海南地区的海砂开采与技术应用

陆 峰

上海建工集团股份有限公司 上海 200080

混凝土作为最主要的建筑材料，其使用量在我国逐年攀升，因而建筑用砂量也日趋上升，这使得河砂资源面临着日益严峻的供需矛盾，以长江经济区为例，每年对于建筑用砂的需求约为9 000万 t[1]。

我国一半以上的地区都出现了河砂资源严重短缺的状况，连原来资源丰富的地区的河砂量也大为减少，甚至接近枯竭，如何解决建筑用砂这一问题日益突出。另外，大量的河砂开采行为也造成了严重的环境问题。河流流域附近的环境因涵养地下水资源的砂砾石层被大量挖掘而遭到了不可逆的破坏。

同时，毁田挖砂更使得有限的耕地资源进一步减损，引发了不良的生态效应与社会效应。日益匮乏的陆地河床砂砾现状以及节约建设资源、塑造环境友好型社会政策要求，使得合理开发与利用海砂资源成为有效缓解这一系列问题的重要举措。

我国拥有绵长的海岸线且可开采的海砂资源极为丰饶，探明的浅海海域海砂规模约为1.6万亿 t[2]，同时海砂成本约为河砂成本的67%[3]，沿海省份及地区可以充分利用其地理资源优势合理利用海砂，以缓解天然河砂日益匮乏的局面。

1 海南省海砂资源分布

经勘测海南省的海砂资源发现[4]，岛内除东线（文昌、万宁）以及西线（儋州、临高）的部分地区海岸多为基岩或砾石外，砂质沉积物环岛错落分布。有报告指出[5]，海砂尤其在万宁至三亚的东线、乐东至东方的西线一带海湾内储量丰富。

此外，西部沿岸、琼州海峡的东口以及琼西浅海区也蕴藏着丰富的海砂资源，其开采潜力巨大[6]。

海南省地质局的河砂资源勘察结果显示[7]：海南省内天然河砂资源储存量仅为5亿 m3，而海南省具有开采潜力巨大的海砂资源，因此可科学合理、依法合规地对这些海砂资源进行采掘，可有效解决岛内建筑施工所需建筑用砂资源缺乏的问题。

2 未经处理的海砂不当使用的危害

2.1 未经处理的海砂腐蚀机理

未经处理的海砂中含有大量氯盐、重金属盐、贝壳杂质以及有害杂质等。混凝土中钢筋被高碱性孔隙液所庇护，钢筋与混凝土表面由于生成致密的氧化膜而处于钝化状态[8]。

当钢筋周围的氯离子含量高于某一特定值时，钝化膜将逐步通过化学反应溶解，进而使得钢筋脱钝化，加速了钢筋锈蚀速率。腐蚀后的产物体积为钢筋的3～8倍[9]，这将使混凝土内应力骤增，进而导致混凝土开裂甚至保护层剥蚀的严重情形发生。

此过程破坏机制可采用TUUTTI[10]建立的钢筋寿命预测模型来表述，如图1所示。

图1 TUUTTI腐蚀模型

此外，海砂中的硫酸根离子将与混凝土中的Ca(OH)2进行反应形成钙钒石，将导致混凝土体积膨胀，不利于保证混凝土构筑物的耐久性能。海砂中的贝壳类物质由于自身为片状结构、表面光滑且强度较低，使得其与混凝土基体间的黏结性能不良，进而导致混凝土构筑物的基本力学性能与耐久性能均下降[11]，故应严格把控海砂中贝壳类物质的含量。有研究表明贝壳类物质含量不应超过3%[12]。

2.2 未经处理的海砂对建筑工程的危害

由于河砂资源的急剧紧缺致使其价格飞涨，使得很多企业将目光瞄准价格低廉且储量丰富的海砂。然而，未经处理的海砂并不能直接用于建筑工程领域，如不进行处理，将导致“海砂屋”问题。工程中违规使用未经处理的海砂事件时有发生。

20世纪90年代，中国台湾地区出现在众多项目的混凝土材料中非法使用未经处理的海砂的现象，致使众多混凝土构筑物腐蚀劣化，最终爆发了“海砂屋”丑闻[13]。著名的韩国“三丰大厦”骤然坍塌事故也是由于不正当使用海砂导致[14]。土耳其的伊兹米特市震后致使1.7万人死亡，分析倒塌的房屋后发现这些建筑基本上都违规使用了海砂，存在着质量问题[15]。日本的一些震后房屋倒塌经研究也发现非法使用海砂是导致房屋在震中快速破坏的主要原因[15]。中国福建省惠安县的辋川大桥在建设过程中违规使用海砂以及含盐水，使得桥梁出现大面积锈蚀破坏情况，并于2000年停止使用；广西、宁波以及深圳的部分项目也曾发生过类似海砂危害事件[16-18]。

