21世纪的混凝土材料_环保型混凝土.docx

摘 要 : 本文阐述了混凝土材料与地球环境问题和公害的关联性 ,论述了未来世纪开发环保型混凝土的必要性。提出了环保型混凝土的概念和分类 ,及环保型混凝土应具备的性能 ,为混凝土材料的可持续发展提出建设性的观点。关键词 : 环保型混凝土 地球环境 减轻环境负荷型混凝土 生态型混凝土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前言据资料统计 , 全世界水泥年产量已达到 1115 亿虑自然环境的因素 , 使混凝土的生产和使用有利于环境保护和生态平衡 , 尽量减轻给环境造成的负担 , 从自 然、环境、生态平衡的角度出发的研究很少。进入八十 年代后期以来 , 保护地球环境 , 寻求与自然的和谐 , 走 可持续之路成为全世界共同关心的课题 。作为人类最 大量使用的建设材料 , 混凝土今后的发展方向必然是 既要满足现代人的需求 , 又要考虑环境的因素 , 减轻对 地球环境的负荷 , 有利于资源、能源的节省和生态平 衡。即 21 世纪混凝土的发展方向应该是环保型的混凝 土( Environmentally Friendly Concrete) 。吨 , 混凝土年使用量大约为 70 亿吨 , 可以说混凝土是人类与自然界进行物质与能量的交换活动中消费量 较大的一种材料 , 所以混凝土的生产与使用 , 以及其 本身的性能极大地影响着地球环境、资源、能源的消 耗量及其所构筑的人类生活空间的质量。长期以来人类只注意到混凝土为人类所用 , 给人 类带来了方便和财富的一面 , 却忽略了混凝土给人类 和地球带来负影响的另一面。随着时代的进步 , 人类 对生产效率 、生活的方便性与舒适性的要求越来越 高 , 为了满足人类日益增长的需求 , 长期以来从事混 凝土理论科学与实际工程的研究人员 , 不断探索 , 从 素混凝土到钢筋混凝土、预应力混凝土; 从干硬性混 凝土到塑性混凝土 、高流态混凝土以及高性能混凝 土 ; 从手工搅拌、现场搅拌到机械搅拌的商品混凝土; 从人工插捣、机械振捣 ,到泵送、自密实混凝土等 ,混凝 土的理论与技术不断趋于成熟。然而 , 这些研究的目 的大多是为了满足人类单方面的需求 , 而对于如何考地球环境问题与混凝土进入 20 世纪以来 , 随着科学技术的飞速发展 , 石 油、化工、汽车以及土木建筑工程的蓬勃发展 , 人类的 生活质量得到了极大的提高 , 同时也造成了各种严重 的地球环境问题。人类面临着资源枯竭和能源危机 ,地 球温暖化 , 臭氧层破坏 , 土地沙漠化 , 野生动物种类减 少 , 热带雨林减少 , 酸雨范围扩大等环境问题日益严 重 ,大气、水质与土壤污染 ,噪音、振动等公害给人类的 生活带来了极大的危害和损失。而混凝土材料的生产1混凝土与混凝土施工321 世纪的混凝土材料环 保 型 混 凝 土杨静冯乃谦(清华大学土木系100084) 1999 年第 2 期混凝土与水泥制品总第 106 期与使用是造成这些环境问题与公害的原因之一。混凝土材料给环境带来的负荷主要表现在以下几 个方面 : 混凝土的主要组成材料之一是水泥 , 大约占混 凝土重量的 1/ 5 。在制造水泥时石灰石分解生成石灰 ( CaO) , 同时排出具有温室效应的 CO 2 气体 , 生产 1 吨 水泥大约要排出 1 吨 CO 2 气体。同时水泥的烧成反应 所需要能量在我国是由化石类燃料燃烧获得的 , 每烧色灰暗 ,给人以粗、硬、冷的感觉 ,由混凝土所构成的生活空间色彩单调 ,缺乏透气性、透水性 ,对温度、湿度的 调节性能差 , 在城市大密度的混凝土建筑物和铺筑的 道路 , 使城市的气温上升 , 因此有人把现代城市称为 “灰色的热岛”或“都市沙漠”。