生態(tài)水泥混凝土材料與技術(shù)
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摘要：生態(tài)混凝土是減輕地球環(huán)境負(fù)荷、與生態(tài)體系協(xié)調(diào)發(fā)展、創(chuàng)造舒適生活環(huán)境的混凝土材料。第二次世界大戰(zhàn)后，前蘇聯(lián)、德國(guó)、日本等國(guó)對(duì)廢棄混凝土進(jìn)行了開發(fā)研究和再生利用，提混凝土必須生態(tài)化、綠色化，同時(shí)開始利用廢棄混凝土做骨料生產(chǎn)再生混凝土，并對(duì)其強(qiáng)度、耐久性、經(jīng)濟(jì)性等進(jìn)行了研究。我國(guó)也已經(jīng)意識(shí)到生態(tài)水泥混凝土材料和技術(shù)是今后水泥混凝土行業(yè)發(fā)展的大趨勢(shì)，這樣才能使水泥混凝土行業(yè)走向可持續(xù)發(fā)展的道路。
1、前言
以水泥為膠凝材料生產(chǎn)的混凝土，今天已成為全世界各種各樣結(jié)構(gòu)工程建設(shè)首選的建筑材料，這主要是由它的經(jīng)濟(jì)性所決定：原材料來源廣泛、便宜，施工與維修費(fèi)用較低廉。使混凝土技術(shù)向前推進(jìn)的兩大驅(qū)動(dòng)力是加快施工速度和改善混凝土耐久性。除了加快施工速度和改善耐久性以外，第三種驅(qū)動(dòng)力，即對(duì)環(huán)境友好的工業(yè)化材料，這方面在未來技術(shù)評(píng)價(jià)中的重要性正在日益增大[1].隨著人類數(shù)量的迅速增長(zhǎng)和工業(yè)化進(jìn)程的加快，混凝土材料不再僅用于修建普通建筑和道路，而且大量用于修建基礎(chǔ)設(shè)施，如地下快速交通系統(tǒng)、污水處理設(shè)施、海洋建筑等。去年全世界每年共生產(chǎn)約16億噸水泥，排放出占全球總排放量5％的二氧化碳?；炷凉I(yè)每年消耗100億噸砂石和10億噸淡水[2].水泥混凝土對(duì)于地球的生態(tài)環(huán)境影響很大，探索循環(huán)經(jīng)濟(jì)理論，使水泥混凝土工業(yè)走向可持續(xù)發(fā)展的道路是我國(guó)建材工業(yè)面臨的重大的課題。
“環(huán)境材料”首先由日本通產(chǎn)省提出，之后又出現(xiàn)了許多類似的提法，如“生態(tài)材料”、“生態(tài)環(huán)境材料”、“綠色材料”、“保健環(huán)境材料”等，它們都是以保護(hù)地球環(huán)境和資源為出發(fā)點(diǎn)而提出的概念。綠色建筑材料是那些以對(duì)生態(tài)環(huán)境負(fù)責(zé)的方式使用地球資源、無毒、盡量利用再生資源并且本身是可以再生利用的材料[3]. “綠色”的名詞來源于60年代，指天然、原始的環(huán)境，現(xiàn)在 “綠色”已經(jīng)成為無毒、無害、無污染的代名詞。
1993年前沿科學(xué)研究會(huì)提出生態(tài)材料（Environmentally Conscious Materials）的概念，日本混凝土協(xié)會(huì)與生態(tài)混凝土研究委員會(huì)于1995年首先提出“生態(tài)混凝土”的概念（eco-concrete/Environmentally Friendly Concrete），其涵義是減輕地球環(huán)境負(fù)荷、與生態(tài)體系協(xié)調(diào)發(fā)展、 并創(chuàng)造舒適生活環(huán)境的混凝土材料。日本混凝土協(xié)會(huì)于1995年設(shè)立了生態(tài)混凝土研究委員會(huì)，發(fā)表的關(guān)于各種生態(tài)混凝土材料研究成果受到了社會(huì)的關(guān)注[4].
2、減輕環(huán)境負(fù)荷的生態(tài)混凝土（Environmentally Mitigatable Concrete）
減輕環(huán)境負(fù)荷型生態(tài)混凝土即指能減輕地球環(huán)境壓力的混凝土材料。這包括資源的消耗量以及資源的采伐、深加工、使用時(shí)的能耗各個(gè)環(huán)節(jié)對(duì)地球產(chǎn)生的壓力都比較小的混凝土材料，即混凝土制造時(shí)降低環(huán)境的負(fù)擔(dān)，混凝土在使用中降低環(huán)境負(fù)荷，使用后混凝土材料本身能夠循環(huán)利用以降低環(huán)境負(fù)擔(dān)。
2.1 生態(tài)水泥配制混凝土及水泥生產(chǎn)的生態(tài)化制造技術(shù)生態(tài)水泥是指用城市的垃圾灰、下水道或污水處理廠的污泥及其它的工業(yè)廢棄物等作為水泥的原料制造的水泥。用這種水泥制作混凝土可以有效解決廢棄物處理占地、石灰石資源和節(jié)省能源的問題。
用水泥回轉(zhuǎn)窯在生產(chǎn)水泥過程中處理城市危險(xiǎn)廢棄物和生活垃圾也已經(jīng)成為了水泥生態(tài)化制備的重要技術(shù)，在歐洲、日本和中國(guó)都實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)。北京水泥廠已經(jīng)利用水泥回轉(zhuǎn)窯在水泥生產(chǎn)過程中處理各種危險(xiǎn)廢棄物10000余噸，既節(jié)約了燃料，又利用了焚燒后廢棄物作為水泥的原料生產(chǎn)出合格的水泥熟料，取得了良好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。國(guó)外從70年代初就著手利用可燃性危險(xiǎn)廢棄物作為替代燃料應(yīng)用于水泥生產(chǎn)的研究。水泥回轉(zhuǎn)窯在處理危險(xiǎn)廢棄物方面較之用專用焚化爐具有以下優(yōu)越性：一是水泥窯內(nèi)溫度高，氣體溫度可達(dá)1350～1650℃（焚化爐溫度一般為850～1200℃），對(duì)有害成分焚燒率可達(dá)99.999%；二是滯留時(shí)間長(zhǎng)，水泥回轉(zhuǎn)窯內(nèi)氣體通過時(shí)間一般為4～8秒（焚化爐一般為2秒）；三是熱穩(wěn)定性好，水泥回轉(zhuǎn)窯內(nèi)容積大并有大量高溫熔體；四是利于廢氣的凈化處理，水泥回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的堿性物質(zhì)可以和廢棄物中的酸性物質(zhì)相化合形成穩(wěn)定的鹽類；五是水泥回轉(zhuǎn)窯可將廢棄物中的絕大部分重金屬元素固定在熟料中，避免再次擴(kuò)散之害。因此利用水泥回轉(zhuǎn)窯焚燒危險(xiǎn)廢棄物將具有重大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
2.2 再生骨料與再生骨料混凝土再生骨料混凝土（Recycled Aggregate Concrete）是指將使用過的混凝土或廢棄混凝土破碎后作為混凝土的集料，以代替天然集料制作混凝土。廢棄混凝土的膠結(jié)材、混合材或骨料也可用作制作水泥的原料，進(jìn)行多次重復(fù)使用。
2.2.1 廢棄混凝土排放現(xiàn)狀一方面，混凝土生產(chǎn)需要大量的天然砂石骨料，生產(chǎn)1m3的混凝土大約需要1700～2000kg的砂石骨料。目前，全世界每年混凝土的使用量大約為20億立方米，砂石骨料大約為34～40億噸，這個(gè)數(shù)字是非常驚人的。如此巨大的砂石骨料需求必然導(dǎo)致大量的開山采石，最終結(jié)果會(huì)導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境的破壞。另一方面，世界每年拆除的廢舊混凝土、新建建筑產(chǎn)生的廢棄混凝土以及混凝土工廠、預(yù)制構(gòu)件廠排放的廢舊混凝土的數(shù)量是巨大的。根據(jù)1996年在英國(guó)召開的混凝土?xí)h資料表明，全世界從1991～2000年的10年間，廢棄混凝土（包括從鋼筋混凝土工廠不合格的產(chǎn)品）總量超過10億噸。有關(guān)資料表明，歐洲共同體廢棄混凝土的排放量從1980年的5500萬噸增加到目前的16200萬噸左右；美國(guó)每年大約有6000萬噸廢棄混凝土；日本每年約有1600萬噸廢棄混凝土；在德國(guó)，每年拆除的廢棄混凝土約為0. 3噸/年/人，這一數(shù)字在今后還會(huì)繼續(xù)增長(zhǎng)。我國(guó)每年拆除建筑垃圾按4000萬噸計(jì)算，其中34%是混凝土塊，則由此產(chǎn)生的廢棄混凝土就有1360萬噸，除此之外還有新建房屋產(chǎn)生4000萬噸的建筑垃圾所產(chǎn)生的廢棄混凝土[7][8].傳統(tǒng)的建筑垃圾處理方法主要是運(yùn)往郊外堆放或填埋，這不僅占有大量的耕地，而且造成環(huán)境污染。[5]因此，對(duì)混凝土占用大量自然資源及對(duì)環(huán)境造成的負(fù)面影響，不可避免地需要從可持續(xù)發(fā)展問題角度進(jìn)行思考與解決。
