生態(tài)環(huán)境型混凝土材料與技術

生態(tài)環(huán)境型混凝土材料與技術馮乃謙教授二00六年二月二十七日2/5/20241內(nèi)容簡介我國混凝土技術的現(xiàn)狀

我國的資源、能源和環(huán)境問題

混凝土結構過早的劣化破壞給環(huán)境帶來的污染、巨大的經(jīng)濟損失和社會影響

生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)型的混凝土材料和技術

商品混凝土生產(chǎn)時副產(chǎn)物的再利用混凝土長壽命化

結束語2/5/20242我國混凝土技術的現(xiàn)狀

1.1我國水泥產(chǎn)量最多，2004年水泥產(chǎn)量9.4億噸；混凝土的產(chǎn)量也最多，已達到20億立方米/年，應用面也很廣泛。為我國的發(fā)展和建設作出了重大的貢獻。1.2混凝土結構的承載力不足，耐久性差，壽命短。結構過早的破壞造成資源的重大浪費和對環(huán)境帶來了嚴重污染。1.3水泥混凝土材料面臨著資源和能源缺乏的新形勢。1.4水泥和混凝土生產(chǎn)給生態(tài)環(huán)境帶來了嚴重的污染。2/5/20243我國的資源、能源和環(huán)境問題在中國的主要資源，人均占有量為世界平均水平的50%以下。其中淡水資源為世界平均水平的28%；耕地面積為世界平均水平的32%；礦產(chǎn)資源為世界平均水平的50%。我國消耗的石油資源很大部分依賴進口。而能源消耗又是國際上最高的。以1美元的GDP計算，中國的能源消耗是美國的4.3倍、日本的11.5倍。在中國能源的利用效率只有美國的26.9%、日本的11.5%。2/5/202442.1水泥、混凝土發(fā)展對資源能源的消耗及給環(huán)境帶來的污染我國水泥、混凝土的資源問題迫在眉睫:水泥、混凝土生產(chǎn)時，又是資源、能源消耗的大戶。2004年，我國水泥的產(chǎn)量約9.4億噸，以水泥熟料6.0億噸計算，資源和能源消耗十分巨大;每年資源方面消耗：石灰石約10億噸；粘土約1.2億噸；水約10億噸，還有鐵粉等輔助材料約2000~3000萬噸。每年能源方面的消耗：煤粉約1.0億噸；電約500億度。2/5/20245我國混凝土產(chǎn)量約20億立方米/年。年需要粗骨料約16億立方米，細骨料約12億立方米，水泥約6.5億噸，水約5.0億立方米（養(yǎng)護用水未考慮），減水劑約1200萬噸。我國有些城市沒有合格的骨料，例如北京的堿活性骨料對混凝土的危險極大，骨料的生產(chǎn)幾乎全部停止。大部分骨料均從河北運進來，每年2000萬立方米混凝土，交通、能源方面均帶來了巨大的問題。天津某單位的勘測表明，我國能生產(chǎn)水泥的石灰石貯量僅500億噸，以其作為生產(chǎn)水泥的原料，按目前水泥產(chǎn)量計算，僅夠生產(chǎn)水泥40年，那么每年20億立方米混凝土的骨料又從何來？2/5/202462.2工業(yè)廢渣與城市垃圾等大量排放給環(huán)境帶來的污染

我國粉煤灰年排放量2.0億噸以上，長期貯存的粉煤灰超過20億噸。城市污水排放量超過2億噸，污水處理后的沉淀約2000萬噸/年（脫水后）。水庫污泥總量超過1374億立方米，占水庫總容量的30%。2/5/20247城市生活垃圾排放量，以北京市為例約1000萬噸，其中10%為廢氣玻璃，極難處理。此外，還有大量建筑垃圾需要處理。我國由于廢水排放，工業(yè)生產(chǎn)的廢氣排放等等，已對環(huán)境造成了極大的影響。淮河流域由于工業(yè)排水的污染，飲水致癌者為數(shù)甚多。松花江水污染已造成國際上極壞的影響。2/5/20248SO2和CO2的排放量處于世界前列CO2的年排放量（其中生產(chǎn)水泥排放的CO2量占50%以上）已超過了環(huán)境的靜化能力。酸雨面積約占國土面積的1/3。1995年酸雨造成的經(jīng)濟損失達到1165億元，約當年的GDP的2%?？諝庵形⒎哿Ｗ雍窟_432mg/立方米以上，其中大部分是水泥生產(chǎn)造成的，還有汽車排放廢氣和工地施工帶來的粉塵等等。報據(jù)北京電視臺的報告，在北京沒有一天的空氣質(zhì)量是等于優(yōu)的。2/5/20249混凝土結構過早的劣化破壞給地方環(huán)境帶來的污染巨大的經(jīng)濟損失和社會影響

