浅谈海砂在钢筋混凝土中的应用

浅谈海砂在钢筋混凝土中的应用

钢筋混凝土结构的耐久性是世界上的一个主要问题。钢筋腐蚀是影响混凝土结构性能的主要因素之一。引起钢筋腐蚀的众多因素中,包含了不适当地使用海砂。世界上一些岛屿国家、沿海地区,早就出现河砂短缺现象。并有一些利用海砂的经验与教训。目前我国某些沿海地区,也呈现河砂短缺现象,进而出现滥用海砂的情况。面对此情,一方面应该严厉杜绝滥用海砂现象,另一方面,在采取严格可靠措施的前提下,开发利用海砂资源,也是出路之一。发表以下看法,供研究讨论。1滥用沙子是无法弥补1.1海砂屋事件与建筑结构腐蚀笔者两年前曾前往台湾调查了解到有关“海砂屋事件”的一些情况。事情的原由是,数年前随着台湾基建规模的扩大和建筑业的蓬勃发展,岛内出现建筑用河砂奇缺的现象。虽有明文规定不准使用海砂,由于经济利益促使,偷用海砂现象已逐渐成蔓延之势。海砂内含海盐,能对混凝土中钢筋造成严重腐蚀而导致建筑结构破坏。不多年之后(1～15年间),陆续出现大量房屋、公共建筑的腐蚀破坏现象,并波及全台湾,被称作“海砂屋事件”。台湾《民生报》曾以“海砂屋风暴”来报道事件的严重性与危害性。文称:“花了大半辈子,好不容易积下一些血汗钱买个窝……骤起的海砂屋风暴就像强烈台风,暴风由北而南,笼罩了台湾……生锈化脓的黄褐色铁水从龟裂处逐一渗出,裸露的腐蚀钢筋再也支撑不住……家毁人亡的阴影压的让人喘不过气来。”在台湾,“海砂屋事件”成为社会热点之一。众多民众身受其害。少则几年多则十几年,凡滥用海砂的建筑物,早晚都会出问题。仅台北市就有多起“海砂屋”出现,如台北淡水区皆为四层楼的公寓,已经有200多户严重破坏,1000多户受牵连;桃园区正光花园,近200户遭受“海砂屋”之害,群起状告建筑商;更多的是“无奈”或走向街头示威、喊冤。直到目前,仍不断有“海砂屋”的报道。1.2海砂危害性分析由于大规模的经济建设和沿海经济开发区的飞速发展,一些沿海城市和地区,陆续出现河砂短缺现象,远途取河砂使其价格不断上涨,于是使用海砂的情况便以公开和隐蔽的形式发展开来。如天津地区使用山东龙口的海砂(因大量挖海砂造成龙口岸滩不稳,曾在电视台报道过);宁波地区已发文件(有条件)允许使用海砂。而更多的情况是偷用、滥用海砂。国家有关规程、规范规定,一般不推荐使用海砂,不得已时,可使用含盐量低于标准限额的海砂。但实际中,由于对海砂危害性的一面认识不够,更因利益驱动(海砂可就地取材、价格低廉)和管理不严,使偷用、滥用海砂之势不断蔓延(与数年前的台湾情况极为相似!)。值得注意的是,我国沿海已经出现一批“海砂屋”。如深圳市一批使用海砂的建筑群,因明显腐蚀问题,正在检查评价和修复加固处理之中。舟山群岛正为一批“海砂屋”的处理耗费心机。近悉,宁波地区出现成批“海砂屋”。而根据报纸报道,福建、山东等地,竟有以海砂当作“标准砂”出售的事例。据悉,当年韩国也出现过大量工程事故,有些就与滥用海砂有关。如当年汉城千余人蒙难的三丰百货大楼倒塌,查其原因中,就包含滥用海砂一项。以上国内外事例,足以说明滥用海砂危害之大。我国正在贯彻实施“可持续发展战略”,应该努力提高钢筋混凝土结构物的耐久性。而“海砂屋”与“豆腐渣工程”一样,是祸国殃民的坏事,是“短期行为”的恶果。“豆腐渣工程”毕竟是个例,而“海砂屋”可能蔓延成大范围的问题,且“海砂屋”往往是在几年或十几年后才暴露出来,其潜在威胁和社会危害性更为严重与深远(图1)。2氯盐限制的规定和分析2.1混凝土临界值的概念混凝土内具有高碱性环境,Cl-渗入其内并到达钢筋表面,只有达到一定浓度时钢筋才会锈蚀。人们将此浓度称作引起钢筋锈蚀的“临界值”。有许多关于该“临界值”的研究与讨论,至今仍有许多不同认识和看法。这并不奇怪,因为混凝土是一个复杂的体系,研究者所规定的实验条件不同,其结果也有差异。目前,较为一致的观点是,“临界值”是随条件而变的,其中,最重要的条件之一是混凝土的碱度(pH值)。