2.2.2 廢棄混凝土研究利用情況第二次世界大戰(zhàn)后，蘇聯(lián)、德國(guó)、日本等國(guó)對(duì)廢棄混凝土進(jìn)行了開發(fā)研究和再生利用，已召開過三次有關(guān)廢混凝土再利用的專題國(guó)際會(huì)議，提出混凝土必須綠色化。再生混凝土的利用已成為發(fā)達(dá)國(guó)家所共同研究的課題，有些國(guó)家還采用立法形式來保證此項(xiàng)研究和應(yīng)用的發(fā)展。德國(guó)、荷蘭、比利時(shí)等國(guó)家廢棄物資再生率已達(dá)50%以上。德國(guó)鋼筋混凝土委員會(huì)1998年8月提出了“在混凝土中采用再生骨料的應(yīng)用指南”，要求采用再生骨料配置的混凝土必須完全符合天然骨料混凝土的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[9].1977年日本政府制定了《再生骨料和再生混凝土使用規(guī)范》，并相繼在各地建立了以處理混凝土廢棄物為主的再生加工廠，生產(chǎn)再生骨料和再生混凝土。根據(jù)日本建設(shè)省的統(tǒng)計(jì)，1995年混凝土的利用率為65%，要求到2000年混凝土塊的資源再利用率達(dá)到90%.日本對(duì)再生混凝土的吸水性、強(qiáng)度、配合比、收縮、耐凍性等進(jìn)行了系統(tǒng)性的研究。德國(guó)有望將80%的再生骨料用于10%～15%的混凝土工程中。比利時(shí)和荷蘭，利用廢棄的混凝土做骨料生產(chǎn)再生混凝土，并對(duì)其強(qiáng)度、吸水性、收縮等特性進(jìn)行了研究。我國(guó)政府制定的中長(zhǎng)期科教興國(guó)戰(zhàn)略和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，也鼓勵(lì)廢棄物的研究和應(yīng)用。
2.2.3 再生骨料混凝土性能再生骨料的性質(zhì)同天然砂石骨料相比含有30%左右的硬化水泥砂漿，從而導(dǎo)致其吸水性能、表觀密度等物理性質(zhì)與天然骨料不同。再生骨料表面粗糙、棱角較多，并且骨料表面還包裹著相當(dāng)數(shù)量的水泥砂漿（水泥砂漿孔隙率大、吸水率高），再加上混凝土塊在解體、破碎過程中由于損傷積累使再生骨料內(nèi)部存在大量微裂紋，這些因素都使再生骨料的吸水率和吸水速率增大，這對(duì)配制再生混凝土是不利的。同樣由于骨料表現(xiàn)的水泥砂漿的存在，使再生骨料的密度和表觀密度比普通骨料低 [10] [11] . 用再生骨料制備的混凝土同用天然骨料拌制的混凝土相比較，其力學(xué)性能是不同的。對(duì)于再生骨科混凝土來說，我們感興趣的其他性能，例如抗拉強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度和彈性模量等，通常都是較低的，而徐變和收縮率卻是較高的。各種性能的差異程度取決于再生骨料所占的比重、原混凝土特征、污染物質(zhì)的數(shù)量和性質(zhì)，細(xì)粒材料和附著砂漿的數(shù)量、研究之目的在于測(cè)定這些因素的最佳組合，以便較經(jīng)濟(jì)地生產(chǎn)適合于某種用途的再生骨料混凝土。含有再生骨料的混凝土之耐久性，也受上述各種因素的影響。然而最明顯的因素就是污染物質(zhì)的存在。
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2.2.4 再生骨料處理技術(shù)要擴(kuò)大再生骨料混凝土的應(yīng)用范圍，將再生骨料混凝土用于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)工程中，必須要對(duì)再生骨料進(jìn)行改性強(qiáng)化處理[12].根據(jù)再生骨料的基本特性， 對(duì)再生骨料的改性通常采取如下幾種途徑。
a）機(jī)械活化
機(jī)械活化的目的在于破壞弱的再生碎石顆粒或除去粘附于再生碎石顆粒表面的水泥砂漿。俄羅斯的試驗(yàn)表明，經(jīng)球磨機(jī)活化的再生骨料質(zhì)量大大提高，再生粗骨料的壓碎指標(biāo)降低到12以下，可用于生產(chǎn)鋼筋混凝土構(gòu)件。這種活化再生骨料的方法最有前途。
b）酸液活化
這種活化方法是將再生骨料置于酸液中，如置于冰醋酸、鹽酸溶液中，利用酸液與再生骨料中的水泥水化產(chǎn)物Ca（OH）2反應(yīng)，起到改善再生骨料顆粒表面的作用，從而改善再生骨料的性能。
c）化學(xué)漿液處理
該法是采用較高標(biāo)號(hào)水泥和水按一定比例調(diào)成素水泥漿液，為了改善水泥漿液的性能也可向其中摻入適量的其它物質(zhì)，如超細(xì)礦物質(zhì)（粉煤灰、硅粉等）或防水劑（FeCl3防水劑、硅質(zhì)防水劑等）或硫鋁酸鈣類膨脹劑。利用漿液對(duì)再生骨料浸泡、干燥等處理，以改善再生骨料的孔隙結(jié)構(gòu)來提高再生骨料質(zhì)量。
d）水玻璃溶液處理
用液體水玻璃溶液浸漬再生骨料，利用水玻璃與再生骨料表面的水泥水化產(chǎn)物Ca（OH）2反應(yīng)生成的硅酸鈣膠體能填充再生骨料孔隙，使再生骨料的密實(shí)度有所改善[13].
2.2.5 再生骨料混凝土應(yīng)用存在的主要問題再生骨料主要用來配制中低強(qiáng)度的混凝，用在道路面層和墊層，而在建筑物承重結(jié)構(gòu)中一般用得不多，再生混凝土的應(yīng)用范圍還相當(dāng)窄。阻礙再生混凝土廣泛應(yīng)用的阻力一是其經(jīng)濟(jì)性，由于再生骨料的收集和制備要耗費(fèi)一定的機(jī)械設(shè)備和人力，從純經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的角度來講，再生骨料的生產(chǎn)是微利甚至虧損；阻礙再生混凝土廣泛應(yīng)用的另一個(gè)阻力是缺乏再生骨料和再生混凝土通用的設(shè)計(jì)規(guī)程和有關(guān)材料、施工和驗(yàn)收的標(biāo)準(zhǔn)。
2.3 用混合材制作混凝土用粉煤灰、高爐礦渣等工業(yè)廢料作為混合材制作混凝土，達(dá)到節(jié)省資源、減少廢棄物處理用地抑制CO2排放量的目的。當(dāng)今全世界粉煤灰的年排量約為4.5億噸，只有0.25億噸，或6%作為混合材用于水泥或礦物摻合料用于混凝土。如果將粉煤灰在混凝土里的應(yīng)用加大，那么混凝土對(duì)環(huán)境友好的作用就能大大增強(qiáng)。有大量高爐礦渣副產(chǎn)品的國(guó)家還可以通過利用其作為混凝土或水泥摻合料獲利。摻有高效減水劑的混凝土，當(dāng)拌合物的水膠比為0.3或者更低時(shí)，最多可達(dá)60%的水泥用粉煤灰代替，并具備強(qiáng)度與耐久性優(yōu)異的特性。其彈性模量、徐變、干縮和凍融特性均與普通混凝土相當(dāng)。值得注意的是：這種混凝土抵抗水和氯離子滲透的能力優(yōu)異，從結(jié)構(gòu)耐久性的角度，包括控制暴露于侵蝕環(huán)境中鋼筋的銹蝕，應(yīng)用摻有超塑化劑的高摻量粉煤灰混凝土是粉煤灰在建筑業(yè)中附加值最高的途徑。在碾壓混凝土中通常摻有大量火山灰質(zhì)材料，主要是粉煤灰，如瑞士一高度為95m的Platanovryssi壩所用碾壓混凝土水泥用量?jī)H35Kg/m3，而粉煤灰（屬高鈣粉煤灰，總CaO達(dá)42%）為250 Kg/m3，是以褐煤為原料的熱電廠所排放，使用前經(jīng)預(yù)處理（燃燒并水化）。每年全世界高爐礦渣的產(chǎn)量大約為1億噸，作為膠凝材料的比率很低，因?yàn)樵谠S多國(guó)家，只有少部分礦渣進(jìn)行水淬或粒化處理，而緩慢冷卻的重礦渣沒有膠凝性質(zhì)。雖然美國(guó)材料試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會(huì)規(guī)定礦渣在水泥中的摻量可以到65%，但商品水泥中一般不超過50%.
