綠色建材和綠色高性能混凝土的開發(fā)

    摘 要：本文分析了建筑材料工業(yè)對(duì)我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要性，討論了建筑材料和混凝土對(duì)人類生態(tài)環(huán)境造成的巨大破壞。提出研究和發(fā)展綠色建材和綠色混凝土是實(shí)現(xiàn)建材工業(yè)可持續(xù)化發(fā)展的正確途徑。
    關(guān)鍵詞：綠色建材；高性能混凝土；綠色高性能混凝土；可持續(xù)發(fā)展

    1 綠色建材在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展

    1．1 綠色建材在國(guó)外的發(fā)展
    綠色建材在一些發(fā)達(dá)國(guó)家早已得到研制開發(fā)。近20年來(lái)，國(guó)際上主要工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)對(duì)綠色建材發(fā)展非常重視，如美國(guó)、加拿大、日本、西歐、北歐、北美國(guó)家，已就建筑材料對(duì)室內(nèi)空氣的影響進(jìn)行了全面、系統(tǒng)的基礎(chǔ)研究工作，并制訂了嚴(yán)格的法規(guī)。1992年聯(lián)合國(guó)召開了環(huán)境與發(fā)展大會(huì)，1994年聯(lián)合國(guó)又增設(shè)了"可持續(xù)產(chǎn)品開發(fā)"工作組。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu)ISO也討論制訂了環(huán)境協(xié)調(diào)和制品的標(biāo)準(zhǔn)，大大推動(dòng)著國(guó)外綠色建材的發(fā)展。

    美國(guó)是較早提出環(huán)境標(biāo)志的國(guó)家，如美國(guó)環(huán)保局(EPA)設(shè)置了室內(nèi)空氣部，正在開展應(yīng)用于室內(nèi)的空氣質(zhì)量控制的研究計(jì)劃。加州大學(xué)設(shè)置了室內(nèi)空氣系，研究和制訂了評(píng)價(jià)建筑材料釋放揮發(fā)性有機(jī)化合物(VOC)的理論基礎(chǔ)；確定了測(cè)試建筑材料釋放揮發(fā)性有機(jī)化合物的體系和方法；提出了預(yù)測(cè)建筑材料影響室內(nèi)空氣質(zhì)量的數(shù)學(xué)模型。在一些州，規(guī)定了一些環(huán)境保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)。如洛杉磯市早在1966年就提出了限制有機(jī)溶劑排放量的"歷法規(guī)"，并于1967年開始實(shí)施。另外華盛頓州、加利福尼亞州、明尼蘇達(dá)和斯康星州都對(duì)有關(guān)污染物質(zhì)規(guī)定了環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)。美國(guó)比bile公司還建造了一棟綠色辦公大樓，其建筑面積為6．2萬(wàn)m2。加拿大是積極推動(dòng)和發(fā)展綠色建材的北美國(guó)家。加拿大的環(huán)境標(biāo)志計(jì)劃開始于1988年，至今已經(jīng)有14個(gè)類別的800多種產(chǎn)品被授予環(huán)境標(biāo)志。

    丹麥、挪威為了促進(jìn)綠色建材的發(fā)展，推出了“健康建材”(NMB)標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)家法律規(guī)定，對(duì)于出售的涂料等建材產(chǎn)品，在使用說(shuō)明書上除了標(biāo)出產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)外，還必須標(biāo)出健康指標(biāo)。瑞典也積極推動(dòng)和發(fā)展綠色建材。瑞典已正式實(shí)施新的建筑法規(guī)，規(guī)定用于室內(nèi)的建筑材料必須實(shí)行安全標(biāo)簽制。制訂了有機(jī)化合物室內(nèi)空氣濃度指標(biāo)限值。德國(guó)是世界上最早推行環(huán)境標(biāo)志的國(guó)家。1978年發(fā)布了第一個(gè)環(huán)境標(biāo)志——“藍(lán)天使”后，至今實(shí)施“藍(lán)天使”的產(chǎn)品已達(dá)7500多種，占全國(guó)商品的30％。英國(guó)也是研究開發(fā)綠色建材較早的歐洲國(guó)家之一。另外，芬蘭、冰島等國(guó)家于1989年實(shí)施了統(tǒng)一的北歐環(huán)境標(biāo)志。

