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發(fā)展綠色混凝土走可持續(xù)發(fā)展道路

陳盼軍

（陜西省建筑科學(xué)研究院）

    1、引言

    自從混凝土應(yīng)用于工程建設(shè)后，一直在現(xiàn)代建筑中占有極其重要的地位，并且它與其他常用的建筑材料如鋼材、木材、塑料等相比，生產(chǎn)能耗低、原料來源廣、制備加工方便，因而生產(chǎn)成本低，并具有耐久、防火、適應(yīng)性強(qiáng)、應(yīng)用方便等特點(diǎn)。因此國內(nèi)外專家一致認(rèn)為，在今后相當(dāng)長的時(shí)期混凝土仍將是應(yīng)用最廣、用量最大的建筑材料。但同時(shí)混凝土的大量使用也帶來了很多的負(fù)面影響：混凝土的主要組成材料水泥，生產(chǎn)過程中需要大量的骨料，而且消耗大量的煤炭和電力，是人類對(duì)自然界的物質(zhì)和能源消費(fèi)較大的一種材料，并且產(chǎn)生大量對(duì)環(huán)境有害的氣體和微塵；混凝土主要組成材料中的砂石，因大量開采而造成的資源枯竭和環(huán)境破壞；混凝土建筑物因達(dá)到使用年限或由于市政建設(shè)的需要而被拆毀，產(chǎn)生越來越多的建筑垃圾，其中廢棄混凝土塊約占34%，對(duì)城市環(huán)境造成嚴(yán)重污染等等。因此混凝土能否長期作為最主要的建筑結(jié)構(gòu)材料，其關(guān)鍵在于能否成為綠色材料，能否堅(jiān)持可持續(xù)發(fā)展道路。

    2、綠色混凝土的定義

    目前，綠色混凝土還沒有統(tǒng)一的定義。吳中偉院士較早曾提出過綠色高性能混凝土（GHPC）的概念， 并就其特征進(jìn)行過論述。近些年，包括同濟(jì)大學(xué)等科學(xué)院所對(duì)綠色混凝土展開了一定研究。綜合國內(nèi)外研究， 一般認(rèn)為，綠色混凝土是指混凝土在生產(chǎn)過程和應(yīng)用過程的綠色化，即在保證混凝土性能的前提下，既能減少對(duì)地球環(huán)境的負(fù)荷，又能與自然生態(tài)系統(tǒng)協(xié)調(diào)共生，為人類構(gòu)造舒適環(huán)境的混凝土材料。減少對(duì)地球環(huán)境的負(fù)荷，是指最大限度地綜合利用自然資源和能源，在盡可能高的生產(chǎn)效率下降低能耗和各項(xiàng)物耗；消除或最低限度地產(chǎn)生“三廢”（廢渣、廢氣和廢水）。與自然生態(tài)系統(tǒng)協(xié)調(diào)共生，是指竭力保護(hù)自然環(huán)境，維護(hù)生態(tài)平衡，消除或盡量減少環(huán)境污染；組織無廢生產(chǎn)，或使“三廢”再資源化。

    3、發(fā)展綠色混凝土的途徑

    （1）發(fā)展環(huán)保型膠凝材料

    在混凝土的生產(chǎn)過程中，作為其重要組分的水泥實(shí)是一種不可持續(xù)發(fā)展產(chǎn)品。水泥是眾所周知的污染源，排出大量粉塵和有害氣體。但主要是溫室氣體CO2的大量排放，1t熟料中平均含CaO 620kg，CaCO3分解生成CaO 620kg，同時(shí)生成CO2 490kg，加上燃燒礦物燃料（熟料與發(fā)電）生成CO2約300~450kg，因此生成1t熟料排放CO2約790~940kg（常按1t水泥熟料向大氣排放1tCO2來估算），世界上水泥工業(yè)生產(chǎn)共計(jì)約向大氣排放16億tCO2，約占全球溫室氣體排放量的7%[3,4]。水泥也是能源消耗的大戶，普通水泥生產(chǎn)過程中需要高溫煅燒硅質(zhì)原料和鈣質(zhì)原料，消耗大量的煤炭和電力。如果采用無熟料水泥或免燒水泥配制混凝土，就能顯著降低能耗，減少污染，達(dá)到節(jié)能減排的目的。如堿礦渣水泥利用工業(yè)廢渣與某些堿金屬化合物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，替代水泥膠凝材料，可將硅酸鹽水泥生產(chǎn)工藝的“兩磨一燒”簡化為“一磨”，是一種低能耗、低成本的綠色水泥。我國生產(chǎn)的水泥中以低強(qiáng)度32.5級(jí)和42.5級(jí)的水泥為主，而低強(qiáng)度水泥的使用價(jià)值只有52.5級(jí)水泥的1/3～1/2，且生產(chǎn)對(duì)環(huán)境污染大、資源破壞嚴(yán)重、能耗大。因此應(yīng)大力發(fā)展高標(biāo)號(hào)熟料水泥生產(chǎn)，提高高標(biāo)號(hào)熟料在整個(gè)熟料生產(chǎn)中的比重。

