海砂制備混凝土合規(guī)資源化關鍵問題

邰雅婷， 汪志強， 蔡志軍， 何 旭， 周繼凱*

(1.河海大學,南京 210098；2.江蘇省住房和城鄉(xiāng)建設廳,南京 210036)

中國擁有豐富的海砂資源[1]。初步估算海砂資源量,海岸帶為35.88×108～53.82×108m3,近岸淺海為66.51×108～101.86×108m3和近海陸架約為6697×108m3[2]。

與傳統(tǒng)的江砂、河砂相比,海砂中含有的氯鹽和貝殼是阻礙其制備混凝土用于建筑中的主要原因[3]。氯鹽會影響水泥水化,對混凝土性能造成影響[4]。氯離子極易引起混凝土中的鋼筋腐蝕[5-6]。

未淡化海砂混凝土會引起嚴重的建筑危害問題[7-8]。土耳其地震中使用海砂混凝土倒塌的房屋,其強度遠低于普通混凝土[9]。20世紀90年代,中國寧波、舟山等沿海地區(qū)發(fā)生“海砂屋”事件[10]。

在2002年,福建省泉州市建筑工程質(zhì)檢站抽查50個市區(qū)在建工程,使用海砂工程數(shù)超過80%[11]。2012年寧波市流入海砂約3 000×104t,是2003年的30倍[12-13]。2013年在建的當時中國第一高樓——深圳平安國際金融中心曾疑因使用海砂停工整頓(圖1)[14-15]。同年中國臺灣行政大樓被爆是“海砂屋”,外墻剝落漏出鋼筋(圖2)[16]。韓國和日本也因為濫用或不當使用海砂導致建筑物倒塌,損失慘重[17],教訓極為慘痛。

隨著大量工程建設,中國天然優(yōu)質(zhì)的江砂、河砂資源日漸枯竭。再者,采砂活動加劇影響河勢穩(wěn)定和防洪安全。近年來,環(huán)保要求禁采、限采河砂,導致河砂供應緊張,價格暴漲。海砂開采成本低廉,部分不法分子盜采海砂流入建筑市場,牟取暴利,影響工程安全。

圖1 平安國際金融中心停工整頓時照片F(xiàn)ig.1 Photograph of Ping’ an international financial center that was suspended for rectification

圖2 中國臺灣行政大樓照片F(xiàn)ig.2 Photograph of Chinese Taiwan (China) administration building

江蘇省住房和城鄉(xiāng)建設廳及時應對市場變化和存在的隱患,于2017年12月19日發(fā)布了《防止海砂進入建筑工地的通知》[18],全省全面排查和嚴肅處理使用海砂行為,杜絕違規(guī)海砂在工程中使用。

在工程中合規(guī)使用海砂,許多國家進行了大量探索研究。日本從20個世紀 60年代就開始大量使用海砂,緩解江砂、河砂資源枯竭問題。起初,規(guī)定海砂允許含鹽量以NaCl換算為干砂恒重的0.01%,歷經(jīng)10 a以上,幾乎沒有發(fā)現(xiàn)由氯化物引起建筑物的損壞。后來海砂用量急劇增加,在1973年超過河砂,估算產(chǎn)量達1×108t以上[19]。日本沿海地區(qū)超過九成的建筑采用海砂混凝土[20]。

海砂經(jīng)過適當處理可以作為建筑用砂已經(jīng)成為共識。目前，針對國外海砂管理權(quán)屬問題、國內(nèi)海砂開采現(xiàn)狀及2010年前海砂混凝土規(guī)范的研究較多[10,21—24],而關于較新的海砂制備混凝土控制標準的借鑒和學習較少。通過調(diào)研和整理國內(nèi)外海砂開采管理制度,對比中外規(guī)范氯離子控制指標。得出海砂制備混凝土合規(guī)資源化的關鍵在于加強海砂開采、運輸、銷售和使用等環(huán)節(jié)的管理。此外，海砂開采屬于源頭管理,海砂運輸、銷售和使用等環(huán)節(jié)的管理關鍵在于檢測標準和檢測技術。