自密實(shí)混凝土技術(shù)技術(shù)工人短缺和節(jié)省施工時(shí)間，是日本開發(fā)和應(yīng)用自密實(shí)混凝土的主要原因。由于這種混凝土要有足夠的粘聚性，以保證其澆注過程不致離析，粉體需用量較大，如果全用水泥，容易導(dǎo)致開裂，因此粉煤灰、礦渣或石灰石粉的摻量通常較高。如日本明石大橋的錨固墩29萬立方米混凝土里均摻有150 Kg/m3石灰石粉。在法國(guó)，預(yù)拌混凝土廠生產(chǎn)供應(yīng)自密實(shí)混凝土，作為無噪音產(chǎn)品，可用于城市街區(qū)一帶的混凝土澆注。由于減小噪音、節(jié)約勞力并延長(zhǎng)鋼模板使用壽命，預(yù)制混凝土業(yè)也對(duì)其感到興趣。從生產(chǎn)技術(shù)上講，自密實(shí)混凝土生產(chǎn)過程節(jié)能、高效、減少噪音具有混凝土生態(tài)化施工技術(shù)的特點(diǎn)。P.K.Mehta根據(jù)材料與施工費(fèi)用、耐久性和對(duì)環(huán)境友好三方面作為技術(shù)評(píng)價(jià)的基準(zhǔn)對(duì)未來的混凝土材料和技術(shù)進(jìn)行了評(píng)價(jià)，認(rèn)為超塑化大摻量粉煤灰混凝土、超塑化大摻量礦渣混凝土對(duì)未來混凝土的沖擊會(huì)很大，自密實(shí)混凝土也對(duì)混凝土行業(yè)有一定的沖擊，這更多地取決于它們的生態(tài)友好特性。
3、環(huán)境協(xié)調(diào)型混凝土環(huán)境協(xié)調(diào)型混凝土是指通過混凝土材料的性能、形狀或構(gòu)造等的設(shè)計(jì)，使其具有降低環(huán)境負(fù)荷的能力。
例如通過控制混凝土空隙特性和空隙率，可使混凝土具有不同的性能，如良好的透水性、吸音性能、蓄熱性能、吸附氣體性能等。通過對(duì)混凝土性能和色彩的設(shè)計(jì)，使混凝土能與動(dòng)植物和諧共生，這類混凝土包括植物適應(yīng)型生態(tài)混凝土、海洋生物適應(yīng)型生態(tài)混凝土和淡水生物適應(yīng)型混凝土，以及凈化水質(zhì)用生態(tài)混凝土[3，14].
3.1 多孔混凝土材料與制品多孔混凝土（Porous Concrete），簡(jiǎn)稱POC，是由粗骨料與水泥漿或砂漿結(jié)合而成，形狀如“米花糖”，又稱“無砂混凝土”（No fines concrete）或大孔型混凝土，具有連續(xù)孔隙結(jié)構(gòu)是其一大特征。POC具有良好的透水性和透氣性，孔隙率一般為5－35％，能夠提供生物的繁殖生長(zhǎng)空間，凈化和保護(hù)地下水資源，吸收躁音等，因此多孔混凝土作為一種典型的環(huán)境材料而受到人們的重視[15].
3.2 多孔混凝土用原材料與制備方法使用材料主要有水泥、粗集料、細(xì)集料、混合材、外加劑以及水，與普通混凝土的原材料基本相同，但是，有時(shí)也不用細(xì)集料、混合材和外加劑。因孔隙率、孔徑大小、孔徑分布以及孔是否連通是多孔混凝土考慮的主要性能，所以，對(duì)集料的粒徑有特殊要求。多孔混凝土一般在工廠內(nèi)制作，方法之一如下：將除水以外的其他材料倒入攪拌機(jī)中預(yù)拌，然后加入水拌和，使砂漿包裹在粗集料的表面上，然后倒入模具中振動(dòng)成型。成型后采用蒸汽養(yǎng)護(hù)（預(yù)養(yǎng)3小時(shí)、65°C養(yǎng)護(hù)4小時(shí)、然后自然降溫。）有時(shí)，生物植被混凝土采用普通混凝土與多孔混凝土雙層結(jié)構(gòu)。孔混凝土的配合是根據(jù)要求其具備的品質(zhì)和功能而確定，反映多孔混凝土性能的項(xiàng)目有孔隙率、透水系數(shù)、抗壓強(qiáng)度、抗凍融循環(huán)性和干縮，評(píng)價(jià)多孔混凝土的功能則是依據(jù)這些性能。
3.3 多孔混凝土的應(yīng)用
3.3.1 植物栽培和綠化過去利用混凝土栽種植物，主要是先成型箱式和井格式制品，留出空間，填入土壤、再栽培。采用多孔混凝土?xí)r，主要是利用POC的連續(xù)空隙，作為植物根的生長(zhǎng)空間[16].由此，可以將POC擴(kuò)大應(yīng)用于河川護(hù)岸等工程進(jìn)行坡面的綠化。作為這種用途的POC也可稱為綠化混凝土。植物生長(zhǎng)必須有土壤，利用連續(xù)空隙生長(zhǎng)植物同樣需填入必要的土壤，利用混凝土生長(zhǎng)植物的要點(diǎn)是：
?。?）適于植物生長(zhǎng)的POC的技術(shù)要求；
（2）填充相關(guān)種類土壤的方法。作為POC的技術(shù)要求主要是確保連續(xù)的空隙和空隙的必要直徑。如能確保連續(xù)空隙率達(dá)到25%以上程度，就能維持植物生長(zhǎng)的良好狀態(tài)。此外，骨料的粒徑越大、空隙直徑越大，植物根的伸長(zhǎng)空間就有保證，填入土壤也較容易。作為粗骨料以粒徑為13～20mm的碎石為宜。所用的土壤材料，為滿足保水性、保肥性的要求，有陽離子交換量高的有機(jī)物、粘土或浮石（Zeolite）等，還有高吸水樹脂和粘土或有機(jī)物（泥炭苔）等保水性材料或與土相混使用。POC用于綠化不僅限于河川護(hù)岸工程，而且還可考慮用于停車場(chǎng)和層面的綠化。不僅能滿足生態(tài)環(huán)保的需要，而且也是抑制“熱島”（Heatisland）現(xiàn)象的有效措施。
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3.3.2 水的抑制與滲透利用POC的透水性能，可以用透水的路面。下雨時(shí)，汽車道上行駛的汽車會(huì)遇到水滑現(xiàn)象（Hydroplaning），飛濺的的水珠引起視界不良，如采用POC路面，這種現(xiàn)象即可消除，因而可以改善行車的安全性。同時(shí)還可以吸收汽車噪聲。
近來在都市開發(fā)中，瀝青和混凝土地面大大降低了雨水向地下的滲透，減少了地下水，并引起地基下沉。此外，由于雨水流速加快，還會(huì)引起都市河川泛濫等事故，作為綜合排水的一項(xiàng)措施就是利用POC制成滲透性輸水管和水斗等加大雨水滲透措施。此外，如用于地下水的蓄排水，還將POC廣泛用于道路、隧道、住宅用地、高爾夫球場(chǎng)等。
3.3.3 水質(zhì)凈化河川、湖沼、海域等水環(huán)境本來就有自然凈化的作用。但像城市中所見河川、多為混凝土三面開式結(jié)構(gòu)或以大都市為背景直立護(hù)岸的封鎖性水域，由于生物種類數(shù)量的減少，自然凈化的功能相應(yīng)減退。POC由于存在連續(xù)空隙，水、氣自由通入，在多孔質(zhì)內(nèi)部和表面，易于附著細(xì)菌（bacteria）和藻類等，形成可棲息的生物膜，使其中的好氣性（需氧性）細(xì)菌對(duì)有機(jī)物具有凈化的可能。生物的附著因水域條件而異，一般在三個(gè)月以內(nèi)即可加大區(qū)別。例如：將中空的POC球體投入公園的河道內(nèi)，后來出現(xiàn)的生物種類有：2種細(xì)菌、45種藻類、原生動(dòng)物5種和后生動(dòng)物等多種多樣生物。此外，在海域內(nèi)，也能觀察到附有細(xì)菌類、藻類和小動(dòng)物以及貝類和大型海藻類多種生物。由于POC能附著多種多樣生物，因而促進(jìn)了水質(zhì)的自然凈化作用，為此一些廠商已開發(fā)出球狀、凹凸?fàn)畹萈OC制品，以供生物棲息凈化水質(zhì)之用。
