海砂制备混凝土合规资源化关键问题

邰雅婷， 汪志强， 蔡志军， 何 旭， 周继凯*

(1.河海大学,南京 210098；2.江苏省住房和城乡建设厅,南京 210036)

中国拥有丰富的海砂资源[1]。初步估算海砂资源量,海岸带为35.88×108～53.82×108m3,近岸浅海为66.51×108～101.86×108m3和近海陆架约为6697×108m3[2]。

与传统的江砂、河砂相比,海砂中含有的氯盐和贝壳是阻碍其制备混凝土用于建筑中的主要原因[3]。氯盐会影响水泥水化,对混凝土性能造成影响[4]。氯离子极易引起混凝土中的钢筋腐蚀[5-6]。

未淡化海砂混凝土会引起严重的建筑危害问题[7-8]。土耳其地震中使用海砂混凝土倒塌的房屋,其强度远低于普通混凝土[9]。20世纪90年代,中国宁波、舟山等沿海地区发生“海砂屋”事件[10]。

在2002年,福建省泉州市建筑工程质检站抽查50个市区在建工程,使用海砂工程数超过80%[11]。2012年宁波市流入海砂约3 000×104t,是2003年的30倍[12-13]。2013年在建的当时中国第一高楼——深圳平安国际金融中心曾疑因使用海砂停工整顿(图1)[14-15]。同年中国台湾行政大楼被爆是“海砂屋”,外墙剥落漏出钢筋(图2)[16]。韩国和日本也因为滥用或不当使用海砂导致建筑物倒塌,损失惨重[17],教训极为惨痛。

随着大量工程建设,中国天然优质的江砂、河砂资源日渐枯竭。再者,采砂活动加剧影响河势稳定和防洪安全。近年来,环保要求禁采、限采河砂,导致河砂供应紧张,价格暴涨。海砂开采成本低廉,部分不法分子盗采海砂流入建筑市场,牟取暴利,影响工程安全。

图1 平安国际金融中心停工整顿时照片Fig.1 Photograph of Ping’ an international financial center that was suspended for rectification

图2 中国台湾行政大楼照片Fig.2 Photograph of Chinese Taiwan (China) administration building

江苏省住房和城乡建设厅及时应对市场变化和存在的隐患,于2017年12月19日发布了《防止海砂进入建筑工地的通知》[18],全省全面排查和严肃处理使用海砂行为,杜绝违规海砂在工程中使用。

在工程中合规使用海砂,许多国家进行了大量探索研究。日本从20个世纪 60年代就开始大量使用海砂,缓解江砂、河砂资源枯竭问题。起初,规定海砂允许含盐量以NaCl换算为干砂恒重的0.01%,历经10 a以上,几乎没有发现由氯化物引起建筑物的损坏。后来海砂用量急剧增加,在1973年超过河砂,估算产量达1×108t以上[19]。日本沿海地区超过九成的建筑采用海砂混凝土[20]。

海砂经过适当处理可以作为建筑用砂已经成为共识。目前，针对国外海砂管理权属问题、国内海砂开采现状及2010年前海砂混凝土规范的研究较多[10,21—24],而关于较新的海砂制备混凝土控制标准的借鉴和学习较少。通过调研和整理国内外海砂开采管理制度,对比中外规范氯离子控制指标。得出海砂制备混凝土合规资源化的关键在于加强海砂开采、运输、销售和使用等环节的管理。此外，海砂开采属于源头管理,海砂运输、销售和使用等环节的管理关键在于检测标准和检测技术。

1 海砂开采管理制度

1.1 国外海砂开采管理制度

荷兰作为最早开发海砂的国家之一,在1971年制定海砂开采法案,2004年荷兰拟定和公布的“国家空间规划政策”“北海海砂开采规划”“荷兰北海海域”以及“北海2015年海洋综合管理计划”,其中的法案规定包括对整体空间框架的评估,严格控制开采的深度和规模,在开采海砂之前还需要缴纳资源补偿费用,接受有关部门的监督[25-26]。荷兰明确提出采砂行为存在潜在危害,建立了严格的控制体系保证资源补偿和维护生态系统。此外欧洲沿海地区通过立法在开采前必须海上环境进行评估,以便保护场地[27-28],荷兰则成功利用了大量海砂作为结构中非受力构件扩建鹿特丹港和Western Schildt机场[29]。

由于日本土地面积局促,濑户内海的填海造地活动的持续进行严重破坏了沿岸地区的自然环境,日本的部分县开始拟定法律,禁止近岸采砂,并且有关环境保护法律都经历了不断修改完善的过程。沿海政府的协调机制已经建立,用于国家和地方的沿海环境保护[30],采用海砂混凝土建造的Muroran港防波堤,60 a后拆除,几乎没有劣化[31]。