进入 20 世纪 90 年代 , 保护地球环境 , 走可持续发 展之路已成为全世界共同关心的问题。21 世纪的混凝 土不仅要满足作为结构材料的要求 , 还要尽量减少给 地球环境带来的负荷和不良影响 , 能够与自然协调 , 与 环境共生。这是实现土木建筑工程可持续发展的重要 一环。制 1 吨水泥熟料耗标准煤 178kg1, 由此还将产生 CO 2和 SO X 等有害气体 , 以温室效应和酸雨的形式增加对地球环境的负荷。目前全世界每年 CO 2 的排放量大约 为 100 亿吨2 , 其中由于生产水泥而产生的 CO 2 气体 约占 1/ 10 ,是产生温室效应气体的大户。其次 ,混凝土体积的 7080 %为砂石骨料。为取得 这些原材料 , 需要开山或挖取河床 , 破坏自然景观 , 改 变河床位置及形状 , 造成水土流失或河流改道等严重 后果。混凝土浇注使用的模板还有相当大部分采用木 模板 , 消耗大量的森林资源 , 造成热带雨林的破坏 , 间 接地影响野生动物的生息环境和生态平衡 。在混凝土 的运输与施工过程中 , 除了要消耗大量的能量之外 , 还 产生振动和噪音 , 是城市公害的主要来源。据调查 , 城 市噪音的 1/ 3 来自于建筑施工 , 其中混凝土的振动占 主要部分。再就混凝土本身的特性来看 , 质地脆硬 , 颜2环保型混凝土的种类与性能环保型混凝土是指既能减少对地球环境的负荷 ,同时又能与自然生态系统协调共生 , 为人类构造舒适环境的混凝土材料。如上所述 ,混凝土的大量生产和使 用一方面给人类提供了丰富多彩、便捷的生活设施 , 同 时也给地球环境和生态平衡造成了不良的影响 。为了 实现可持续发展的目标 , 将混凝土对环境造成的负荷 控制在最小限度之内 , 混凝土材料的研究、生产和应用 必须考虑环境因素。如图 1 所示 ,生态型两大类。环保型砼包括减轻环境负荷型3 和、观凝图 1 环保型混凝土的种类减轻环境负荷型混凝土产、使用直到解体全过程中 , 能够减轻给地球环境造成的负担。这类混凝土包括在生产阶段使用免烧水泥和 混合材料 , 减少由于煅烧水泥而产生的 CO 2 气体排放211( Environmentally Mitigat2able Concrete)所谓减轻环境负荷型混凝土 , 是指在混凝土的生混凝土与混凝土施工4环保型混凝土减轻环境负荷型混凝土生 态 型 混 凝 土合 使材 用 料 免 的 烧 混 水 凝 泥 土 、混人 造 轻骨 料 混凝 土高耐 久 性 混 凝 土免 振 自密 实 混凝 土废 弃 物再 生 混凝 土透 水、排 水 性 混 凝 土生 物 适应 型 混凝 土绿 化景 混土杨静冯乃谦21 世纪的混凝土材料 环保型混凝土量 ; 采用工业废渣制造轻骨料 , 或再生利用废弃的混凝土代替天然骨料 , 节省天然的矿物质资源 , 同时减轻固 体废渣对环境的污染 , 即在混凝土建筑物解体时 , 将废 弃的混凝土再生利用 , 或开发能够消解、消化混凝土的 技术 , 减少固体垃圾量。在混凝土的施工过程中 , 采用 免振捣、自密实混凝土 ,减少施工噪音。此外 ,开发研究 高耐久性的混凝土 , 延长结构物的使用寿命 , 也是减少 混凝土的生产量 ,实现减轻环境负荷的重要途径。有关 这类混凝土的开发与研究 , 在我国已有几十年的历史 , 从利用高炉矿渣、粉煤灰等工业废渣作为水泥的混合 材料和混凝土的掺合料 ,到开发、利用高流态、自密实、 高性能混凝土 ,均属于减轻环境负荷型混凝土。性。将这种混凝土用于铺筑道路、广场、人行道路等 ,能够扩大城市的透水、透气面积 , 增加行人、行车的舒适 性和安全性 , 减小交通噪音 , 对调节城市空间的气温和 湿度 , 维持地下土壤的水位和生态平衡具有重要作 用。