    發(fā)展綠色混凝土應(yīng)發(fā)展高性能膠凝材料，使用較少熟料和大量利用工業(yè)廢料，并應(yīng)解決水泥、細(xì)摻料和外加劑的相容性問題，使在水泥產(chǎn)品系列中增加高性能的新品種，主要從流變性能的需要，進(jìn)行各組分的選擇、并優(yōu)化配合比，達(dá)到充分滿足混凝土的設(shè)計(jì)、施工要求。通過努力發(fā)展這種高性能的環(huán)保型膠凝材料，使水泥生產(chǎn)成為可持續(xù)發(fā)展的產(chǎn)業(yè)。

    （2）利用再生骨料和再生水

    由于建筑工業(yè)迅速發(fā)展，建筑垃圾堆積如山。建筑垃圾成分復(fù)雜，但其中廢棄混凝土塊、碎磚塊等所占的比例較高。若能將這些廢棄混凝土塊就地回收，經(jīng)破碎、清洗、分級(jí)后作為骨料再利用，生產(chǎn)再生骨料混凝土用到新建建筑物上，則不僅能降低成本，節(jié)省天然骨料資源，還能減輕對(duì)城市環(huán)境的污染。而且我國優(yōu)質(zhì)的天然骨料(河砂、卵石)在有些地區(qū)已趨枯竭，許多地區(qū)合格的混凝土用骨料也供應(yīng)緊張。一些大城市已經(jīng)越來越難找到高性能混凝土所需的級(jí)配良好的骨料，而從外地遠(yuǎn)距離運(yùn)輸費(fèi)用又很高。將廢棄混凝土破碎作為再生骨料既能解決天然骨料資源緊缺的問題，保護(hù)骨料產(chǎn)地的生態(tài)環(huán)境，又能解決城市廢棄物的堆放、占地和環(huán)境污染等問題，實(shí)現(xiàn)混凝土生產(chǎn)過程中的物質(zhì)循環(huán)利用，保證建筑工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

    建筑施工需要使用飲用水來拌合和養(yǎng)護(hù)混凝土。但是，眾所周知水資源的形勢(shì)逼人，清潔的水資源正在逐日減少。所以，解決缺水問題也是當(dāng)務(wù)之急，混凝土工業(yè)作為淡水的消費(fèi)大戶之一，迫切需要更有效地用水。應(yīng)避免使用城市飲用水?dāng)嚢杌炷�土，配制混凝土可利用大多�?shù)再生工業(yè)水，再生水更可以用于養(yǎng)護(hù)混凝土和沖洗混凝土運(yùn)輸車。并且研究認(rèn)為，通過優(yōu)化骨料級(jí)配，大量使用礦物摻和料和超塑化劑，全球每年用于拌合混凝土的1萬億L水可以節(jié)省一半。

    （3）發(fā)展綠色高性能混凝土

    高性能混凝土是混凝土技術(shù)進(jìn)入高科技時(shí)代的產(chǎn)物，它是應(yīng)用現(xiàn)代混凝土科學(xué)技術(shù)來增加混凝土結(jié)構(gòu)的安全使用壽命，減少因修補(bǔ)或拆除陳舊混凝土結(jié)構(gòu)物造成的浪費(fèi)和建筑垃圾。其針對(duì)不同用途的要求，對(duì)下列性能有重點(diǎn)的加以保證：耐久性、施工性、適用性、強(qiáng)度、體積穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性。其配制特點(diǎn)為低水膠比，選用優(yōu)質(zhì)原材料，除水泥、水、集料外，必須摻加高效減水劑和足量的優(yōu)質(zhì)礦物摻合料，尤其是礦物摻合料已成為配制高性能混凝土必不可少的重要組分和功能性材料，它在改善混凝土的性能方面起著決定性的作用。摻入活性礦物摻合料一方面可提高混凝土強(qiáng)度、耐久性、工作性以及其他物理力學(xué)性能；另一方面減少了對(duì)熟料水泥的需求，從而減少了水泥在生產(chǎn)過程中的能源和資源消耗，并減少了溫室氣體、有害氣體及粉塵的排放；并且可消化大量的工業(yè)廢料，減少了堆放廢料對(duì)場(chǎng)地的占用，提高了土地的利用率，同時(shí)保護(hù)了生態(tài)環(huán)境，有利于可持續(xù)發(fā)展。因此綠色高性能混凝土是可持續(xù)發(fā)展的混凝土。