山東沿海鋼筋混凝土公路橋，使用不到10年，保護層嚴重剝落，有的已成危橋（見圖）深圳商報報導，北京奧運展覽館工程曾獲魯班獎，現(xiàn)為豆腐渣工程。2004年沈陽某公路橋在行車過程中橋板折裂破壞，造成多部汽車掉落橋下，造成車毀人亡。南京長江大橋于文化大革命期間造成，投入使用不到30年，現(xiàn)已下令外部汽車禁止通行。2/5/202410武漢漢江某橋原設計使用壽命50年，但不到10年，已拆除重建。深圳某教室樓投入使用不到15年已成危險房屋，停止使用。有些鋼筋混凝土結構，由于使用了堿活性骨料，或使用了海砂，經(jīng)數(shù)年使用，劣化已擴展到表面，出現(xiàn)了嚴重的損傷開裂。甚至有些工程，由于對環(huán)境劣化固于考慮不夠，在施工過程中就不斷的暴露出了嚴重的問題。2/5/202411從上述現(xiàn)況和分析表明，水泥混凝土材料的發(fā)展，必須從僅考慮技術性能和經(jīng)濟效果傳統(tǒng)的觀念中轉變過來；也就是說沿看技術、經(jīng)濟和生態(tài)環(huán)境三方面的合成方向發(fā)展。如圖所示。2/5/202412生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)型的混凝土材料和技術

生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)性的混凝土材料和技術應該是省資源、省能源、降低環(huán)境污染和能再生循環(huán)利用的材料與技術。生態(tài)混凝土與過去的混凝土相比如圖所示。2/5/202413生態(tài)混凝土是從過去對混凝土的強度和耐久性的要求基礎上，進一步與環(huán)境問題結合起來，降低環(huán)境負荷，與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)，保存與提高環(huán)境景觀。也就是說，生態(tài)混凝土要具有結構所要求的性能與功能之外，還要具有環(huán)境協(xié)調(diào)性和居住的愉適性。生態(tài)混凝土還可以進一步分類如圖所示。2/5/2024144.1生態(tài)水泥日本的生態(tài)水泥是很成功的。在日本有多處生產(chǎn)生態(tài)水泥的工廠，總產(chǎn)量約500萬噸以上。生產(chǎn)1噸生態(tài)水泥所需要的垃圾灰、下水道污泥及工藝過程如圖所示。2/5/202415生態(tài)水泥水泥的化學成分如表1，物化性能如表2。2/5/202416利用生態(tài)水泥配制混凝土與普通混凝土相比如圖所示。2/5/2024174.2再生骨料混凝土將混凝土建筑結構物解體后的砼塊運進工廠，經(jīng)一次破碎之后，剔除鐵塊及粗大雜物；初碎的混凝土塊再經(jīng)二級破碎，濕式分級，分離成粗、細骨料及砂漿，同時排放污水。混凝土塊再生利用的實例如圖所示。在圖中，除了再生碎石和再生砂以外，還有大量微粉，主要用途有以下三個方面：（1）代替部分水泥用于生產(chǎn)混凝土；（2）混凝土微粉按一定比例與石灰配合，生產(chǎn)制品，通過高壓蒸養(yǎng)，可以得到比強度高的制品；（3）流化土，在建筑工程中，挖掘的泥土，摻入水泥和混凝土微粉及化學外加劑，可以得到流動性很大的回填土。2/5/202418日本再生骨料暫行規(guī)定中，把再生骨料按吸水率和穩(wěn)定性（安定性）分類如表所示。2/5/202419利用再生骨料配制的混凝土及其應用2/5/202420再生骨料配制的混凝土的性能與再生粗細骨料對天然骨料的置換率有關。用不同粗細骨料配制不同水灰比混凝土強度。骨料的組合如圖從圖中可見，利用再生骨料和天然骨料適當配合，配制的混凝土基本上不降低強度。日本向井毅以30%再生骨料代替天然骨料配制的混凝土與天然骨料混凝土的性能相同。2/5/2024214.3非燒結粉煤灰陶?；炷疗鰤K1）非燒結粉煤灰陶粒工藝過程：粉煤灰非燒結陶粒工藝過程如圖陶粒性能：容重700～800㎏/立方米；抗壓強度≥4.0MPa；吸水率：

