生態(tài)環(huán)境型混凝土材料與技術(shù)

　?。?、清華大學(xué)土木系，北京，100084）（2、云南建工集團(tuán)混凝土技術(shù)創(chuàng)新中心）
　?。?、中國(guó)建筑研究院建材所，北京，100013）（4、云南建工混凝土有限公司，云南 昆明，650051）

1．我國(guó)混凝土技術(shù)的現(xiàn)狀

　?。?）我國(guó)水泥產(chǎn)量最多，2004 年水泥產(chǎn)量9.4 億噸；混凝土的產(chǎn)量也最多，已達(dá)到20 億m3/年，應(yīng)用面也很廣泛。為我國(guó)的發(fā)展和建設(shè)作出了重大的貢獻(xiàn)。
　?。?）混凝土結(jié)構(gòu)的承載力不足，耐久性差，壽命短。結(jié)構(gòu)過(guò)早的破壞造成資源的重大浪費(fèi)和對(duì)環(huán)境帶來(lái)了嚴(yán)重污染。
　?。?）水泥混凝土材料面臨著資源和能源缺乏的新形勢(shì)。
　?。?）水泥和混凝土生產(chǎn)給生態(tài)環(huán)境帶來(lái)了嚴(yán)重的污染。

2．我國(guó)的資源、能源和環(huán)境問(wèn)題

　　在中國(guó)的主要資源，人均占有量為世界平均水平的50%以下。其中淡水資源為世界平均水平的28%；耕地面積為世界平均水平的32%；礦產(chǎn)資源為世界平均水平的50%。我國(guó)消耗的石油資源很大部分依賴(lài)進(jìn)口。而能源消耗又是國(guó)際上最高的。以1 美元的GDP 計(jì)算，中國(guó)的能源消耗是美國(guó)的4.3 倍、日本的11.5 倍。在中國(guó)能源的利用效率只有美國(guó)的26.9%、日本的11.5%。

　　2.1 水泥、混凝土發(fā)展對(duì)資源能源的消耗及給環(huán)境帶來(lái)的污染

　　水泥、混凝土生產(chǎn)時(shí)，又是資源、能源消耗的大戶(hù)。2004 年，我國(guó)水泥的產(chǎn)量約9.4 億噸，以水泥熟料6.0 億噸計(jì)算，資源和能源消耗十分巨大：每年資源方面消耗：石灰石約10 億噸；粘土約1.2 億噸；水約10 億噸，還有鐵粉等輔助材料約2000~3000 萬(wàn)噸。每年能源方面的消耗：煤粉約1.0 億噸；電約500 億度。

　　我國(guó)混凝土產(chǎn)量約20 億m3/年。年需要粗骨料約16 億m3，細(xì)骨料約12 億m3，水泥約6.5 億噸，水約5.0 億m3（養(yǎng)護(hù)用水未考慮），減水劑約1200 萬(wàn)噸。我國(guó)有些城市沒(méi)有合格的骨料，例如北京的堿活性骨料對(duì)混凝土的危險(xiǎn)極大，骨料的生產(chǎn)幾乎全部停止。大部分骨料均從河北運(yùn)進(jìn)來(lái)，每年2000 萬(wàn)m3 混凝土，交通、能源方面均帶來(lái)了巨大的問(wèn)題。

　　天津某單位的勘測(cè)表明，我國(guó)能生產(chǎn)水泥的石灰石貯量?jī)H500 億噸，以其作為生產(chǎn)水泥的原料，按目前水泥產(chǎn)量計(jì)算，僅夠生產(chǎn)水泥40 年，那么每年20 億m3 混凝土的骨料又從何來(lái)？

　　以上事實(shí)說(shuō)明，我國(guó)水泥、混凝土的資源問(wèn)題迫在眉睫。

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　　2.2 工業(yè)廢渣與城市垃圾等大量排放給環(huán)境帶來(lái)的污染

