21世紀(jì)的混凝土材料_環(huán)保型混凝土.docx

摘 要 : 本文闡述了混凝土材料與地球環(huán)境問(wèn)題和公害的關(guān)聯(lián)性 ,論述了未來(lái)世紀(jì)開發(fā)環(huán)保型混凝土的必要性。提出了環(huán)保型混凝土的概念和分類 ,及環(huán)保型混凝土應(yīng)具備的性能 ,為混凝土材料的可持續(xù)發(fā)展提出建設(shè)性的觀點(diǎn)。關(guān)鍵詞 : 環(huán)保型混凝土 地球環(huán)境 減輕環(huán)境負(fù)荷型混凝土 生態(tài)型混凝土Abstract : This paper elaborates the relationship between concrete material and the global environment problem , social effects of pollution , and discusses the necessity of exploiti ng environmentally friendly concrete i n the comi ng century. The conception and classification of environ2 mentally friendly concrete and its necessary properties are presented i n this paper. And the viewpoi nts for conti nually developi ng concrete materials have been presented.Key wores : Environmentlly Friendly Concrete , Global Environment , Environmentally Mitigatable Concrete , Ecological Concrete0前言據(jù)資料統(tǒng)計(jì) , 全世界水泥年產(chǎn)量已達(dá)到 1115 億慮自然環(huán)境的因素 , 使混凝土的生產(chǎn)和使用有利于環(huán)境保護(hù)和生態(tài)平衡 , 盡量減輕給環(huán)境造成的負(fù)擔(dān) , 從自 然、環(huán)境、生態(tài)平衡的角度出發(fā)的研究很少。進(jìn)入八十 年代后期以來(lái) , 保護(hù)地球環(huán)境 , 尋求與自然的和諧 , 走 可持續(xù)之路成為全世界共同關(guān)心的課題 。作為人類最 大量使用的建設(shè)材料 , 混凝土今后的發(fā)展方向必然是 既要滿足現(xiàn)代人的需求 , 又要考慮環(huán)境的因素 , 減輕對(duì) 地球環(huán)境的負(fù)荷 , 有利于資源、能源的節(jié)省和生態(tài)平 衡。即 21 世紀(jì)混凝土的發(fā)展方向應(yīng)該是環(huán)保型的混凝 土( Environmentally Friendly Concrete) 。噸 , 混凝土年使用量大約為 70 億噸 , 可以說(shuō)混凝土是人類與自然界進(jìn)行物質(zhì)與能量的交換活動(dòng)中消費(fèi)量 較大的一種材料 , 所以混凝土的生產(chǎn)與使用 , 以及其 本身的性能極大地影響著地球環(huán)境、資源、能源的消 耗量及其所構(gòu)筑的人類生活空間的質(zhì)量。長(zhǎng)期以來(lái)人類只注意到混凝土為人類所用 , 給人 類帶來(lái)了方便和財(cái)富的一面 , 卻忽略了混凝土給人類 和地球帶來(lái)負(fù)影響的另一面。隨著時(shí)代的進(jìn)步 , 人類 對(duì)生產(chǎn)效率 、生活的方便性與舒適性的要求越來(lái)越 高 , 為了滿足人類日益增長(zhǎng)的需求 , 長(zhǎng)期以來(lái)從事混 凝土理論科學(xué)與實(shí)際工程的研究人員 , 不斷探索 , 從 素混凝土到鋼筋混凝土、預(yù)應(yīng)力混凝土; 從干硬性混 凝土到塑性混凝土 、高流態(tài)混凝土以及高性能混凝 土 ; 從手工攪拌、現(xiàn)場(chǎng)攪拌到機(jī)械攪拌的商品混凝土; 從人工插搗、機(jī)械振搗 ,到泵送、自密實(shí)混凝土等 ,混凝 土的理論與技術(shù)不斷趨于成熟。