3.3.4 吸音、隔音作為道路、鐵路等交通設(shè)施以及工廠機(jī)器設(shè)備噪聲的對(duì)策，主要是采用吸音材料（吸音板）。吸音材料按外觀分類，有POC等多孔材料、孔隙板構(gòu)造體、膜狀材料和板狀材料等類，但多孔材料的吸音域特征，以中高音區(qū)最佳。POC如采用珍珠巖等人工輕骨料，即成為一種強(qiáng)度、耐候性都較大優(yōu)越的吸音材料。實(shí)際上，已經(jīng)有與其它材料復(fù)合構(gòu)成既吸聲又隔音的隔音墻等類做法。作為實(shí)際的使用領(lǐng)域，除用于有關(guān)設(shè)施的外墻外，還可以作為吸音材料用于軌道面板。如用于高速鐵路的軌道板，應(yīng)解決的有軌道、車輪間發(fā)生的高噪音問題。對(duì)此，不僅關(guān)系到吸音特性， 而且還要求一定的耐久性。
3.3.5 生物的生息現(xiàn)在漁業(yè)正在向養(yǎng)殖業(yè)轉(zhuǎn)換，正在推廣人工漁礁板法，即將預(yù)制帶孔洞的混凝土塊體投入海域，為魚類提供生長(zhǎng)條件?，F(xiàn)在有了POC，由于表面呈凹凸?fàn)睿覟槎嗫仔圆牧?，海藻生長(zhǎng)茂密，作為一種人工漁礁和人工海藻礁材料已引人注目。通過調(diào)查，改變混凝土類型、空隙率、骨料類型和尺寸等，將混凝土預(yù)制成板材后投入海域，一年后觀察海藻生長(zhǎng)情況表明，普通混凝土的植被率為60%，而POC為100%左右，而且海藻生長(zhǎng)良好。除海藻外，還附著有其它海洋生物。因此，POC有望進(jìn)一步用于人工漁礁和人工海藻礁。
3.3.6 改善溫度特性、保護(hù)水資源1999年9月10日晚，河南省鄭州市，連降暴雨約1小時(shí)，主要街道積水超過20cm，交通受阻；1999年9月，浙江省溫洲市，降雨400mm，街道成河，交通中斷，類似新聞，每年都有報(bào)道。與此同時(shí)，淡水資源日趨緊缺，我國(guó)北方大多數(shù)城市水資源緊缺狀況越來越嚴(yán)重，這些現(xiàn)象與社會(huì)的工業(yè)化和都市化進(jìn)展的同時(shí)而忽視環(huán)境保護(hù)不無關(guān)系。
伴隨這都市化的進(jìn)展，混凝土地面覆蓋率一直在增加。東京都在昭和35年的覆蓋率約為4.4%，到平成3年增加到14.9%.與次對(duì)應(yīng)的是計(jì)劃銀座昭和42年前的雨水流出系數(shù)為0.7，以后達(dá)到0.8，到昭和58年流出系數(shù)已經(jīng)達(dá)到了0.9.可見，都市化進(jìn)展與雨水的流出系數(shù)有密切的相關(guān)性。
都市地區(qū)的流出系數(shù)增加意味著雨水沒有滲回到地下，全部通過市區(qū)的河道及下水管道排出，因此，增加了城市排水系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，成為市區(qū)內(nèi)發(fā)生水災(zāi)增加的原因之一。而且，由于水分不能深入到地層中，土壤中儲(chǔ)存的水分減少，會(huì)使該地區(qū)溫度變化增大。伴隨著都市化的進(jìn)展、鋪裝率增加引起的滲透雨水的減少是人們所謂“都市沙漠”、“熱島效應(yīng)”形成的主要原因。1999年8月9日的北京日?qǐng)?bào)第五版曾發(fā)表過一篇“熱島效應(yīng)，熱上加熱”的新聞報(bào)道，指出北京市今年夏季出現(xiàn)罕見的高溫，市區(qū)6月24日和7月24日最高氣溫分別達(dá)到39.1℃和42.2℃，而延慶同期最高氣溫分別為36℃和37℃。 夏季的熱島效應(yīng)使北京城區(qū)氣溫增高4~6℃。 報(bào)道認(rèn)為，熱島效應(yīng)產(chǎn)生的主要原因是，城市發(fā)展改變和破壞了原有的自然條件。如大部分的地表植被建筑物、瀝青或水泥馬路所代替，地面滲水力降低，發(fā)射太陽輻射少，吸收多，使京城夏季地面溫度高達(dá)45℃以上。熱島效應(yīng)不僅會(huì)使溫度升高，還造成降水量減少，風(fēng)力減少，市民悶熱感加劇。采用透水性鋪裝時(shí)，路基、路床能夠貯留水分，因而增大了路基、路床的熱容量，并對(duì)其溫度特性有影響。可以想象，含水越多，溫度變化越緩慢。日本對(duì)新瀉市的透水性瀝青鋪裝和非透水性普通瀝青鋪裝的測(cè)定結(jié)果表明，夏季晴天時(shí)，透水性鋪裝的表面溫度比非透水性鋪裝的表面溫度低；冬季晴天時(shí)，兩者基本無差別，但白天透水性鋪裝的表面溫度高；雨天時(shí)，夏季透水性鋪裝的表面溫度低，冬天時(shí)表面溫度高?？梢?，透水性鋪裝和一般的非透水性鋪裝相比，夏季涼爽，冬季暖和。另外，可以想象積雪時(shí)透水性鋪裝更易露出路面。
為避免熱島效應(yīng)或城市沙漠現(xiàn)象的進(jìn)一步發(fā)展，在今后的城市規(guī)劃和市政建設(shè)中，采用透水性混凝土材料及制品是一條積極有效的措施， 例如透水性混凝土排水管，公園、居民小區(qū)步行道、河道護(hù)坡、立交橋護(hù)坡采用透水性混凝土構(gòu)件等。使雨水盡量滲回地下，保護(hù)地下水位， 減緩城市熱島效應(yīng)； 雨季又可減輕城市排水系統(tǒng)壓力，做到排疏并舉，減少城市水災(zāi)。
4、綠色高性能混凝土這種技術(shù)不是通過生產(chǎn)混凝土本身來降低環(huán)境的負(fù)荷，而是通過合理的設(shè)計(jì)以及適應(yīng)的使用方法，提高混凝土的耐久性和建筑物的壽命達(dá)到降低環(huán)境的負(fù)荷的目的。
與水泥混凝土的再循環(huán)利用技術(shù)相對(duì)應(yīng)，減輕環(huán)境負(fù)荷的有效措施是盡量延長(zhǎng)建筑物的安全使用壽命，這樣避免了建筑物的解體工作和再建設(shè)施工的次數(shù)，從而降低了能源和資源的消耗，總的來說，降低了環(huán)境的負(fù)荷。長(zhǎng)壽命混凝土主要是指其耐久性與目前使用的混凝土相比具有較大幅度的提高，從而使混凝土構(gòu)筑物的壽命大幅度提高，在此主要是通過提高混凝土本身的耐久性（超耐久混凝土）來提高建筑物的壽命；另外，即使使用普通耐久性的混凝土，在設(shè)計(jì)、維修方面采取必要措施，也可使混凝土構(gòu)筑物使用壽命延長(zhǎng)。
5、結(jié)語
生態(tài)水泥混凝土材料和技術(shù)無疑是今后水泥混凝土行業(yè)發(fā)展的大趨勢(shì)。在我們已經(jīng)付出了沉重的環(huán)境代價(jià)后的今天，讓水泥混凝土行業(yè)走向可持續(xù)發(fā)展的道路是我們行業(yè)發(fā)展的必然選擇。生態(tài)水泥混凝土不僅僅是一種材料、一項(xiàng)技術(shù)或一個(gè)法規(guī)，它是一個(gè)完整的體系，從原材料、生產(chǎn)、設(shè)計(jì)、施工、使用，一直到建筑物的解體和循環(huán)利用，首先是一個(gè)概念和意識(shí)，只有水泥混凝土全行業(yè)都認(rèn)識(shí)到水泥混凝土的可持續(xù)發(fā)展的重要性，水泥混凝土行業(yè)才能實(shí)現(xiàn)真正的可持續(xù)發(fā)展，才能進(jìn)入良性的產(chǎn)業(yè)循環(huán)模式。
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1、前言