　　我國(guó)粉煤灰年排放量2.0 億噸以上，長(zhǎng)期貯存的粉煤灰超過(guò)20 億噸。城市污水排放量超過(guò)2 億噸，污水處理后的沉淀約2000 萬(wàn)噸/年（脫水后）。水庫(kù)污泥總量超過(guò)1374 億m3，占水庫(kù)總?cè)萘康?0%。

　　城市生活垃圾排放量，以北京市為例約1000 萬(wàn)噸，其中10%為廢氣玻璃，極難處理。此外，還有大量建筑垃圾需要處理。

　　我國(guó)由于廢水排放，工業(yè)生產(chǎn)的廢氣排放等等，已對(duì)環(huán)境造成了極大的影響?；春恿饔蛴捎诠I(yè)排水的污染，飲水致癌者為數(shù)甚多。松花江水污染已造成國(guó)際上極壞的影響。SO2 和CO2 的排放量處于世界前列CO2 的年排放量（其中生產(chǎn)水泥排放的CO2 量占50%以上）已超過(guò)了環(huán)境的靜化能力。酸雨面積約占國(guó)土面積的1/3。1995 年酸雨造成的經(jīng)濟(jì)損失達(dá)到1165 億
元，約當(dāng)年的GDP 的2%。

　　空氣中微粉粒子含量達(dá)432mg/m3 以上，其中大部分是水泥生產(chǎn)造成的，還有汽車(chē)排放廢氣和工地施工帶來(lái)的粉塵等等。報(bào)據(jù)北京電視臺(tái)的報(bào)告，在北京沒(méi)有一天的空氣質(zhì)量是等于優(yōu)的。

3．混凝土結(jié)構(gòu)過(guò)早的劣化破壞給環(huán)境帶來(lái)的污染巨大的經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)影響

　　山東沿海鋼筋混凝土公路橋，使用不到10 年，保護(hù)層嚴(yán)重剝落，有的已成危橋（圖1）。

圖1 埕口大橋橋墩的損傷破壞

　　深圳商報(bào)報(bào)導(dǎo)，北京奧運(yùn)展覽館工程曾獲魯班獎(jiǎng)，現(xiàn)為豆腐渣工程。

　　2004 年沈陽(yáng)某公路橋在行車(chē)過(guò)程中橋板折裂破壞，造成多部汽車(chē)掉落橋下，造成車(chē)毀人亡。

　　南京長(zhǎng)江大橋于文化大革命期間造成，投入使用不到30 年，現(xiàn)已下令外部汽車(chē)禁止通行。

　　武漢漢江某橋原設(shè)計(jì)使用壽命50 年，但不到10 年，已拆除重建。

　　深圳某教室樓投入使用不到15 年已成危險(xiǎn)房屋，停止使用。

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　　有些鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，由于使用了堿活性骨料，或使用了海砂，經(jīng)數(shù)年使用，劣化已擴(kuò)展到表面，出現(xiàn)了嚴(yán)重的損傷開(kāi)裂。甚至有些工程，由于對(duì)環(huán)境劣化固于考慮不夠，在施工過(guò)程中就不斷的暴露出了嚴(yán)重的問(wèn)題。

　　從上述現(xiàn)況和分析表明，水泥混凝土材料的發(fā)展，必須從僅考慮技術(shù)性能和經(jīng)濟(jì)效果傳統(tǒng)的觀念中轉(zhuǎn)變過(guò)來(lái)；也就是說(shuō)沿看技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境三方面的合成方向發(fā)展。如圖2 所示。

4．生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)型的混凝土材料和技術(shù)

　　生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)性的混凝土材料和技術(shù)應(yīng)該是省資源、省能源、降低環(huán)境污染和能再生循環(huán)利用的材料與技術(shù)。生態(tài)混凝土與過(guò)去的混凝土相比如圖3 所示。

　　生態(tài)混凝土是從過(guò)去對(duì)混凝土的強(qiáng)度和耐久性的要求基礎(chǔ)上，進(jìn)一步與環(huán)境問(wèn)題結(jié)合起來(lái)，降低環(huán)境負(fù)荷，與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)，保存與提高環(huán)境景觀。也就是說(shuō)，生態(tài)混凝土要具有結(jié)構(gòu)所要求的性能與功能之外，還要具有環(huán)境協(xié)調(diào)性和居住的愉適性。

