海南地區(qū)的海砂開采與技術(shù)應(yīng)用

陸 峰

上海建工集團(tuán)股份有限公司 上海 200080

混凝土作為最主要的建筑材料，其使用量在我國逐年攀升，因而建筑用砂量也日趨上升，這使得河砂資源面臨著日益嚴(yán)峻的供需矛盾，以長江經(jīng)濟(jì)區(qū)為例，每年對于建筑用砂的需求約為9 000萬 t[1]。

我國一半以上的地區(qū)都出現(xiàn)了河砂資源嚴(yán)重短缺的狀況，連原來資源豐富的地區(qū)的河砂量也大為減少，甚至接近枯竭，如何解決建筑用砂這一問題日益突出。另外，大量的河砂開采行為也造成了嚴(yán)重的環(huán)境問題。河流流域附近的環(huán)境因涵養(yǎng)地下水資源的砂礫石層被大量挖掘而遭到了不可逆的破壞。

同時(shí)，毀田挖砂更使得有限的耕地資源進(jìn)一步減損，引發(fā)了不良的生態(tài)效應(yīng)與社會效應(yīng)。日益匱乏的陸地河床砂礫現(xiàn)狀以及節(jié)約建設(shè)資源、塑造環(huán)境友好型社會政策要求，使得合理開發(fā)與利用海砂資源成為有效緩解這一系列問題的重要舉措。

我國擁有綿長的海岸線且可開采的海砂資源極為豐饒，探明的淺海海域海砂規(guī)模約為1.6萬億 t[2]，同時(shí)海砂成本約為河砂成本的67%[3]，沿海省份及地區(qū)可以充分利用其地理資源優(yōu)勢合理利用海砂，以緩解天然河砂日益匱乏的局面。

1 海南省海砂資源分布

經(jīng)勘測海南省的海砂資源發(fā)現(xiàn)[4]，島內(nèi)除東線（文昌、萬寧）以及西線（儋州、臨高）的部分地區(qū)海岸多為基巖或礫石外，砂質(zhì)沉積物環(huán)島錯(cuò)落分布。有報(bào)告指出[5]，海砂尤其在萬寧至三亞的東線、樂東至東方的西線一帶海灣內(nèi)儲量豐富。

此外，西部沿岸、瓊州海峽的東口以及瓊西淺海區(qū)也蘊(yùn)藏著豐富的海砂資源，其開采潛力巨大[6]。

海南省地質(zhì)局的河砂資源勘察結(jié)果顯示[7]：海南省內(nèi)天然河砂資源儲存量僅為5億 m3，而海南省具有開采潛力巨大的海砂資源，因此可科學(xué)合理、依法合規(guī)地對這些海砂資源進(jìn)行采掘，可有效解決島內(nèi)建筑施工所需建筑用砂資源缺乏的問題。

2 未經(jīng)處理的海砂不當(dāng)使用的危害

2.1 未經(jīng)處理的海砂腐蝕機(jī)理

未經(jīng)處理的海砂中含有大量氯鹽、重金屬鹽、貝殼雜質(zhì)以及有害雜質(zhì)等?；炷林袖摻畋桓邏A性孔隙液所庇護(hù)，鋼筋與混凝土表面由于生成致密的氧化膜而處于鈍化狀態(tài)[8]。

當(dāng)鋼筋周圍的氯離子含量高于某一特定值時(shí)，鈍化膜將逐步通過化學(xué)反應(yīng)溶解，進(jìn)而使得鋼筋脫鈍化，加速了鋼筋銹蝕速率。腐蝕后的產(chǎn)物體積為鋼筋的3～8倍[9]，這將使混凝土內(nèi)應(yīng)力驟增，進(jìn)而導(dǎo)致混凝土開裂甚至保護(hù)層剝蝕的嚴(yán)重情形發(fā)生。

