分析環(huán)保型混凝土的研究現(xiàn)狀及存在的問題

　　[摘 要] 混凝土作為人類最大用量的建筑材料，其理論與技術(shù)已日趨成熟。然而大量混凝土被應(yīng)用的同時對人居環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)帶來了負面影響。21世紀對混凝土的研究應(yīng)從自然、環(huán)境和生態(tài)平衡的角度出發(fā)。本文論述了幾種環(huán)保型混凝土的研究現(xiàn)狀及其存在的一些問題。

　　1 前言

　　混凝土技術(shù)的發(fā)展與人居環(huán)境的關(guān)系日趨惡化，據(jù)統(tǒng)計[1]僅我國一年就要開采50億t粘土、石灰石等原材料用于生產(chǎn)水泥和混凝土，且燒制1t水泥熟料需燃燒標(biāo)準(zhǔn)煤178kg左右，消耗了大量的自然資源和能源；生產(chǎn)水泥熟料時還要排放大量的CO2，僅此一項就占全世界CO2排量的1/10，是溫室效應(yīng)的大戶；而且混凝土在運輸與施工過程中不僅耗能還產(chǎn)生振動和噪音是城市公害的主要來源；現(xiàn)在一些大城市所出現(xiàn)的“熱島現(xiàn)象”也是由于大量密實性混凝土用于建筑群所致；混凝土材料又由多組分構(gòu)成，分解循環(huán)利用的難度較大，大批廢棄混凝土建筑產(chǎn)生了大量的城市垃圾，這也是目前混凝土面臨的一大難題。由此研究能和自然、環(huán)境的生態(tài)平衡發(fā)展的混凝土就日益受到人們的重視。

　　2 環(huán)保型混凝土

　　環(huán)保型混凝土[1]（Environmentally Friendly Concrete 以下簡稱EFC）指能減少給環(huán)境造成的負荷，同時又能與自然生態(tài)系統(tǒng)協(xié)調(diào)發(fā)展，為人類構(gòu)造更加舒適環(huán)境的混凝土材料，其具有更高的強度和耐久性以滿足物理力學(xué)性能、使用功能的要求。按其對生態(tài)環(huán)境發(fā)生作用的方式不同又可分為減輕環(huán)境負荷型混凝土和生態(tài)型混凝土。前者一般包括人造輕骨料混凝土、高強耐久混凝土、免振自密實混凝土、廢棄物再生混凝土等，我們常用的將高爐礦渣、粉煤灰等作水泥混合料、混凝土的摻合料等方式配制的混凝土屬于這一行列；后者包括生物適應(yīng)型混凝土、透水性混凝土、綠化景觀混凝土、相變溫控混凝土等。

　　2.1 減輕環(huán)境負荷型混凝土

　　減輕環(huán)境負荷型混凝土被列為環(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。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。

　　2.1.1 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(jié)合我國實際中國土木工程學(xué)會與高性能混凝土委員會提出《高強混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計施工指南》將強度超過50Mpa的混凝土稱為高強混凝土。目前高強混凝土已普遍應(yīng)用于工程中，具有強度高、自重輕、建筑構(gòu)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(yīng)力-應(yīng)變曲線的直線段比普通混凝土更長些，達到最大應(yīng)力時的應(yīng)變量稍有增大；由于高強混凝土中水泥石的強度較高，與骨料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線差別較小，因此高強混凝土中內(nèi)應(yīng)力分布較均勻，微裂紋的形成與發(fā)展也相應(yīng)減少，因而混凝土內(nèi)部應(yīng)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，骨料在水泥漿中出現(xiàn)懸浮狀態(tài)使其初始收縮變大。

　　2.1.2 高性能混凝土[Page]

　　20世紀90年代美國首先提出HPC的新概念，在國內(nèi)吳中偉教授[2]最早提出了HPC 并指出了它的意義：應(yīng)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，最終獲得高耐久性能。目前國際上普遍采用配制HPC的技術(shù)途徑是硅酸鹽水泥+高效減水劑+活性礦物摻合料這一路線。HPC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(dāng)前的研究工作和應(yīng)用情況來看，HPC在性能上還存在以下問題[3]：（1）自縮引起裂縫；（2）“濕脹”引起的表面裂縫；（3）其應(yīng)力-應(yīng)變曲線與普通混凝土不同；研究表明在HPC中摻入一定體積的鋼釬維后，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，且鋼釬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(xué)家稱之為超高性能混凝土（SHPC）。在巴西辦公大廈中還首次使用一種叫HPCC[4]（High Performance Colored 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，HPC的生產(chǎn)需要高素質(zhì)的操作人員、完善的施工設(shè)施和高水平的質(zhì)量管理與控制，故將計算機技術(shù)引入HPC的配合比設(shè)計、生產(chǎn)控制管理是HPC技術(shù)的發(fā)展方向。

　　2.1.3 再生混凝土

　　再生混凝土又稱再生骨料混凝土（Recycled Aggregate 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[5]。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(yīng)用面也較窄，大多用于道路面層和墊層，用于建筑物承重結(jié)構(gòu)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(yīng)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[5]。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，要想提高再生混凝土的強度除了用傳統(tǒng)的摻高效減水劑+活性礦物外，還應(yīng)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（RHPC）的突破口。再生混凝土的收縮問題也是原于再生骨料的缺陷，再生骨料的吸水率和吸水速度比普通骨料大的多，吸水率高則必然導(dǎo)致失水后[Page] 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(yīng)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(shù)經(jīng)濟分析。