1 海砂開采管理制度

1.1 國外海砂開采管理制度

荷蘭作為最早開發(fā)海砂的國家之一,在1971年制定海砂開采法案,2004年荷蘭擬定和公布的“國家空間規(guī)劃政策”“北海海砂開采規(guī)劃”“荷蘭北海海域”以及“北海2015年海洋綜合管理計劃”,其中的法案規(guī)定包括對整體空間框架的評估,嚴格控制開采的深度和規(guī)模,在開采海砂之前還需要繳納資源補償費用,接受有關部門的監(jiān)督[25-26]。荷蘭明確提出采砂行為存在潛在危害,建立了嚴格的控制體系保證資源補償和維護生態(tài)系統(tǒng)。此外歐洲沿海地區(qū)通過立法在開采前必須海上環(huán)境進行評估,以便保護場地[27-28],荷蘭則成功利用了大量海砂作為結(jié)構(gòu)中非受力構(gòu)件擴建鹿特丹港和Western Schildt機場[29]。

由于日本土地面積局促,瀨戶內(nèi)海的填海造地活動的持續(xù)進行嚴重破壞了沿岸地區(qū)的自然環(huán)境,日本的部分縣開始擬定法律,禁止近岸采砂,并且有關環(huán)境保護法律都經(jīng)歷了不斷修改完善的過程。沿海政府的協(xié)調(diào)機制已經(jīng)建立,用于國家和地方的沿海環(huán)境保護[30],采用海砂混凝土建造的Muroran港防波堤,60 a后拆除,幾乎沒有劣化[31]。

美國的研究學者通過研究證明了海砂能夠應用于道路建設的基體工程[32-33]。早在1984年,美國國際開發(fā)署設立島嶼基金會,對海洋采砂進行管控,特別是通過水力疏浚的海洋采砂應該限制在一定深度,遠離鄰近的珊瑚礁和海灘的沿海水域,以盡量減少對沿海區(qū)域的影響[34]。

英國采用未淡化海砂與陸地骨料混合制備混凝土建成的Bristol隧道,五十多年后未發(fā)現(xiàn)混凝土中鋼筋銹蝕[5],泰晤士河道柵欄板也運用了海砂混凝土[35]。為了合理利用海砂,其市場管理機制得到了充分的運用,組織良好的行政制度,建立海洋管理組織,明確管轄權(quán)和不斷完善法律框架[36],在管理層面上把控海砂的開采和運用。

以色列接受了“聯(lián)合國海洋法公約”對地中海淺海地區(qū)的海砂開采和傾倒所制定的管理政策,包括對海洋砂源進行監(jiān)測。此外,文件提到了特定用途所需的砂子數(shù)量,允許的海洋采礦深度以及一些海洋采砂場所的一般概念。因此,海砂開采和傾倒許可是臨時授予的,并且針對每個具體情況確定監(jiān)測要求,除了應在每個計劃的許可證框架內(nèi)進行的海砂監(jiān)測外,還應制定國家監(jiān)測計劃[37]。

印度從1995年開始每年降低采砂率,環(huán)境和森林部門制定有關政策控制海砂開采數(shù)量,確保生態(tài)環(huán)境平衡,防止對沿海生態(tài)系統(tǒng)造成傷害[38]。

1.2 中國海砂開采管理制度

國家海洋局在2002年發(fā)布《全國海洋功能區(qū)劃》[39]時規(guī)定嚴格控制近岸海砂開采數(shù)量,禁止在重點海域開采類似海砂的固體礦產(chǎn)資源。

山東省人民政府在2011年4月19日發(fā)布通知,遏制非法采砂行為[40]。

浙江省寧波市人民政府在2011年8月發(fā)布通知,全面禁止非法采砂活動,適時全面禁止使用海砂[41]。

廣東省住房和城鄉(xiāng)建設廳針對違規(guī)使用海砂事件,在2013年3月發(fā)布通知,規(guī)范混凝土攪拌站,如條件允許,需配備檢測混凝土中氯離子含量的儀器[42]。

