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浅谈海砂淡化
摘要:寻找淡化海砂的水源,选择合适的淡化海砂设备,制定严格的海砂检测方案,确保所用淡化后的海砂氯离子含量≤0.06%,满足我国现行规范要求(GB/T 14684-2001)。 关键词:斯里兰卡 高速公路 海砂淡化 海外工程 一、工程概况 斯里兰卡首都科伦坡――卡图那亚克机场高速公路项目(CKE),线路总长30.6公里(主线25.8公里、连接线4.8公里),其中包括:3座互通式立交、24座桥梁、5座天桥、77个涵洞、12座分离式立交、7公里软基、1.8公里填海路段。砼总方量为21万方,需用砂约为15万吨。斯里兰卡面积为65610平方公里。位于亚洲南部,是南亚次大陆南端印度洋上的岛国,风景秀丽,被誉为“印度洋上的珍珠”、“宝石之国”和“狮子国”。西北隔保克海峡与印度半岛相望。接近赤道,终年如夏,年平均气温28℃。一年有5个月的雨季,分别为5-7月份,10-11月份,年平均降水量1283-3321毫米不等。该国建筑资源相对短缺,在细集料方面,可利用的绝大部分是海砂,只有少量部分河砂可以利用。 二、选用国内黄砂这种方案 斯里兰卡距离中国路途遥远,物资到达斯国需要15天左右,加上清关提货手续和斯国的办事效率极其低下,运至现场需要20天左右。斯国路况不是很好,整个国家没有一条高速,A3公路为斯国路况条件最好一条公路,交通也经常阻塞,从海关把黄砂运到施工现场也是一个瓶颈,况且远洋运输费用比较昂贵。高速公路工程是一个系统工程,有很多不可预定的因素。综上所述斯里兰卡高速公路项目部决定弃用国内采购黄砂方案,改用海砂淡化这一方案。 三、海砂淡化方案主要取决于充足的淡化用水和适用于CKE项目特点的淡化设备
两组的水样检测结果的氯离子的含量偏高,不能作为海砂淡化用水。 1.1.2根据SMEC地质水文报告,海砂堆周围5米以下为风化岩,无地下水,所以继续往下钻探抽取地下水,这方案不可行。 1.1.3海砂周围 5米地下水氯离子含量偏高分析。 a、海砂堆的形成是通过管道抽取、运输,外部压力作用直接运到料场,形成沙堆。如下图所示,管道抽取的海砂和海水混合物,经过CKE业主试验室测定,其中海砂含量为20%,海水含量为80%。其中80%的海水对沙堆顶部的海砂一遍一遍的冲刷,这样必然有部分的海水深入到地下,造成地下水氯离子含量偏高。 b、海砂堆放在料场已经六七年时间,料堆顶部四周成凸形,中间成凹形,顶面是一个45度角的坡面。海砂属于透水性土,大量的雨水冲刷海砂后,渗透到地下水。 11.4项目部领导让地勘作业人员在砂堆上进行钻孔。高的砂堆钻一孔,低的砂堆钻一孔,砂堆表面两米以下每一米取一样品,共计14个样品。CKE中心试验室对这14个样品进行氯离子含量分析,结果如下: 海砂氯离子含量分析成果 样品号 取样深度 氯离子含量(%) 备注 地砂堆① 2-3米 0.0014 根据建筑用砂(GB/T 14684-2001)的要求,Ⅰ类砂小于0.01,Ⅱ类砂小于0.02,Ⅲ类砂小于0.06。红色字体为不合格要求的部分。地砂堆② 3-4米 0.0952 地砂堆③ 4-5米 0.2229 地砂堆④ 5-6米 0.2931 高砂堆① 2-3米 0.0010 高砂堆② 3-4米 0.0021 高砂堆③ 4-5米 0.0028 高砂堆④ 5-6米 0.0035 高砂堆⑤ 6-7米 0.0039 高砂堆⑥ 7-8米 0.0045 高砂堆⑦ 8-9米 0.0047 高砂堆⑧ 9-10米 0.0053 高砂堆⑨ 10-11米 0.0083 高砂堆⑩ 11-12米 0.3541 从上表可以看出,砂堆至上而下,氯离子含量逐渐增大,从高砂堆至低砂堆方向,氯离子含量也是逐渐增大。