海砂及海砂混凝土研究进展综述
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作者:童斌 蒋婷 宋旭艳
摘 要：随着建筑混凝土用砂的不断增长和河砂资源的面临枯竭，海砂作为河砂的替代品已经成为建筑行业的新宠。本文综述了海砂在混凝土中的应用研究现状，海砂对普通混凝土的力学性能和耐久性无显著影响;海沙在经过相应的处理后，对钢筋混凝土的锈蚀影响也可以降到最低。海砂可代替河砂应用于混凝土中。
关键词：海砂 混凝土 氯离子 耐久性 钢筋锈蚀
中图分类号：TU528 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2019）07（c）-0038-04
河砂是目前建筑混凝土用砂的主要来源。而随着国内外混凝土用量的飞速发展，全世界范围内的许多国家已经出现了河砂资源紧张乃至稀缺的情况。现有的河砂存量已经不能满足飞速增长的建设需求。而且，河砂属于不可再生资源，为了保护环境，政府已出台许多政策以防止河砂的过度开采，进一步加剧了河砂供不应求的形势。
海砂在全世界范围内储量丰富。目前，世界上已有许多成功应用海砂的例子。日本是世界上成功利用海砂的国家，在阻锈剂的使用上已十分成熟，其沿海地区建筑混凝土用砂90%以上都是海砂。我国也拥有较长的海岸线，王圣洁[1]等人对我国的海砂资源总量进行了初步估算，约为180.09×1010～181.50×1010t。我国的宁波、温州等地也已有使用海砂及阻锈剂的工程，且质量良好。但是，海砂应用也有失败的例子，韩国的三丰大厦就因为滥用海砂而造成倒塌，导致多人死亡[2]。所以，海砂在应用之前，必须根据相应的规范标准进行处理，以保证建筑物的安全使用。
1 海砂的特性
目前，天然砂和人工砂是主要的两种建筑用砂。海砂属于天然砂的一种，颜色比较暗沉，呈深褐色，一般会有贝壳等残片。而河砂的颜色相对黄亮很多，含有大小不一的鹅卵石。通过对海砂、河砂和机制砂进行筛分、密度、含泥量、氯离子含量测定等试验，发现海砂的颗粒级配十分接近河砂，级配较为良好;但表面棱角比机制砂光滑，比河砂突出;坚固性低于河砂，同时，氯离子含量显著高于河砂和机制砂。
2 海砂的应用
2.1 海砂在普通混凝土中的应用
海砂的颗粒级配与河砂十分接近，所以海砂代替河砂应用于混凝土中是可行的。我国深圳、宁波等地最早开始使用淡化海砂，沿海地区的河砂资源一直面临紧缺的挑战。以宁波为例，海砂的使用量在宁波市每年建设用砂中的比例占了 80% 左右。我国每年都会使用如此大量的海砂，海砂对混凝土性能产生的影响就显得尤为重要。
2.1.1 海砂混凝土中Cl-的扩散与固化
由于海砂中存在大量的Cl-，在使用海砂制备混凝土时，必须考虑海砂中存在的大量Cl-在混凝土中的扩散以及固化对混凝土带来的影响。混凝土中的氯盐分为内掺型和外渗型两类。内掺型是指在混凝土拌和过程中进入混凝土的Cl-。马红岩[3]在研究中发现海砂型内掺Cl-的结合率低于普通型内掺Cl-结合率，而且掺入粉煤灰会降低海砂型内掺Cl-的结合率。另外，刘军[4]等人也通过模拟海砂的方法，使用X射线能谱分析和扫描电镜等仪器对凝胶表面进行分析，发现海砂型Cl-存在从海砂表面到水泥凝胶的扩散过程。在此基础上，董必钦[5]等人采用电化学阻抗谱（EIS）的方法发现海砂砂浆在水化过程中，砂浆中Cl-含量会持续提高，造成C-S-H凝胶体积分数下降，导致Ca（OH）2体积分数增大，砂浆的孔分布不均匀且结构疏松。
混凝土经过物理化学作用对Cl-的吸附能力称为混凝土对Cl-的固化能力。一些活性矿物掺合料对混凝土的固化能力影响很大。黄华县[6]对水泥、粉煤灰、矿渣三种材料的固化能力进行研究比较，发现矿物掺合料掺量增加，28天硬化砂浆对Cl-固化能力增强， 固化能力从弱到强依次排序为矿渣、粉煤灰、水泥。在此基础上，柳俊哲[7]采用X射线衍射、热分析和扫描电镜等方法对海砂混凝土的微结构进行了研究，发现海砂混凝土中的水溶性游离Cl-浓度随温度增高而增大。
2.1.2 海砂混凝土的物理力学性能
