生態(tài)環(huán)境型混凝土材料與技術(shù)

　?。?、清華大學(xué)土木系，北京，100084）（2、云南建工集團混凝土技術(shù)創(chuàng)新中心）
　?。?、中國建筑研究院建材所，北京，100013）（4、云南建工混凝土有限公司，云南 昆明，650051）

1．我國混凝土技術(shù)的現(xiàn)狀

　　（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m3/年，應(yīng)用面也很廣泛。為我國的發(fā)展和建設(shè)作出了重大的貢獻。
　?。?）混凝土結(jié)構(gòu)的承載力不足，耐久性差，壽命短。結(jié)構(gòu)過早的破壞造成資源的重大浪費和對環(huán)境帶來了嚴(yán)重污染。
　?。?）水泥混凝土材料面臨著資源和能源缺乏的新形勢。
　?。?）水泥和混凝土生產(chǎn)給生態(tài)環(huán)境帶來了嚴(yán)重的污染。

2．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%。

　　2.1 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

　　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。

　　我國混凝土產(chǎn)量約20 億m3/年。年需要粗骨料約16 億m3，細骨料約12 億m3，水泥約6.5 億噸，水約5.0 億m3（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m3 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m3 混凝土的骨料又從何來？

　　以上事實說明，我國水泥、混凝土的資源問題迫在眉睫。

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　　2.2 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m3，占水庫總?cè)萘康?0%。

　　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?；春恿饔蛴捎诠I(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。SO2 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(dāng)年的GDP 的2%。

　　空氣中微粉粒子含量達432mg/m3 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。

3．混凝土結(jié)構(gòu)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

　　山東沿海鋼筋混凝土公路橋，使用不到10 年，保護層嚴(yán)重剝落，有的已成危橋（圖1）。

圖1 埕口大橋橋墩的損傷破壞

　　深圳商報報導(dǎo)，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。

　　武漢漢江某橋原設(shè)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。

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　　有些鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，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(yán)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(yán)重的問題。

　　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(shù)性能和經(jīng)濟效果傳統(tǒng)的觀念中轉(zhuǎn)變過來；也就是說沿看技術(shù)、經(jīng)濟和生態(tài)環(huán)境三方面的合成方向發(fā)展。如圖2 所示。

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

　　生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)性的混凝土材料和技術(shù)應(yīng)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(shù)。生態(tài)混凝土與過去的混凝土相比如圖3 所示。

　　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(chǔ)上，進一步與環(huán)境問題結(jié)合起來，降低環(huán)境負(fù)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(jié)構(gòu)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。

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　　生態(tài)混凝土還可以進一步分類如圖4 所示。

　　4.1 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5 所示。水泥的化學(xué)成分如表1，物化性能如表2。

表1 水泥的化學(xué)成分和礦物組成

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　　利用生態(tài)水泥配制混凝土與普通混凝土相比如圖6，圖7 所示。

　　由此可見，生態(tài)水泥混凝土的性能與普通混凝土相似。

　　4.2 再生骨料混凝土

　　將混凝土建筑結(jié)構(gòu)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?；炷翂K再生利用的實例如圖8 所示

　　在圖8 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(xué)外加劑，可以得到流動性很大的回填土。

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　　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-3 所示。

　　*注：不考慮凍融耐久性

　　利用再生骨料配制的混凝土及其應(yīng)用如表4、表5

表5 再生骨料混凝土的用途

　　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(guān)。

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圖-9 是用不同粗細骨料配制不同水灰比混凝土強度。骨料的組合如下：