然而 , 這些研究的目 的大多是為了滿足人類單方面的需求 , 而對(duì)于如何考地球環(huán)境問(wèn)題與混凝土進(jìn)入 20 世紀(jì)以來(lái) , 隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展 , 石 油、化工、汽車以及土木建筑工程的蓬勃發(fā)展 , 人類的 生活質(zhì)量得到了極大的提高 , 同時(shí)也造成了各種嚴(yán)重 的地球環(huán)境問(wèn)題。人類面臨著資源枯竭和能源危機(jī) ,地 球溫暖化 , 臭氧層破壞 , 土地沙漠化 , 野生動(dòng)物種類減 少 , 熱帶雨林減少 , 酸雨范圍擴(kuò)大等環(huán)境問(wèn)題日益嚴(yán) 重 ,大氣、水質(zhì)與土壤污染 ,噪音、振動(dòng)等公害給人類的 生活帶來(lái)了極大的危害和損失。而混凝土材料的生產(chǎn)1混凝土與混凝土施工321 世紀(jì)的混凝土材料環(huán) 保 型 混 凝 土楊靜馮乃謙(清華大學(xué)土木系100084) 1999 年第 2 期混凝土與水泥制品總第 106 期與使用是造成這些環(huán)境問(wèn)題與公害的原因之一?；炷敛牧辖o環(huán)境帶來(lái)的負(fù)荷主要表現(xiàn)在以下幾 個(gè)方面 : 混凝土的主要組成材料之一是水泥 , 大約占混 凝土重量的 1/ 5 。在制造水泥時(shí)石灰石分解生成石灰 ( CaO) , 同時(shí)排出具有溫室效應(yīng)的 CO 2 氣體 , 生產(chǎn) 1 噸 水泥大約要排出 1 噸 CO 2 氣體。同時(shí)水泥的燒成反應(yīng) 所需要能量在我國(guó)是由化石類燃料燃燒獲得的 , 每燒色灰暗 ,給人以粗、硬、冷的感覺(jué) ,由混凝土所構(gòu)成的生活空間色彩單調(diào) ,缺乏透氣性、透水性 ,對(duì)溫度、濕度的 調(diào)節(jié)性能差 , 在城市大密度的混凝土建筑物和鋪筑的 道路 , 使城市的氣溫上升 , 因此有人把現(xiàn)代城市稱為 “灰色的熱島”或“都市沙漠”。進(jìn)入 20 世紀(jì) 90 年代 , 保護(hù)地球環(huán)境 , 走可持續(xù)發(fā) 展之路已成為全世界共同關(guān)心的問(wèn)題。21 世紀(jì)的混凝 土不僅要滿足作為結(jié)構(gòu)材料的要求 , 還要盡量減少給 地球環(huán)境帶來(lái)的負(fù)荷和不良影響 , 能夠與自然協(xié)調(diào) , 與 環(huán)境共生。這是實(shí)現(xiàn)土木建筑工程可持續(xù)發(fā)展的重要 一環(huán)。制 1 噸水泥熟料耗標(biāo)準(zhǔn)煤 178kg1, 由此還將產(chǎn)生 CO 2和 SO X 等有害氣體 , 以溫室效應(yīng)和酸雨的形式增加對(duì)地球環(huán)境的負(fù)荷。目前全世界每年 CO 2 的排放量大約 為 100 億噸2 , 其中由于生產(chǎn)水泥而產(chǎn)生的 CO 2 氣體 約占 1/ 10 ,是產(chǎn)生溫室效應(yīng)氣體的大戶。其次 ,混凝土體積的 7080 %為砂石骨料。為取得 這些原材料 , 需要開山或挖取河床 , 破壞自然景觀 , 改 變河床位置及形狀 , 造成水土流失或河流改道等嚴(yán)重 后果?；炷翝沧⑹褂玫哪０暹€有相當(dāng)大部分采用木 模板 , 消耗大量的森林資源 , 造成熱帶雨林的破壞 , 間 接地影響野生動(dòng)物的生息環(huán)境和生態(tài)平衡 。在混凝土 的運(yùn)輸與施工過(guò)程中 , 除了要消耗大量的能量之外 , 還 產(chǎn)生振動(dòng)和噪音 , 是城市公害的主要來(lái)源。據(jù)調(diào)查 , 城 市噪音的 1/ 3 來(lái)自于建筑施工 , 其中混凝土的振動(dòng)占 主要部分。再就混凝土本身的特性來(lái)看 , 質(zhì)地脆硬 , 顏2環(huán)保型混凝土的種類與性能環(huán)保型混凝土是指既能減少對(duì)地球環(huán)境的負(fù)荷 ,同時(shí)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。