由此也验证了地下水氯离子含量偏高分析的原因。 1.2利用周围河道的水 项目部领导安排了工程部专人,对营地方圆2公里范围的河道,进行水样采集。由于周围河道较少,工程部负责采集河道水样人员,只采集3组样品。CKE项目部试验室对所采集的水样进行了检测,检测结果如下: 河道水样检测结果 样品 氯离子含量(mg/L) 备注1# 4729.3 根据混凝土用水要求(JGJ 63-2006),此三组水样均不能作为海砂淡化用水。2# 10419.9 3# 2042.7 1.3采用雨水采用雨水这一方案,可以作为淡化海砂用水的辅助方案。海砂淡化前,根据标准规范要求需放淡水里浸泡两小时,这样浸泡过的海砂进入淡化生产线环节,可以提高淡化生产线的效率,增强海砂淡化效果。雨水收集需要挖坑, 挖坑一方面用于收集雨水,挖另外一个坑可以浸泡海砂之用。由于雨水的收集受到多方面的因素的影响,降雨强度、降雨历时、降雨范围、降雨的均匀性、植被截流、渗入地下水以及大气的水分的蒸发等。为了不影响高速公路路基施工进度,雨水只能作为海砂浸泡用水。 1.4选用当地自来水 由于斯国自来水的水费较高,而淡化海砂需要大量的淡水,一般淡化1方海砂就需要1.1方的淡水。这方案不能作为主选方案,只能作为备选方案之一。 1.5项目部领导从经济角度和方案可行的角度考虑,经过多方论证,决定在距离料场150-200米半径范围,选取一点,钻井抽取地下水。铺设一定管径为R管道,把水输送到淡化海砂生产线以及混凝土拌合楼用水。 1.5.1管道管径的选择CKE项目拌合楼拌和混凝土设计能力为60m3/h,所需要的拌合用水为60*180(单位用水量)/2450(混凝土的表观密度)=4.4方 ; 淡化海砂所需要的淡水为60*650*1.1(每方混凝土所需细集料)/2450(混凝土的表观密度)=17.5方。每小时需要用水Q=21.9m3/h。
通过对某一截面分析,管道对水流的阻力不计,一定时间T内通过此截面的水质量为M,根据能量守恒定律: (1) ⑵
1.5.2水泵功率的选择 铺设的管道里的水流V主要受到水泵功率大小的影响,以及铺设管道的长短和管道材料对水流阻力的影响,建议项目部领导采用水泵功率为5KW。 2、淡化设备选型 2.1CKE项目建设国内准备阶段,项目部领导组织相关技术人员,去沿海城市宁波考察过海砂淡化设备。从海砂淡化处理能力、淡化设备电机功率、清洗用水量、设备的外形尺寸、以及水泵功率几个方面做了详细的考察。下面为几张考察图片:(略) 图一(清洗转动设备)
图二(淡化设备全景)
图三(水泵) 2.2根据本工程的特点,需要淡化海砂15万吨。业主已经移交给承包商的海砂暂时有1.5万方,根据试验检测结果分析,一半以上的海砂(约0.7万方)满足用砂要求。还外还有大部分的海砂没有移交给承包商的海砂,大概两倍于现移交给我们承包商的海砂。海砂的堆积的密度为1.5吨/方,不需要淡化的海砂质量为1.5*0.7*3=3.15万吨。还需要淡化的海砂为15-3.15=11.85万吨,CKE项目计划桥涵结构物的施工工期为一年,需日淡化海砂的量为为118500/365=325吨。一方面由于本项目部计划收取部分河砂作为混凝土的细集料。另一方面项目部为了弥补一座拌和楼不能满足施工进度的要求,已经考察斯国当地商品混凝土市场,商品混凝土的强度和供应量都能满足我项目部的具体要求。综合以上两个因素,日淡化海砂的量不超过300吨。 2.3项目部通过综合比较,最终选择南京一家设备厂商。此公司的淡化冲洗设备是在“湿混凝土分离回收技术”的基础上,针对客户具体要求作针对性的改进,用于海砂冲洗设备。通过南京这家公司的业绩证明,此设备能提供很好的淡化效果,操作简单,自动化程度较高。 此公司根据我项目部的要求,日淡化产量为300吨。设备改进的技术参数如下表:序号 项 目 参 数1 海砂淡化处理能力 25-30吨/小时2 淡化设备电机功率 16KW3 清洗用水量 17-20方/小时4 占地面积 300m2