针对如此猖獗且频发的海砂开采及使用情形，国务院及各地方相继出台了相关政策法规。《建设部关于严格建筑用海砂管理的意见》（建标[2004]143号）指出，钢筋混凝土中使用海砂时，氯离子含量不得大于0.06%；预应力混凝土中不宜采用海砂，若需采用应进行淡化处理且氯离子含量不得大于0.02%。

住建部颁布的JGJ 206—2010《海砂混凝土应用技术规范》[19]对海砂混凝土的制备、施工及使用进行了规定。DBJ 46-018—2019《海南省预拌混凝土应用技术标准》中砂的氯离子含量检测指标更为严格，标准中明确指出在钢筋混凝土工程中所使用的砂氯离子含量不得大于0.02%，在预应力混凝土工程中所使用的砂氯离子含量不得大于0.01%，以此杜绝海砂使用所带来的建筑质量问题。

3 海砂淡化及应用前景

我国早在1997年就提出了淡化海砂的概念，淡化海砂是指将开采出来的海砂经二次处理净化后而形成的天然砂。随后GB/T 14684—2011《建设用砂》[20]将其作为天然砂分类予以明确，并于2016年形成建工行业建设标准JG/T 494—2016《建筑及市政工程用净化海砂》[21]。

3.1 淡化海砂技术

海砂淡化处理的方法主要包括[17]：自然静置法、机械法、淡水冲洗法、掺加阻锈剂法、混合法等。然而，目前市场上的大部分海砂使用淡水冲洗法进行处理[22]。淡水冲洗法需采用淡水对海砂进行多次大量冲洗，不仅除氯离子效果差，而且极耗费淡水资源。因此，研究者提出了一些新方法以解决传统海砂淡化措施存在的局限性。杨子明等[23]提出采用臭氧水对海砂进行脱氯处理的方法，并通过试验研究找出了最优海砂与臭氧水用量比。

王平[24]基于传统机械法开发了以深层除氯技术为核心的综合洗砂法，并成功运用于三亚市亚洲区南山港港区海砂淡化项目。

3.2 淡化海砂应用前景

国外诸国，如美国、日本、英国等对海砂进行淡化处理并将其作为建筑用砂用于实际工程中的报道屡见不鲜。英国坐拥全球最大的海洋骨料生产及加工产业链，每年提供的海洋骨料约占国内建筑用料的67%[24]。作为全球最早利用海砂的国家，日本由于其规范化、科学化以及发达的开采淡化技术，使得海砂开采量与海砂淡化量成为全球第一[25]。在我国，21世纪初，上海宝钢就在马迹山港码头建设过程中成功使用了经严格管控的淡化海砂[26]。

中国沿海地区，如广东、广西、福建、浙江等地海砂淡化的企业如雨后春笋般出现且蓬勃发展，使得这些区域内的建筑用砂主要来源由河砂转变为海砂。对于最早采用海砂的宁波地区，海砂每年的采掘量约占其整个建筑用砂量的90%以上，为此出台了《宁波市建筑工程使用海砂管理规定》以规范海砂的使用。2021年年初，海砂淡化综合利用委员会宣布成立，这表明海砂的淡化行业在我国正朝着有组织且规范化的方向发展。

目前，海南省海砂的开采、生产、加工等这一产业链多为小型个体或民营企业，存在规模较小、设备简陋、生产标准低下、环保条件不达标等问题，严重制约了淡化海砂的发展。

在海南省内加快推行淡化海砂产业的专营制度、审慎评估企业资质、提高生产技术的自动化及智能化水平，是保障海南地区淡化海砂实现建筑用材全面化应用的前提。

4 结语

海砂资源可缓解海南省及周边地区河砂供应不足的急迫问题，然而由于没有规范化的市场监管，滥用未经淡化的海砂情况屡见不鲜，因而当前海南省建筑行业对建筑用海砂还保持谨慎态度。如何通过科学的布局、规范的开采，合理利用储藏量丰富的天然海砂资源，是完善海南地区海砂开采利用产业链的先决条件，也是加速发展海南自贸区（港）新建筑材料产业的推动力。

当前，淡化海砂是利用海砂资源的一种有效途径。随着海砂淡化新工艺、新技术的日趋成熟与完善，淡化海砂在建筑工程中的使用率将得到提升，其拥有较为广阔的应用前景。