【摘 要】為克服傳統(tǒng)混凝土的生態(tài)環(huán)保缺陷，本文重點介紹生態(tài)環(huán)保型混凝土的概念、種類及發(fā)展方向。
【關鍵詞】混凝土 生態(tài) 環(huán)保
節(jié)能減排是我國可持續(xù)發(fā)展的重要課題之一，建筑是能耗和污染排放的一個大戶。而混凝土則是建筑中體量很大、性能重要的組成部分，因此，必須高度重視混凝土的生態(tài)環(huán)保問題。筆者查閱了許多文獻，結合本人長期工程實踐的體驗，從分析傳統(tǒng)混凝土的生產(chǎn)、使用中的各種生態(tài)環(huán)境缺陷入手， 介紹生態(tài)環(huán)保型混凝土的概念、種類，指出生態(tài)環(huán)保型混凝土的問世、發(fā)展具有合理性和必然性，它將引領混凝土的未來發(fā)展， 希望引起業(yè)內(nèi)人士予以關注。
1 混凝土帶來的環(huán)保生態(tài)問題
2 0 世紀以來，隨著科學技術的飛速發(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，同時也造成了各種嚴重的地球環(huán)境問題。人類面臨著資源枯竭和能源危機，地球溫暖化，臭氧層破壞，土漠化和石漠化，野生動物種類減少，熱帶雨林減少，酸雨范圍擴大等環(huán)境問題日益嚴重，大氣、水質(zhì)與土壤污染，噪音、振動等公害給人類的生活帶來了極大的危害。作為現(xiàn)代建筑物大宗采用的混凝土及其組成材料，其生產(chǎn)、施工、使用是造成這些環(huán)境問題與公害的原因之一。
據(jù)有關資料，全世界水泥年產(chǎn)量已達到12.5 億噸，世界混凝土年使用量大約為7 0 億立方米；我國預計“十一五”期間，水泥消費需求增長3%~3.5% ，可以說混凝土是人類與自然界進行物質(zhì)與能量的交換活動中消費量較大的一種材料。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筑的人類生活空間的質(zhì)量。長期以來，人類僅僅注意到混凝土為人類所用，給人類帶來了方便和財富的一面，卻忽略了混凝土給人類和地球帶來負影響的另一面。隨著時代的進步，人類對生產(chǎn)效率、生活的方便性與舒適性的要求越來越高。為了滿足人類日益增長的需求， 建筑業(yè)中從事混凝土理論科學與實際工程的研究人員，不斷探索，從素混凝土到鋼筋混凝土、預應力混凝土；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)場攪拌到機械攪拌的商品混凝土；從人工插搗、機械振搗，到泵送、自密實混凝土等，混凝土的理論與技術不斷趨于成熟。然而，這些研究的目的僅是滿足現(xiàn)代人類單方面的需求， 而忽略了保護自然環(huán)境因素的研究。
混凝土材料給環(huán)境帶來的負荷主要表現(xiàn)在以下幾個方面：首先，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 。在制造水泥時石灰石分解成生石灰（C a O ），同時排出具有溫室效應的C O 2 氣體（生產(chǎn)1 噸水泥大約要排出1噸C O 2 氣體）。同時，水泥的燒成反應所需的能量在我國是由化石類燃料燃燒獲得的（目前新型干法水泥１噸熟料耗標準煤1 1 0 公斤），同時還將產(chǎn)生C O 2 和S O X 等有害氣體，以溫室效應和酸雨的形式增加對地球環(huán)境的負荷。目前全世界每年C O 2 的排放量大約為1 0 0 億噸，其中由于生產(chǎn)水泥而產(chǎn)生的C O 2 氣體約占1 / 1 0 ，是產(chǎn)生溫室效應氣體的大戶。在未來2 5 年里，全球的氣溫會上升1 ℃~ 2 ℃，而在1 0 0 年以內(nèi)上升幅度可能會高達6 ℃（見圖1 ）。