海砂中的有害物质除了氯盐，还有贝壳。贝壳的主要成分是CaCO3，外观一般都是片状，表面较光滑，强度较低，容易沿解理方向破坏。同时，贝壳与水泥的粘结性也不好，容易造成新拌混凝土泌水，影响其和易性，还会造成泵送混凝土难以输送等问题。因此，海砂中贝壳对混凝土物理力学性能造成的影响也应该加以考虑。
刘伟[8]等人分别使用珠江口原状海砂和河砂制备混凝土并进行对比，发现海砂中所含的Cl-和少量的贝壳并对混凝土的工作性、抗压强度、抗折强度及弹性模量所造成的影响并不显著。在此基础上，邢丽[9]等人通过一系列不同含量的贝壳的海砂制备混凝土，发现随着海砂掺量的增加，海水海砂混凝土的坍落度显著增加，粘聚力明显变差;贝壳含量的增加也导致了其坍落度减小，保水性变差。并且海砂混凝土的早期强度会因为海砂掺量和贝壳含量的增加而低于传统混凝土，但最终强度与传统混凝凝土相差不大，而且海砂混凝土的抗渗性和抗碳化性優于传统混凝土。宁博、欧阳东[10]进一步研究海砂水泥胶砂的力学性能，发现了其抗压强度比河砂低，但是抗折强度比河砂高。在混凝土强度等级相同情况下，海砂混凝土的工作性、28d抗压强度及劈裂抗拉强度都要比天然河砂制备的混凝土体系好，而且其早期强度发展迅速。
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环境介质作用并长期保持其良好的使用性能和外观完整性，从而维持混凝土结构的安全、正常使用的性能。
Lv Henglin[11]分别利用海砂和河砂制备混凝土并进行碳化试验，研究表明两种混凝土的碳化均不严重;在海砂混凝土体系中，对不同因素水平下Cl-扩散系数进行了分析，建立了混凝土中Cl-扩散的预测模型，发现对Cl-渗透和混凝土耐久性影响从大到小的因素分别是养护时间、砂的类型、每立方米用水量以及水灰比。何世钦[12]对海砂混凝土梁和河砂混凝土梁的长期荷载和疲劳进行研究，发现在长期荷载下，海砂混凝土梁的疲劳寿命显著低于普通混凝土梁，严重危害了构件的耐久性。
2.2 海砂在钢筋混凝土中的应用
随着建筑业的发展，建筑用混凝土很大一部分为钢筋混凝土，钢筋是否发生锈蚀直接影响了混凝土的强度和耐久性，从而危害建筑物的安全。所以，保护钢筋混凝土中的钢筋不发生锈蚀，对钢筋混凝土建筑物的安全尤为重要。
混凝土中钢筋的锈蚀是电化学过程，海砂中超高含量的Cl-在钢筋混凝土中会破坏钢筋表面的钝化膜，使钢筋发生锈蚀。电化学腐蚀过程机理见下述反应式：
Fe（OH）2+O2+H2O →nFe2O3·mH2O+Fe3O4
Fe（OH）Cl+ O2+H2O →nFe2O3·mH2O+HCl
曹承伟[13]等人在在饱和Ca（OH）2溶液中掺入不同浓度的NaCl溶液，模拟不同浓度的单一氯盐，并研究其对钢筋的腐蚀行为，使用电化学阻抗谱法和线性极化法评定钢筋的锈蚀程度，结果表明氯盐的浓度越高，溶液的电阻越小，钢筋腐蚀电流密度越大，即越容易发生腐蚀。在此基础上，林碧兰[14]研究不同PH和Cl-浓度下的钢筋的腐蚀行为，得出了Cl-浓度对钝化膜的破坏存在临界值的结论，且钢筋钝化膜在高PH环境下更容易趋向稳定。此外，还有学者通过不同的含氧量来研究钢筋锈蚀于其的关系，表明氧气含量在一定值时，会使钢筋钝化膜的破坏速度减缓，但对钝化膜破坏时的临界Cl-浓度影响不大，同时提出了建议，建立钢筋腐蚀数据库和腐蚀预测模型，为海砂钢筋混凝土的应用及服役寿命提供保障依据。
2.2.1 海砂处理方法
海砂存在的大量的Cl-会使钢筋混凝土中的钢筋锈蚀严重，必须在使用之前先进行相应的处理。目前，使用最多的三种方法就是对海砂进行淡化处理、添加阻锈剂或使用其他耐腐蚀材料代替钢筋，如纤维增强复合材料（FRP）等。
（1）海砂淡化。
海砂中的氯化钠含量占了约氯盐总量的75%。而海砂的淡化指的就是在通过一系列的物理和化学措施，使海砂中的Cl-含量降低到标准浓度之下。2004年8月份，国家建设部就出台了一个《关于严格建筑用海砂管理的意见》，其中提到海砂要在钢筋混凝土中使用必须经过淡化处理，且Cl-含量不得超过混凝土重量的0.06%。如果以1000kg的混凝土为例，那么Cl-含量不能高于0.6kg。
目前，工业上海砂的淡化方法主要有两种：海砂自然放置法和淡水冲洗法。海砂自然放置法是指将海砂堆积，自然放置一段时间使其Cl-浓度降低的一种方法。该方法所需的时间长，只适用时间较久及有较大空余场地的工程。淡水冲洗法是指用大量的淡水冲洗海砂，以降低其Cl-含量的方法。与自然放置法相比，淡水冲洗法所需时间短，效率较高，但会造成淡水资源的大量浪费，并提高工程造价。