    日本對(duì)綠色建材的發(fā)展非常重視。日本于1988年開展環(huán)境標(biāo)志工作，至今已經(jīng)有2500多種環(huán)保產(chǎn)品。

    1．2 我國(guó)的綠色建材發(fā)展情況
    近年來(lái)，綠色建材在國(guó)內(nèi)得到了大力開發(fā)，從國(guó)內(nèi)一些室內(nèi)裝飾產(chǎn)品所展示的一批新型裝飾產(chǎn)品看，“綠色”概念在一些廠家已經(jīng)有了深化和發(fā)展，一些國(guó)際產(chǎn)品90％以上都具有綠色標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)內(nèi)產(chǎn)品也悄然投入“綠色”行列，并有了一些長(zhǎng)足的進(jìn)步。但從總體上看，發(fā)展還不平衡，在推廣應(yīng)用上還沒有得到廣大消費(fèi)者足夠的重視，因此，出現(xiàn)了發(fā)達(dá)地區(qū)與發(fā)展地區(qū)在開發(fā)、應(yīng)用上的差距。

    我國(guó)的環(huán)境標(biāo)志是于1993年10月公布的。1994年在6類18種產(chǎn)品中首先實(shí)行環(huán)境標(biāo)志。1994年5月17日中國(guó)環(huán)境標(biāo)志產(chǎn)品認(rèn)證委員會(huì)在北京宣告成立。水性涂料是建材第一批首先實(shí)行環(huán)境標(biāo)志的產(chǎn)品。近幾年，綠色建材開始受到建筑裝飾業(yè)的重視。我國(guó)先后從美國(guó)、加拿大、澳大利亞等國(guó)家引進(jìn)了“綠色建材”中的乳膠漆，這是對(duì)過(guò)去使用的油漆等傳統(tǒng)的墻體裝飾的變革。在引進(jìn)和借鑒的基礎(chǔ)上，先后開發(fā)出環(huán)保型、健康型的壁紙、涂料、地毯、復(fù)合地板、管道、纖維增強(qiáng)石膏板等裝飾建材。如“防霉壁紙”是對(duì)傳統(tǒng)壁紙的革命性改變，經(jīng)過(guò)化學(xué)處理，排除了壁紙?jiān)诳諝獬睗窕蚴覂?nèi)外溫差較大時(shí)出現(xiàn)發(fā)霉、起泡、滋生霉菌等現(xiàn)象。目前，上海已經(jīng)成立了綠色建材展示促銷中心，同濟(jì)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院已經(jīng)將綠色建材列入重點(diǎn)建設(shè)發(fā)展的學(xué)科領(lǐng)域之一，正在系統(tǒng)、深入地開展綠色建材的研究。

    2 綠色高性能混凝土的開發(fā)及應(yīng)用

    2．1 高性能混凝土
    高性能混凝土(High Performance Concrete)的研究是當(dāng)今土木工程界最熱門的課題之一。1990年5月美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST)與美國(guó)混凝土協(xié)會(huì)(ACl)召開會(huì)議，首先提出高性能混凝土(HPC)這個(gè)名詞，認(rèn)為HPC是同時(shí)具有某些性能的勻質(zhì)混凝土，必須采用嚴(yán)格的施工工藝與優(yōu)質(zhì)原材料，配制成便于澆搗、不離析、力學(xué)性能穩(wěn)定、早期強(qiáng)度高，并具有韌性和體積穩(wěn)定性的混凝土；特別適合于高層建筑、橋梁以及暴露在嚴(yán)格環(huán)境下的建筑物。