生物适应型混凝土 普通的混凝土由于其组成材料之一的水泥在水化时将产生占水泥石体积 2025 %的 Ca ( OH) 2 , 使得混 凝土呈强碱性 ,p H 值高达 1213 。这种碱性对用于结 构物的钢筋混凝土来说是有利的 , 具有保护钢筋不被 腐蚀的作用。但对于道路、港湾、护岸用混凝土构件等 , 这种碱性不利于植物和水中生物的生长 , 所以开发低 碱性、内部具有一定的空隙 , 能够提供植物根部或水中 生物生长所必须的养分存在的空间。适应生物生长的 混凝土是生态混凝土的一个重要研究方向。绿化、景观混凝土传统的混凝土色彩灰暗 , 表情呆滞 , 给人以生硬、 粗糙、灰冷的视觉效果。人们生活在被钢筋混凝土填充 的城市中 , 感到远离自然 , 缺少生活情趣。所以开发能 够植被的绿化混凝土 , 用于城市的道路两侧及中央隔 离带、水边护坡、楼顶、停车场等部位 ,可以增加城市的 绿色空间 , 调节人们的生活情绪 , 同时能够吸收噪音和 粉尘 , 对城市气候的生态平衡也起到积极作用。此外 , 各种造型及色彩的混凝土构件 , 用于路旁栏杆、园林结 构物等 ,可起到美化城市 ,丰富景观的作用。212生态型混凝土( Ecological Concrete)生态型混凝土即能够适应生物生长 、对调节生态平衡、美化环境景观、实现人类与自然的协调具有积极作用的混凝土材料。有关这类混凝土的研究和开发还 刚刚起步 , 它标志着人类在从事土木工程活动 , 生产和 使用混凝土材料的过程中 , 要保护地球环境 , 维护生态 平衡的意识更加强烈了 , 对自已在建筑材料方面的开 发研究工作提出了更高的要求。开发研究减轻环境负 荷型混凝土的出发点 , 是人类承认最大宗的建筑材料混凝土的生产和使用给环境带来负担是不可避免 的 , 与此同时 , 面对大量产生的工业垃圾和混凝土给地 球环境带来的负面的影响 , 以尽量减轻这种危害的程度为目标所进行的种种努力和尝试 , 在对待混凝土与 环境的关系上应该说是一种被动的行为 。而生态型混 凝土的提出 , 是人类在处理混凝土材料与环境的关系 中更加积极的、主动的态度。它的目标是混凝土不仅仅作为建筑材料 , 为人类构筑所需要的结构物建筑物 , 而 且它是与自然融合的 , 对自然环境和生态平衡具有积 极的保护作用。透水、排水性混凝土结语人类即将跨入 21 世纪 , 在过去的 100 多年中 , 混 凝土作为用量最大的建筑材料 , 为人类建造了大量的 用于生产、生活、交通、娱乐等基础设施 , 可以说 , 20 世 纪混凝土为建造人类的物质文明立下了汗马功劳 。然 而 , 混凝土的生产与使用也给地球带来了不可忽视的 副作用。随着时代的进步 , 人类要寻求与自然和谐、可 持续发展之路 , 对混凝土也不再仅仅要求其作为结构 材料的功能 , 而是在尽量不给环境增加负担的基础上 , 进一步开发对保护环境 , 对人类与自然的协调能起到 积极作用的环保型混凝土 , 这是时代的要求 , 是混凝土 材料发展的必然趋势。3传统的结构用混凝土都要求其不透水性 ,以满足强度和抗渗、抗冻等耐久性的要求。所以城市地表面的大约 80 %被不透水、不透气的混凝土建筑物和道路覆 盖。这种状况带来的不良影响有以下几点。第一 ,在集 中降雨季节加重了城市排水系统的负担 , 容易造成内 涝和道路积水 , 影响正常的交通和城市居民的生活 ; 第 二 , 市区的地下土壤水分得不到应有的补充 , 地下水位 降低 , 使地表植物的生长受到影响 ; 第三 , 由于地表面 缺乏透气性和透水性 , 调节空气温度 、湿度的能力降 低 , 城市尤