陳 航 耿志華 胡 慶 唐國(guó)樂(lè)

（中電建路橋集團(tuán)有限公司，北京 100048）

隨著中國(guó)建筑行業(yè)的快速發(fā)展，已有的河沙資源逐漸出現(xiàn)供應(yīng)不足的問(wèn)題。未解決河沙短缺的問(wèn)題，海砂代替河沙是目前新的發(fā)展方向。經(jīng)過(guò)近幾十年的研究證明，淡化后的海砂適用于混凝土拌制中，可用于建筑施工領(lǐng)域。但是海砂與河沙相比，含有較多的氯離子、硫酸根離子、貝殼等有害于混凝土發(fā)揮性能的物質(zhì)，會(huì)導(dǎo)致鋼筋銹蝕，降低混凝土的耐久性[1]。

目前，減少海砂中有害物質(zhì)的方法是對(duì)海砂進(jìn)行淡化處理，如果處理方式不當(dāng)就會(huì)導(dǎo)致淡化海砂不符合規(guī)范要求，長(zhǎng)期來(lái)看則會(huì)導(dǎo)致海砂混凝土出現(xiàn)耐久性問(wèn)題，該類問(wèn)題主要體現(xiàn)在鋼筋銹蝕、堿骨料反應(yīng)和化學(xué)腐蝕等方面，其中由氯離子含量超標(biāo)引起的鋼筋銹蝕是降低海砂混凝土耐久性的主要原因[2]。鋼筋銹蝕后會(huì)產(chǎn)生體積膨脹與強(qiáng)度降低現(xiàn)象，使結(jié)構(gòu)開(kāi)裂，進(jìn)而失去耐久性與承載力。因此研究海砂的快速淡化方法與傳統(tǒng)淡化工藝的改良對(duì)淡化海砂的應(yīng)用發(fā)展是有積極作用的[3]。

1 海砂快速淡化方法

1.1 海砂淡化對(duì)比試驗(yàn)

關(guān)于海砂的淡化處理，該文試驗(yàn)注重氯離子含量的變化，對(duì)硫酸根離子、貝殼等非主要影響的不利因素未進(jìn)行考慮。試驗(yàn)?zāi)康脑谟谕ㄟ^(guò)對(duì)比試驗(yàn)確定氯離子含量最低的試驗(yàn)方法，為海砂現(xiàn)場(chǎng)淡化施工提供參考依據(jù)。

1.1.1 試驗(yàn)步驟

首先，該文試驗(yàn)使用的海砂均為廣東汕尾地區(qū)09區(qū)塊開(kāi)采而得。用于對(duì)比的3種淡化方式分別為手動(dòng)淘洗、流水沖洗和淡水浸泡。其淡化處理方式分別如下：稱取800g的海砂置于玻璃容器內(nèi)，使用淡水手動(dòng)淘洗10min；稱取800g的海砂置于孔徑0.075mm的圓孔篩上，并用流動(dòng)的淡水沖洗10min；稱取800g的海砂置于淡水中進(jìn)行浸泡，浸泡時(shí)間為2h。

其次，經(jīng)過(guò)上述3次淡化方式處理后，另稱取800g未經(jīng)處理的海砂，將4種海砂進(jìn)行烘干，冷卻到室溫后各稱取500g的樣品分開(kāi)放入容器內(nèi)備用，并貼好分類標(biāo)簽。

再次，取500mL蒸餾水分別加入上述盛放烘干海砂的容器內(nèi)，蓋上瓶蓋后浸泡2h，置于氯離子分析檢測(cè)儀器中進(jìn)行測(cè)定，在檢測(cè)前的15min、10min、5min分別用玻璃棒進(jìn)行攪拌，使氯鹽充分溶解。

最后，每種試樣均按上述方法檢測(cè)2次，取2次結(jié)果的算術(shù)平均值。

1.1.2 試驗(yàn)結(jié)果

按上述步驟進(jìn)行試驗(yàn)后，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 不同淡化方式對(duì)應(yīng)氯離子值

