绿色混凝土技术的研究与应用现状

绿色混凝土技术的研究与应用现状长期以来，我国经济发展的模式是资源消耗型模式，这导致产生大量的废弃物。据统计，我国每年排放的工业固体废弃物达6亿多吨，其中只有40％得到综合利用，与发达国家的70％~80％相距甚远。因此我国面临着能源资源环境的压力。传统的硅酸盐水泥混凝土的生产存在的问题是：消耗自然资源巨大，破坏环境，影响地球生态平衡，尤其是其主要原材料水泥的生产，水泥工业的CO2排放量通常占人类活动碳排放量的5％~10％，水泥工业是我国碳排放量的主要来源，占到15％左右，每生产1t硅酸盐水泥从水泥原料中排放CO2约511kg。我国每年因拆除建筑产生的固体废弃物达2亿t以上，新建建筑产生的固体废弃物大约1亿t，两项合计约3亿t，仅废弃混凝土大约有1亿t左右，其巨大的处理费用和由此引发的环境问题十分突出[1]。水泥混凝土行业走向低碳、可持续发展的道路是此行业发展的必然选择。1绿色混凝土的提出目前对绿色混凝土还没有一个确切的定义。一般认为，相对于传统的混凝土生产制备过程中所释放的碳排放量，绿色混凝土的碳排放量有着显著的降低。其中，水泥生产和运输过程，混凝土骨料生产与运输过程，混凝土制备过程，以及混凝土运输过程中的碳排放量，构成了混凝土碳排放总量的主要组成部分[2]。降低混凝土行业所产生的二氧化碳排放量主要可以通过以下几个途径达到：提高混凝土的性能以增加其使用寿命，降低维修和重建的需求，从宏观上减少混凝土的使用量；同时，使用大掺量的矿物掺和料；再有，使用再生混凝土微细粉以及再生骨料等材料，以减少对不可再生天然骨料的开采和使用。因此，绿色混凝土是指从生产制造使用到废弃的整个周期中，最大限度地减少资源和能源的消耗，最有效地保护环境，是可以进行清洁生产和使用的，并且是可再回收循环利用的高质量高性能的绿色建筑材料。绿色混凝土的主要特征是：更多地掺加以工业废渣为主的掺和料，以节约水泥熟料；更大地发挥混凝土的性能优势。2绿色混凝土技术的研究与应用现状2.1提高混凝土性能以延长寿命近年来高性能混凝土的概念得到宣贯，重大工程的混凝土的配制不只是考虑强度因素，而是考虑耐久性等因素。国家大量重点工程都是以百年寿命来设计的，这样大大减少了水泥的使用量，也达到了低碳效果。另外，超高性能水泥复合材料（Ultra-HighPerformance

CementComposites），包括密筋增强复合材料（Compact

ReinforcedComposite,CRC）以及Ducta（一体化成型法）都有着独特的美学和结构方面的优良性能。CRC具有很高的抗压强度（150MPa~400MPa）[3~4]，主要用在预制混凝土部件上。由三个法国公司Lafarge，BouyguesandRhodia研制[5]的Ductal与传统混凝土相比，其抗压强度比传统混凝土高6～8倍，抗弯强度高10倍，耐久性更高出10～100倍。从环境因素方面考量，Ductal只需要传统混凝土65%的原材料，51%的能耗以及47%的碳排放量。再有，纳米技术也在提高混凝土性能方面起着重要作用。通过使用包括纳米管在内的纳米纤维作为混凝土的增强相，可以显著提高混凝土的强度，使减少钢筋增强相的使用成为可能，硅酸盐水泥、二氧化硅、二氧化钛及三氧化二铁的纳米颗粒可以显著提高混凝土的抗压和抗弯强度。2.2使用大掺量矿物掺和料以减少硅酸盐水泥的用量利用工业固体废弃物作矿物细粉掺和料与硅酸盐水泥复合配制高性能混凝土。通过矿物细粉掺和料的物理性能和化学组成解决混凝土的早期开裂以及收缩等问题。另外，矿物细粉掺和料的微集料，填充其他材料间的孔隙以提高弹性模量并增进强度，并与水泥熟料水化产物反应形成稳定的水化物。最常见的矿物掺和料包括粉煤灰、磨细粒化高炉矿渣粉以及硅灰。超细石灰石粉颗粒粒径小于10μm，可以填充水泥颗粒空隙，提高凝胶密实度；表面能较低，易于分散，达到同样流动性需水量少。超细石灰石粉不完全是一种惰性混合材料，后期可以生成三碳水化铝酸钙和单碳水化铝酸钙；早期具有一定促进水化的“加速效应”，一定掺量下对早期强度影响不大；由于不是自身水化，混凝土水化温升低。