Housmen等人的实验研究结果表明,在混凝土的液相中,当浓度比值为Cl-/OH->0.61时,钢筋开始锈蚀,并以此作为“临界值”。绝对“临界值”可能是不存在的,但上面提出的“临界值”仍具有深刻意义。按照上述“临界值”的概念,只要控制Cl-/OH-不大于0.61就能保证钢筋不锈蚀。对于工程技术人员有着现实指导作用。2.2国外工程管理的相关规范鉴于氯盐进入混凝土中可引起钢筋锈蚀,并存在一个Cl-浓度的“临界值”,为使钢筋混凝土结构,在使用期内避免遭受钢筋腐蚀破坏,严格控制Cl-进入混凝土中的量,是十分必要的。在试验研究和工程实践的基础上,世界上许多国家的规程、规范、政府指令性文件中,都作了相应的限量规定。“限定值”是指对混凝土中Cl-含量的总量控制值。不论以任何途径进入到混凝土中,都不允许Cl-含量超出该限定值,并以此作为新建工程质量控制的重要技术指标之一。表1列出了美国混凝土学会(ACI)的相关规定。由表1可以看出,美国混凝土学会所属的几个委员会的规定不完全相同,其中以ACI201委员会的规定比较严格,并被世界许多国家参照采用。欧洲、澳大利亚、日本等地区和国家,在各自的规范中,都有与美国混凝土学会相同或近似的限量规定。日本为了更便于应用,规定了每m3混凝土中Cl-含量的限定值。日本土木学会编制的规范中规定,对于耐久性要求较高的钢筋混凝土,Cl-总量不超过0.3kg/m3;一般钢筋混凝土,Cl-总量不超过0.6kg/m3。若每m3混凝土按300kg水泥计算,以上规定为水泥重量的0.1%～0.2%,与表1中美国的规定基本一致。然而,日本是一个岛国,并且河砂奇缺,如今,绝大多数采用海砂。面对广泛的氯盐环境,日本一方面有Cl-总量的限制规定,如日本建设省指令性文件《确保钢筋混凝土耐久性措施》中规定,每m3混凝土Cl-总量一般不要超过0.3kg。另一方面规定了氯盐“超标”时必须采取的技术措施。我国相关国家标准、行业标准中,对于混凝土中Cl-限量规定也不完全相同,有的甚至没有明确规定。近年来制定或修订的标准中,逐步靠近如下指标:对于预应力混凝土:Cl-总量不超过0.06%(水泥重量百分比);对于普通混凝土:Cl-总量不超过0.10%(水泥重量百分比)。2.3混凝土含盐量超标的限制为了保证混凝土中Cl-总量不超过标准限量,对施工用水、砂石、外加剂等的盐含量都必须给予限制。就砂子而言,河砂很少含氯盐,一般可直接使用。海砂含有不等量的氯盐,一些国家对海砂的盐含量作出明确规定。如日本对海砂的含盐量进行了分级规定,日本建筑学会规定,氯盐含量为0.02%以下者(以NaCl占干砂重量的百分比,下同)可直接使用。日本规范(JASS5)和日本建设省指令性文件(第597号文)规定,对于普通钢筋混凝土,海砂的含盐量低于0.04%者可直接使用。并同时规定,凡使用含盐量超标的海砂,必须采取防盐腐蚀的技术措施。我国有关规程规定,对于普通钢筋混凝土,海砂的盐含量应低于0.06%,预应力混凝土,应低于0.02%。但没有规定含盐量超标后的技术措施,也即不允许使用超标海砂。海砂含盐量的限定值的规定服从于混凝土中Cl-总量的限定值的规定。如果能够保证这个限定值,使用海砂是安全的。反之,超出此限定值,混凝土中Cl-总量就会达到或超过钢筋腐蚀的“临界值”,若不采取可靠的防护措施,钢筋就会发生腐蚀,结构就会发生破坏。并且腐蚀速度与海砂带入的Cl-总量呈正比关系。那就是说,海砂含盐量越高,其腐蚀破坏出现就越早、发展就越快。这正是滥用海砂的危险所在,也是国内外出现“海砂屋”问题的直接原因。3必要时可使用沉积物3.1混凝土中含盐过低的含盐量暂不讨论海砂与河砂间还可能存在其他性能方面的差异,在这里,主要讨论其间最大的区别,那就是海砂含盐的问题。按照国内外有关规定,凡是含盐量低于限定值的海砂(如低于0.02%、0.04%或0.06%),都是允许直接作为细骨料加入混凝土中的。问题在于,这种含盐很低的海砂,并不是到处都有或经常存在的。