如上所述 ,混凝土的大量生產(chǎn)和使 用一方面給人類提供了豐富多彩、便捷的生活設(shè)施 , 同 時(shí)也給地球環(huán)境和生態(tài)平衡造成了不良的影響 。為了 實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo) , 將混凝土對(duì)環(huán)境造成的負(fù)荷 控制在最小限度之內(nèi) , 混凝土材料的研究、生產(chǎn)和應(yīng)用 必須考慮環(huán)境因素。如圖 1 所示 ,生態(tài)型兩大類。環(huán)保型砼包括減輕環(huán)境負(fù)荷型3 和、觀凝圖 1 環(huán)保型混凝土的種類減輕環(huán)境負(fù)荷型混凝土產(chǎn)、使用直到解體全過(guò)程中 , 能夠減輕給地球環(huán)境造成的負(fù)擔(dān)。這類混凝土包括在生產(chǎn)階段使用免燒水泥和 混合材料 , 減少由于煅燒水泥而產(chǎn)生的 CO 2 氣體排放211( Environmentally Mitigat2able Concrete)所謂減輕環(huán)境負(fù)荷型混凝土 , 是指在混凝土的生混凝土與混凝土施工4環(huán)保型混凝土減輕環(huán)境負(fù)荷型混凝土生 態(tài) 型 混 凝 土合 使材 用 料 免 的 燒 混 水 凝 泥 土 、混人 造 輕骨 料 混凝 土高耐 久 性 混 凝 土免 振 自密 實(shí) 混凝 土廢 棄 物再 生 混凝 土透 水、排 水 性 混 凝 土生 物 適應(yīng) 型 混凝 土綠 化景 混土楊靜馮乃謙21 世紀(jì)的混凝土材料 環(huán)保型混凝土量 ; 采用工業(yè)廢渣制造輕骨料 , 或再生利用廢棄的混凝土代替天然骨料 , 節(jié)省天然的礦物質(zhì)資源 , 同時(shí)減輕固 體廢渣對(duì)環(huán)境的污染 , 即在混凝土建筑物解體時(shí) , 將廢 棄的混凝土再生利用 , 或開發(fā)能夠消解、消化混凝土的 技術(shù) , 減少固體垃圾量。在混凝土的施工過(guò)程中 , 采用 免振搗、自密實(shí)混凝土 ,減少施工噪音。此外 ,開發(fā)研究 高耐久性的混凝土 , 延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)物的使用壽命 , 也是減少 混凝土的生產(chǎn)量 ,實(shí)現(xiàn)減輕環(huán)境負(fù)荷的重要途徑。有關(guān) 這類混凝土的開發(fā)與研究 , 在我國(guó)已有幾十年的歷史 , 從利用高爐礦渣、粉煤灰等工業(yè)廢渣作為水泥的混合 材料和混凝土的摻合料 ,到開發(fā)、利用高流態(tài)、自密實(shí)、 高性能混凝土 ,均屬于減輕環(huán)境負(fù)荷型混凝土。性。將這種混凝土用于鋪筑道路、廣場(chǎng)、人行道路等 ,能夠擴(kuò)大城市的透水、透氣面積 , 增加行人、行車的舒適 性和安全性 , 減小交通噪音 , 對(duì)調(diào)節(jié)城市空間的氣溫和 濕度 , 維持地下土壤的水位和生態(tài)平衡具有重要作 用。生物適應(yīng)型混凝土 普通的混凝土由于其組成材料之一的水泥在水化時(shí)將產(chǎn)生占水泥石體積 2025 %的 Ca ( OH) 2 , 使得混 凝土呈強(qiáng)堿性 ,p H 值高達(dá) 1213 。這種堿性對(duì)用于結(jié) 構(gòu)物的鋼筋混凝土來(lái)說(shuō)是有利的 , 具有保護(hù)鋼筋不被 腐蝕的作用。但對(duì)于道路、港灣、護(hù)岸用混凝土構(gòu)件等 , 這種堿性不利于植物和水中生物的生長(zhǎng) , 所以開發(fā)低 堿性、內(nèi)部具有一定的空隙 , 能夠提供植物根部或水中 生物生長(zhǎng)所必須的養(yǎng)分存在的空間。適應(yīng)生物生長(zhǎng)的 混凝土是生態(tài)混凝土的一個(gè)重要研究方向。綠化、景觀混凝土傳統(tǒng)的混凝土色彩灰暗 , 表情呆滯 , 給人以生硬、 粗糙、灰冷的視覺(jué)效果。人們生活在被鋼筋混凝土填充 的城市中 , 感到遠(yuǎn)離自然 , 缺少生活情趣。