其次，混凝土體積的7 0 % ～8 0 % 為砂石骨料。為取得這些原材料，需要開山或掘取河床，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重后果；混凝土澆注使用的模板還有相當大部分采用木模板，消耗大量的森林資
源，造成熱帶雨林的破壞，間接地影響野生動物的生息環(huán)境和生態(tài)平衡；在混凝土的運輸與施工過程中，除了要消耗大量的能量之外，還產(chǎn)生振動和噪音，是城市公害的主要來源。據(jù)調(diào)查，城市噪音的1 / 3 來自于建筑施工，其中混凝土的振搗占主要部分。再就混凝土本身的特性來看，質(zhì)地脆硬，顏色灰暗，給人以粗、硬、冷的感覺；由混凝土所構成的生活空間色彩單調(diào)，缺乏透氣性、透水性，對溫度、濕度的調(diào)節(jié)性能差；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”。因此，本世紀的混凝土不僅要滿足作為結構材料的要求，還要盡量減少給地球環(huán)境帶來的負荷和不良影響，能夠與自然協(xié)調(diào)，與環(huán)境共生。這是實現(xiàn)土木建筑工程可持續(xù)發(fā)展的重要一環(huán)。
2 混凝土前沿科學的哲學思考
混凝土的發(fā)展經(jīng)過了三個階段的質(zhì)的飛躍，每次飛躍都意味著混凝土科學向前又邁出了重要的一步， 都極大地提高了混凝土科學和技術的發(fā)展。
第一階段，波特蘭水泥的問世。波特蘭水泥的產(chǎn)生標志著真正意義的水泥混凝土的問世。
第二階段，外加劑的出現(xiàn)。高效減水劑降低了混凝土中水泥的用量，提高了混凝土拌和物的工作性，提高了混凝土的強度、密實度及耐久性；引氣劑通過在混凝土中引入均勻細小的密閉氣泡，極大地提高了混凝土的抗凍性和耐久性；促凝劑和緩凝劑使混凝土的凝結時間更容易被我們所控制。自此，混凝土的強度、耐久性等性能有了極大的提高，標志著現(xiàn)代混凝土的出現(xiàn)。
第三階段，第六組相的研究。第六組相指的就是摻合料作為輔助膠凝材料的使用。粉煤灰具有形態(tài)效應、火山灰效應和微集料填充效應，作為摻合料摻入混凝土中，能改善混凝土的性能；礦渣是玻璃體，自身就能發(fā)生水化反應，能提高混凝土的強度；硅粉能極大地提高混凝土的強度和耐久性。
這些礦物大多是工業(yè)廢料，利用到混凝土中不僅降低了污染，降低了混凝土的水泥用料，而且提高了混凝土的性能。
上述三個階段，反映了混凝土從無到有，從初級到高級，從單一功能到復合功能，從僅僅滿足工程需要到兼顧與自然、與人類社會的和諧，它遵循著事物普遍的發(fā)展規(guī)律。生態(tài)環(huán)保問題，已成了混凝土發(fā)展到今天必須跨越的重大屏障，在這方面，第六組相混凝土已使之初露曙光。這標志著混凝土朝著生態(tài)環(huán)保型發(fā)展。正是基于以上前沿性哲學思考， 我們提出了生態(tài)環(huán)保型混凝土。
3 生態(tài)環(huán)保型混凝土
生態(tài)環(huán)保型混凝土是指既能減少對地球環(huán)境的負荷，同時又能與自然生態(tài)系統(tǒng)協(xié)調(diào)共生，為人類構造舒適環(huán)境的混凝土材料，包括減輕環(huán)境負荷型和生態(tài)型兩大類。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、便捷的生活設施，同時也給地球環(huán)境和生態(tài)平衡造成了不良的影響。為了實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的目標，將混凝土對環(huán)境造成的負荷控制在最小限度之內(nèi)，混凝土材料的研究、生產(chǎn)和應用必須考慮環(huán)境因素。
