海砂中氯離子含量的影響因素分析

王 倩，陳 躍，徐海群

（1.連云港職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程學(xué)院，江蘇連云港222006；2.連云港市水利局臨洪水利工程管理處，江蘇連云港222004）

中國混凝土網(wǎng)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，2018 年我國商品混凝土總產(chǎn)量為25.47 億立方米，較上一年同比增長9.26%。預(yù)計(jì)2030 年，我國砂石的需求量將高達(dá)2.80×1010t[1]。由此可見，全國各類建設(shè)工程對商品混凝土的需求量正穩(wěn)步提升[2]。如此巨大的混凝土消耗量必然會(huì)導(dǎo)致河砂、天然粗骨料資源短缺的問題。目前我國的天然砂石資源正逐漸地趨于枯竭。2019 年以來，湖北、江西、河北、河南等多地相繼發(fā)布砂石禁采文件，導(dǎo)致各地砂石緊缺，隨之而來的是砂石價(jià)格暴漲。截至2019 年8 月中旬，廣東全省河砂的平均進(jìn)購價(jià)高達(dá)217 元/m3。重慶有500 萬噸的砂石需求，缺口量高達(dá)60%。為解決建筑資源短缺問題，國外早已開始利用海水、海砂等海洋資源，英國最早開始將海砂作為建筑用砂。2011 年日本用于生產(chǎn)預(yù)拌混凝土的海砂已達(dá)850 萬噸，占用于生產(chǎn)預(yù)拌混凝土使用的細(xì)骨料總量的12.2%[3-5]。

盡管海水、海砂中含有較多氯鹽，會(huì)影響水泥的水化過程，且腐蝕鋼筋，另外海砂中還有較多貝殼，對混凝土的強(qiáng)度、工作性能和耐久性等都有影響，但是由于資源短缺問題嚴(yán)重，國內(nèi)外諸多科技工作者對海水海砂混凝土展開了多項(xiàng)研究。基于此，筆者主要針對海砂中氯離子含量的影響因素進(jìn)行研究，為進(jìn)一步更好地利用海砂，為海砂混凝土的研究與應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)方法

海砂采用連云港海域?yàn)┥埃湮锢硇阅芤姳?。測定氯離子的海砂樣品按照J(rèn)GJ52-2006《普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》的要求制備。各海砂樣品的氯離子含量采用北京耐久偉業(yè)科技有限公司生產(chǎn)的NJCL-B 型氯離子含量測定儀進(jìn)行測定。

表1 海砂的物理性能

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 海砂顆粒粒徑對氯離子含量的影響

圖1 繪出了氯離子含量（Vs）隨海砂顆粒粒徑（r）變化的曲線。從圖1 可以看出，在相同的試驗(yàn)條件下，海砂中氯離子含量隨顆粒粒徑的增大而減小。原因是隨著海砂顆粒粒徑的減小，對于相同質(zhì)量的海砂而言，粒徑小的海砂其比表面積較大，因而使海砂中有更多的自由氯離子溶于蒸餾水中，導(dǎo)致海砂中氯離子含量的測試值增大[6]。從圖1 可以看出，顆粒粒徑小于0.63mm 時(shí)，海砂中氯離子含量隨顆粒粒徑的增大而減小的趨勢較大；而當(dāng)顆粒粒徑大于0.63mm時(shí)，海砂中氯離子含量隨顆粒粒徑的增大而減小的趨勢較小。經(jīng)分析，原因是隨著顆粒粒徑的減小，相同質(zhì)量海砂的比表面積增加的更快些。筆者采用Origin軟件對海砂氯離子含量（Vs）測試值與海砂顆粒粒徑（r）進(jìn)行非線性擬合，結(jié)果較好。

圖1 海砂中氯離子含量與海砂顆粒粒徑的關(guān)系曲線

2.2 海水濃度對海砂中氯離子含量的影響

以連云港海域海水為天然海水，并以此海水中氯離子含量為基準(zhǔn)，采用氯化鈉分析純與蒸餾水配制1倍至10 倍天然海水濃度的5 種濃度海水。各濃度海水的配比及其氯離子含量測試值見表2。