在一些海水不能冲击到的老沙滩上,其表面一层海砂(如厚度0.5m～1m),由于常年雨水冲洗,盐分下沉,使其含盐量可能低于限定值,而同样地区的深部的海砂,含盐量可能会超过限定值。其实,海砂的含盐量在不同地区、不同部位差别很大,可能在0.02%～0.3%范围内。多数情况下海砂的含盐量是“超标”的,一般不能直接采用。3.2如果含盐量“超过标准”，则应采取技术措施利用海砂的前提是处理好其含盐和对钢筋的腐蚀问题。国内外曾经采用的方法有以下几种,各有优缺点,适用性、经济性也很重要。3.2.1海滩储存法将海砂堆积到一定厚度,自然堆放数月或几年,取样化验含盐量合格后使用。此方法节省,但费时,不能解决应急需要。3.2.2洗机洗机利用淡水冲洗海砂,使其含盐量达到标准要求。此方法快捷,能满足应急需要。通常需要冲洗设备(国际上已经有海砂冲洗机),造价偏高。另外,在应急使用海砂的地区,一般淡水也是可贵资源(冲砂机冲洗1吨海砂,大约需要0.8吨淡水),是否可实施淡水冲洗法,应具体分析。我国相关规范或一些地区规定,也允许用淡水冲洗法,但是缺乏专用设备(有的就用自来水管冲洗),且检验、化验不够规范,难以保证质量。也有的因为淡水不足(或花费大)而不能实施此方法。3.2.3日本海砂使用概况日本是世界上成功利用海砂的国家,其经验值得我们学习和借鉴。日本是一个岛国,上个世纪前半叶就出现“河砂短缺”现象,于是着手开发利用海砂资源。目前日本沿海地区建筑用砂的90%以上是用海砂。采取的主要技术措施是掺加一种叫做“钢筋防锈剂”的化学药剂,以抑制、消除海砂中海盐对钢筋的腐蚀作用(我国已有同类产品)。日本规范(JASS5)规定:海砂含盐量超过0.04%又不得不使用时,必须采取减少水灰比、增加保护层厚度和使用阻锈剂等措施。日本建设省指令性文件规定(住指发第759号),当海砂含盐量超过0.04%时(0.04%～0.2%)必须采取的技术措施是:加钢筋阻锈剂,采用AE减水剂并控制水灰比和流动度等。日本使用海砂量是相当大的。根据1994年的统计,仅长崎、香川、福岗三地区的海砂年用量,就达2487.1万吨。表2列出了日本沿海地区建筑用砂的使用情况,可以看出,海砂占据主导地位。近悉,日本海砂也呈枯竭之势,正向我国大量订购河砂。日本对开发利用海砂,采取了积极、慎重的政策和严格的技术与管理措施,虽然大量使用了海砂,但没有出现“滥用海砂”和造成“海砂屋”等问题。我国也有成功利用海砂的先例,原冶金工业部山东三山岛金矿建设中(1984～1987),因当时无法得到河砂,不得不“超越规范”全部使用当地海砂。因采取了掺加“钢筋防锈剂”及其他综合性防盐腐蚀措施,至今工程良好。证明只要采取适当技术措施,海砂是可以利用的。1991年我国已经有了《钢筋阻锈剂使用技术规程》,1998年进行了修订(Y/T9231-98)。《规程》中规定了在使用海砂时可掺用钢筋阻锈剂。我国部分沿海地区已经或正在采用海砂与阻锈剂联合使用的方法(但数量不大)。据悉,海湾国家和一些西非国家,也正在开发利用海砂和采取与阻锈剂联合使用的方法。此方法简单易行、技术可靠、经济花费小。但对于阻锈剂的品质要有严格要求,如必须符合相关规范要求和经过国家法定检验部门的认可等。4海砂资源的开发利用建议4.1氯盐腐蚀是影响钢筋混凝土结构耐久性的主要因素之一,而不适当地使用海砂,是导致氯盐进入混凝土中的重要途径(人为的),国内外已经有一些滥用海砂的惨痛教训。我国一些地区已经出现河砂短缺问题,同时滥用海砂现象也在蔓延。这一方面是对于氯盐腐蚀危害认识不足、重视不够,没有及时提供解决方法;另一方面是“短期行为”“利益驱动”的结果。在我国,海砂问题已经到了需要特别重视和妥善解决的时候了。否则,大量“海砂屋”的出现将是不可避免的。滥用海砂将其害无穷。4.2我国地域广大,向内陆寻取砂源是途径之一,但增加运输和费用、损害河床,危害环境。且由于河砂价格渐贵,“利益驱动”使偷