以水泥為膠凝材料生產(chǎn)的混凝土，今天已成為全世界各種各樣結(jié)構(gòu)工程建設(shè)首選的建筑材料，這主要是由它的經(jīng)濟(jì)性所決定：原材料來源廣泛、便宜，施工與維修費(fèi)用較低廉。使混凝土技術(shù)向前推進(jìn)的兩大驅(qū)動(dòng)力是加快施工速度和改善混凝土耐久性。除了加快施工速度和改善耐久性以外，第三種驅(qū)動(dòng)力，即對(duì)環(huán)境友好的工業(yè)化材料，這方面在未來技術(shù)評(píng)價(jià)中的重要性正在日益增大[1].隨著人類數(shù)量的迅速增長(zhǎng)和工業(yè)化進(jìn)程的加快，混凝土材料不再僅用于修建普通建筑和道路，而且大量用于修建基礎(chǔ)設(shè)施，如地下快速交通系統(tǒng)、污水處理設(shè)施、海洋建筑等。去年全世界每年共生產(chǎn)約16億噸水泥，排放出占全球總排放量5％的二氧化碳?；炷凉I(yè)每年消耗100億噸砂石和10億噸淡水[2].水泥混凝土對(duì)于地球的生態(tài)環(huán)境影響很大，探索循環(huán)經(jīng)濟(jì)理論，使水泥混凝土工業(yè)走向可持續(xù)發(fā)展的道路是我國(guó)建材工業(yè)面臨的重大的課題。
“環(huán)境材料”首先由日本通產(chǎn)省提出，之后又出現(xiàn)了許多類似的提法，如“生態(tài)材料”、“生態(tài)環(huán)境材料”、“綠色材料”、“保健環(huán)境材料”等，它們都是以保護(hù)地球環(huán)境和資源為出發(fā)點(diǎn)而提出的概念。綠色建筑材料是那些以對(duì)生態(tài)環(huán)境負(fù)責(zé)的方式使用地球資源、無毒、盡量利用再生資源并且本身是可以再生利用的材料[3]. “綠色”的名詞來源于60年代，指天然、原始的環(huán)境，現(xiàn)在 “綠色”已經(jīng)成為無毒、無害、無污染的代名詞。
1993年前沿科學(xué)研究會(huì)提出生態(tài)材料（Environmentally Conscious Materials）的概念，日本混凝土協(xié)會(huì)與生態(tài)混凝土研究委員會(huì)于1995年首先提出“生態(tài)混凝土”的概念（eco-concrete/Environmentally Friendly Concrete），其涵義是減輕地球環(huán)境負(fù)荷、與生態(tài)體系協(xié)調(diào)發(fā)展、 并創(chuàng)造舒適生活環(huán)境的混凝土材料。日本混凝土協(xié)會(huì)于1995年設(shè)立了生態(tài)混凝土研究委員會(huì)，發(fā)表的關(guān)于各種生態(tài)混凝土材料研究成果受到了社會(huì)的關(guān)注[4].
2、減輕環(huán)境負(fù)荷的生態(tài)混凝土（Environmentally Mitigatable Concrete）
減輕環(huán)境負(fù)荷型生態(tài)混凝土即指能減輕地球環(huán)境壓力的混凝土材料。這包括資源的消耗量以及資源的采伐、深加工、使用時(shí)的能耗各個(gè)環(huán)節(jié)對(duì)地球產(chǎn)生的壓力都比較小的混凝土材料，即混凝土制造時(shí)降低環(huán)境的負(fù)擔(dān)，混凝土在使用中降低環(huán)境負(fù)荷，使用后混凝土材料本身能夠循環(huán)利用以降低環(huán)境負(fù)擔(dān)。
2.1 生態(tài)水泥配制混凝土及水泥生產(chǎn)的生態(tài)化制造技術(shù)生態(tài)水泥是指用城市的垃圾灰、下水道或污水處理廠的污泥及其它的工業(yè)廢棄物等作為水泥的原料制造的水泥。用這種水泥制作混凝土可以有效解決廢棄物處理占地、石灰石資源和節(jié)省能源的問題。
用水泥回轉(zhuǎn)窯在生產(chǎn)水泥過程中處理城市危險(xiǎn)廢棄物和生活垃圾也已經(jīng)成為了水泥生態(tài)化制備的重要技術(shù)，在歐洲、日本和中國(guó)都實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)。北京水泥廠已經(jīng)利用水泥回轉(zhuǎn)窯在水泥生產(chǎn)過程中處理各種危險(xiǎn)廢棄物10000余噸，既節(jié)約了燃料，又利用了焚燒后廢棄物作為水泥的原料生產(chǎn)出合格的水泥熟料，取得了良好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。國(guó)外從70年代初就著手利用可燃性危險(xiǎn)廢棄物作為替代燃料應(yīng)用于水泥生產(chǎn)的研究。水泥回轉(zhuǎn)窯在處理危險(xiǎn)廢棄物方面較之用專用焚化爐具有以下優(yōu)越性：一是水泥窯內(nèi)溫度高，氣體溫度可達(dá)1350～1650℃（焚化爐溫度一般為850～1200℃），對(duì)有害成分焚燒率可達(dá)99.999%；二是滯留時(shí)間長(zhǎng)，水泥回轉(zhuǎn)窯內(nèi)氣體通過時(shí)間一般為4～8秒（焚化爐一般為2秒）；三是熱穩(wěn)定性好，水泥回轉(zhuǎn)窯內(nèi)容積大并有大量高溫熔體；四是利于廢氣的凈化處理，水泥回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的堿性物質(zhì)可以和廢棄物中的酸性物質(zhì)相化合形成穩(wěn)定的鹽類；五是水泥回轉(zhuǎn)窯可將廢棄物中的絕大部分重金屬元素固定在熟料中，避免再次擴(kuò)散之害。因此利用水泥回轉(zhuǎn)窯焚燒危險(xiǎn)廢棄物將具有重大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
2.2 再生骨料與再生骨料混凝土再生骨料混凝土（Recycled Aggregate Concrete）是指將使用過的混凝土或廢棄混凝土破碎后作為混凝土的集料，以代替天然集料制作混凝土。廢棄混凝土的膠結(jié)材、混合材或骨料也可用作制作水泥的原料，進(jìn)行多次重復(fù)使用。
2.2.1 廢棄混凝土排放現(xiàn)狀一方面，混凝土生產(chǎn)需要大量的天然砂石骨料，生產(chǎn)1m3的混凝土大約需要1700～2000kg的砂石骨料。目前，全世界每年混凝土的使用量大約為20億立方米，砂石骨料大約為34～40億噸，這個(gè)數(shù)字是非常驚人的。如此巨大的砂石骨料需求必然導(dǎo)致大量的開山采石，最終結(jié)果會(huì)導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境的破壞。另一方面，世界每年拆除的廢舊混凝土、新建建筑產(chǎn)生的廢棄混凝土以及混凝土工廠、預(yù)制構(gòu)件廠排放的廢舊混凝土的數(shù)量是巨大的。根據(jù)1996年在英國(guó)召開的混凝土?xí)h資料表明，全世界從1991～2000年的10年間，廢棄混凝土（包括從鋼筋混凝土工廠不合格的產(chǎn)品）總量超過10億噸。有關(guān)資料表明，歐洲共同體廢棄混凝土的排放量從1980年的5500萬噸增加到目前的16200萬噸左右；美國(guó)每年大約有6000萬噸廢棄混凝土；日本每年約有1600萬噸廢棄混凝土；在德國(guó)，每年拆除的廢棄混凝土約為0. 3噸/年/人，這一數(shù)字在今后還會(huì)繼續(xù)增長(zhǎng)。我國(guó)每年拆除建筑垃圾按4000萬噸計(jì)算，其中34%是混凝土塊，則由此產(chǎn)生的廢棄混凝土就有1360萬噸，除此之外還有新建房屋產(chǎn)生4000萬噸的建筑垃圾所產(chǎn)生的廢棄混凝土[7][8].傳統(tǒng)的建筑垃圾處理方法主要是運(yùn)往郊外堆放或填埋，這不僅占有大量的耕地，而且造成環(huán)境污染。[5]因此，對(duì)混凝土占用大量自然資源及對(duì)環(huán)境造成的負(fù)面影響，不可避免地需要從可持續(xù)發(fā)展問題角度進(jìn)行思考與解決。