表2 各濃度海水的配比及氯離子含量測試值

分別量取200ml 的5 種濃度海水置于500ml 容量瓶，并稱取50g 海砂5 份分別放入5 個(gè)容量瓶中，蓋上瓶塞，將海砂浸泡180d 后測量各容量瓶中海砂的氯離子含量。圖2 繪出海砂中氯離子含量（Vs）隨海水中氯離子含量（Vsw）的變化曲線。由圖2 可知，隨著海水中氯離子含量的增大，海砂中的氯離子也相應(yīng)增大，基本呈線性關(guān)系且相關(guān)性較好。

圖2 海砂中氯離子含量與海水中氯離子含量的關(guān)系曲線

2.3 海砂含水率對海砂中氯離子含量的影響

圖3 繪出了海砂中氯離子含量（Vs）與海砂含水率（W）的關(guān)系曲線。從圖3 中可以看出，隨著海砂含水率的增大，海砂中氯離子的含量亦相應(yīng)增大。原因是海砂的含水率增大，就意味著海砂表面吸附有更多的海水或者是有更多的海水存在于海砂顆粒之間，這就導(dǎo)致檢測時(shí)海砂的氯離子含量增大。如圖3 所示，海砂中氯離子含量（Vs）與海砂含水率（W）基本呈線性關(guān)系且相關(guān)性較好。

圖3 海砂中氯離子含量與海砂含水率關(guān)系曲線

2.4 砂水比對海砂中氯離子含量的影響

設(shè)計(jì) 0.1、0.25、0.5、1、1.5、2 共 6 組砂水比（海砂與蒸餾水的質(zhì)量比），分別采用100ml 蒸餾水及10g到200g 共6 份海砂制備測試海砂氯離子的樣品，其中各樣品中的海砂均在蒸餾水中浸泡60d。從圖4 中可以看出：隨著砂水比的增大,海砂中氯離子含量也隨之增大。這是由于在相同的100ml 的蒸餾水中，浸泡的海砂越多，則會(huì)有更多的氯離子溶于蒸餾水中。

圖4 海砂中氯離子含量隨砂水比的變化曲線

2.5 溫度及時(shí)間對海砂中氯離子含量的影響

稱取50g 海砂置于盛有200ml 蒸餾水的燒杯中，共16 組樣品。將每組樣品置于水浴中加熱。加熱溫度設(shè) 計(jì) 為 30℃ 、40℃ 、50℃ 、60℃ 、70℃ 、80℃ 、90℃ 、100℃，每個(gè)加熱溫度下的加熱時(shí)間均設(shè)計(jì)為10min與2h 兩種。在相同加熱時(shí)間下，隨著加熱溫度的升高，海砂中氯離子含量的測試值也隨著增大，如圖5所示。原因是隨著加熱溫度的提高，海砂中將會(huì)有更多的氯離子析出溶于蒸餾水中，導(dǎo)致測試值增大[7-8]。在相同加熱溫度時(shí)，加熱時(shí)間是10min 的海砂樣品與加熱時(shí)間是2h 的海砂樣品相比，海砂中氯離子含量的測試值偏低。原因是隨著加熱時(shí)間的延長，海砂中會(huì)有更多的氯離子析出溶于蒸餾水中，導(dǎo)致測試值增大[7]。從圖5 中還可看出，加熱溫度小于80℃時(shí)，加熱時(shí)間是10min 或2h 時(shí)，海砂中氯離子含量的測試值均隨著加熱溫度的升高增加的更快些，而在加熱溫度大于80℃時(shí)，海砂中氯離子含量的測試值與加熱溫度的變化曲線則較緩。

圖5 海砂中氯離子含量與加熱溫度及加熱時(shí)間的關(guān)系曲線

3 結(jié)論

（1）海砂中氯離子含量與海砂顆粒粒徑相關(guān)。海砂粒徑越小則其氯離子含量測試值越大，海砂粒徑越大則其氯離子含量測試值越小。海砂氯離子含量與海砂顆粒粒徑兩者的關(guān)系可用反比例函數(shù)表達(dá)。

（2）隨著海水中氯離子含量的增大，海砂中的氯離子也相應(yīng)增大。海砂中氯離子含量與海水氯離子含量兩者基本呈線性關(guān)系且相關(guān)性較好。

（3）海砂中氯離子含量隨海砂含水率的增大而增大，兩者基本呈線性關(guān)系且相關(guān)性較好。

（4）在相同加熱時(shí)間下，隨著加熱溫度的升高，海砂中氯離子含量的測試值也隨著增大；在相同加熱溫度下，加熱時(shí)間越長，海砂中氯離子含量的測試值也越高。