　　2.2 生態(tài)型混凝土

　　“生態(tài)型混凝土”[1]的研究和開發(fā)還處于起步階段，這種混凝土既能適應(yīng)動、植物生長，又能調(diào)節(jié)生態(tài)平衡，美化環(huán)境景觀。是一種21世紀很有應(yīng)用前景的混凝土。下面將主要介紹相變溫控混凝土和透水性混凝土。

　　2.2.1 相變溫控混凝土

　　相變溫控混凝土是相變材料（PCM）與混凝土復(fù)合制得的，是一種通過PCM材料的相變過程吸收或釋放熱量而調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度的智能型混凝土。PCM材料的選擇原則是需與混凝土體系有很好的相容性，且置入工藝必須簡單，置入后對混凝土的物理力學(xué)等性能不造成大的影響。目前也有人研究[6]用PCM的相變潛熱來控制大體積混凝土中水泥的水化熱溫度以此來減少大體積混凝土的裂縫問題。

　　當(dāng)前相變溫控混凝土的研究難點在于PCM的選擇和PCM的置入工藝方面。美國DOW化學(xué)公司[7]對近2萬種相變材料進行研究發(fā)現(xiàn)只有不到1%的相變材料可以進一步研究，它們?yōu)橐恍┖线m熔點的水合鹽以及一些有機相變材料，如石蠟、硬脂酸等。而且在PCM的應(yīng)用上還存在PCM能否重復(fù)使用和PCM相變過程中的性能穩(wěn)定性問題，這兩個問題解決不好就會影響相變溫控混凝土的使用壽命。目前而言比較可行的置入工藝有三種[6]：（1）浸漬工藝，通過浸泡將PCM滲入多孔摻合料中，例如PCM浸漬沸石粉等；（2）密封后（微膠囊）置入混凝土中，此法適用用于固-液相變的PCM，如姜勇[8]等人用化學(xué)方法將固-液相變的高分子材料進行改造，將化學(xué)鍵引入低熔點物質(zhì)和骨架材料之間使其具有固-固相變的性質(zhì)；（3）PCM直接與混凝土拌合，固-固相變PCM的開發(fā)推動了這一工藝，如粉末狀的脂肪酸/SiO2PCM，該PCM可作填料與水泥等建材混合，成為具有溫控功能的建筑材料。

　　2.2.2 透水性混凝土

　　透水性混凝土主要有水泥透水性混凝土和高分子透水性混凝土兩種。目前研究較多的是水泥透水性混凝土，這是一種硅酸鹽水泥為膠凝材料，采用單一粒級的粗骨料，不用或很少用細骨料的無砂多孔混凝土。其一般集灰比在3.0~4.0之間、水灰比大概在0.3~0.35范圍內(nèi)[1]。這種混凝土的優(yōu)點是混凝土內(nèi)部有15%~25%的連通孔隙通過，成型簡單、制作成本較低、非常適用于用量較大的道路鋪筑同時耐久性好。目前在日本和美國的公園、人行道、輕量[Page] 級車道、停車廠等路面已開始使用，國內(nèi)尚處于研究階段。

　　由于這種混凝土有較多的孔隙故其強度、耐磨性和抗凍性差是技術(shù)難點。目前研究的重點是試圖找到一個較好的配合比使其既保持較高的孔隙率又能滿足上述三方面的要求。但是透水性混凝土在配合比設(shè)計方面到目前為止還沒有一個成熟的設(shè)計理論，這就使透水性混凝土的研究在一定程度上受到了影響。一個比較公認的原則是：認為1m3混凝土的外觀體積僅由骨料堆積而成，1m3透水性混凝土的重量應(yīng)為骨料的緊密堆積密度和單位水泥用量及用水量之和，大約為1600-2100kg內(nèi)。另外，透水性混凝土的性能標(biāo)準(zhǔn)及其測量方法也沒有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，現(xiàn)用最多的是日本“環(huán)保型混凝土研究委員會”于1998年提出的《多孔混凝土性能試驗方法草案》。所以要使透水性混凝土能有更大的發(fā)展前景，制訂一部標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范已刻不容緩。

　　3 結(jié)語

　　前面介紹的五種混凝土中高強混凝土和高性能混凝土國內(nèi)研究的比較多，所到達的水平已比較高，而再生混凝土甚至再生高性能混凝土以及后兩種生態(tài)型混凝土的研究可以說是處于起步階段的。但是有一點可以肯定隨著混凝土材料與人居環(huán)境問題的日益突出，環(huán)保型混凝土將是21世紀混凝土材料研究的重點。

　　[參考文獻]

　　[1] 楊靜.建筑材料與人居環(huán)境[M].清華大學(xué)出版社，2001，9：209-230

　　[2]張明征.高性能混凝土的配制與應(yīng)用[M].中國計劃出版社，2003，3：3-4

　　[3] F.H.Wittmann，P.Schwesinger. High Performance Concrete Material Properties and Design[M].1999，7：1-2

　　[4] Paulo Helene，Carine Hartmann. HPCC in Brazilian office Tower[J].Concrete International，2003，12，Vol.25 No.12：64-68

　　[5] 杜婷，李惠強，吳賢國.再生混凝土的研究現(xiàn)狀和存在問題[J].建筑技術(shù)，2003，Vol.34 No.2：133-134

　　[6] 陳美祝，何真，陳勝宏.相變溫敏混凝土研究[J].新型建筑材料，2003，12：2

　　[7] 張東，周劍敏，吳科如.相變儲能建筑材料的分析與研究[J].高分子材料，2003，9：2

　　[8] 姜勇，丁思勇，黎國康.一種新型的相變儲能功能高分子材料[J].高分子材料科學(xué)與工程，2001，5，Vol.17 No.3：174