孙炳全[15]使用两级双隔膜电渗析和隔膜电解相配合的方法，制备了pH较高的淡化海水，并用该方法制得的淡化海水冲洗海砂，显著降低了海砂混凝土液相中Cl-/OH-的比值，从而抑制了Cl-侵蚀。在此基础上，蘇卿[16]采用电化学法研究海砂混凝土与淡化海砂混凝土的钢筋锈蚀规律，结果表明在强度等级相同的情况下，淡化海砂混凝土的钢筋锈蚀速度比海砂混凝土体系显著降低。并且还对淡化海砂进行了毛细吸收和氯离子迁移（RCM）试验，发现淡化海砂混凝土的氯离子扩散速度已十分接近河砂混凝土。
（2）掺加阻锈剂。
钢筋阻锈剂，是通过抑制或减弱海砂中氯盐对钢筋的侵蚀作用，从而阻止或减缓钢筋锈蚀的外加剂，可以有效延长混凝土建筑物的使用寿命。
周俊龙[17]将偏高岭土阻锈剂和三乙醇胺阻锈剂进行复掺，发现复掺型阻锈剂显著提升了海水海砂混凝土的护筋性，钢筋极化电位与淡水标准砂配置的普通混凝土十分接近。缪昌文[18]使用X射线光电子能谱研究阻锈剂对钢筋的保护机理，得出结论，混凝土孔溶液中的电荷转移电阻在掺加阻锈剂之后显著提高，表面裸露零价铁的含量也明显降低，从而减轻了Cl-对钢筋钝化膜的损坏。同时掺加阻锈剂还在一定程度上延缓了水泥的水化，提高了混凝土密实程度，增加了钢筋及其钝化膜的稳定性。Hosam El-Din H.Seleem[19]通过X射线衍射研究掺入硅灰、磨细矿渣和偏高岭土的混凝土在二元和三元组合中水泥的抗海水侵蚀性，发现在测试样品的表层和核心处Cl-浓度均已接近河砂钢筋混凝土。
（3）使用FRP筋替换钢筋。
减少氯盐对钢筋的腐蚀作用，除了降低氯盐含量和掺加阻锈剂外，还可以对钢筋表面进行处理，增加钢筋表面涂层，避免钢筋与Cl-的直接接触，但是该方法效果并不明显。使用纤维增强复合材料（简称FRP）代替钢筋制备混凝土是一种全新的思路与方法，也是最有效的技术之一。使用FRP制备的混凝土称为FRP筋混凝土。FRP复合材料是非金属材料，是一种通过以一定比例混合纤维材料和基质材料而形成的高性能材料，具有轻质、坚硬、不导电、机械强度高、耐腐蚀等优良的性质，故而可以代替钢筋制备混凝土，也能抵制Cl-的化学侵蚀作用。
冯鹏和王杰[20]等人认为在海砂混凝土中，使用FRP取代钢筋从根本上解决了锈蚀问题，并提出了一种针对海洋的新型FRP海砂混凝土组合结构，为中国和世界海洋设施建设提出了新的解决方案，也为海砂混凝土的应用提供了新的思路。R.K. Singh Raman和Saad Al-Saadi[21]等人研究了玄武岩增强复合材料（BFRP）和玻璃纤维增强复合材料（GFRP）在海砂混凝土中的长期耐久性，发现玄武岩增强复合材料比玻璃纤维增强复合材料更加耐用。还有学者在模拟海洋环境，对FRP复合筋、钢筋和混凝土粘结耐久性进行了研究，发现在相同条件下，FRP复合筋锈蚀轻微，且粘结性比钢筋更好。 3 结语
随着我国的基础设施建设的飞速发展，河砂日益短缺，部分地区已经出现了过度开采河砂而导致的生态破坏和环境污染问题。如何正确合理的使用海砂，是对当前河砂短缺形势的考验。
使用海砂作为原材料制备的混凝土，其力学性能与耐久性与河砂混凝土相比，均无显著差异;但在钢筋混凝土中，海砂中大量Cl-的存在会破坏钢筋的钝化膜，并发生严重的锈蚀，危害了建筑物的耐久性和安全。使用海砂，应严格遵守海砂使用规范，进行海砂的淡化或者使用FRP材料代替钢筋，做到不滥用、不偷用海砂，可以最大限度的减少海砂对钢筋混凝土的不利影响。
海砂是一把双刃剑。我国的海砂资源丰富，如何以更加高效、更加经济的方式将海砂应用到钢筋混凝土中，并减少海砂对钢筋混凝土的危害，以及FRP材料与海砂混凝土的结合使用，将会是以后主要的两个研究方向。混凝土中的Cl-会破坏钢筋钝化膜造成钢筋锈蚀，OH-会使钢筋钝化膜趋于稳定状态，所以探索Cl-和OH-在混凝土中的临界比例值，使钢筋不发生锈蚀也是一条崭新的思路。
参考文献
[1] 王圣洁，刘锡清，戴勤奋，等.中国海砂资源分布特征及找矿方向[J].海洋地质与第四纪地质，2003，3（27）：76-82.