所以開發(fā)能 夠植被的綠化混凝土 , 用于城市的道路兩側(cè)及中央隔 離帶、水邊護(hù)坡、樓頂、停車場(chǎng)等部位 ,可以增加城市的 綠色空間 , 調(diào)節(jié)人們的生活情緒 , 同時(shí)能夠吸收噪音和 粉塵 , 對(duì)城市氣候的生態(tài)平衡也起到積極作用。此外 , 各種造型及色彩的混凝土構(gòu)件 , 用于路旁欄桿、園林結(jié) 構(gòu)物等 ,可起到美化城市 ,豐富景觀的作用。212生態(tài)型混凝土( Ecological Concrete)生態(tài)型混凝土即能夠適應(yīng)生物生長(zhǎng) 、對(duì)調(diào)節(jié)生態(tài)平衡、美化環(huán)境景觀、實(shí)現(xiàn)人類與自然的協(xié)調(diào)具有積極作用的混凝土材料。有關(guān)這類混凝土的研究和開發(fā)還 剛剛起步 , 它標(biāo)志著人類在從事土木工程活動(dòng) , 生產(chǎn)和 使用混凝土材料的過(guò)程中 , 要保護(hù)地球環(huán)境 , 維護(hù)生態(tài) 平衡的意識(shí)更加強(qiáng)烈了 , 對(duì)自已在建筑材料方面的開 發(fā)研究工作提出了更高的要求。開發(fā)研究減輕環(huán)境負(fù) 荷型混凝土的出發(fā)點(diǎn) , 是人類承認(rèn)最大宗的建筑材料混凝土的生產(chǎn)和使用給環(huán)境帶來(lái)負(fù)擔(dān)是不可避免 的 , 與此同時(shí) , 面對(duì)大量產(chǎn)生的工業(yè)垃圾和混凝土給地 球環(huán)境帶來(lái)的負(fù)面的影響 , 以盡量減輕這種危害的程度為目標(biāo)所進(jìn)行的種種努力和嘗試 , 在對(duì)待混凝土與 環(huán)境的關(guān)系上應(yīng)該說(shuō)是一種被動(dòng)的行為 。而生態(tài)型混 凝土的提出 , 是人類在處理混凝土材料與環(huán)境的關(guān)系 中更加積極的、主動(dòng)的態(tài)度。它的目標(biāo)是混凝土不僅僅作為建筑材料 , 為人類構(gòu)筑所需要的結(jié)構(gòu)物建筑物 , 而 且它是與自然融合的 , 對(duì)自然環(huán)境和生態(tài)平衡具有積 極的保護(hù)作用。透水、排水性混凝土結(jié)語(yǔ)人類即將跨入 21 世紀(jì) , 在過(guò)去的 100 多年中 , 混 凝土作為用量最大的建筑材料 , 為人類建造了大量的 用于生產(chǎn)、生活、交通、娛樂(lè)等基礎(chǔ)設(shè)施 , 可以說(shuō) , 20 世 紀(jì)混凝土為建造人類的物質(zhì)文明立下了汗馬功勞 。然 而 , 混凝土的生產(chǎn)與使用也給地球帶來(lái)了不可忽視的 副作用。隨著時(shí)代的進(jìn)步 , 人類要尋求與自然和諧、可 持續(xù)發(fā)展之路 , 對(duì)混凝土也不再僅僅要求其作為結(jié)構(gòu) 材料的功能 , 而是在盡量不給環(huán)境增加負(fù)擔(dān)的基礎(chǔ)上 , 進(jìn)一步開發(fā)對(duì)保護(hù)環(huán)境 , 對(duì)人類與自然的協(xié)調(diào)能起到 積極作用的環(huán)保型混凝土 , 這是時(shí)代的要求 , 是混凝土 材料發(fā)展的必然趨勢(shì)。3傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)用混凝土都要求其不透水性 ,以滿足強(qiáng)度和抗?jié)B、抗凍等耐久性的要求。所以城市地表面的大約 80 %被不透水、不透氣的混凝土建筑物和道路覆 蓋。這種狀況帶來(lái)的不良影響有以下幾點(diǎn)。第一 ,在集 中降雨季節(jié)加重了城市排水系統(tǒng)的負(fù)擔(dān) , 容易造成內(nèi) 澇和道路積水 , 影響正常的交通和城市居民的生活 ; 第 二 , 市區(qū)的地下土壤水分得不到應(yīng)有的補(bǔ)充 , 地下水位 降低 , 使地表植物的生長(zhǎng)受到影響 ; 第三 , 由于地表面 缺乏透氣性和透水性 , 調(diào)節(jié)空氣溫度 、濕度的能力降 低 , 城市尤