綠色高性能混凝土技術研究淺析

  混凝土技術的優(yōu)劣是以強度作為主要依據(jù)的。特別是上世紀70年代末，由于減水劑和高活性混凝土摻合料的開發(fā)和應用，使高強混凝土的制備進入了一個新階段，采用普通混凝土施工工藝，已能較容易配制出80～100MPa的高強混凝土。但是，隨著破壞造成的結構崩塌事故在各地接連發(fā)生，使人們意識到混凝土強度增加帶來的脆性問題已影響到高強混凝土的使用安全。特別是諸如海洋、核電站、高層、大跨度建筑工程領域提出的各種苛刻的要求，迫使混凝土朝著高性能化方向發(fā)展。目前，混凝土的高性能化已引起各國土木建筑與材料工程界的高度重視。據(jù)預測，今后的100～200a內，混凝土將成為最主要的工程結構材料，而高性能混凝土將占主導地位。長期以來，混凝土一直被認為是堅固耐久的材料，但實踐證明普通混凝土并不總是耐久的。許多國家當初修建的一些基礎設施工程已進入老化期，其維修和更新不僅耗資巨大而且影響社會生產和生活秩序。如何改善混凝土的耐久性和解決混凝土的脆性問題，配制出工作性能優(yōu)良、使用壽命長于100a甚至達到200～300a的高性能混凝土，成為非常迫切的重要課題。

  一、高性能混凝土的定義與特征

  1990年5月，美國國家標準與技術研究院（NIST）與美國混凝土協(xié)會（CAI）召開會議，首次提出高性能混凝土（HPC）這個名詞。對高性能混凝土至今國際上沒有一個公認的定義，美國和加拿大的學者強調并側重的是硬化后混凝土的性能，特別是耐久性；而日本學者則重視混凝土在新拌狀態(tài)的高流動性與自密實性。綜合各國學者的意見，高性能混凝土既然名之為“高性能”，就意味著能體現(xiàn)工程設計和施工所要求的綜合的優(yōu)異的技術特性。具體體現(xiàn)在：1、具有高抗?jié)B性（高耐久性的關鍵性能）。2、具有高體積穩(wěn)定性（低干縮、低徐變、低溫度應變率和高彈性模量）。3、具有適當?shù)母呖箟簭姸取?、具有良好的施工性能（高流動性、高粘聚性、達到自密實）。

  二、混凝土材料發(fā)展帶來的問題

  資料表明，從公元前2世紀采用天然火山灰、石灰、碎石拌制天然混凝土開始，用于一般的民用建筑，到1824年，英國人JAspdin發(fā)明了波特蘭水泥，即燒制硅酸鹽水泥、1861年，法國花匠J.Manier發(fā)明了制造鋼筋混凝土結構的方法，1867年出現(xiàn)鋼筋混凝土結構構件，1940年開始采用了預應力混凝土技術，從此混凝土技術有了突飛猛進的發(fā)展，為建造高層建筑和大跨度橋梁提供了物質基礎。這個時期的混凝土性能，大多以滿足強度要求和如何獲得較高強度的混凝土，作為科研和生產的主要工作目標。

  進一步的研究成果表明，如今，尚且沒有能夠完全取代混凝土作為結構材料的其它材料，混凝土材料在今后50年內還將是應用最廣、用量最大的建筑材料。目前，全世界水泥年產量達15億噸以上，我國水泥年產量達5.1億噸，占世界產量的三分之一。

  由水泥作為主要膠凝材料的混凝土，其特殊的性能及施工工藝的簡單易行，已成為現(xiàn)代工程建設、影響人們生活方式的主要建筑材料。然而，工業(yè)技術的發(fā)展源于它的發(fā)展基礎、且由于同時存在著它自身發(fā)展過程的缺欠，存在著人們認識能力的原因等，使得混凝土材料在給我們帶來現(xiàn)代文明的同時，也造成許多問題。如資源的無節(jié)制的消耗和生產帶來的環(huán)境污染問題。不能不引起各方面的極大關注和重視。

  混凝土結構的耐久性能與其工作環(huán)境有關，工程實踐表明，在長期環(huán)境因素作用下，混凝土構件遠低于設計壽命，這不僅是原設計理論估計的不足，也反映了環(huán)境變化的復雜性。因此，混凝土構建過早的出現(xiàn)裂縫甚至倒塌?；炷聊途眯赃_不到要求，要花費大量財力用于工程維修和重建，如在美國，今后混凝土工程維修和重建費用高達3000億美元。配制新的混凝土和拆除建筑廢棄的混凝土，都將增加能源消耗和環(huán)境負擔。僅美國每年大約有6000萬噸廢棄混凝土，日本每年約有1600萬噸廢棄混凝土，我國的情況也未必樂觀?？梢姀U舊建筑材料的數(shù)量之大，令人驚嘆。