2.2.2 廢棄混凝土研究利用情況第二次世界大戰(zhàn)后，蘇聯(lián)、德國(guó)、日本等國(guó)對(duì)廢棄混凝土進(jìn)行了開發(fā)研究和再生利用，已召開過三次有關(guān)廢混凝土再利用的專題國(guó)際會(huì)議，提出混凝土必須綠色化。再生混凝土的利用已成為發(fā)達(dá)國(guó)家所共同研究的課題，有些國(guó)家還采用立法形式來保證此項(xiàng)研究和應(yīng)用的發(fā)展。德國(guó)、荷蘭、比利時(shí)等國(guó)家廢棄物資再生率已達(dá)50%以上。德國(guó)鋼筋混凝土委員會(huì)1998年8月提出了“在混凝土中采用再生骨料的應(yīng)用指南”，要求采用再生骨料配置的混凝土必須完全符合天然骨料混凝土的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[9].1977年日本政府制定了《再生骨料和再生混凝土使用規(guī)范》，并相繼在各地建立了以處理混凝土廢棄物為主的再生加工廠，生產(chǎn)再生骨料和再生混凝土。根據(jù)日本建設(shè)省的統(tǒng)計(jì)，1995年混凝土的利用率為65%，要求到2000年混凝土塊的資源再利用率達(dá)到90%.日本對(duì)再生混凝土的吸水性、強(qiáng)度、配合比、收縮、耐凍性等進(jìn)行了系統(tǒng)性的研究。德國(guó)有望將80%的再生骨料用于10%～15%的混凝土工程中。比利時(shí)和荷蘭，利用廢棄的混凝土做骨料生產(chǎn)再生混凝土，并對(duì)其強(qiáng)度、吸水性、收縮等特性進(jìn)行了研究。我國(guó)政府制定的中長(zhǎng)期科教興國(guó)戰(zhàn)略和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，也鼓勵(lì)廢棄物的研究和應(yīng)用。
2.2.3 再生骨料混凝土性能再生骨料的性質(zhì)同天然砂石骨料相比含有30%左右的硬化水泥砂漿，從而導(dǎo)致其吸水性能、表觀密度等物理性質(zhì)與天然骨料不同。再生骨料表面粗糙、棱角較多，并且骨料表面還包裹著相當(dāng)數(shù)量的水泥砂漿（水泥砂漿孔隙率大、吸水率高），再加上混凝土塊在解體、破碎過程中由于損傷積累使再生骨料內(nèi)部存在大量微裂紋，這些因素都使再生骨料的吸水率和吸水速率增大，這對(duì)配制再生混凝土是不利的。同樣由于骨料表現(xiàn)的水泥砂漿的存在，使再生骨料的密度和表觀密度比普通骨料低 [10] [11] . 用再生骨料制備的混凝土同用天然骨料拌制的混凝土相比較，其力學(xué)性能是不同的。對(duì)于再生骨科混凝土來說，我們感興趣的其他性能，例如抗拉強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度和彈性模量等，通常都是較低的，而徐變和收縮率卻是較高的。各種性能的差異程度取決于再生骨料所占的比重、原混凝土特征、污染物質(zhì)的數(shù)量和性質(zhì)，細(xì)粒材料和附著砂漿的數(shù)量、研究之目的在于測(cè)定這些因素的最佳組合，以便較經(jīng)濟(jì)地生產(chǎn)適合于某種用途的再生骨料混凝土。含有再生骨料的混凝土之耐久性，也受上述各種因素的影響。然而最明顯的因素就是污染物質(zhì)的存在。
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2.2.4 再生骨料處理技術(shù)要擴(kuò)大再生骨料混凝土的應(yīng)用范圍，將再生骨料混凝土用于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)工程中，必須要對(duì)再生骨料進(jìn)行改性強(qiáng)化處理[12].根據(jù)再生骨料的基本特性， 對(duì)再生骨料的改性通常采取如下幾種途徑。
a）機(jī)械活化
機(jī)械活化的目的在于破壞弱的再生碎石顆粒或除去粘附于再生碎石顆粒表面的水泥砂漿。俄羅斯的試驗(yàn)表明，經(jīng)球磨機(jī)活化的再生骨料質(zhì)量大大提高，再生粗骨料的壓碎指標(biāo)降低到12以下，可用于生產(chǎn)鋼筋混凝土構(gòu)件。這種活化再生骨料的方法最有前途。
b）酸液活化
這種活化方法是將再生骨料置于酸液中，如置于冰醋酸、鹽酸溶液中，利用酸液與再生骨料中的水泥水化產(chǎn)物Ca（OH）2反應(yīng)，起到改善再生骨料顆粒表面的作用，從而改善再生骨料的性能。
c）化學(xué)漿液處理
該法是采用較高標(biāo)號(hào)水泥和水按一定比例調(diào)成素水泥漿液，為了改善水泥漿液的性能也可向其中摻入適量的其它物質(zhì)，如超細(xì)礦物質(zhì)（粉煤灰、硅粉等）或防水劑（FeCl3防水劑、硅質(zhì)防水劑等）或硫鋁酸鈣類膨脹劑。利用漿液對(duì)再生骨料浸泡、干燥等處理，以改善再生骨料的孔隙結(jié)構(gòu)來提高再生骨料質(zhì)量。
d）水玻璃溶液處理
用液體水玻璃溶液浸漬再生骨料，利用水玻璃與再生骨料表面的水泥水化產(chǎn)物Ca（OH）2反應(yīng)生成的硅酸鈣膠體能填充再生骨料孔隙，使再生骨料的密實(shí)度有所改善[13].
2.2.5 再生骨料混凝土應(yīng)用存在的主要問題再生骨料主要用來配制中低強(qiáng)度的混凝，用在道路面層和墊層，而在建筑物承重結(jié)構(gòu)中一般用得不多，再生混凝土的應(yīng)用范圍還相當(dāng)窄。阻礙再生混凝土廣泛應(yīng)用的阻力一是其經(jīng)濟(jì)性，由于再生骨料的收集和制備要耗費(fèi)一定的機(jī)械設(shè)備和人力，從純經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的角度來講，再生骨料的生產(chǎn)是微利甚至虧損；阻礙再生混凝土廣泛應(yīng)用的另一個(gè)阻力是缺乏再生骨料和再生混凝土通用的設(shè)計(jì)規(guī)程和有關(guān)材料、施工和驗(yàn)收的標(biāo)準(zhǔn)。
2.3 用混合材制作混凝土用粉煤灰、高爐礦渣等工業(yè)廢料作為混合材制作混凝土，達(dá)到節(jié)省資源、減少廢棄物處理用地抑制CO2排放量的目的。當(dāng)今全世界粉煤灰的年排量約為4.5億噸，只有0.25億噸，或6%作為混合材用于水泥或礦物摻合料用于混凝土。如果將粉煤灰在混凝土里的應(yīng)用加大，那么混凝土對(duì)環(huán)境友好的作用就能大大增強(qiáng)。有大量高爐礦渣副產(chǎn)品的國(guó)家還可以通過利用其作為混凝土或水泥摻合料獲利。摻有高效減水劑的混凝土，當(dāng)拌合物的水膠比為0.3或者更低時(shí)，最多可達(dá)60%的水泥用粉煤灰代替，并具備強(qiáng)度與耐久性優(yōu)異的特性。其彈性模量、徐變、干縮和凍融特性均與普通混凝土相當(dāng)。值得注意的是：這種混凝土抵抗水和氯離子滲透的能力優(yōu)異，從結(jié)構(gòu)耐久性的角度，包括控制暴露于侵蝕環(huán)境中鋼筋的銹蝕，應(yīng)用摻有超塑化劑的高摻量粉煤灰混凝土是粉煤灰在建筑業(yè)中附加值最高的途徑。在碾壓混凝土中通常摻有大量火山灰質(zhì)材料，主要是粉煤灰，如瑞士一高度為95m的Platanovryssi壩所用碾壓混凝土水泥用量?jī)H35Kg/m3，而粉煤灰（屬高鈣粉煤灰，總CaO達(dá)42%）為250 Kg/m3，是以褐煤為原料的熱電廠所排放，使用前經(jīng)預(yù)處理（燃燒并水化）。每年全世界高爐礦渣的產(chǎn)量大約為1億噸，作為膠凝材料的比率很低，因?yàn)樵谠S多國(guó)家，只有少部分礦渣進(jìn)行水淬或粒化處理，而緩慢冷卻的重礦渣沒有膠凝性質(zhì)。雖然美國(guó)材料試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會(huì)規(guī)定礦渣在水泥中的摻量可以到65%，但商品水泥中一般不超過50%.