　　從圖9 可見，利用再生骨料和天然骨料適當(dāng)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。

　　4.3 非燒結(jié)粉煤灰陶?；炷疗鰤K

　　1）非燒結(jié)粉煤灰陶粒

　　工藝過程：粉煤灰非燒結(jié)陶粒工藝過程如下（圖10）

　　陶粒性能：容重700～800 ㎏/m3；抗壓強度≥4.0 MPa；吸水率：2hr≤10%,24hr≤20%。非燒結(jié)粉煤灰陶粒如圖11 所示

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　　2）非燒結(jié)粉煤灰陶粒砌塊

　　以非燒結(jié)粉煤灰陶粒為骨料，水泥、粉煤灰為膠結(jié)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(jié)構(gòu)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12 所示。

　　非燒結(jié)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(fù)荷的目的。

　　4.4 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(shè)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(jié)料，經(jīng)低溫煅燒而成的透水材料，質(zhì)輕，可以鋪設(shè)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(shè)屋頂花園。陶粒燒制的透水材料如圖13 所示。

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　　4.5 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-14 所示。

　　能使用為完全循環(huán)混凝土材料如下表：

表-7 使用作為完全循環(huán)的混凝土材料

粉 體 　?。骸∷?，礦渣微粉、粉煤灰、硅質(zhì)粉末、硅粉、石灰石粉
細骨料　?。骸?FONT face=Verdana>石灰石碎石砂、硅質(zhì)巖石碎石砂、硅砂、礦渣細骨料、膨脹頁巖系人造細骨料、粉煤灰燒成細骨料、鋼渣細骨料等滲水管與材料
粗骨料　　：　石灰石碎石，硅質(zhì)巖石碎石或卵石，粘板巖碎石或卵石，礦渣粗骨料，膨脹頁巖人造輕骨料，粉煤灰燒成粗骨料

　　通過完全循環(huán)混凝土技術(shù)，與混凝土有關(guān)資源問題可以得到改

5．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(yīng)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。

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　　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(shè)路磚。這方面的技術(shù)，在廣州、北京及武漢的一些商品混凝土攪拌站已得到應(yīng)用。

6．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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)住宅，平均造價為2000 元/m2，每平米需材料1500kg/m2（其中混凝土1000kg/m2），若全國每年建造7 億m2 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(jié)構(gòu)的高耐久性和長壽命是混凝土材料和技術(shù)發(fā)展的另一個重大問題。

　　提高混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性，除了根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計，保證足夠的承載力外，還需要根據(jù)混凝土結(jié)構(gòu)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(shè)計。

　　由于環(huán)境條件不同，耐久性設(shè)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(yù)防混凝土耐久性病害綜合癥的對策方法。

　　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(xué)外加劑。在配合比設(shè)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。

　　由于耐久性對混凝土強度要求，往往高于結(jié)構(gòu)設(shè)計對混凝土強度要求。如英吉利海峽隧道，結(jié)構(gòu)設(shè)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(shè)計混凝土不能滿足導(dǎo)電量<1000 庫侖；后來加8%硅粉，強度提高，導(dǎo)電量降至1000庫侖以下。

7．結(jié)束語

　　水泥混凝土是一種性能優(yōu)良的人造材料，為人類的文明與發(fā)展做出了巨大的貢獻。人類進入21世紀(jì)后，面臨著資源、能源和環(huán)境污染等重大問題。水泥混凝土材料又是資源、能源消耗的大戶，環(huán)境污染的重要來源。這就要求人們從傳統(tǒng)的水泥混凝土模式中走出來。結(jié)合生態(tài)環(huán)境的要求，走生態(tài)環(huán)境型的混凝土材料和技術(shù)；省資源、省能源和降低環(huán)境污染，才可能得到可持續(xù)發(fā)展。

　　作者簡介：馮乃謙（1934年7月-），出生于廣東省，1953年9月考入清華大學(xué)，畢業(yè)后從事建筑材料和制品專業(yè)至今。在清華大學(xué)工作期間，曾任水泥廠廠長、科研科長、教研室主任、清華大學(xué)專業(yè)技術(shù)職務(wù)校級學(xué)科評議組成員、中國建筑材料博士點的博士生導(dǎo)師。

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