河北省唐山市人民政府在2013年5月出臺通告,嚴厲打擊非法開采海砂行為[43]。

廣東省海洋與漁業(yè)局在2015年4月29日發(fā)布關于海砂開采現(xiàn)場監(jiān)督的管理辦法[44],緊接著在10月20日發(fā)布關于海砂開采海域使用管理的暫行辦法[45],監(jiān)管開采現(xiàn)場和運輸,實行黑名單制度,確保海砂開采活動科學和有序。

國家海洋局在2016年廢除了《海砂開采動態(tài)監(jiān)測簡明規(guī)范(試行)》[46]。

福建省寧德市人民政府在2017年3月出臺關于進一步加強海砂開采用海管理工作的通知[47],嚴厲打擊禁采區(qū)海砂非法采砂活動、組織開展海砂資源調(diào)查、制定海砂開采用海出讓方案和切實加強海砂開采監(jiān)管等規(guī)定。

2017年,隨著江砂、河砂禁采政策落實,江砂、河砂供不應求,不法分子鋌而走險盜采海砂冒充河砂流入建筑市場。

江蘇省住房和城鄉(xiāng)建設廳在2017年12月出臺嚴控海砂政策《防止海砂進入建筑工地的通知》[18]。中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部等八個部委在2018年7月12日出臺《住房城鄉(xiāng)建設部等關于開展治理違規(guī)海砂專項行動的通知》[48],聯(lián)合展開違規(guī)海砂整治專項行動督查。緊接著,于18號發(fā)布《住房城鄉(xiāng)建設部辦公廳關于組織開展治理違規(guī)海砂專項行動督查的通知》[49]要求針對海砂采、運、銷、用環(huán)節(jié)的相關企業(yè)、單位及工程建設項目情況開展專項督查。

2017年10月16日,中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部等八部門聯(lián)合發(fā)布《住房城鄉(xiāng)建設部等部門關于加強海砂開采運輸銷售使用管理工作的通知》[50],加強海砂開采、運輸、銷售、使用管理,杜絕海砂混入建筑市場。

國家各部委聯(lián)合密集出臺治理違法違規(guī)開采、運輸、銷售和使用海砂,可見情勢十分嚴峻。江蘇省、福建省等隨即制定多部門聯(lián)合治理違規(guī)海砂政策。

國外制定的關于海砂管理的政策,評估海洋海域和提出生態(tài)補償系統(tǒng),在一定程度上控制非法采砂和合理適度開采海砂,值得中國學習和借鑒。中國在海砂資源管理與開發(fā)利用方面剛剛起步,海砂合規(guī)資源化涉及許多部門和地方政府,需要建立高效有力的管理機制。

2 海砂制備混凝土控制標準

2.1 國外標準

國際上很多國家針對混凝土中氯離子含量給出了限值,如美國規(guī)范[51-52]、英國規(guī)范[53]、日本規(guī)范[54]等。關于海砂中氯離子含量限值,英國和日本制定了嚴格的標準,如表1所示。

表1 英國和日本規(guī)范對砂中氯離子含量要求Table 1 British and Japanese regulations on chloride ion content in sand

2.2 中國標準

中國在海砂用于制備混凝土方面有不少規(guī)范提出具體要求。對砂中氯離子及硫化物含量要求規(guī)定如表2所示。

2.3 中外規(guī)范控制指標對比

由上述規(guī)范對建筑用砂氯離子含量有明確的要求,特別是海砂用于混凝土制備,規(guī)定的非常細致,除了規(guī)定氯離子含量外,還包括硫化物、貝殼、云母、和輕物質(zhì)等含量的要求。

海砂淡化用于制備混凝土,淡化控制指標氯離子含量減少是否達標(淡化過程同樣會減少硫化物含量)。由表1、表2可知,用于普通混凝土制備的海砂氯離子含量,以Cl-質(zhì)量計占干砂總質(zhì)量的百分比計,中外規(guī)范控制指標一般在0.01%～0.06%之間,差別不大。而近期頒布的《建筑及市政工程用凈化海砂》(JG/T 494—2016)[66]要求明顯更嚴格,Ⅰ類砂要求氯離子含量不大于0.003%,Ⅱ類砂要求氯離子含量不大于0.005%。