    （4）提高混凝土的耐久性

    常用的普通混凝土的基本缺點(diǎn)之一就是耐久性不足。目前而言，一般建筑工程的使用年限為50~100年，而其中不少工程在使用10~20年后即需維修或重建，這就導(dǎo)致了資源、能源和財(cái)力的大量浪費(fèi)。因此當(dāng)今的混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)是超耐久性的，因?yàn)橹挥谢炷�土結(jié)構(gòu)使用年限的延長，才能提高與此有關(guān)的資源和能源的利用率，減輕對(duì)環(huán)境生態(tài)的負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略。

混凝土的耐久性是指混凝土保持長期性能穩(wěn)定的能力。過去混凝土工作者對(duì)混凝土耐久性認(rèn)識(shí)不夠，關(guān)注重點(diǎn)都放在強(qiáng)度方面，很多工程混凝土結(jié)構(gòu)壽命縮短，因此工程設(shè)計(jì)人員應(yīng)更新傳統(tǒng)的混凝土配合比設(shè)計(jì)方法，變“強(qiáng)度設(shè)計(jì)”為“耐久性設(shè)計(jì)”，對(duì)于摻礦物外加劑的混凝土不應(yīng)追求與基準(zhǔn)混凝土相同的早期強(qiáng)度和28d強(qiáng)度，而應(yīng)注重礦物外加劑的后期增強(qiáng)、增密效應(yīng)。施工單位的施工人員素質(zhì)不高，私自向泵送混凝土加水、振搗、養(yǎng)護(hù)不到位的情況時(shí)有發(fā)生，施工單位為趕施工進(jìn)度常常要求混凝土具有高的早期強(qiáng)度，甚至在強(qiáng)度沒達(dá)到的情況下強(qiáng)行拆模，這些情況對(duì)混凝土的強(qiáng)度發(fā)展和耐久性是極為不利的，因此應(yīng)該提高施工質(zhì)量意識(shí)，嚴(yán)格施工，以保證混凝土的施工質(zhì)量。礦物外加劑是保證高性能混凝土高耐久性不可缺少的部分，工程設(shè)計(jì)人員應(yīng)敢于在混凝土工程中摻用礦物外加劑，積極推廣礦物和有機(jī)外加劑復(fù)合技術(shù)，不同礦物外加劑的雙重和多重復(fù)合技術(shù)，例如很多混凝土工作者片面地認(rèn)為混凝土中摻入引氣劑雖然會(huì)改善其和易性但會(huì)降低抗壓強(qiáng)度而不敢使用，須知引氣劑影響強(qiáng)度是在一定條件下的結(jié)論，只要控制在一定的范圍，對(duì)混凝土的耐久性是有利的，有研究認(rèn)為當(dāng)混凝土含氣量不超過5%，對(duì)強(qiáng)度基本沒有影響[5]，同時(shí)許多學(xué)者還一致認(rèn)為，在相同孔隙率的條件下，小孔越多，混凝土強(qiáng)度越高。

    4、結(jié)語

    綠色混凝土跟傳統(tǒng)混凝土相比，不僅有更加優(yōu)良的性能，還由于其利用工業(yè)廢棄物和生活垃圾，因而能最大限度地節(jié)約天然資源和能源，具有保護(hù)環(huán)境的效益，可以有效地堅(jiān)持可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。綜上所述，綠色混凝土是混凝土與環(huán)境協(xié)調(diào)性發(fā)展的必然趨勢(shì)，是持續(xù)發(fā)展的需要。混凝土綠色化是一項(xiàng)功在當(dāng)代，利在千秋的大業(yè)，我們混凝土工作者一定要排除萬難，勇往直前，樹立行業(yè)綠色環(huán)保意識(shí)，健全行業(yè)管理體系，做建材綠色化的引領(lǐng)者。

(本文來源：  陜西省土木建筑學(xué)會(huì)   文徑網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)項(xiàng)目投資中心：雷丹 尹維維 編輯  劉真 文徑 審核)