3.1 減輕環(huán)境負荷型混凝土
減輕環(huán)境負荷型混凝土被列入生態(tài)環(huán)保型混凝土行列，主要是因為在原材料方面利用工業(yè)廢渣部分替代了水泥，從而減少了水泥的用量，節(jié)約了不可再生的粘土、石灰石等原材料，并減少了工業(yè)廢渣排放。此外，還因為這類混凝土具有普通混凝土無法比擬的優(yōu)良性能，如高強度、高耐久性等，使混凝土的體量減少，使用期延長，從而減輕了對環(huán)境的壓力。
（1 ）高強混凝土
目前，各個國家對高強混凝土有著不同的概念。結合我國實際，中國土木工程學會與高性能混凝土委員會提出的《高強混凝土結構設計施工指南》將強度超過5 0 M P a 的混凝土稱為高強混凝土。
目前高強混凝土已普遍應用于實際工程中，具有強度高、自重輕、建筑構件截面積小、增加建筑使用面積等優(yōu)點。
脆性是高強混凝土的致命弱點，這是目前急需解決的問題。與普通混凝土相比，高強混凝土的彈性模量略高，應力—應變曲線的直線段比普通混凝土更長些，達到最大應力時的應變量稍有增大。由于高強混凝土中水泥石的強度較高，骨料的應力—應變曲線差別較小，因此高強混凝土中內(nèi)應力分布較均勻，微裂紋的形成與發(fā)展也相應減少，因而混凝土內(nèi)部應力重分配的能力也減弱，使高強混凝土在極限載荷作用下變形量較小，并發(fā)生脆性突然破壞。此外體積穩(wěn)定性是高強混凝土存在的特殊問題，其原因主要是高強混凝土的膠凝材料用量比較大，拌合物中水泥漿出現(xiàn)懸浮狀態(tài)使其初始收縮變大。
（2 ）高性能混凝土
2 0 世紀9 0 年代，美國首先提出H P C （高性能混凝土）的新概念，在國內(nèi)吳中偉教授最早提出了H P C 并指出了它的意義：應具備高施工性、高抗?jié)B性、高體積穩(wěn)定性，并保持其強度持續(xù)增長，最終獲得耐久性能。目前國際上普遍采用的配制H P C的技術途徑是硅酸鹽水泥+ 高效減水劑+ 活性礦物摻合料這一路線。H P C 的高耐久性不僅是對混凝土的一種要求，也是節(jié)約礦產(chǎn)、砂石，減少建筑垃圾的產(chǎn)生，保護自然環(huán)境的需要。大量摻用粉煤灰等工業(yè)廢料，形成良好的循環(huán)。
從當前的研究工作和應用情況來看，H P C 在性能上還存在一些問題：①自縮引起裂縫；②“濕張”引起表面裂縫；③其應力、應變曲線與普通混凝土不同。研究表明，在H P C 中摻入一定體積的鋼纖維后，不管是自縮產(chǎn)生的裂縫還是“濕脹”產(chǎn)生的裂縫都能得到一定程度的緩解，且鋼纖維還能起到增強的作用使混凝土達到更高的性能，德國科學家稱之為超高性能混凝土（S H P C ）。在巴西辦公大廈中還首次使用一種叫HPCC（High PerfomanceColored Concrete）的混凝土，這種混凝土將含鐵氧化物的礦物干粉摻入拌合料，使混凝土呈現(xiàn)出紅色，不僅解決了以往混凝土建筑視覺效果差的缺點，還得到了更高的早期強度和耐久性。另外，H P C 的生產(chǎn)需要高素質(zhì)的操作人員、完善的施工設施和高水平的質(zhì)量管理與控制，故將計算機技術引入H P C 的配合比設計、生產(chǎn)控制管理是H P C技術的發(fā)展方向。
（3 ）再生混凝土