此過程破壞機(jī)制可采用TUUTTI[10]建立的鋼筋壽命預(yù)測模型來表述，如圖1所示。

圖1 TUUTTI腐蝕模型

此外，海砂中的硫酸根離子將與混凝土中的Ca(OH)2進(jìn)行反應(yīng)形成鈣釩石，將導(dǎo)致混凝土體積膨脹，不利于保證混凝土構(gòu)筑物的耐久性能。海砂中的貝殼類物質(zhì)由于自身為片狀結(jié)構(gòu)、表面光滑且強(qiáng)度較低，使得其與混凝土基體間的黏結(jié)性能不良，進(jìn)而導(dǎo)致混凝土構(gòu)筑物的基本力學(xué)性能與耐久性能均下降[11]，故應(yīng)嚴(yán)格把控海砂中貝殼類物質(zhì)的含量。有研究表明貝殼類物質(zhì)含量不應(yīng)超過3%[12]。

2.2 未經(jīng)處理的海砂對建筑工程的危害

由于河砂資源的急劇緊缺致使其價(jià)格飛漲，使得很多企業(yè)將目光瞄準(zhǔn)價(jià)格低廉且儲量豐富的海砂。然而，未經(jīng)處理的海砂并不能直接用于建筑工程領(lǐng)域，如不進(jìn)行處理，將導(dǎo)致“海砂屋”問題。工程中違規(guī)使用未經(jīng)處理的海砂事件時(shí)有發(fā)生。

20世紀(jì)90年代，中國臺灣地區(qū)出現(xiàn)在眾多項(xiàng)目的混凝土材料中非法使用未經(jīng)處理的海砂的現(xiàn)象，致使眾多混凝土構(gòu)筑物腐蝕劣化，最終爆發(fā)了“海砂屋”丑聞[13]。著名的韓國“三豐大廈”驟然坍塌事故也是由于不正當(dāng)使用海砂導(dǎo)致[14]。土耳其的伊茲米特市震后致使1.7萬人死亡，分析倒塌的房屋后發(fā)現(xiàn)這些建筑基本上都違規(guī)使用了海砂，存在著質(zhì)量問題[15]。日本的一些震后房屋倒塌經(jīng)研究也發(fā)現(xiàn)非法使用海砂是導(dǎo)致房屋在震中快速破壞的主要原因[15]。中國福建省惠安縣的輞川大橋在建設(shè)過程中違規(guī)使用海砂以及含鹽水，使得橋梁出現(xiàn)大面積銹蝕破壞情況，并于2000年停止使用；廣西、寧波以及深圳的部分項(xiàng)目也曾發(fā)生過類似海砂危害事件[16-18]。

針對如此猖獗且頻發(fā)的海砂開采及使用情形，國務(wù)院及各地方相繼出臺了相關(guān)政策法規(guī)?！督ㄔO(shè)部關(guān)于嚴(yán)格建筑用海砂管理的意見》（建標(biāo)[2004]143號）指出，鋼筋混凝土中使用海砂時(shí)，氯離子含量不得大于0.06%；預(yù)應(yīng)力混凝土中不宜采用海砂，若需采用應(yīng)進(jìn)行淡化處理且氯離子含量不得大于0.02%。

住建部頒布的JGJ 206—2010《海砂混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》[19]對海砂混凝土的制備、施工及使用進(jìn)行了規(guī)定。DBJ 46-018—2019《海南省預(yù)拌混凝土應(yīng)用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》中砂的氯離子含量檢測指標(biāo)更為嚴(yán)格，標(biāo)準(zhǔn)中明確指出在鋼筋混凝土工程中所使用的砂氯離子含量不得大于0.02%，在預(yù)應(yīng)力混凝土工程中所使用的砂氯離子含量不得大于0.01%，以此杜絕海砂使用所帶來的建筑質(zhì)量問題。

3 海砂淡化及應(yīng)用前景

我國早在1997年就提出了淡化海砂的概念，淡化海砂是指將開采出來的海砂經(jīng)二次處理凈化后而形成的天然砂。隨后GB/T 14684—2011《建設(shè)用砂》[20]將其作為天然砂分類予以明確，并于2016年形成建工行業(yè)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)JG/T 494—2016《建筑及市政工程用凈化海砂》[21]。

3.1 淡化海砂技術(shù)