由表1可以看出，流水沖洗與手動(dòng)淘洗均能有效降低氯離子含量，降低幅度度達(dá)82%以上，淡水浸泡的效果偏低，不建議應(yīng)用于海砂淡化中。

在進(jìn)行海砂淡化的生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，參照試驗(yàn)結(jié)果并可根據(jù)實(shí)際情況采取機(jī)械淘洗或直接沖洗的方法。在產(chǎn)能較高的海砂淡化生產(chǎn)基地，可結(jié)合化學(xué)除氯劑的使用進(jìn)一步提高產(chǎn)能，降低淡化海砂中氯離子的含量。

2 海砂淡化工藝改進(jìn)

目前針對(duì)海砂淡化的措施有鋼筋阻銹劑法、鋼筋鍍膜法、混凝土配比優(yōu)化法和淡水沖洗法等[4]。其中淡水沖洗法是我國(guó)目前應(yīng)用最廣泛的淡化處理方法，但采用該方法存在淡水使用量高、資源利用率低、成本高、除氯效果不理想以及使用局限性較大的問(wèn)題，因此該傳統(tǒng)淡水沖洗工藝需要進(jìn)行工藝改良，進(jìn)而解決部分存在的問(wèn)題。

該文在傳統(tǒng)淡化除氯的方式上引入“氧化脫氯”的方法，其原理是采用先進(jìn)行氧化脫氯、再進(jìn)行淡水沖洗的方式，以達(dá)到降低淡水使用量、加強(qiáng)除氯效果的目標(biāo)。

2.1 工藝原理

將開(kāi)采出的海砂經(jīng)過(guò)輸送皮帶機(jī)進(jìn)入振動(dòng)篩沙機(jī)，篩去掉貝殼等多余的雜質(zhì)成分，經(jīng)清洗后浸入特定比例的臭氧水溶液中，將該混合溶液攪拌2h～5h進(jìn)行除氯，完成除氯作業(yè)后將海砂撈取出來(lái)并在溫度為60℃～90℃的傳送皮帶上進(jìn)行加熱并進(jìn)行清洗作業(yè)，得到淡化完成的海砂成品。其工藝流程圖如圖1所示。

圖1 海砂淡化新型工藝流程圖

該文重在研究海砂與除氯劑的用量比值、除氯劑的濃度與浸泡攪拌時(shí)間對(duì)海砂淡化處理后的影響關(guān)系，并由此確定海砂淡化的指標(biāo)參數(shù)，優(yōu)化工藝流程。參照文獻(xiàn)[5]進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2.2 除氯劑的濃度對(duì)海砂淡化的影響

試驗(yàn)環(huán)境選在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，其中除氯劑為臭氧水。制備臭氧水的方法為在室內(nèi)環(huán)境溫度下使用臭氧水機(jī)產(chǎn)生臭氧，并持續(xù)通入蒸餾水中，蒸餾水溫度保持在25℃。同時(shí)為測(cè)定臭氧通入時(shí)間與臭氧水中臭氧濃度的關(guān)系，按一定時(shí)間進(jìn)行連續(xù)取樣并按碘量法進(jìn)行濃度測(cè)定。然后按不同濃度的臭氧水進(jìn)行海砂的除氯作業(yè)，其結(jié)果如表2和圖2所示。

圖2 臭氧在水中隨通入時(shí)間的濃度變化曲線

表2 臭氧水濃度與海砂除氯后氯含量效果的影響

由表2與圖2可知，當(dāng)蒸餾水溫度為25℃時(shí)，臭氧水中臭氧濃度在持續(xù)通入15min后達(dá)到飽和，飽和時(shí)濃度為120.5mg/L，并且臭氧濃度越高，其除氯效果越強(qiáng)，即氯離子與臭氧的反應(yīng)越充分，當(dāng)臭氧濃度達(dá)到飽和后氯離子含量降到0.008%。由此可知，在海砂淡化生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)使臭氧水濃度達(dá)到飽和，以此保持良好的除氯效果。