2小時≤10%,24小時≤20%。2/5/2024222）非燒結粉煤灰陶粒砌塊

以非燒結粉煤灰陶粒為骨料，水泥、粉煤灰為膠結料，經(jīng)配合、攪拌、振動加壓成型、太陽能養(yǎng)護而成。這種砌塊可作框架結構的外墻以及內(nèi)墻。用作外墻砌塊時，可摻入硬脂酸乳化液，可達到防水的目的。粉煤灰陶粒砌塊如圖所示。非燒結粉煤灰陶粒及其為骨料的砌塊，原材料的80%都是粉煤灰，達到了省資源、省能源，降低環(huán)境負荷的目的。2/5/2024234.4透水混凝土過去的透水混凝土多為無砂大孔混凝土。是以粗骨料裹上水泥漿以后，再經(jīng)振動加壓成型而成。利用這種混凝土鋪設人行道、廣場時能大量滲水，可以把雨水變成地下水；也可以吸聲，并有水的凈化功能，動物和植物可在表面生長等等。具有很多特性。但重量大，且含有較大堿性，也不利于植物生長。作者發(fā)明了一種新型透水材料。以人造輕骨料代替普通骨料，以水玻璃和玻璃粉為膠結料，經(jīng)低溫煅燒而成的透水材料，質(zhì)輕，可以鋪設馬路兩邊人行道，也可以做成隔熱保溫及吸聲材料，種植花草，鋪設屋頂花園。陶粒燒制的透水材料如圖所示。2/5/2024244.5循環(huán)使用的混凝土材料混凝土組成材料考慮到解體后能制造再生水泥，用再生水泥與改性再生骨料配制成再生混凝土。資源可以循環(huán)利用。如圖所示。2/5/202425能使用為完全循環(huán)混凝土材料如下表：2/5/202426商品混凝土生產(chǎn)時副產(chǎn)物的再利用

混凝土生產(chǎn)與施工應用的過程中，排出大量的副產(chǎn)品，如清洗攪拌機及攪拌運輸車時排出的廢水；攪拌站或混凝土制品廠生產(chǎn)時排放的泥漿。由于長期排放，造成環(huán)境的污染。這些副產(chǎn)品需要很好的再利用。2/5/202427混凝土每天施工運輸過程中，運輸車中常常有未用完退回的混凝土?？梢酝ㄟ^沖洗，篩分，把粗細骨料分離開來利用，沖洗水（包括多次沉淀水）可以澄清再利用。而漿膏可以摻入骨料和水泥，生產(chǎn)砌塊或鋪設路磚。

這方面的技術，在廣州、北京及武漢的一些商品混凝土攪拌站已得到應用。2/5/202428混凝土長壽命化

混凝土的高耐久性與長壽命，首先是保證結構的安全性和可靠性。這也是從根本上節(jié)約資源與能源，減少環(huán)境污染的重大課題。例如現(xiàn)有鋼筋混凝土結構住宅，平均造價為2000元/平方米，每平米需材料1500kg/平方米（其中混凝土1000kg/平方米），若全國每年建造7億平方米住宅，需資金14000億元，需要混凝土材料7億噸/年。如果把現(xiàn)在有住宅使用壽命從現(xiàn)在的50年延長至75年，每年就可以節(jié)約1/3的建筑資金（約3800億元），節(jié)約材料2.3億噸，同時可以大大降低水泥生產(chǎn)和建筑垃圾對環(huán)境的污染?？梢哉f，混凝土結構的高耐久性和長壽命是混凝土材料和技術發(fā)展的另一個重大問題。2/5/202429提高混凝土結構的耐久性，除了根據(jù)結構設計，保證足夠的承載力外，還需要根據(jù)混凝土結構所處的環(huán)境，由于環(huán)境帶來的劣化外力，如凍融，鹽害，海洋沖刷及硫酸鹽腐蝕等進行耐久性設計。由于環(huán)境條件不同，耐久性設計時，有的可能只考慮一種劣化外力，有的可能是多種劣化外力的共同作用，也就是耐久性病害綜合癥，這需要找出預防混凝土耐久性病害綜合癥的對策方法。2/5/202430提高混凝土的耐久性，需要根據(jù)環(huán)境條件，選用適宜的水泥品種；檢測骨料的堿活性，選用適宜的礦物質(zhì)粉體和化學外加劑。在配合比設計方面要保證單方混凝中水泥有用量≥280kg/m3，用水量≤175kg/m3；水灰比≤0.42。2/5/202431由于耐久性對混凝土強度要求，往往高于結構設計對混凝土強度要求。如英吉利海峽隧道，結構設計時混凝土強度只有40多MPa，但從百年耐久性要求，要求砼強度62MPa。香港的青馬大橋也是一樣，原設計混凝土不能滿足導電量<1000庫侖；后來加8%硅粉，強度提高，導電量降至1000庫侖以