自密實(shí)混凝土技術(shù)技術(shù)工人短缺和節(jié)省施工時(shí)間，是日本開發(fā)和應(yīng)用自密實(shí)混凝土的主要原因。由于這種混凝土要有足夠的粘聚性，以保證其澆注過程不致離析，粉體需用量較大，如果全用水泥，容易導(dǎo)致開裂，因此粉煤灰、礦渣或石灰石粉的摻量通常較高。如日本明石大橋的錨固墩29萬立方米混凝土里均摻有150 Kg/m3石灰石粉。在法國(guó)，預(yù)拌混凝土廠生產(chǎn)供應(yīng)自密實(shí)混凝土，作為無噪音產(chǎn)品，可用于城市街區(qū)一帶的混凝土澆注。由于減小噪音、節(jié)約勞力并延長(zhǎng)鋼模板使用壽命，預(yù)制混凝土業(yè)也對(duì)其感到興趣。從生產(chǎn)技術(shù)上講，自密實(shí)混凝土生產(chǎn)過程節(jié)能、高效、減少噪音具有混凝土生態(tài)化施工技術(shù)的特點(diǎn)。P.K.Mehta根據(jù)材料與施工費(fèi)用、耐久性和對(duì)環(huán)境友好三方面作為技術(shù)評(píng)價(jià)的基準(zhǔn)對(duì)未來的混凝土材料和技術(shù)進(jìn)行了評(píng)價(jià)，認(rèn)為超塑化大摻量粉煤灰混凝土、超塑化大摻量礦渣混凝土對(duì)未來混凝土的沖擊會(huì)很大，自密實(shí)混凝土也對(duì)混凝土行業(yè)有一定的沖擊，這更多地取決于它們的生態(tài)友好特性。
3、環(huán)境協(xié)調(diào)型混凝土環(huán)境協(xié)調(diào)型混凝土是指通過混凝土材料的性能、形狀或構(gòu)造等的設(shè)計(jì)，使其具有降低環(huán)境負(fù)荷的能力。
例如通過控制混凝土空隙特性和空隙率，可使混凝土具有不同的性能，如良好的透水性、吸音性能、蓄熱性能、吸附氣體性能等。通過對(duì)混凝土性能和色彩的設(shè)計(jì)，使混凝土能與動(dòng)植物和諧共生，這類混凝土包括植物適應(yīng)型生態(tài)混凝土、海洋生物適應(yīng)型生態(tài)混凝土和淡水生物適應(yīng)型混凝土，以及凈化水質(zhì)用生態(tài)混凝土[3，14].
3.1 多孔混凝土材料與制品多孔混凝土（Porous Concrete），簡(jiǎn)稱POC，是由粗骨料與水泥漿或砂漿結(jié)合而成，形狀如“米花糖”，又稱“無砂混凝土”（No fines concrete）或大孔型混凝土，具有連續(xù)孔隙結(jié)構(gòu)是其一大特征。POC具有良好的透水性和透氣性，孔隙率一般為5－35％，能夠提供生物的繁殖生長(zhǎng)空間，凈化和保護(hù)地下水資源，吸收躁音等，因此多孔混凝土作為一種典型的環(huán)境材料而受到人們的重視[15].
3.2 多孔混凝土用原材料與制備方法使用材料主要有水泥、粗集料、細(xì)集料、混合材、外加劑以及水，與普通混凝土的原材料基本相同，但是，有時(shí)也不用細(xì)集料、混合材和外加劑。因孔隙率、孔徑大小、孔徑分布以及孔是否連通是多孔混凝土考慮的主要性能，所以，對(duì)集料的粒徑有特殊要求。多孔混凝土一般在工廠內(nèi)制作，方法之一如下：將除水以外的其他材料倒入攪拌機(jī)中預(yù)拌，然后加入水拌和，使砂漿包裹在粗集料的表面上，然后倒入模具中振動(dòng)成型。成型后采用蒸汽養(yǎng)護(hù)（預(yù)養(yǎng)3小時(shí)、65°C養(yǎng)護(hù)4小時(shí)、然后自然降溫。）有時(shí)，生物植被混凝土采用普通混凝土與多孔混凝土雙層結(jié)構(gòu)。孔混凝土的配合是根據(jù)要求其具備的品質(zhì)和功能而確定，反映多孔混凝土性能的項(xiàng)目有孔隙率、透水系數(shù)、抗壓強(qiáng)度、抗凍融循環(huán)性和干縮，評(píng)價(jià)多孔混凝土的功能則是依據(jù)這些性能。
3.3 多孔混凝土的應(yīng)用
3.3.1 植物栽培和綠化過去利用混凝土栽種植物，主要是先成型箱式和井格式制品，留出空間，填入土壤、再栽培。采用多孔混凝土?xí)r，主要是利用POC的連續(xù)空隙，作為植物根的生長(zhǎng)空間[16].由此，可以將POC擴(kuò)大應(yīng)用于河川護(hù)岸等工程進(jìn)行坡面的綠化。作為這種用途的POC也可稱為綠化混凝土。植物生長(zhǎng)必須有土壤，利用連續(xù)空隙生長(zhǎng)植物同樣需填入必要的土壤，利用混凝土生長(zhǎng)植物的要點(diǎn)是：
?。?）適于植物生長(zhǎng)的POC的技術(shù)要求；
（2）填充相關(guān)種類土壤的方法。作為POC的技術(shù)要求主要是確保連續(xù)的空隙和空隙的必要直徑。如能確保連續(xù)空隙率達(dá)到25%以上程度，就能維持植物生長(zhǎng)的良好狀態(tài)。此外，骨料的粒徑越大、空隙直徑越大，植物根的伸長(zhǎng)空間就有保證，填入土壤也較容易。作為粗骨料以粒徑為13～20mm的碎石為宜。所用的土壤材料，為滿足保水性、保肥性的要求，有陽離子交換量高的有機(jī)物、粘土或浮石（Zeolite）等，還有高吸水樹脂和粘土或有機(jī)物（泥炭苔）等保水性材料或與土相混使用。POC用于綠化不僅限于河川護(hù)岸工程，而且還可考慮用于停車場(chǎng)和層面的綠化。不僅能滿足生態(tài)環(huán)保的需要，而且也是抑制“熱島”（Heatisland）現(xiàn)象的有效措施。
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3.3.2 水的抑制與滲透利用POC的透水性能，可以用透水的路面。下雨時(shí)，汽車道上行駛的汽車會(huì)遇到水滑現(xiàn)象（Hydroplaning），飛濺的的水珠引起視界不良，如采用POC路面，這種現(xiàn)象即可消除，因而可以改善行車的安全性。同時(shí)還可以吸收汽車噪聲。
近來在都市開發(fā)中，瀝青和混凝土地面大大降低了雨水向地下的滲透，減少了地下水，并引起地基下沉。此外，由于雨水流速加快，還會(huì)引起都市河川泛濫等事故，作為綜合排水的一項(xiàng)措施就是利用POC制成滲透性輸水管和水斗等加大雨水滲透措施。此外，如用于地下水的蓄排水，還將POC廣泛用于道路、隧道、住宅用地、高爾夫球場(chǎng)等。
3.3.3 水質(zhì)凈化河川、湖沼、海域等水環(huán)境本來就有自然凈化的作用。但像城市中所見河川、多為混凝土三面開式結(jié)構(gòu)或以大都市為背景直立護(hù)岸的封鎖性水域，由于生物種類數(shù)量的減少，自然凈化的功能相應(yīng)減退。POC由于存在連續(xù)空隙，水、氣自由通入，在多孔質(zhì)內(nèi)部和表面，易于附著細(xì)菌（bacteria）和藻類等，形成可棲息的生物膜，使其中的好氣性（需氧性）細(xì)菌對(duì)有機(jī)物具有凈化的可能。生物的附著因水域條件而異，一般在三個(gè)月以內(nèi)即可加大區(qū)別。例如：將中空的POC球體投入公園的河道內(nèi)，后來出現(xiàn)的生物種類有：2種細(xì)菌、45種藻類、原生動(dòng)物5種和后生動(dòng)物等多種多樣生物。此外，在海域內(nèi)，也能觀察到附有細(xì)菌類、藻類和小動(dòng)物以及貝類和大型海藻類多種生物。由于POC能附著多種多樣生物，因而促進(jìn)了水質(zhì)的自然凈化作用，為此一些廠商已開發(fā)出球狀、凹凸?fàn)畹萈OC制品，以供生物棲息凈化水質(zhì)之用。