超细石灰石粉具有优异的减水增塑效果，可明显改善混凝土工作性能，对于中低强度等级混凝土，达到同样坍落度时单位体积用水量明显减少。对于高强混凝土而言，具有重要意义的是超细石灰石粉的加入使高强混凝土的黏度有显著降低。掺入超细石灰石粉可以减少混凝土的早期裂缝，提高混凝土抵抗早期开裂性能。超细石灰石粉可以明显降低混凝土孔隙率，提高混凝土密实性。超细石灰石粉作为掺和料使用，对于中低强度混凝土意义重大，可以在控制水泥、矿渣粉、粉煤灰用量的前提下，保证足够的粉体用量，满足工程对混凝土大流态的需求。超细石灰石粉在国内外自密实混凝土工程中已早有成功应用。2.3使用混凝土再生材料以减少对不可再生天然骨料的消耗废弃混凝土的循环利用也是近年混凝土行业研究的热点。用再生骨料来替代天然骨料，可以减少资源的消耗，也减小废弃混凝土的占地面积。再生混凝土骨料的使用有其一定的局限性。若在混凝土中使用100%再生骨料，再生骨料混凝土由于再生细骨料吸水率高，对坍落度保持十分不利，严重影响泵送施工，但有关研究表明，预湿再生细骨料可以有效改善坍落度损失问题[5]。3绿色混凝土技术的发展重点3.1生产以C2S为主要熟料矿物的水泥通过调整熟料矿物组分，对传统的熟料矿物进行改性，发展生产能耗低、低碳排放的水泥新品种。比如改变现有硅酸盐水泥熟料的矿物组成，生产高β－C2S含量的水泥熟料。与C3S比较，C2S所需要的CaCO3要少，排放的CO2也少。一般水泥熟料中C3S占60％左右，必须将熟料烧成温度提高到1450℃，这将使C2S的活性降低，早期的水化性能发挥不出来。而生产高含量的C2S水泥除可以降低烧成温度外，更重要的是可以减少CO2的排放[6]。近年来，国际上也有“低能水泥”（低能耗水泥）的研究[7]，其中一种就是高β－C2S含量硅酸盐水泥熟料。我国隋同波等[8~14]前几年也进行过这方面的研究，并作了生产性试验，高C2S含量水泥的早期强度不如硅酸盐水泥，但也能够达到52.5等级，它的28d强度不论是抗折强度或抗压强度基本上与硅酸盐水泥一致，3个月以后就远远超过了硅酸盐水泥。且水泥的水化热小，对减水剂的适应性、混凝土的工作性、抗冻性、抗渗性、抗碳化性能、干缩性能等均与同等级的硅酸盐水泥混凝土相近，甚至优于硅酸盐水泥混凝土。3.2开发贝利特-硫铝酸盐水泥相对于硅酸盐水泥熟料，硫铝酸盐水泥熟料的低烧成温度以及低碳排放的特点使得这一水泥系列在今天有了更重要的意义。该水泥的这些特点，受到世界各国水泥材料工作者的高度重视。法国A.Alaoui等[15~16]对硅酸盐水泥熟料和硫铝酸盐水泥熟料不同矿相的二氧化碳排放量、烧成能耗以及强度和耐久性进行了比较。国内外研究者探索用一些工业固体废物来烧制硫铝酸盐水泥[17~20]。硫铝酸盐水泥一般用于早强高强混凝土、耐腐蚀混凝土、冬季施工混凝土等结构材料，但后期强度倒缩的缺点阻碍了它的发展和应用。与普通硫铝酸盐水泥熟料相比，贝利特-硫铝酸盐水泥熟料由于其中C2S的含量大幅提升（约50%~60%），而C4A3的含量仅约20%~30%，虽然烧成的碳排放量稍高；但相比于普通硅酸盐水泥仍具有显著的优势，最多可以减少35%的碳排放量[21]。由于大量的C2S矿物的存在，相比普通硫铝酸盐水泥，后期性能得到很大的改善。早在1999年就开始有了对贝利特-硫铝酸盐水泥熟料烧成的研究[22~23]。多年来，研究者们利用电石渣、粉煤灰、煤矸石或固硫渣等工业废料，并辅以铝矾土均成功烧成了贝利特-硫铝酸盐水泥[24~26]。3.3开发高品质骨料在我国，各地众多作坊似的采石场为了降低成本，大多采用颚式破碎机破碎出来的砂石粒形往往达不到要求，破碎出来的石子中，针片状以及非常不规则骨料的含量高。这样就增大了混凝土中的需水量，为了保持水胶比一定，不得不增加胶凝材料的用量，增大浆骨比，不仅造成胶凝材料与外加剂用量增加，成本提高，更重要的是将量增多造成混凝土水化温升高，干缩、自生收缩增大，体积稳定性变差。骨料对制备混凝土有重要意义的特性包括：空隙率、颗粒级配、吸水性、粒形和表面情况、骨料强度、弹性模量等。