    自“高性能混凝土(HPC)”一詞提出以來(lái)，已近10年歷史，但至今對(duì)它沒有統(tǒng)一的解釋或定義。以美國(guó)的P．K．Mehta和加拿大的P．C．Aitcin為代表的學(xué)者們認(rèn)為高性能混凝土應(yīng)該是高耐久性[14]，而不僅僅是高強(qiáng)度。除了強(qiáng)度之外，高耐久性還應(yīng)該包括高的體積穩(wěn)定性(收縮和徐變小)、低滲透性和高工作性；法國(guó)規(guī)定高性能混凝土的圓柱體強(qiáng)度應(yīng)該在50MPa以上；以東京大學(xué)岡村甫為代表的日本學(xué)者認(rèn)為高流態(tài)、免振自密實(shí)混凝土就是高性能混凝土。他們認(rèn)為高性能混凝土不僅具有良好的工作性能，而且應(yīng)該具有良好的體積穩(wěn)定性。

    由此可知，不同的學(xué)者或技術(shù)人員對(duì)高性能混凝土的定義與理解有所不同。但大多數(shù)認(rèn)為HPC的強(qiáng)度應(yīng)該不低于50-60MPa。我國(guó)的吳中偉院士認(rèn)為[15]，應(yīng)該根據(jù)用途和經(jīng)濟(jì)合理等條件對(duì)性能有所側(cè)重，現(xiàn)階段HPC強(qiáng)度低限可向中等強(qiáng)(30MPa)適當(dāng)延伸，但以不損害混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)(孔結(jié)構(gòu)、界面結(jié)構(gòu)、水化物結(jié)構(gòu)等)的發(fā)展與耐久性為度，并據(jù)此提出了HPC的初步定義為：HPC是一種新型的高技術(shù)混凝土，是在大幅度提高混凝土性能的基礎(chǔ)上，采用現(xiàn)代混凝土技術(shù)，選用優(yōu)質(zhì)原材料，在嚴(yán)格的質(zhì)量管理的條件下制成的；除了水泥、水、集料以外，必須摻加足夠數(shù)量的細(xì)摻料與高效外加劑，HPC重點(diǎn)保證下列性能：高耐久性、工作性、各種力學(xué)性能、適用性、體積穩(wěn)定性以及經(jīng)濟(jì)合理性。后來(lái)又進(jìn)一步明確為[16]：HPC是一種新型的高技術(shù)混凝土，是在大幅度提高常規(guī)混凝土性能的基礎(chǔ)上，采用現(xiàn)代混凝土技術(shù)，選用優(yōu)質(zhì)原材料，在妥善的質(zhì)量控制下制成的；除采用優(yōu)質(zhì)水泥、水和集料以外，必須采用低水膠比和摻加足夠數(shù)量的礦物細(xì)摻料與高效外加劑，HPC應(yīng)同時(shí)保證下列性能：耐久性、工作性、各種力學(xué)性能、適用性、體積穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)合理性。

    根據(jù)不同的理解還可以提出其它方面的要求和類似的定義，作者贊成如下觀點(diǎn)[17]：很難給出一個(gè)使大家都認(rèn)可并且滿意的定義，而且也不應(yīng)該設(shè)置一個(gè)大而全的框框，甚至設(shè)定具體的數(shù)值低限去限制高性能混凝土。高性能混凝土應(yīng)該成為努力的方向，而不是教條。況且，每一個(gè)特定的工程與其工作環(huán)境都存在對(duì)混凝土某些方面性能的特殊要求，而對(duì)另一些方面的性能要求則可能不需要太高，企望設(shè)計(jì)出一種任何方面的都具有優(yōu)異性能的混凝土是不切實(shí)際的。

    2．2 綠色高性能混凝土
    最早提出綠色高性能混凝土概念的是吳中偉教授。綠色高性能混凝土的提出在于加強(qiáng)人們對(duì)綠色的重視，加強(qiáng)綠色意識(shí)，要求混凝土工作者更加自覺地提高HPC的綠色含量，或者加大其綠色度，節(jié)約更多的資源、能源，將對(duì)環(huán)境的破壞減到最少，這不僅為了混凝土和建筑工程的繼續(xù)健康發(fā)展，更是人類的生存和發(fā)展所必需的。根據(jù)孫振平等人的研究[13]，認(rèn)為符合以下條件的才能稱得上是真正得綠色高性能混凝土：