3.3.4 吸音、隔音作為道路、鐵路等交通設(shè)施以及工廠機(jī)器設(shè)備噪聲的對(duì)策，主要是采用吸音材料（吸音板）。吸音材料按外觀分類，有POC等多孔材料、孔隙板構(gòu)造體、膜狀材料和板狀材料等類，但多孔材料的吸音域特征，以中高音區(qū)最佳。POC如采用珍珠巖等人工輕骨料，即成為一種強(qiáng)度、耐候性都較大優(yōu)越的吸音材料。實(shí)際上，已經(jīng)有與其它材料復(fù)合構(gòu)成既吸聲又隔音的隔音墻等類做法。作為實(shí)際的使用領(lǐng)域，除用于有關(guān)設(shè)施的外墻外，還可以作為吸音材料用于軌道面板。如用于高速鐵路的軌道板，應(yīng)解決的有軌道、車輪間發(fā)生的高噪音問題。對(duì)此，不僅關(guān)系到吸音特性， 而且還要求一定的耐久性。
3.3.5 生物的生息現(xiàn)在漁業(yè)正在向養(yǎng)殖業(yè)轉(zhuǎn)換，正在推廣人工漁礁板法，即將預(yù)制帶孔洞的混凝土塊體投入海域，為魚類提供生長(zhǎng)條件?，F(xiàn)在有了POC，由于表面呈凹凸?fàn)睿覟槎嗫仔圆牧?，海藻生長(zhǎng)茂密，作為一種人工漁礁和人工海藻礁材料已引人注目。通過調(diào)查，改變混凝土類型、空隙率、骨料類型和尺寸等，將混凝土預(yù)制成板材后投入海域，一年后觀察海藻生長(zhǎng)情況表明，普通混凝土的植被率為60%，而POC為100%左右，而且海藻生長(zhǎng)良好。除海藻外，還附著有其它海洋生物。因此，POC有望進(jìn)一步用于人工漁礁和人工海藻礁。
3.3.6 改善溫度特性、保護(hù)水資源1999年9月10日晚，河南省鄭州市，連降暴雨約1小時(shí)，主要街道積水超過20cm，交通受阻；1999年9月，浙江省溫洲市，降雨400mm，街道成河，交通中斷，類似新聞，每年都有報(bào)道。與此同時(shí)，淡水資源日趨緊缺，我國(guó)北方大多數(shù)城市水資源緊缺狀況越來越嚴(yán)重，這些現(xiàn)象與社會(huì)的工業(yè)化和都市化進(jìn)展的同時(shí)而忽視環(huán)境保護(hù)不無關(guān)系。
伴隨這都市化的進(jìn)展，混凝土地面覆蓋率一直在增加。東京都在昭和35年的覆蓋率約為4.4%，到平成3年增加到14.9%.與次對(duì)應(yīng)的是計(jì)劃銀座昭和42年前的雨水流出系數(shù)為0.7，以后達(dá)到0.8，到昭和58年流出系數(shù)已經(jīng)達(dá)到了0.9.可見，都市化進(jìn)展與雨水的流出系數(shù)有密切的相關(guān)性。
都市地區(qū)的流出系數(shù)增加意味著雨水沒有滲回到地下，全部通過市區(qū)的河道及下水管道排出，因此，增加了城市排水系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，成為市區(qū)內(nèi)發(fā)生水災(zāi)增加的原因之一。而且，由于水分不能深入到地層中，土壤中儲(chǔ)存的水分減少，會(huì)使該地區(qū)溫度變化增大。伴隨著都市化的進(jìn)展、鋪裝率增加引起的滲透雨水的減少是人們所謂“都市沙漠”、“熱島效應(yīng)”形成的主要原因。1999年8月9日的北京日?qǐng)?bào)第五版曾發(fā)表過一篇“熱島效應(yīng)，熱上加熱”的新聞報(bào)道，指出北京市今年夏季出現(xiàn)罕見的高溫，市區(qū)6月24日和7月24日最高氣溫分別達(dá)到39.1℃和42.2℃，而延慶同期最高氣溫分別為36℃和37℃。 夏季的熱島效應(yīng)使北京城區(qū)氣溫增高4~6℃。 報(bào)道認(rèn)為，熱島效應(yīng)產(chǎn)生的主要原因是，城市發(fā)展改變和破壞了原有的自然條件。如大部分的地表植被建筑物、瀝青或水泥馬路所代替，地面滲水力降低，發(fā)射太陽輻射少，吸收多，使京城夏季地面溫度高達(dá)45℃以上。熱島效應(yīng)不僅會(huì)使溫度升高，還造成降水量減少，風(fēng)力減少，市民悶熱感加劇。采用透水性鋪裝時(shí)，路基、路床能夠貯留水分，因而增大了路基、路床的熱容量，并對(duì)其溫度特性有影響。可以想象，含水越多，溫度變化越緩慢。日本對(duì)新瀉市的透水性瀝青鋪裝和非透水性普通瀝青鋪裝的測(cè)定結(jié)果表明，夏季晴天時(shí)，透水性鋪裝的表面溫度比非透水性鋪裝的表面溫度低；冬季晴天時(shí)，兩者基本無差別，但白天透水性鋪裝的表面溫度高；雨天時(shí)，夏季透水性鋪裝的表面溫度低，冬天時(shí)表面溫度高?？梢?，透水性鋪裝和一般的非透水性鋪裝相比，夏季涼爽，冬季暖和。另外，可以想象積雪時(shí)透水性鋪裝更易露出路面。
為避免熱島效應(yīng)或城市沙漠現(xiàn)象的進(jìn)一步發(fā)展，在今后的城市規(guī)劃和市政建設(shè)中，采用透水性混凝土材料及制品是一條積極有效的措施， 例如透水性混凝土排水管，公園、居民小區(qū)步行道、河道護(hù)坡、立交橋護(hù)坡采用透水性混凝土構(gòu)件等。使雨水盡量滲回地下，保護(hù)地下水位， 減緩城市熱島效應(yīng)； 雨季又可減輕城市排水系統(tǒng)壓力，做到排疏并舉，減少城市水災(zāi)。
4、綠色高性能混凝土這種技術(shù)不是通過生產(chǎn)混凝土本身來降低環(huán)境的負(fù)荷，而是通過合理的設(shè)計(jì)以及適應(yīng)的使用方法，提高混凝土的耐久性和建筑物的壽命達(dá)到降低環(huán)境的負(fù)荷的目的。
與水泥混凝土的再循環(huán)利用技術(shù)相對(duì)應(yīng)，減輕環(huán)境負(fù)荷的有效措施是盡量延長(zhǎng)建筑物的安全使用壽命，這樣避免了建筑物的解體工作和再建設(shè)施工的次數(shù)，從而降低了能源和資源的消耗，總的來說，降低了環(huán)境的負(fù)荷。長(zhǎng)壽命混凝土主要是指其耐久性與目前使用的混凝土相比具有較大幅度的提高，從而使混凝土構(gòu)筑物的壽命大幅度提高，在此主要是通過提高混凝土本身的耐久性（超耐久混凝土）來提高建筑物的壽命；另外，即使使用普通耐久性的混凝土，在設(shè)計(jì)、維修方面采取必要措施，也可使混凝土構(gòu)筑物使用壽命延長(zhǎng)。
5、結(jié)語
生態(tài)水泥混凝土材料和技術(shù)無疑是今后水泥混凝土行業(yè)發(fā)展的大趨勢(shì)。在我們已經(jīng)付出了沉重的環(huán)境代價(jià)后的今天，讓水泥混凝土行業(yè)走向可持續(xù)發(fā)展的道路是我們行業(yè)發(fā)展的必然選擇。生態(tài)水泥混凝土不僅僅是一種材料、一項(xiàng)技術(shù)或一個(gè)法規(guī)，它是一個(gè)完整的體系，從原材料、生產(chǎn)、設(shè)計(jì)、施工、使用，一直到建筑物的解體和循環(huán)利用，首先是一個(gè)概念和意識(shí)，只有水泥混凝土全行業(yè)都認(rèn)識(shí)到水泥混凝土的可持續(xù)發(fā)展的重要性，水泥混凝土行業(yè)才能實(shí)現(xiàn)真正的可持續(xù)發(fā)展，才能進(jìn)入良性的產(chǎn)業(yè)循環(huán)模式。
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