我国混凝土质量比西方国家的差，主要原因在于骨料的质量。如果不能用足够包裹骨料的最少量的浆体和最大量的骨料组成具有工程所需要的良好施工性能的拌和物，是不可能得到耐久的混凝土的。因此，骨料质量首先不是强度，重要的是级配和粒形，使用级配和粒形良好的骨料可以得到最小用水量的混凝土拌和物。良好的骨料级配可以通过空隙率及混凝土和易性来体现。良好的骨料级配可用较少的浆量制得流动性好、泌水少、不离析的混凝土拌合物，硬化后得到均匀密实的混凝土。骨料质量的好坏在很大程度上影响着混凝土配制的技术路线。因此，高品质骨料的开发对绿色混凝土的实施意义重大。3.4发挥高性能优势，减少水泥和混凝土的用量混凝土工程因其工程量浩大，耐久性不足对未来社会会造成极为沉重的负担，所以提高混凝土的耐久性显得越来越重要。许多发达国家每年用于建筑维修的费用超过新建的费用。我国目前也开始进入需要大规模修补或更换已建混凝土结构的时期。混凝土结构的提前劣化必然造成大量建筑垃圾和对混凝土原材料的大量需求与浪费。因此必须从可持续发展的高度对混凝土结构的耐久性给予足够的重视。唐明述院士指出：基础设施的耐久性就是节约与保护生态环境。4绿色混凝土工程应用存在的问题绿色高性能混凝土技术的广泛应用是一项系统工程，需要建筑业统一认识，协作完成。目前之所以得不到很好的效果，原因就在于整个行业对混凝土的理解和认识还停留在传统观念上，下面对绿色混凝土技术发展的障碍做如下分析。4.1原材料行业不能供应优质原材料混凝土原材料品质无法保证混凝土质量，砂石存在含泥量过高、无级配可言、粒形差及砂含石量高等问题。如果不能用足够包裹骨料的最少量的浆体和最大量的骨料组成具有工程所需要的良好施工性能的拌合物，是不可能得到耐久的混凝土的。骨料质量首先不是强度，重要的是使用级配和粒形良好的骨料可以得到最小用水量的拌合物。作为现代混凝土重要组成部分的矿物掺和料，没有形成具有规模的、质量稳定的原材料供应产业。优质矿物掺和料供应不足的问题日益显现。西南地区优质粉煤灰供应已经严重不足，混凝土搅拌站买不到需水量比低、细度细、烧失量较小的优质粉煤灰。混凝土结构的耐久性比强度更重要，而与混凝土结构耐久性关系最密切的就是水泥，只保证高强度的水泥并不一定有利于混凝土结构耐久性，最重要的是匀质性和体积的稳定性，当代混凝土需要开裂敏感性低的水泥。4.2过分追求工程进度，养护不充分，追求早期强度施工单位不适当地加快工程进度，追求施工速度。其实，混凝土的耐久性质量尤其需要有足够的施工养护期加以保证，过度追求工程进度不仅造成混凝土得不到充分养护，同时势必导致混凝土追求高早强。高早强的混凝土更容易开裂，在侵蚀性环境中劣化更迅速；规范应该修正并强调这一点。混凝土的耐久性尤其需要有足够的施工养护期加以保证。工程施工速度的不断加快、一再加速的施工进度使得浇筑后的混凝土普遍得不到充足时间的养护。养护不足直接损伤了表层混凝土的密实性与强度，而防止钢筋发生锈蚀和外界有害物质侵入混凝土内部所依靠的就是表层混凝土的密实性；表层混凝土抵抗外界有害物质侵入的能力（抗侵入性或抗渗性）可因养护不良而成倍降低。我们在建造耐久的混凝土结构时，必须牺牲一些建设速度，显然，这需要政府主管部门、业主、营造商与设计者转变观念。4.3行业对绿色混凝土技术缺乏认识高质量的混凝土结构是需要混凝土结构设计单位、混凝土原材料供应商、混凝土搅拌站、施工单位、监理单位、检测与建筑质量管理机构共同努力建造的。而目前混凝土结构设计单位、施工单位、监理单位人员总体上对现代混凝土的发展与特点缺乏正确的认识。例如绿色混凝土技术采用低水胶比，大比例掺加矿物掺和料，塑性收缩较大，早期及时充分的养护对保证质量很重要。但现实是，混凝土工程中大表面混凝土结构浇筑后由于不注重养护，经常发生开裂，施工单位往往认识不到养护的缺失是造成开裂的主要原因，一味向混凝土供应商推卸责任。例如，监理人员技术观念陈旧，往往认为水泥用得越多越好，最好只用水泥不用矿物掺和料，一味盯着配合比，干扰绿色高性能混凝土技术的应用。再如设计人员不重视混凝土技术的学习，设计时经常照搬过去的方案，对特定环境中的混凝土耐久性要