    (1)所使用的水泥必須為綠色水泥；砂石料的開采應(yīng)該以十分有序且不過(guò)分破壞環(huán)境為前提。此處的“綠色水泥”是針對(duì)“綠色型”水泥工業(yè)來(lái)說(shuō)的。綠色型水泥工業(yè)是指將資源利用率和二次能源回收率均提高到最高水平，并能夠循環(huán)利用其它工業(yè)的廢渣和廢料；技術(shù)裝備上更加強(qiáng)化了環(huán)境保護(hù)的技術(shù)和措施； 產(chǎn)品除了全面實(shí)行質(zhì)量管理體系外，還真正實(shí)行全面環(huán)境保護(hù)的保證體系；粉層、廢渣和廢氣等的排放幾乎接近于零，真正做到不僅自身實(shí)現(xiàn)零污染、無(wú)公害，又因循環(huán)利用其它工業(yè)的廢料、廢渣，而幫助其它工業(yè)進(jìn)行三廢消化，最大限度地改善環(huán)境。

    (2)最大限度地節(jié)約水泥用量，從而減少水泥生產(chǎn)中的“副產(chǎn)品”——二氧化碳、二氧化硫、氧化氮等氣體，以保護(hù)環(huán)境。

    (3)更多地?fù)郊咏?jīng)過(guò)加工處理的工業(yè)廢渣，如磨細(xì)礦渣、優(yōu)質(zhì)粉煤灰、硅灰和稻殼灰等作為活性摻合料，以節(jié)約水泥，保護(hù)環(huán)境，并改善混凝土耐久性。

    (4)大量應(yīng)用以工業(yè)廢液，尤其是黑色紙漿廢液為原料改性制造的減水劑，以及在此基礎(chǔ)上研制的其它復(fù)合外加劑，幫助其它工業(yè)消化處理難以處治的液體排放物。

    (5)集中攪拌混凝土和大力發(fā)展預(yù)拌商品混凝土，消除現(xiàn)場(chǎng)攪拌混凝土所產(chǎn)生的廢料、粉層和廢水，并加強(qiáng)對(duì)廢料和廢水的循環(huán)使用。

    (6)發(fā)揮HPC的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)提高強(qiáng)度，減小結(jié)構(gòu)截面積或結(jié)構(gòu)體積，減少混凝土用量，從而節(jié)約水泥、砂、石的用量；通過(guò)改善施工性來(lái)減少澆注密實(shí)性能，降低噪音；通過(guò)大幅度提高混凝土耐久性，延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)物的使用壽命，進(jìn)一步節(jié)約維修和重建費(fèi)用，減少對(duì)自然資源無(wú)節(jié)制的使用。

    (7)對(duì)大量拆除廢棄的混凝土進(jìn)行循環(huán)利用，發(fā)展再生混凝土。

    2．3 大力開展綠色高性能混凝土的研究和應(yīng)用
    高性能混凝土具有普通混凝土無(wú)法比擬的優(yōu)良性能，對(duì)混凝土的發(fā)展將起重要作用，許多學(xué)者將其稱為混凝土的又一次革命，是2l世紀(jì)的混凝土。如果將高性能混凝土與環(huán)境保護(hù)、生態(tài)保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展結(jié)合起來(lái)考慮，加入更多的綠色成分，則成為綠色高性能混凝土。為使混凝土及其制品能適應(yīng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，而不制約經(jīng)濟(jì)快速、健康地發(fā)展，必須堅(jiān)持走可持續(xù)化并能與環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的集約化道路。目前，許多學(xué)者就如何發(fā)展高性能混凝土及綠色高性能混凝土，從混凝土原材料選擇、配比設(shè)計(jì)、試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)、施工規(guī)程、政策法律、技術(shù)進(jìn)步、研究方法、設(shè)備改造、宣傳指導(dǎo)等方面，提出了許多中肯的意見和建議[2][11][12][13][15][18][19][20]，現(xiàn)歸納為如下14條，供參考：

    (1)加強(qiáng)混凝土科研開發(fā)、標(biāo)準(zhǔn)制定、工程設(shè)計(jì)和施工人員等環(huán)保意識(shí)，加大綠色概念的宣傳力度，以引起混凝土工程領(lǐng)域各個(gè)環(huán)節(jié)的高度重視。

