现代环境条件下混凝土结构材料面临的问题和应对措施

现代环境条件下混凝土结构材料面临的问题和应对措施1内容简介一、建筑与资源消耗及碳排放二、环境变化趋势三、现代环境条件下混凝土结构材料面临的问题四、应对措施五、结束语2一、建筑与资源消耗及碳排放3我国每年新建成房屋面积16亿~20亿m2，既有建筑已突破450亿m2，能达到建筑节能设计标准的仅5%左右。中国建筑总能耗已占能源消费总量的27%以上。据住建部测算，2030年前后我国建筑能耗将占总能耗的30%~40%，全社会能耗第一。

4至2008年，美国公路643万千米，我国为187万千米，美国铁路为22.7万千米，我国为7.5万千米，美国机场数为14947，我国仅为467。美国和我国国土面积（916和932万平方公里）相差无几，而我国人口为美国的4.4倍。这些数据说明我国在基础设施建设方面与美国的差距。因此我国的基础设施建设将长时间保持快速增长的势头。5全球CO2排放（1990-2006年）67

2009年全球CO2排放量为313亿吨，中国碳排放量高达74.3亿吨，占全球排放的23.7%。美国2009年排放量为59.5亿吨，俄罗斯位列第三。基础建设是节能低碳的关键领域，因为二氧化碳排放中有40%来自于基础建设。8No.国家2005200620081中国10.612.414.52印度1.301.551.753美国0.991.010.894日本0.660.680.675韩国0.500.526西班牙0.480.507俄罗斯0.450.548泰国0.400.409巴西0.390.370.4810意大利0.380.460.47全球22.8026.40292009年和2011年中国水泥产量为16.3亿吨和20.63亿吨。水泥产量91011

1.以2006年为例，我国水泥的产量约12.4亿吨。资源消耗：石灰石约10亿吨；粘土约1.2亿吨；水约10亿吨，还有铁粉等辅助材料约2000~3000万吨。能源消耗：1.28亿吨标准煤，约占全国煤炭产量的5%；电约500亿度。我国水泥、混凝土的资源问题:12

2.2005年前我国商品混凝土产量约20亿m3/年。年需粗细骨料分别约16亿m3和12亿m3，水泥约6.5亿吨。我国有些城市已没有合格骨料，例如北京的碱活性骨料对混凝土危险极大，骨料生产几乎全部停止，大部分骨料从河北运来，每年2000万m3混凝土，交通、能源方面带来巨大问题。2010年我国商品混凝土产量约94亿m3，随着天然资源的日渐枯竭，产业结构向机制砂石转移。133.天津某单位勘测表明，我国能生产水泥的石灰石贮量仅500亿吨，以其作为生产水泥的原料，按目前水泥产量计算，仅够生产水泥40年，那么每年配制混凝土的骨料又从何来？1415我国钢铁产量及资源问题:2008年我国钢产量5.13亿吨，全球钢产量13.6亿吨，即占全球钢产量的37.7%。16

2007年，我国铁矿石原矿产量7.07亿吨，铁矿石进口量达到3.83亿吨，进口量均超过总用量的35%，即目前我国35%以上的铁矿石原料依赖进口。17水泥和钢材主要用于建筑业，我国基建工程的规模约为世界的30～40%。据称我国大坝和桥梁的建设达世界的50%以上，但我国GDP为2.51万亿美元，占世界（46.7万亿美元）5%，人口也仅为世界的1/5。18每生产1吨硅酸盐水泥熟料要排放1吨CO2、0.74kgSO2和130kg粉尘。钢铁行业排放废水量约占全国总排废水量的8%，SO2排放量约占7%，烟尘量约占8%、粉尘约占15%，固废产生量约占13%。19中国著名的水泥混凝土专家唐明述院士指出：“水泥和钢铁产业的节能减排除了做好工业本身的降低能耗和减少排放外，最重要的就是提高水泥和钢材的利用效率。如果建筑物的寿命从10年提高到100年，水泥和钢材的利用效率就提高了10倍，这比水泥和钢铁工业本身的节能减排效益要高出数十倍。”20二、环境变化趋势

211.温室气体CO2浓度将显著增加1750年CO2浓度为280ppm，到2005年达到380ppm。今后由于人口增加，城市化速度加快，工业生产急剧扩大，CO2浓度将迅速增大，预计到2100年，可能出现以下三种情况：