從文獻[19]描述可知,1957年JASS-5中海砂所容許的氯離子含量是0.006%,十多年后沒有發(fā)現(xiàn)氯化物引起建筑物損壞,后來工程急劇增多,對海砂允許氯離子含量要求標準降低,為不超過0.024%。

中國臺灣地區(qū)在20世紀90年代出現(xiàn)“海砂屋”事件,當時的中國臺灣標準《混凝土粒料》(CNS 1240)規(guī)定的氯離子含量為 0.048%。事件發(fā)生后,采用了日本標準要求,即海砂允許氯離子含量不超過0.024%,將允許降低一半。此后仍然出現(xiàn)不少問題,2014年頒布的《混凝土粒料》(CNS 1240—2014)[65]進一步從嚴,要求海砂允許氯離子含量不超過0.012%。

由海砂用于建筑用砂建造混凝土結(jié)構(gòu)項目的國內(nèi)外實踐來看,《建筑及市政工程用凈化海砂》(JG/T 494—2016)[66]的要求是合適的。

3 海砂鑒別與檢測技術

海砂制備混凝土用于工程建設,按照國家規(guī)范標準控制,合規(guī)使用可以避免“海砂屋”事件。現(xiàn)階段盜采海砂冒充河砂的凈利潤高昂,存在不法分子會鋌而走險。防范海砂混入建筑用砂,關鍵在于海砂鑒別與檢測技術。

一般海砂含有一定量的貝殼,較為明顯可以識別,但是部分北方海域海砂以及江河入海口河砂,憑肉眼很難識別,需要進行氯離子含量檢測來鑒別。

鉻酸鉀指示硝酸銀滴定法、佛爾哈德返滴定法、電位滴定法、離子選擇電極法和離子色譜法等[67]都是現(xiàn)階段常用的檢測砂中氯離子含量的方法。對比研究表明,鉻酸鉀指示硝酸銀滴定法操作簡單,是規(guī)范采用的實驗室方法,但存在耗時較長、判斷誤差等缺陷[61,67—70]；佛爾哈德返滴定法對于海砂氯離子檢測的存在較差的適用性,采用較少[67]；電位滴定法誤差較小,維護較麻煩[67—69,71]；離子色譜法精度高,處理簡單,但是設備價格較貴[67,72]；氯離子選擇電極法設備簡單,方便攜帶,并且在檢測不同性質(zhì)的樣品時不容易受到外界的干擾,可用于現(xiàn)場測試[67-68,73]。

表2 國內(nèi)規(guī)范對砂中氯離子及硫化物含量要求Table 2 China’s regulations on chloride ion and sulfide content in sand

氯離子選擇電極法應用于運輸、銷售、使用等過程中的海砂快速鑒別,目前尚未見研究和可供遵循標準。

4 結(jié)論

海砂是未來工程建設的重要資源。中國正處于河砂資源短缺和海砂資源化需求急劇增強的關鍵時代轉(zhuǎn)折點,現(xiàn)行規(guī)范和管理制度已難以適應變革的要求,對工程建設和社會影響存在極大的隱患,國家和地方政府因此特別重視！

通過大量中外關于海砂應用與管理調(diào)研,總結(jié)出中國海砂制備混凝土合規(guī)資源化需要開展下列關鍵問題研究。

(1)中國應及早制定海砂資源使用規(guī)劃,海砂開采法律制度和管理辦法。

(2)中國大陸地區(qū)有8個現(xiàn)行規(guī)范對海砂有害物質(zhì)含量提出控制指標要求,不盡相同,應從嚴統(tǒng)一。

(3)應加快研究海砂快速鑒別技術,形成可執(zhí)行標準。

(4)海砂合規(guī)資源化涉及多部門,需要建立高效有力的管理機制。