2.3 臭氧水隨時(shí)間分解規(guī)律

臭氧在水中較不穩(wěn)定，如未采取降溫加壓的措施，臭氧濃度隨著時(shí)間會(huì)逐漸降低。因此在海砂淡化生產(chǎn)中需要對(duì)臭氧的分解規(guī)律有正確的認(rèn)識(shí)。為研究其分解規(guī)律，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)按上述方法制備臭氧水的飽和溶液，每隔1h進(jìn)行取樣并按碘量法進(jìn)行濃度測(cè)定，得到臭氧水濃度隨時(shí)間的分解情況表，并繪制出臭氧水隨時(shí)間的臭氧濃度曲線圖，如表3與圖3所示。

圖3 臭氧水隨時(shí)間的臭氧濃度曲線圖

表3 臭氧水濃度隨時(shí)間的分解情況表

由表3與圖3可知，臭氧水中臭氧濃度在未采取降溫加壓的措施下，隨著放置時(shí)間的增長(zhǎng)臭氧濃度不斷降低，并且在0h～2h內(nèi)下降速度最快，放置時(shí)間達(dá)到2h后臭氧濃度下降到飽和濃度的一半左右，當(dāng)放置時(shí)間達(dá)到6h后臭氧濃度下降幅度超過(guò)90%。因此在海砂淡化過(guò)程中，在不采取降溫加壓的措施下，臭氧浸泡池內(nèi)應(yīng)不斷補(bǔ)充臭氧，保持臭氧濃度達(dá)到飽和狀態(tài)，防止臭氧分解后除氯效果降低。

2.4 海砂與除氯劑的用量比值

為降低將臭氧作為除氯劑產(chǎn)生的生產(chǎn)成本，需要得到最佳的海砂與除氯劑的用量比值。試驗(yàn)采用臭氧水為飽和濃度，即臭氧濃度為120.5mg/L，并在試驗(yàn)過(guò)程中保持臭氧的通入，使其一直維持在飽和濃度。浸泡攪拌的淡化作業(yè)時(shí)間均為3h，海砂試樣均為100g，將不同重量的臭氧水進(jìn)行淡化作業(yè)后測(cè)定海砂的氯離子含量、含泥量與泥塊含量。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 不同臭氧水質(zhì)量下的海砂淡化效果

由表4可以看出，在海砂質(zhì)量為100g時(shí)，隨著臭氧水質(zhì)量的增加，淡化效果加強(qiáng)，當(dāng)臭氧水質(zhì)量在500g以上時(shí)氯離子含量、含泥量和泥塊含量基本保持不變，氯離子含量最低為0.008%。這是因?yàn)楫?dāng)氯離子占比低于一定數(shù)量時(shí)，氯離子與臭氧的接觸反應(yīng)大大降低，此時(shí)氯離子含量基本保持不變?？紤]生產(chǎn)成本，當(dāng)海砂質(zhì)量∶臭氧水質(zhì)量在1∶5以上時(shí)，可達(dá)到最優(yōu)的用量比值。

2.5 除氯反應(yīng)時(shí)間

當(dāng)脫氯反應(yīng)進(jìn)行到一定程度后，反應(yīng)析出的氯氣在溶液里達(dá)到飽和狀態(tài)，反應(yīng)趨于平衡，在現(xiàn)有條件下無(wú)法再進(jìn)一步降低氯離子含量，因此除氯反應(yīng)的時(shí)間應(yīng)進(jìn)行試驗(yàn)確定。采用臭氧水為飽和濃度，即臭氧濃度為120.5mg/L，并在試驗(yàn)過(guò)程中保持臭氧的通入，使其一直維持在飽和濃度。海砂質(zhì)量與臭氧水質(zhì)量之比為1∶5。通過(guò)改變攪拌反應(yīng)時(shí)間并取樣按碘量法進(jìn)行濃度測(cè)定，得到的結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 不同除氯反應(yīng)時(shí)間下的海砂淡化效果