海砂淡化處理的方法主要包括[17]：自然靜置法、機(jī)械法、淡水沖洗法、摻加阻銹劑法、混合法等。然而，目前市場上的大部分海砂使用淡水沖洗法進(jìn)行處理[22]。淡水沖洗法需采用淡水對海砂進(jìn)行多次大量沖洗，不僅除氯離子效果差，而且極耗費(fèi)淡水資源。因此，研究者提出了一些新方法以解決傳統(tǒng)海砂淡化措施存在的局限性。楊子明等[23]提出采用臭氧水對海砂進(jìn)行脫氯處理的方法，并通過試驗(yàn)研究找出了最優(yōu)海砂與臭氧水用量比。

王平[24]基于傳統(tǒng)機(jī)械法開發(fā)了以深層除氯技術(shù)為核心的綜合洗砂法，并成功運(yùn)用于三亞市亞洲區(qū)南山港港區(qū)海砂淡化項(xiàng)目。

3.2 淡化海砂應(yīng)用前景

國外諸國，如美國、日本、英國等對海砂進(jìn)行淡化處理并將其作為建筑用砂用于實(shí)際工程中的報(bào)道屢見不鮮。英國坐擁全球最大的海洋骨料生產(chǎn)及加工產(chǎn)業(yè)鏈，每年提供的海洋骨料約占國內(nèi)建筑用料的67%[24]。作為全球最早利用海砂的國家，日本由于其規(guī)范化、科學(xué)化以及發(fā)達(dá)的開采淡化技術(shù)，使得海砂開采量與海砂淡化量成為全球第一[25]。在我國，21世紀(jì)初，上海寶鋼就在馬跡山港碼頭建設(shè)過程中成功使用了經(jīng)嚴(yán)格管控的淡化海砂[26]。

中國沿海地區(qū)，如廣東、廣西、福建、浙江等地海砂淡化的企業(yè)如雨后春筍般出現(xiàn)且蓬勃發(fā)展，使得這些區(qū)域內(nèi)的建筑用砂主要來源由河砂轉(zhuǎn)變?yōu)楹Ｉ?。對于最早采用海砂的寧波地區(qū)，海砂每年的采掘量約占其整個(gè)建筑用砂量的90%以上，為此出臺了《寧波市建筑工程使用海砂管理規(guī)定》以規(guī)范海砂的使用。2021年年初，海砂淡化綜合利用委員會宣布成立，這表明海砂的淡化行業(yè)在我國正朝著有組織且規(guī)范化的方向發(fā)展。

目前，海南省海砂的開采、生產(chǎn)、加工等這一產(chǎn)業(yè)鏈多為小型個(gè)體或民營企業(yè)，存在規(guī)模較小、設(shè)備簡陋、生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)低下、環(huán)保條件不達(dá)標(biāo)等問題，嚴(yán)重制約了淡化海砂的發(fā)展。

在海南省內(nèi)加快推行淡化海砂產(chǎn)業(yè)的專營制度、審慎評估企業(yè)資質(zhì)、提高生產(chǎn)技術(shù)的自動(dòng)化及智能化水平，是保障海南地區(qū)淡化海砂實(shí)現(xiàn)建筑用材全面化應(yīng)用的前提。

4 結(jié)語

海砂資源可緩解海南省及周邊地區(qū)河砂供應(yīng)不足的急迫問題，然而由于沒有規(guī)范化的市場監(jiān)管，濫用未經(jīng)淡化的海砂情況屢見不鮮，因而當(dāng)前海南省建筑行業(yè)對建筑用海砂還保持謹(jǐn)慎態(tài)度。如何通過科學(xué)的布局、規(guī)范的開采，合理利用儲藏量豐富的天然海砂資源，是完善海南地區(qū)海砂開采利用產(chǎn)業(yè)鏈的先決條件，也是加速發(fā)展海南自貿(mào)區(qū)（港）新建筑材料產(chǎn)業(yè)的推動(dòng)力。

當(dāng)前，淡化海砂是利用海砂資源的一種有效途徑。隨著海砂淡化新工藝、新技術(shù)的日趨成熟與完善，淡化海砂在建筑工程中的使用率將得到提升，其擁有較為廣闊的應(yīng)用前景。