CO2浓度升高至550ppm，温度升高2.1℃；

CO2浓度升高至700ppm，温度升高3.0℃；

CO2浓度升高至1000ppm，温度升高4.4℃。22预测2000~2100年CO2的浓度变化

23特别应注意的是不同地区CO2的浓度不同。一般城市比郊区要高5~10%。地下空间建筑、地铁、隧道、火车站、地下煤矿等地区的微气候中CO2的浓度将更高。242.温度将逐渐升高25预测澳大利亚悉尼2000~2100年温度变化26预测澳大利亚达尔文2000~2100年温度变化27283.酸雨

PH值小于5.6的雨雪或其他方式形成的大气降水(雾、霜)。广义指酸性物质的干、湿沉降。29非酸雨区:年均降水PH高于5.65，酸雨率0-20%；轻酸雨区:PH5.30--5.60，酸雨率10--40%；中度酸雨区:PH5.00--5.30，酸雨率30-60%；较重酸雨区:PH4.70--5.00，酸雨率50-80%；重酸雨区:PH小于4.70，酸雨率70-100%。30

1981～1983年调查,我国有20个省、市、自治区不同程度地出现了酸雨,最严重的是长江以南的苏州、广州、贵阳等城市，降水的pH值曾经低于4.0,其中最低值为3.1，重庆、贵阳等地酸雨污染程度已同世界有名的酸雨区——斯堪的纳维亚部分地区和美国的东北部地区相近。我国pH<5.6的降水面积已由1985年的175万km2扩大到1996年的384万km2,约占国土总面积的40%。31我国三大酸雨区

1.西南酸雨区(川贵两广地区)：仅次于华中酸雨区的降水污染严重区域。

2.华中酸雨区(以长沙、赣州、南昌、怀化为代表)：已成为全国酸雨污染范围最大，中心强度最高的酸雨污染区。

3.华东沿海酸雨区(南京、上海、杭州、福州、青岛和厦门为代表)：污染强度低于华中、西南酸雨区。323334土壤酸化我国南方土壤本来多呈酸性，再经酸雨冲刷，加速了酸化过程；354.水污染（1）河流

2008年，200条河流409个断面中，Ⅰ～Ⅲ类、Ⅳ～Ⅴ类和劣Ⅴ类水质的断面比例分别为55.0%、24.2%和20.8%。其中，珠江、长江水质总体良好，松花江为轻度污染，黄河、淮河、辽河为中度污染，海河为重度污染。36（2）湖泊和水库

28个国家监控的重点湖（库）中，满足Ⅱ类水质的4个，占14.3%；Ⅲ类的2个，占7.1%；Ⅳ类的6个，占21.4%；Ⅴ类的5个，占17.9%；劣Ⅴ类的11个，占39.3%。主要污染指标为总氮和总磷。鄱阳湖为Ⅳ类。城市内湖情况更是严重。昆明湖（北京）为Ⅳ类水质，西湖（杭州）、东湖（武汉）、玄武湖（南京）、大明湖（济南）为劣Ⅴ类。37密云水库（北京）和石门水库（陕西）为Ⅱ类水质；董铺水库（安徽）为Ⅲ类；丹江口水库（湖北、河南）和千岛湖（浙江）为Ⅳ类；大伙房水库（辽宁）、于桥水库（天津）和松花湖（吉林）为Ⅴ类；门楼水库（山东）和崂山水库（山东）为劣Ⅴ类。38（3）地下水全国195个城市监测结果表明，97%的城市地下水受到不同程度污染，40%的城市地下水污染有逐年加重趋势。在北京，浅层地下水中普遍检测出了具有巨大潜在危害的DDT、六六六等有机农药残留和单环芳烃、多环芳烃等“三致”（致癌、致畸、致突变）有机物。39（4）海洋

