利用首先要了解海砂所含有害物质氯盐和贝壳。深圳、宁波、舟山等沿海地区已经大量使用海砂代替河 /江砂来生产混凝土材料，5而未做相应处理。引发了诸多“海砂屋”破坏的工程实例。“海砂屋”是指使用了含氯盐 超标的、不合格的海砂所建造的建筑物。氯盐超标的海砂会使混凝土结构使用寿命远远低于设计使用年限，更严重的是一些劣化严重的海砂屋难以修
12、补加固，不得不拆除重建，造成巨大的经济损失和社会问题。国内外关于海砂屋问题 的报到屡见不鲜 6，811 ，1999 年土耳其西北地区发生强震，共有 3 万多人被埋在 10 万多座倒塌建筑物中，后经工程专家检验，当地大多数的建筑都不适当地使用了海砂，导致建筑物倒塌。几年前， 韩国汉城三丰百货大楼倒塌致使千余人蒙难，不合理使用海砂是重要原因之一。日本地震导致倒塌房屋中的相当部分是使用海砂的建筑物， “海砂屋 ”在沿海国家及地区已成一患。据调查，我国一些沿海地区如宁波、深圳、舟山等地区已经出现了大量的“海砂屋”建筑。某些地区一些住宅小区群甚至都是“海砂屋”（如图 2 所示）。1994 年 10 月对
13、我国东南沿海某钢筋混凝土挡潮蓄淡大闸进行的跟踪调查显示：该闸竣工于1972 年底，并于 1991 年 对部分构件进行了腐蚀修补。调查的主要部位有：处于水位变动区和浪溅区的启闭大梁、胸墙闸门板、排架柱、工作 桥以及机房室内的柱梁等。调查发现，除了预制构件外， 现浇钢筋混凝土均采用当地海砂。所 见的现浇钢筋混凝土构件顺筋开裂严重，有的钢筋几乎已锈断，大片混凝土保护层脱落，一片凄惨景象。2005 年 3 月的深圳都市报报道， 盐田区建设局等单位根据区人大代表的议案，对全区海砂住宅楼（指使用没经处理的海砂为材料或直接用海水拌制混凝土浇筑的建筑物）进行了一次全面的调查摸底。调查发现疑似海砂楼约有 54
14、栋，面积为 9.8 万平方米，涉及住户约 920 户，建造 时间基本都在上世纪80 年代，其中有问题的住房建筑面积为 5.8 万平方米，涉及约 464 户，其中 182户的房子出现裂缝或露筋现象，使用时间大都在 15 年左右。深圳市的一幢三层（局部四层）的阶梯教室于 1985 年设计施工，1986 年投入使用，不到 20 年的时间6出现部分框架柱钢筋锈蚀严重，柱角混凝土脱落，部分框架梁梁底混凝土保护层严重脱落（如图 3 所示）。检测发现其氯离子含量严重超标，疑似使用海砂导致劣化，现在已经拆除。图 2 南方某工程因使用未处理海砂造成的钢筋锈蚀破坏工程实例图 3 深圳某教学楼钢筋混凝土破坏情况造成
15、“海砂屋 ”的根本原因就是使用了有害物 质（如 氯离子）超过规范要求的海砂生产混凝土，又未采取有效的提高混凝土耐久性的技术措施，使得大量的海7砂钢筋混凝土结构刚建成几年就出现严重的钢筋锈蚀、开裂、剥落问题。事实上，只要解决海砂在建设工程应用的有关技术问题，配制海砂混凝土时采取相应技术措施，经过淡化 处理合格的海砂完全可以用在各种建设工程中。3 研究现状和发展方向31 研究现状由于没有采取正确合理的技术措施和管理措施，世界上很多国家和地区基本上都暴露出使用海砂的问题，海砂在建设工程应用中主要存在和值得引起注意的几个问题有：（1）海砂中的氯化物导致钢筋锈蚀；（2）海砂含有蛋白石、燧石等矿物质和钠、
16、 钾等碱金属，会导致碱集料反应；（3）海砂中盐类因结晶膨胀等可能引发混凝土发生体积稳定性问题，导致混凝土开裂；（4）海砂中的硫和磷等有害物质含量高时可能会使混凝土的强度降低 15以上；（5）有些海砂含有放射性物质，影响居室环境质量；（6）海砂含有贝壳等物质，既影响混凝土拌合物性能，又影响力学性能、耐久性能和长期性能；（7）海砂与其他混凝土原材料的相容性问题。目前，国内外对于上述问题的研究普遍相对较少，既缺少针对性又缺乏系统性，致使使用海砂的国家与地区相继出现严重的“海砂屋 ”问题，由此造成的直接经济损失十分巨大，而且严 重威胁到人民生命财产安全，造成社会不稳定问题。32 研究方向当前海砂在我国
17、建设工程中应用集中体现在如下三方面研究内容： 8（1）海砂有害物质淡化技术研究和应用海砂中含有的主要有害物质有云母、轻物质、有机物、硫化物及硫酸 盐、氯盐等。海砂的危害主要来自海砂中所含的氯盐和贝类。海砂在建筑工程中的安全使用，首先需要将这些有害物 质通过有效措施淡化，使海砂达到所需标准要求。另外，海砂中有害物质的快速 测试技术也是一个重要的研究内容，因为淡化前海砂有害物质的定量化和判断淡化后海砂是否满足要求，均需由科学、合理、可靠的测试技术和相关仪器设备为前提条件。根据调研整理 5,8，目前国内外对于氯化物超标的建筑海砂淡化处理一般采用自然放置法；淡水冲洗法；机械法和混合法等。减少海砂淡化的