    (2)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；研究改進(jìn)熟料礦物組分，對(duì)傳統(tǒng)的熟料礦物、水泥進(jìn)行改性、改型，發(fā)展生產(chǎn)能耗低的新品種，調(diào)整水泥產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，及發(fā)展?jié)M足配制高性能混凝土和綠色高性能混凝土要求的水泥，并在滿足這一要求的前提下，盡量減少混凝土中的水泥用量；研究開發(fā)、改進(jìn)、提高和發(fā)展水泥生產(chǎn)工藝及技術(shù)裝備，采用新技術(shù)、新工藝、新裝備改造淘汰落后技術(shù)和裝備，以提高水泥質(zhì)量，達(dá)到節(jié)能、節(jié)約資源的目的。

    (3)大力發(fā)展人造骨料，特別是利用工業(yè)固體廢棄物粉煤灰、煤矸石生產(chǎn)制造輕骨料；積極利用城市固體垃圾，特別是拆除的舊建筑物和構(gòu)筑物的廢棄物混凝土、磚、瓦及廢物，以其代替天然砂石料，減少砂石料的消耗。

    (4)工程設(shè)計(jì)人員應(yīng)該更新傳統(tǒng)的混凝土設(shè)計(jì)方法，敢于在重大工程中摻用活性摻合料和加大摻合料的摻量；施工人員要提高施工質(zhì)量意識(shí)，嚴(yán)格施工，以保證混凝土的施工質(zhì)量。

    (5)研究工業(yè)廢渣行之有效的加工方法、加工設(shè)備，以充分利用工業(yè)廢渣的活性；在工業(yè)廢渣利用中貫徹優(yōu)質(zhì)優(yōu)用的原則。

    (6)大力發(fā)展用于調(diào)節(jié)水泥水化特性、混凝土拌合物工作特性、提高硬化混凝土各項(xiàng)性能的有機(jī)或無(wú)機(jī)的化學(xué)外加劑及礦物摻合料，以及它們的復(fù)合外加劑和復(fù)合摻合料，以發(fā)揮它們的超迭效應(yīng)。

    (7)對(duì)紙漿黑色廢液或其它廢液進(jìn)行加工處理，開發(fā)以紙漿漿液為主要原料的各種外加劑，并擴(kuò)大其使用范圍。

    (8)研究和制定綠色高性能混凝土的設(shè)計(jì)規(guī)程、質(zhì)量控制方法、驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)、施工工藝等。

    (9)大力發(fā)展推廣預(yù)拌商品混凝土技術(shù)、裝備；開發(fā)、提高各種混凝土制品生產(chǎn)技術(shù)和裝備；研究開發(fā)新的混凝土制品，提高混凝土整體水平。

    (10)加強(qiáng)對(duì)綠色高性能混凝土配套技術(shù)的研究開發(fā)，并使其適合于各種應(yīng)用場(chǎng)合，擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。 當(dāng)前要著重解決高性能混凝土和綠色高性能混凝土由于低水膠比引起的自收縮問(wèn)題、進(jìn)一步水化造成的裂紋問(wèn)題、由于高強(qiáng)度帶來(lái)的脆性問(wèn)題等。

    (11)制定有關(guān)國(guó)家法律、政策，以保護(hù)和鼓勵(lì)使用綠色高性能混凝土。

    (12)成立有關(guān)綠色高性能混凝土專門的研究、開發(fā)、推廣、質(zhì)量檢驗(yàn)和控制的機(jī)構(gòu)，以保證綠色高性能混凝土不用則罷，一用就應(yīng)該有顯著效果。

    (13)加強(qiáng)水泥混凝土行業(yè)與其它行業(yè)部門的協(xié)調(diào)，減少推廣應(yīng)用的阻力。

    (14)加強(qiáng)調(diào)查研究，開展大范圍的工程調(diào)查。弄清目前在高性能混凝土和綠色高性能混凝土研究和應(yīng)用中存在的主要問(wèn)題、經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，制訂相應(yīng)的對(duì)策和計(jì)劃。