2008年，近岸海域监测面积共281012km2，其中Ⅰ、Ⅱ类海水面积212270km2，Ⅲ类为31077km2，Ⅳ类、劣Ⅳ类为37665km240污染来源：（1）工业污染：造纸业、冶金工业、化学工业以及采矿业等；工业生产过程中产生的大气污染，可能以酸雨的形式污染水体；（2）生活污染：我国城市污水的集中处理率仅为57.1%；（3）农业污染：畜禽养殖废弃物和化肥和农药等化学品导致土壤污染，通过农田径流加剧了湖泊和海洋的富营养化。41美国地质调查局表示地球上所有的水可装进一个直径约1384公里的泡泡。地球总水量中超过96%是盐水，存在于海洋中。人类和其他很多生命最需要的是淡水，主要存在于溪流、河流、湖泊和地下蓄水层。地表水很容易蒸发，然后以降雨和降雪的方式回到地表，补给河流和湖泊。地下水对生命至关重要。425.极端气候：极端气候是指天气（气候）的状态严重偏离其平均态，在统计意义上属于不易发生的事件，即50年一遇或100年一遇的小概率事件。联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）的评估报告显示，过去50年中，极端天气事件特别是强降水、高温热浪等极端事件，呈现不断增多增强的趋势。43巴基斯坦，灾民抓住救生筏上的绳索求生。44芝加哥湖滨空地，积雪覆盖在陷入困境且车门大开的汽车上。一场史无前例的冬季暴风雪袭击了与雪几乎绝缘的芝加哥地区，很多小学生有幸第一次见到下雪。45广西来宾市，暴雨导致5.5万人被迫疏散，多人在洪水和山体滑坡中遇难。4608年南方冰灾4798年九江彭泽县棉船镇482012年4月30日吉安县飓风492012年4月30日吉安县飓风502012年5月13日8点50分，湖南岳阳平江县总长120米的永固桥被特大山洪冲垮，9人掉入江中，3名落水者获救，6人失踪。512012年5月12日，南昌市何坊西路水深一米多，一辆小车冲入后漂浮起来。52美国《科学》杂志刊登了英国哈德莱气候预测与研究中心的一项最新研究成果，表明2006年到2015年全球气候将继续变暖，其中2009年之后，至少有一半的年份全球平均气温将超过历史上最高的1998年。如果未来全球气候变暖的幅度真如英国学者预测的那样，将会有更多的极端事件频繁出现，这将对全球经济社会发展与自然生态系统带来更严重的影响。53三、现代环境条件下混凝土结构材料面临的问题54全球CO2浓度急剧提高，温度升高、海平面上升、酸雨、水污染、极端气候等现代环境的变化，加以近年来极端气候频繁出现，使混凝土腐蚀所引起的损失十分惊人。现有和新建的基础工程如何适应环境变化的影响成为迫切需要解决的世界性难题。处于建设高潮的我国意义就更加重大。55由于大气中CO2浓度增大，气温升高，将显著增加碳化腐蚀，使钢筋混凝土破坏的危险性提高到400%。56混凝土的碳化：指混凝土内水泥石中的氢氧化钙与空气中的二氧化碳、在湿度相宜时发生化学反应，生成碳酸钙和水，也称混凝土的中性化。

Ca(OH)2+CO2+nH2O=CaCO3+(n+1)H2O对钢筋混凝土的影响：1).碳化后混凝土碱度降低，减弱了混凝土对钢筋的保护作用，生成铁锈后体积增大。2).混凝土碳化后，固相体积减小，混凝土表层体积收缩产生裂缝，降低混凝土的抗拉和抗弯强度。57长江大桥北桥头混凝土护栏开裂大桥混凝土护栏开裂露筋58南方某海港码头混凝土59北京西直门立交桥桥墩柱落水口一侧钢筋锈蚀60朝天门码头混凝土柱碳化情况某科委大楼混凝土梁碳化情况61由于酸雨和土壤酸化，江河湖泊及地下水水质复杂化，使混凝土结构的腐蚀破坏加剧。当溶液中的pH值大于11.63时认为无酸性侵蚀或程度很轻;

当pH值小于11.63时认为开始发生酸性侵蚀,且pH值越小,酸性侵蚀越强。62化学腐蚀性实际是水泥石的耐蚀性。三种常见腐蚀类型：软水腐蚀（溶出性腐蚀）：蒸馏水、冷凝水、雨、雪水及某些河水、湖水含Ca、Mg少。Ca(OH)2不断溶解，并导致水化硅酸钙，水化铝酸钙等分解，水泥石破坏。当CaO溶出5%时，强度下降7%；当CaO溶出24%时，强度下降29%。63溶解性腐蚀：某些地下水或工业废水（化纤厂、电镀厂）中常含游离酸。

Ca(OH)2+2HCl=CaCl2+2H2O在工业污水、地下水中常溶解有较多的CO2，大气中CO2，生物化学作用也形成CO2：

Ca(OH)2+CO2=CaCO3+H2O再与含碳酸的水作用：

Ca(OH)2+CO2+H2O=Ca(HCO3)264膨胀性溶蚀：当水泥石处在含硫酸盐介质中（如海水、地下水中），有些地下水流经石膏、芒硝或其它硫酸盐岩石夹层，将部分硫酸盐溶入水中。

Ca(OH)2+NaSO4+2H2O=CaSO4.2H2O+2NaOH

NaOH无胶结能力，二水石膏结晶、膨胀、导致再裂、破坏。更严重的是：

3CaO.Al2O3.6H2O+3(CaSO4.2H2O)+9H2O=3Ca.Al2O3.CaSO4.31H2O水化硫铝酸钙针状晶体比原体积大2.5倍--“水泥杆菌”。65硅酸盐水泥腐蚀的根本原因：