2.4设备的工作原理 将浸泡过的海砂用装载机送上淡化生产线,淡化设备如混凝土搅拌机一样,内置旋转叶片和抓斗,自身旋转。进水管连接水泵,保证淡化设备的进水系统,随着不断注水,冲刷海砂,使海砂的氯离子含量符和标准要求,出水管排出洗刷过后的水。下图为厂家提供设备示意图: (略)
四、海砂淡化质量控制 1、事前控制根据规范要求,保证海砂在净化前放在淡水里浸泡2小时以上。控制水面淹没海砂的表面,使海砂表面距离水面20cm。装载机铲运海砂前,翻一下浸泡的海砂。在浸泡的海砂进入淡化线之前,项目部CKE中心试验室组织专人对浸泡翻倒过的海砂取样,快速检测氯离子含量,指导淡化设备的进水量和进水速度。 2、过程控制 2.1装载机铲运海砂、倾倒海砂,使海砂进入淡化设备的滑槽,滑槽两边有进水口,对海砂进行冲刷。人工配合机械转动将海砂在淡水冲洗下进入淡化设备,内置的旋转叶片对海砂充分清洗,清洗后的海砂进入抓斗,然后进入出料皮带机到过筛。CKE中心试验室对净化的后的海砂,进行取样检测氯离子含量。根据检测结果是否满足规范标准的要求,调整进砂量、滑槽两边进水量、以及设备的旋转速度。通过多次的试验、调整,达到海砂净化最佳效果,达到最经济的经济效果。 2.2在海砂淡化过程中,氯离子含量检测至关重要。检测方法采用我国现行标准GB/T 14684-2001,此标准中明确提出Ⅰ类砂氯离子质量比小于0.01%,Ⅱ类砂氯离子质量比小于0.02%,Ⅲ类砂氯离子质量比小于0.06%。根据CKE 项目设计图纸要求,无大于C60的混凝土,所以本项目只用到Ⅱ类砂和Ⅲ类砂。 2.3海砂氯离子含量的计算
式中:Xa-为氯离子含量; C-为硝酸银标准溶液的实际浓度,mol/L; V1-样品滴定时消耗的硝酸银标准溶液,mL; V2-空白试验时消耗的硝酸银标准溶液,mL; m-为试样质量,g。CKE中心实验室按照标准规范要求,对每组试样进行了平行检测,试验结果取两次试验结果的算术平均值,精确至0.01%。 2.4检测频率 当最优最经济的组合方案已经确定的情况下,试验室为了验证淡化设备的淡化海砂的水平能力,不至于淡化设备的淡化效果发生大的偏差。对淡化清洗后的海砂取样检测,早上一次,下午两次。当拌合楼拌合的混凝土强度类型发生变化,需要的海砂技术要求也随之改变时,对海砂的检测频率提高至早上和下午各两次。 3、事后控制 海砂毕竟是海砂,即使经过多次淡水清洗,氯离子是不可能完全清除的,只有尽可能的将氯离子的含量降到最低。利用海砂搅拌混凝土,砼中的氯离子与钢筋发生化学反应,引起钢筋锈蚀而膨胀,导致砼沿钢筋的位置出现裂缝。根据本项目的特点,使用Ⅱ类砂搅拌混凝土时,为了不至于减低桥涵结构物的耐久性,建议混凝土中增加缓蚀剂。国内外的研究机构众多试验证明了,高强度的混凝土添加缓蚀剂能够保护钢筋。 五、结束语 CKE项目为斯里兰卡国第一条高速公路项目,总承包单位为中冶集团(MCC),此条高速被称为中斯友谊路。为了高质量,高标准建成CKE项目,向热情好客的斯里兰卡人民献礼。严把原材料关,是保证工程质量最重要,最基本的前提。参考文献:(1) 建筑用砂GB/T 14684-2001;(2) 混凝土用水标准JGJ 63-2006;(3) 孙家驷.公路小桥涵勘测设计 人民交通出版社;(4) 郑家. 缓蚀剂科技发展历程回顾和展望;(5) 司南.高中物理教材 人民教育出版社。
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