  綜上所述，發(fā)展高性能混凝土，必須綜合評價和協(xié)調混凝土對原材料、土地、水和勞動力等資源消耗、能源消耗和環(huán)境付出的代價與經濟社會效益和人類生存的長遠利益，走可持續(xù)發(fā)展道路。

  三、有關可持續(xù)高性能混凝土技術的探討

  可持續(xù)發(fā)展是人類社會發(fā)展中的重要認識成果，其本質是努力應用科學的、技術的和經濟的知識，去消除由于無節(jié)制的技術發(fā)展所造成的負面影響?？沙掷m(xù)發(fā)展的主要方面是通過保護和不必要的消耗來更有效地利用資源，控制使用資源，使其可達到良性循環(huán)，或利用消耗材料的數(shù)量達到最小限度。因此，高性能混凝土材料的可持續(xù)發(fā)展，其出路在于應用現(xiàn)代混凝土的科學技術來增加混凝土的使用壽命，同時提高材料和構件的耐久性，盡量減少造成修補或拆除的浪費，盡可能的利用工業(yè)副產品和廢棄物，盡量減少自然資源和能源消耗，減少對環(huán)境的污染。

  可見，高性能混凝土技術的核心，是在獲得混凝土高性能的同時，必須堅持其可持續(xù)發(fā)展的發(fā)展原則，無論是科研還是生產都必須遵守這一原則。如何求得高性能混凝土技術的科學發(fā)展，保持其旺盛的生命力，使我們科研工作者要回答的問題。

  首先，保持和加強環(huán)境系統(tǒng)的生產和更新能力才有可能可持續(xù)發(fā)展。發(fā)展高性能混凝土必然要消耗一定的資源，包括原材料如水、礦藏和能源，盡管有些資源是不可再生的，但是應該能夠通過技術研究，提高混凝土的使用性能，使其重復再消耗的周期延長，即使是消耗也應該在人類能夠接受的水平以內。我們不奢望完全不消耗，這也不是可持續(xù)發(fā)展的本意。但是有了這樣一個原則，至少對人類的未來展示了較樂觀的前景。

  其次，人們只能在生存于不超出維持生態(tài)涵容能力的情況下改善自身的生活品質。如果不改造粗放型的水泥生產企業(yè)，不改造混凝土的傳統(tǒng)生產工藝，那么高性能混凝土技術的發(fā)展，必將帶來它的負面效應，嚴重的資源浪費和環(huán)境的破壞，終有一天會出現(xiàn)超出維持生態(tài)涵容能力的情況，這將嚴重的危害人類的生存！教訓是深刻的。

  再次，“在保持自然資源的質量及其所提供服務的前提下，使經濟發(fā)展的凈利益增加到最大限度。今天的經濟發(fā)展，不是傳統(tǒng)意義上的以犧牲資源和環(huán)境為代價的經濟發(fā)展，而是不降低環(huán)境質量和不破壞自然資源基礎的經濟發(fā)展。”也就是，如果說歷史上混凝土的發(fā)展是簡單的求得保證使用性能“能夠”的話，那么高性能混凝土則是要求得某一使用方面的“最佳”，這是一個系統(tǒng)優(yōu)化，是包含著整個生產過程及其產品本身性能的“最佳”。

  最后，“可持續(xù)發(fā)展就是轉向更清潔更高效的技術——盡可能的做到‘零排放’或‘密閉式’的工藝方法?！币簿褪钦f高性能混凝土是綠色高性能混凝土。它應滿足（1）混凝土所用的水泥應該是綠色水泥。即是指生產水泥的企業(yè)是綠色型的企業(yè)。（2）最大限度的節(jié)約水泥，減少水泥生產中的廢氣、粉塵的污染排放。（3）更多的摻入工業(yè)廢料，節(jié)約水泥，改善環(huán)境、保護環(huán)境。（4）改善混凝土施工手段，建立混凝土集中攪拌站，發(fā)展商品混凝土，減少由于施工帶來的機械噪聲和環(huán)境污染。（5）對大量廢舊混凝土采取回收利用措施，最大限度的處理廢舊建筑材料。