1）水泥石中有Ca(OH)2和水化铝酸钙；

2）水泥石不密实。66由于合格的混凝土集料资源日渐匮乏，混凝土结构碱集料反应出现的可能性加大。

碱集料反应：当集料中含有活性氧化硅或白云石和白云质石灰岩时，它们与水泥中的碱（K2O、Na2O）发生化学反应，使混凝土产生不均匀膨胀，造成开裂，强度和弹性模量下降。67朝天门码头缆车混凝土结构表面腐蚀情况朝天门码头阶梯混凝土护栏表面腐蚀情况68电杆迎风面腐蚀情况电杆背风面情况69重庆第五码头基座混凝土腐蚀石门大桥支柱底部混凝土腐蚀70上饶七星电站71江西井岗冲水电站72江西井岗冲水电站江西井岗冲水电站江西井岗冲水电站73新疆喀什地区永安坝施工仅半年即遭受腐蚀74北京三元桥建于1984年，因碱集料反应、冰冻、盐腐蚀、钢筋锈蚀而破坏，现已部分拆除重建。75美术馆梁钢筋锈蚀情况76青藏公路雅玛尔河大桥桥墩表面混凝土冻融剥落77青藏公路三叉河大桥被有害离子侵蚀的混凝土墩78由于温室气体升高，冰川融化，海平面将随之升高。预测到本世纪末中国沿海地区海平面可能升高21~74cm，不仅淹没沿海的低洼地区，而且将加剧热带风暴、飓风等破坏作用。中国海岸线长达18，000km，能否象修筑万里长城一样修筑沿海公路，作为防御海平面升高的万里长城，这是我们将面临的艰巨任务。79四、应对措施（一）提高混凝土结构耐久性80

1.重视混凝土配合比的科学设计提高混凝土结构的耐久性，除了根据结构设计，保证足够的承载力外，还需要根据混凝土结构所处的环境，由于环境带来的劣化外力，如冻融，盐害，海洋冲刷及硫酸盐腐蚀等进行耐久性设计。由于环境条件不同，耐久性设计时，有的可能只考虑一种劣化外力，有的可能是多种劣化外力的共同作用，也就是耐久性病害综合症，需要找出预防混凝土耐久性病害综合症的对策方法。81现代混凝土技术的核心内容是外加剂和矿物掺合料的开发和应用。只有合理应用了外加剂和矿物掺合料才能实现混凝土的高耐久。最原始的硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥、砂、石和水四种组成无法实现混凝土的高流动、高强和高耐久性。82W/C水泥抗压强度/MPa标养28天水环境氯盐环境硫酸盐环境复合盐环境0.432051.7580.8076.8073.0059.000.438044.0084.7071.5080.5049.700.445038.7574.3068.0067.7067.000.532030.7560.3065.9060.3047.000.538036.5066.2064.0049.5055.000.545030.0034.0030.0032.0034.500.632025.0029.0028.805.80/75次坏23.300.638023.5030.7024.507.50/60次坏3.50/69次坏0.645018.0011.00/54次坏11.00/27次坏13.00/21次坏0.00/21次碎838485粉煤灰(%)矿渣(%)硅藻土(%)沸石(%)抗压强度/MPa胶凝材料280kg/m3混凝土胶凝材料380kg/m3混凝土28天60天75次冻融28天60天75次冻融000031.934.225.435.742.233.40205535.144.049.736.344.853.5040101032.040.744.235.643.547.615051034.343.044.833.944.452.3152010034.035.145.128.841.753.315400532.534.744.333.737.251.630010525.227.144.533.439.557.5302001023.526.634.530.837.244.930405018.024.332.329.434.145.58687启示1：并不是水泥用量越多混凝土耐久性越好，水泥用量过高反而会使混凝土强度和耐久性降低。启示2：合理利用矿物掺合料和化学外加剂，控制水灰比，优化混凝土配合比设计，可以实现混凝土的高耐久性；88启示3：任何一种貌似强大的材料也有其不足之处，由其它材料（甚至看似“卑微”的材料）复合而产生的联合作用有时会产生惊人的效果！那么人呢？？？89熟料波特兰水泥矿渣水泥（A）S＜30%矿渣水泥（B）30＜S＜60%矿渣水泥（C）S＞60%1236月1年3年7257X6433X5824X3月半年1年6651335941X5325X3月半年1年68861186363526863X3月半年1年9912419195140193108133160海水养护矿渣水泥与波特兰水泥的强度对比熟料矿物组成（%）C3SC2SC3AC4AF1234655603222176101016131390暴露在海水中25年浪溅