再生混凝土又稱再生骨料混凝土（R e c y c l e dAggregate Concrete），是用廢棄混凝土塊作粗骨料，加入水泥砂漿拌制的混凝土。二戰(zhàn)后，蘇聯(lián)、德國、日本等發(fā)達國家就開始研究和再生利用，特別是美國政府專門制定了《超基金法》給再生混凝土的開發(fā)提供了法律保障。我國對再生混凝土的研究晚于工業(yè)發(fā)達國家，但也進行了立項研究，并取得了一些成果。目前對再生混凝土的研究都是圍繞再生混凝土的基本性能進行的，且均只局限于中、低強度等級。再生混凝土的應用面也較窄，大多用于道路面層和墊層，用于建筑物承重結構的幾乎沒有報道。所以再生混凝土的高強化甚至開發(fā)高性能再生混凝土應該是以后的研究重點。
目前再生混凝土主要存在強度問題、造價成本問題和收縮問題。由于再生骨料一般都有不同程度裂縫、抗壓強度低等缺陷，故再生混凝土的強度一般都比較低，要想提高其強度除了用傳統(tǒng)的摻高效減水劑+ 活性礦物外，還應該從提高再生骨料的強度著手，這兩方面是獲得再生高性能混凝土（R H P C ）的突破口。再生混凝土的收縮問題也是源于再生骨料的缺陷，再生骨料的吸水率和吸水速度比普通骨料大得多，吸水率高則必然導致失水后干縮增大、徐變增大。再生混凝土特別是再生高性能混凝土的造價問題比較突出，一方面再生骨料的獲得要經(jīng)過清洗、破碎、分級等工序，另一方面高效減水劑、硅粉的成本較高，因此在再生混凝土的應用方面一定要進行工程效益、質(zhì)量控制成本、質(zhì)量可靠性評價等綜合技術經(jīng)濟分析。
3.2 生態(tài)型混凝土
開發(fā)研究減輕環(huán)境負荷型混凝土的出發(fā)點，是人類承認最大宗的建筑材料——混凝土的生產(chǎn)和使用給環(huán)境帶來負擔是不可避免的。面對大量產(chǎn)生的工業(yè)垃圾和混凝土給地球環(huán)境帶來的負面影響，以盡量減輕這種危害的程度為目標所進行的種種努力和嘗試，在對待混凝土與環(huán)境的關系上應該說是一種被動的行為。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)境的關系中更加積極的、主動的態(tài)度。它的目標是混凝土不僅僅作為建筑材料，為人類構筑所需要的結構物和建筑物，而且它是與自然融合的，對自然環(huán)境和生態(tài)平衡具有積極的保護作用。
生態(tài)型混凝土即能夠適應生物生長、對調(diào)節(jié)生態(tài)平衡、美化環(huán)境景觀、實現(xiàn)人類與自然的協(xié)調(diào)具有積極作用的混凝土材料。有關這類混凝土的研究和開發(fā)還剛剛起步，它標志著人類在從事土木工程活動，生產(chǎn)和使用混凝土材料的過程中，要保護地球環(huán)境，維護生態(tài)平衡的意識更加強烈了，對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。
（1 ）綠色植被混凝土
環(huán)保型綠色植被混凝土，是利用多孔混凝土的空隙部位吸水、透氣，能夠滲透植物所需營養(yǎng)，利于生長植物根系的特點來種植綠草、矮小灌木等植物。綠色植被混凝土適用于保護和綠化河道堤防、江湖堤坡；防止道路兩側(cè)坡面塌落；建筑物墻壁和屋頂綠化。它能起到保護生態(tài)環(huán)境的作用，達到與大自然和諧的美觀效果。有關資料表明，綠色植被混凝土抗壓強度可達到1 5 ~ 1 8 M P a ，重量減輕了約3 0 % ；（據(jù)新華社報道，日本鹿島建設公司開發(fā)出表面可生長植物的混凝土）。 這種吸水混凝土內(nèi)混有植物纖維，吸水量最多可達自身重量的3 5 % ，具有高度的浸透性；可根據(jù)需要做成任意形狀，施工簡單、綠化方便，不脫落、開裂、變形。
（2） 透水混凝土
透水混凝土是由粗骨料、水泥和水拌制而成的一種多孔輕質(zhì)混凝土。它不含細骨料，由粗骨料表面包覆一薄層水泥漿相互粘結而形成孔穴均勻分布的蜂窩狀結構， 故具有透水和重量輕的特點。透水混凝土的研究開發(fā)已經(jīng)越來越受到重視。