美国的研究学者通过研究证明了海砂能够应用于道路建设的基体工程[32-33]。早在1984年,美国国际开发署设立岛屿基金会,对海洋采砂进行管控,特别是通过水力疏浚的海洋采砂应该限制在一定深度,远离邻近的珊瑚礁和海滩的沿海水域,以尽量减少对沿海区域的影响[34]。

英国采用未淡化海砂与陆地骨料混合制备混凝土建成的Bristol隧道,五十多年后未发现混凝土中钢筋锈蚀[5],泰晤士河道栅栏板也运用了海砂混凝土[35]。为了合理利用海砂,其市场管理机制得到了充分的运用,组织良好的行政制度,建立海洋管理组织,明确管辖权和不断完善法律框架[36],在管理层面上把控海砂的开采和运用。

以色列接受了“联合国海洋法公约”对地中海浅海地区的海砂开采和倾倒所制定的管理政策,包括对海洋砂源进行监测。此外,文件提到了特定用途所需的砂子数量,允许的海洋采矿深度以及一些海洋采砂场所的一般概念。因此,海砂开采和倾倒许可是临时授予的,并且针对每个具体情况确定监测要求,除了应在每个计划的许可证框架内进行的海砂监测外,还应制定国家监测计划[37]。

印度从1995年开始每年降低采砂率,环境和森林部门制定有关政策控制海砂开采数量,确保生态环境平衡,防止对沿海生态系统造成伤害[38]。

1.2 中国海砂开采管理制度

国家海洋局在2002年发布《全国海洋功能区划》[39]时规定严格控制近岸海砂开采数量,禁止在重点海域开采类似海砂的固体矿产资源。

山东省人民政府在2011年4月19日发布通知,遏制非法采砂行为[40]。

浙江省宁波市人民政府在2011年8月发布通知,全面禁止非法采砂活动,适时全面禁止使用海砂[41]。

广东省住房和城乡建设厅针对违规使用海砂事件,在2013年3月发布通知,规范混凝土搅拌站,如条件允许,需配备检测混凝土中氯离子含量的仪器[42]。

河北省唐山市人民政府在2013年5月出台通告,严厉打击非法开采海砂行为[43]。

广东省海洋与渔业局在2015年4月29日发布关于海砂开采现场监督的管理办法[44],紧接着在10月20日发布关于海砂开采海域使用管理的暂行办法[45],监管开采现场和运输,实行黑名单制度,确保海砂开采活动科学和有序。

国家海洋局在2016年废除了《海砂开采动态监测简明规范(试行)》[46]。

福建省宁德市人民政府在2017年3月出台关于进一步加强海砂开采用海管理工作的通知[47],严厉打击禁采区海砂非法采砂活动、组织开展海砂资源调查、制定海砂开采用海出让方案和切实加强海砂开采监管等规定。

2017年,随着江砂、河砂禁采政策落实,江砂、河砂供不应求,不法分子铤而走险盗采海砂冒充河砂流入建筑市场。

江苏省住房和城乡建设厅在2017年12月出台严控海砂政策《防止海砂进入建筑工地的通知》[18]。中华人民共和国住房和城乡建设部等八个部委在2018年7月12日出台《住房城乡建设部等关于开展治理违规海砂专项行动的通知》[48],联合展开违规海砂整治专项行动督查。紧接着,于18号发布《住房城乡建设部办公厅关于组织开展治理违规海砂专项行动督查的通知》[49]要求针对海砂采、运、销、用环节的相关企业、单位及工程建设项目情况开展专项督查。

2017年10月16日,中华人民共和国住房和城乡建设部等八部门联合发布《住房城乡建设部等部门关于加强海砂开采运输销售使用管理工作的通知》[50],加强海砂开采、运输、销售、使用管理,杜绝海砂混入建筑市场。

国家各部委联合密集出台治理违法违规开采、运输、销售和使用海砂,可见情势十分严峻。江苏省、福建省等随即制定多部门联合治理违规海砂政策。

国外制定的关于海砂管理的政策,评估海洋海域和提出生态补偿系统,在一定程度上控制非法采砂和合理适度开采海砂,值得中国学习和借鉴。中国在海砂资源管理与开发利用方面刚刚起步,海砂合规资源化涉及许多部门和地方政府,需要建立高效有力的管理机制。