由表5可知，隨著反應(yīng)時(shí)間的增長(zhǎng)，氯離子含量有明顯降低，但當(dāng)反應(yīng)時(shí)間到4h以上時(shí)，氯離子含量無(wú)明顯變化，此時(shí)反應(yīng)析出的氯氣在溶液里達(dá)到飽和狀態(tài)，無(wú)法再進(jìn)一步降低氯離子含量。因此除氯反應(yīng)時(shí)間控制在4h左右為宜。

3 淡化海砂的應(yīng)用

海砂直接用于混凝土中造成的問(wèn)題主要是鋼筋的發(fā)生腐蝕破壞，進(jìn)而影響混凝土結(jié)構(gòu)的安全性，而鋼筋的腐蝕破壞主要是由混凝土中的氯離子引起的相關(guān)反應(yīng)，因此海砂應(yīng)用于混凝中應(yīng)嚴(yán)格控制氯離子的含量。通常認(rèn)為當(dāng)拌制的混凝土液相內(nèi)氯離子與氫氧根離子的比值大于0.61時(shí)，混凝土?xí)霈F(xiàn)銹蝕情況[6]，根據(jù)該理論，國(guó)內(nèi)外規(guī)范以此為基準(zhǔn)制定了混凝土氯離子的上限值，當(dāng)滿足該條件時(shí)，海砂可應(yīng)用于混凝土施工中。

當(dāng)?shù)蟮暮Ｉ皯?yīng)用于混凝土施工中時(shí)，為控制海砂混凝土中氯離子的含量，控制混凝土性能，應(yīng)注意如下事項(xiàng)：1）使用合格的淡化海砂材料。在混凝土的原材料中，主要引起氯離子含量上升的材料為砂，因此選用合格的淡化海砂時(shí)控制混凝土氯離子含量的有效手段。2）選用合適的配合比?；炷林屑尤脒m當(dāng)?shù)V物摻和料能通過(guò)自身性質(zhì)與化學(xué)反應(yīng)抑制與固化氯離子，可有效降低混凝土拌合液中游離的氯離子含量。同時(shí)，凝固成型后的混凝土也有一定抗氯侵入的能力，混凝土的耐久性能得到有效提高。但應(yīng)控制摻入的比例，如果摻入過(guò)多，對(duì)混凝土的水膠比有較大影響，進(jìn)而抑制外加劑中粉煤灰的和礦渣對(duì)混凝土的性能貢獻(xiàn)，因此應(yīng)進(jìn)行試驗(yàn)，確定合適的配合比。3）及時(shí)檢測(cè)氯離子含量。為有效控制氯離子含量，在混凝土拌制完成后應(yīng)使用電極法進(jìn)行氯離子的含量檢測(cè)，確?；炷恋陌踩谰€，保障混凝土結(jié)構(gòu)的使用年限。

4 結(jié)論

該文所用的海砂均為廣東汕尾09區(qū)塊開(kāi)采所得，并基于海砂混凝土的破壞原理研究改良了海砂的淡化工藝，形成如下結(jié)論：1）流水沖洗與手動(dòng)淘洗均能有效降低氯離子含量，降低幅度度達(dá)82%以上，淡水浸泡的效果偏低，不建議應(yīng)用于海砂淡化中。2）臭氧濃度越高，其除氯效果越強(qiáng)，當(dāng)蒸餾水溫度為25℃時(shí)，臭氧水中臭氧濃度在持續(xù)通入15min后達(dá)到飽和，飽和時(shí)濃度為120.5mg/L。3）臭氧水中臭氧濃度在未采取降溫加壓的措施下，隨著放置時(shí)間的增長(zhǎng)，臭氧濃度不斷降低，在海砂淡化過(guò)程中應(yīng)不斷補(bǔ)充臭氧，保持臭氧濃度達(dá)到飽和狀態(tài)。4）考慮生產(chǎn)成本，當(dāng)海砂質(zhì)量∶臭氧水質(zhì)量在1∶5以上時(shí)，可達(dá)到最優(yōu)的用量比值。5）隨著反應(yīng)時(shí)間的增長(zhǎng)，氯離子含量會(huì)明顯降低，但有下限值，除氯反應(yīng)時(shí)間控制在4h左右為宜。