傳統(tǒng)的結構用混凝土都要求其不透水，以滿足強度和抗?jié)B、抗凍等耐久性的要求。所以城市地表面的大約8 0 % 被不透水、不透氣的混凝土建筑物和道路所覆蓋。這種狀況帶來的不良影響有以下幾點：第一，在集中降雨季節(jié)加重了城市排水系統(tǒng)的負擔，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有的補充， 地下水位降低，使地表植物的生長受到影響；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，城市尤其是市區(qū)的局部氣候惡化，生態(tài)平衡失調(diào)。
排水性、透水性混凝土與傳統(tǒng)的混凝土相比，最大的特點是具有1 5 % ～3 0 % 的連通孔隙，具有透氣性和透水性。將這種混凝土用于鋪筑道路、廣場、人行道路等， 能夠擴大城市的透水、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。
（3 ）生物適應型混凝土
普通的混凝土由于其組成材料之一的水泥在水化時將產(chǎn)生占水泥石體積20%～25% 的Ca(OH)2，使得混凝土呈強堿性，P H 值高達1 2 ～1 3 。這種堿性對用于結構物的鋼筋混凝土來說是有利的，具有保護鋼筋不被腐蝕的作用；但對于道路、港灣、護岸用混凝土構件等，這種堿性不利于植物和水中生物的生長。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所必須的養(yǎng)分存在的空間的混凝土，能使這一問題得到解決。因此，適應生物生長的混凝土是生態(tài)混凝土的一個重要研究方向。
（4 ）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、灰冷的視覺效果。人們生活在被鋼筋混凝土填充的城市中，感到遠離自然，缺少生活情趣。所以開發(fā)能夠植被的綠化景觀混凝土，用于城市的道路兩側(cè)及中央隔離帶、水邊護坡、樓頂、停車場等部位，可以增加城市的綠色空間，調(diào)節(jié)人們的生活情趣， 同時能夠吸收噪音和粉塵，對城市氣候的生態(tài)平衡也起到積極作用。此外，各種造型及色彩的混凝土構件，用于路旁欄桿、園林結構物等，可起到美化城市，豐富景觀的作用。
4 混凝土未來研究方向
現(xiàn)代混凝土研究及應用技術正向“八高”——高強度、高抵抗變形能力、高韌性、高耐久、高阻裂（是重中之重）、高服役壽命、高體積穩(wěn)定性、高性價化；“八化”——綠色化、高與超高性能化、生態(tài)化、高科技化、智能化、微料細絲復合化、多功能化、商品化等方向發(fā)展。其中，生態(tài)化、綠色化、高耐久、高服役壽命等特性反映了生態(tài)環(huán)保要求，是混凝土未來研究的主攻方向。
5 結 語
生態(tài)環(huán)保型混凝土的研究及使用，是一項關系到建筑工程可持續(xù)健康發(fā)展的重要工作，是混凝土不可逆轉(zhuǎn)的必然發(fā)展方向，目前世界上許多國家都開始并繼續(xù)在這一領域積極研究、探索和實踐。中國在這方面的工作才剛剛起步，雖然已經(jīng)取得了一些成績，但離廣泛的實際應用還很遠，還有待于技術、材料、觀念與市場的進一步成熟，還有待于各相關領域?qū)＜覍G色生態(tài)建筑概念與我國實際條件、具體問題與需求進行更加系統(tǒng)和深入的研究與掌握，推進綠色環(huán)保建筑技術的標準化、系列化、工業(yè)化、工程化與集約化。雖然任重道遠，但我們欣喜地看到，它已悄然向我們走來。
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