2 海砂制备混凝土控制标准

2.1 国外标准

国际上很多国家针对混凝土中氯离子含量给出了限值,如美国规范[51-52]、英国规范[53]、日本规范[54]等。关于海砂中氯离子含量限值,英国和日本制定了严格的标准,如表1所示。

表1 英国和日本规范对砂中氯离子含量要求Table 1 British and Japanese regulations on chloride ion content in sand

2.2 中国标准

中国在海砂用于制备混凝土方面有不少规范提出具体要求。对砂中氯离子及硫化物含量要求规定如表2所示。

2.3 中外规范控制指标对比

由上述规范对建筑用砂氯离子含量有明确的要求,特别是海砂用于混凝土制备,规定的非常细致,除了规定氯离子含量外,还包括硫化物、贝壳、云母、和轻物质等含量的要求。

海砂淡化用于制备混凝土,淡化控制指标氯离子含量减少是否达标(淡化过程同样会减少硫化物含量)。由表1、表2可知,用于普通混凝土制备的海砂氯离子含量,以Cl-质量计占干砂总质量的百分比计,中外规范控制指标一般在0.01%～0.06%之间,差别不大。而近期颁布的《建筑及市政工程用净化海砂》(JG/T 494—2016)[66]要求明显更严格,Ⅰ类砂要求氯离子含量不大于0.003%,Ⅱ类砂要求氯离子含量不大于0.005%。

从文献[19]描述可知,1957年JASS-5中海砂所容许的氯离子含量是0.006%,十多年后没有发现氯化物引起建筑物损坏,后来工程急剧增多,对海砂允许氯离子含量要求标准降低,为不超过0.024%。

中国台湾地区在20世纪90年代出现“海砂屋”事件,当时的中国台湾标准《混凝土粒料》(CNS 1240)规定的氯离子含量为 0.048%。事件发生后,采用了日本标准要求,即海砂允许氯离子含量不超过0.024%,将允许降低一半。此后仍然出现不少问题,2014年颁布的《混凝土粒料》(CNS 1240—2014)[65]进一步从严,要求海砂允许氯离子含量不超过0.012%。

由海砂用于建筑用砂建造混凝土结构项目的国内外实践来看,《建筑及市政工程用净化海砂》(JG/T 494—2016)[66]的要求是合适的。

3 海砂鉴别与检测技术

海砂制备混凝土用于工程建设,按照国家规范标准控制,合规使用可以避免“海砂屋”事件。现阶段盗采海砂冒充河砂的净利润高昂,存在不法分子会铤而走险。防范海砂混入建筑用砂,关键在于海砂鉴别与检测技术。

一般海砂含有一定量的贝壳,较为明显可以识别,但是部分北方海域海砂以及江河入海口河砂,凭肉眼很难识别,需要进行氯离子含量检测来鉴别。

铬酸钾指示硝酸银滴定法、佛尔哈德返滴定法、电位滴定法、离子选择电极法和离子色谱法等[67]都是现阶段常用的检测砂中氯离子含量的方法。对比研究表明,铬酸钾指示硝酸银滴定法操作简单,是规范采用的实验室方法,但存在耗时较长、判断误差等缺陷[61,67—70]；佛尔哈德返滴定法对于海砂氯离子检测的存在较差的适用性,采用较少[67]；电位滴定法误差较小,维护较麻烦[67—69,71]；离子色谱法精度高,处理简单,但是设备价格较贵[67,72]；氯离子选择电极法设备简单,方便携带,并且在检测不同性质的样品时不容易受到外界的干扰,可用于现场测试[67-68,73]。

表2 国内规范对砂中氯离子及硫化物含量要求Table 2 China’s regulations on chloride ion and sulfide content in sand

氯离子选择电极法应用于运输、销售、使用等过程中的海砂快速鉴别,目前尚未见研究和可供遵循标准。

4 结论

海砂是未来工程建设的重要资源。中国正处于河砂资源短缺和海砂资源化需求急剧增强的关键时代转折点,现行规范和管理制度已难以适应变革的要求,对工程建设和社会影响存在极大的隐患,国家和地方政府因此特别重视！

通过大量中外关于海砂应用与管理调研,总结出中国海砂制备混凝土合规资源化需要开展下列关键问题研究。

(1)中国应及早制定海砂资源使用规划,海砂开采法律制度和管理办法。

(2)中国大陆地区有8个现行规范对海砂有害物质含量提出控制指标要求,不尽相同,应从严统一。

(3)应加快研究海砂快速鉴别技术,形成可执行标准。

(4)海砂合规资源化涉及多部门,需要建立高效有力的管理机制。