[2] 洪乃丰.海砂腐蚀与“海砂屋”危害[J].工业建筑，2004（11）：65-67.
[3] 马红岩，邢锋，董必钦，等.海砂混凝土中的氯离子结合特性研究[J].低温建筑技术，2007（6）：1-3.
[4] 刘军，邢锋，霍元.模拟海砂混凝土中氯离子扩散研究[J].混凝土，2008（3）：33-35.
[5] 董必钦，刘伟，马红岩，等.海砂砂浆水化过程的电化学阻抗谱研究[J].建筑材料学报，2013，16（2）：306-309，320.
[6] 黄华县.海砂混凝土氯离子的固化[J].腐蚀与防护，2012，33（5）：415-418.
[7] 柳俊哲，蒋义，贺智敏，等.海砂混凝土中氯离子固化的影响因素研究[J].材料导报，2013，27（20）：129-132.
[8] 刘伟，谢友均，董必钦，等.海砂特性及海砂混凝土力学性能的研究[J].硅酸盐通报，2014，33（1）：15-22.
[9] 邢丽，薛瑞丰，曹喜.海砂海水混凝土性能研究[J].混凝土，2015（11）：137-141.
[10]宁博，欧阳东，温喜廉.利用海砂制备高性能混凝土试验研究[J].混凝土，2012（1）：88-90，93.
[11] Durability of sea-sand containing concrete：Effects of chloride ion penetration[J].Mining Science and Technology，2011，21（1）：123-127.
[12]何世钦，曾帅，李鹏飞.长期荷载后海砂混凝土梁疲劳性能试验研究[J].混凝土，2016（12）：57-59，63.
[13]曹承伟，赵铁军，马志鸣.模拟氯盐和硫酸盐环境下钢筋的腐蚀行为研究[J].公路，2016，61（5）：157-161.
[14]林碧兰，徐玉野.基于循环动电位极化法的HRB500钢筋腐蚀行为研究[J].郑州轻工业学院学报：自然科学版，2010，25（4）：45-50.
[15]孙炳全，王立久，陈超核，等.海砂冲洗工艺研究与应用[J].混凝土，2011（3）：105-107.
[16]苏卿，陈艾荣，赵铁军.淡化海砂混凝土中钢筋的锈蚀特征[J].新型建筑材料，2012，39（8）：48-52，55.
[17]周俊龙，欧忠文，江世永.掺阻锈剂掺合料海水海砂混凝土护筋性探讨[J].建筑材料学报，2012，1（15）：69-74.
[18]繆昌文，周伟玲，陈翠翠.模拟混凝土孔溶液中有机阻锈剂对钢筋的保护作用[J].东南大学学报：自然科学版，2010，40（S2）：187-191.
[19]Hosam El-Din H.Seleem，Alaa M.Rashad，Basil A.El-Sabbagh.Durability and strength evaluation of high-performance concrete in marine structures[J]. Construction and Building Materials，2010（24）：878-884.
[20]冯鹏，王杰，张枭，等.FRP与海砂混凝土组合应用的发展与创新[J].玻璃钢/复合材料，2014（12）：13-18.
[21]R.K.Singh Raman，Saad Al-Saadi.Long-term durability of basalt-and glass-fibre reinforced polymer （BFRP/GFRP） bars in seawater and sea sand concrete environment[J].Construction and Building Materials，2017（139）：467-489.
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