18、淡水消耗量和海砂中有害物质的快速测试技术，是海砂淡化处理研究和开发的热点问题。（2）海砂混凝土高性能化关键技术及产品研究开发由于海砂的特点，与河/江砂在 许多方面有着明显的不同之 处，使得海砂混凝土与河/江砂混凝土相比，在工作性能、力学性能和耐久性能等方面有 显著不同，如强度、抗 冻性、抗渗性、氯离子渗透性、抗碳化、抗化学腐蚀性、体积稳定性、强度等。 对海砂混凝土这些关 键性能进行系统研究，并研究针对海砂和海砂混凝土关键性能的测试技术，为 海砂混凝土的推广应用创造技术条件。海砂混凝土吸湿返碱性规律及其抑制措施研究。这是由于海砂本身不仅可能含有较多的钾钠等碱金属离子，还可能同时含有燧石、蛋白石等
19、活性骨料，已经满足发生碱骨料反应的三个条件中的两个，另外一个条件是需要一定的湿度或水分，这种条件对于海砂混凝土建筑是比较容易满足的，因为一方面海砂混凝土建筑大部分是沿海城市的建筑，湿度较高，另一方面由于海砂中的盐分会吸潮，会创 造第三个条件，所以海砂混凝土 发生碱骨料反应的趋势较大，需要 对海砂混凝土碱骨料反应及防治措施进行深入系统研究。9（3）既有海砂建设工程诊治技术的研究开发需要进行海砂混凝土中钢筋新型防/阻锈剂的研制开 发；具有离子吸附固定作用的特种矿物掺合料的研究开发；具有离子偶合功能的系列离子偶合剂的研制开发；各种抑制技术对海砂中有害成分产生抑制作用的细观结构机理研究；各种抑制技术对
20、海砂混凝土细观结构的影响及其与宏观性能变化的关系等。使用不合格海砂建造的建筑，将面临结构安全和耐久性的全面问题，在检测和鉴定的基础上，对需要处 理的结构必须有可靠的办法。对既有海砂混凝土建筑的处理技术，目前主要包括防 /阻锈剂、阴极保护和混凝土表面处理三种方法。4 海砂应用前景分析在建设工程中合理使用海砂的经济效益、社会效益和环境效益十分显著。目前我国混凝土年产量约 20 亿立方米，沿海和周边缺乏河/江砂地区生产的混凝土约占 5060。按照 25的混凝土和建筑砂浆采用海砂代替河/江砂，至少可以减少河/江砂开采约 2 亿吨；按照淡化海砂的市 场价格仅为同等技术指标河/江砂的 2/35，12，可为
21、国家每年 节约工程建设成本 40 亿元；目前全国使用海砂生产的混凝土约 2 亿立方米，建筑面积约 4 亿平方米，按照 20病害建筑因可以通过维修加固避免重建，可以 节省重建费用约 800 亿元。扩大海砂的合理有效利用，可大量减少在建设工程中使用的河/江砂；提高海砂混凝土耐久性；节省资源、能源；避免“海砂屋”问题，保证工程质量，维护人民财产安全和社会稳定；海砂开采、淡化、加固修补、施工等相关产业的发展可为人民增加可观的就业机会。合理开发利用海砂资源，大量减少对河/江砂的开采，对河床、河滩等自然景观和江河生态环境起到一定的保护和修复作用。105 结语我国沿海地区经济发展迅速，基本建设对建筑用砂的需
22、求量十分巨大，建设工程中如何安全利用海砂已成为沿海地区经济建设的亟待解决的问题。同时，需加强对海砂合理、有序开采的 调研、 规划和采挖技术 及装备的研究。研究海砂的净化处理技术（包括氯离子等有害物质的检测技术及仪器）、海砂混凝土的高性能化技术、既有海砂建筑评估、 诊治技 术等，形成一整套 实用、可靠技术，并尽快应用于工程 实际， 为我国创造显著的 经济效益、社会效益和 环境效益。参考文献：1 曾学敏. 水泥工业能源消耗现状与节能潜力. 中国水泥，2006（3）：16-212 傅建彬. 海砂建筑材料资源化几个关键技术的研究. 武汉大学硕士学位论文，20053 王圣洁, 杨子赓, 吴桑云, 陈江.
23、 中国滨海建筑砂开采的环境地址问题和可持续发展对策. 海洋地址动态，2000（1）：5-84 杨子赓, 王圣洁. 关于海洋采砂业. 中国老教授协会海洋分会 1997 年学术交流讨论会5 郑荣跃, 袁丽莉等. 宁波地区的海砂问题及其对策. 混凝土，2004（10）：22-246 洪乃丰. 海砂对钢筋混凝土的腐蚀与对策. 混凝土，2002（8）：12-147 建设部办公厅. 建设部关于严格建筑用海砂管理的意见. 建标2004143 号，2004 年 8月 23 日8 洪定海. 沿海地区钢筋混凝土用海砂问题及对策. 混凝土，2003（2）：17,639 霍元. 海砂型氯离子的扩散机理及其对钢筋锈蚀性
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