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　　生態(tài)混凝土還可以進(jìn)一步分類(lèi)如圖4 所示。

　　4.1 生態(tài)水泥

　　日本的生態(tài)水泥是很成功的。在日本有多處生產(chǎn)生態(tài)水泥的工廠(chǎng)， 總產(chǎn)量約500 萬(wàn)噸以上。生產(chǎn)1 噸生態(tài)水泥所需要的垃圾灰、下水道污泥及工藝過(guò)程如圖5 所示。水泥的化學(xué)成分如表1，物化性能如表2。

表1 水泥的化學(xué)成分和礦物組成

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　　利用生態(tài)水泥配制混凝土與普通混凝土相比如圖6，圖7 所示。

　　由此可見(jiàn)，生態(tài)水泥混凝土的性能與普通混凝土相似。

　　4.2 再生骨料混凝土

　　將混凝土建筑結(jié)構(gòu)物解體后的砼塊運(yùn)進(jìn)工廠(chǎng)，經(jīng)一次破碎之后，剔除鐵塊及粗大雜物；初碎的混凝土塊再經(jīng)二級(jí)破碎，濕式分級(jí)，分離成粗、細(xì)骨料及砂漿，同時(shí)排放污水?；炷翂K再生利用的實(shí)例如圖8 所示

　　在圖8 中，除了再生碎石和再生砂以外，還有大量微粉，主要用途有以下三個(gè)方面：（1）代替部分水泥用于生產(chǎn)混凝土；（2）混凝土微粉按一定比例與石灰配合，生產(chǎn)制品，通過(guò)高壓蒸養(yǎng)，可以得到比強(qiáng)度高的制品；（3）流化土，在建筑工程中，挖掘的泥土，摻入水泥和混凝土微粉及化學(xué)外加劑，可以得到流動(dòng)性很大的回填土。

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　　日本再生骨料暫行規(guī)定中，把再生骨料按吸水率和穩(wěn)定性（安定性）分類(lèi)如表-3 所示。

　　*注：不考慮凍融耐久性

　　利用再生骨料配制的混凝土及其應(yīng)用如表4、表5

表5 再生骨料混凝土的用途

　　再生骨料配制的混凝土的性能與再生粗細(xì)骨料對(duì)天然骨料的置換率有關(guān)。

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圖-9 是用不同粗細(xì)骨料配制不同水灰比混凝土強(qiáng)度。骨料的組合如下：

　　從圖9 可見(jiàn)，利用再生骨料和天然骨料適當(dāng)配合，配制的混凝土基本上不降低強(qiáng)度。日本向井毅以30%再生骨料代替天然骨料配制的混凝土與天然骨料混凝土的性能相同。

　　4.3 非燒結(jié)粉煤灰陶粒混凝土砌塊

　　1）非燒結(jié)粉煤灰陶粒

　　工藝過(guò)程：粉煤灰非燒結(jié)陶粒工藝過(guò)程如下（圖10）

　　陶粒性能：容重700～800 ㎏/m3；抗壓強(qiáng)度≥4.0 MPa；吸水率：2hr≤10%,24hr≤20%。非燒結(jié)粉煤灰陶粒如圖11 所示

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　　2）非燒結(jié)粉煤灰陶粒砌塊

　　以非燒結(jié)粉煤灰陶粒為骨料，水泥、粉煤灰為膠結(jié)料，經(jīng)配合、攪拌、振動(dòng)加壓成型、太陽(yáng)能養(yǎng)護(hù)而成。這種砌塊可作框架結(jié)構(gòu)的外墻以及內(nèi)墻。用作外墻砌塊時(shí)，可摻入硬脂酸乳化液，可達(dá)到防水的目的。粉煤灰陶粒砌塊如圖12 所示。

　　非燒結(jié)粉煤灰陶粒及其為骨料的砌塊，原材料的80%都是粉煤灰，達(dá)到了省資源、省能源，降低環(huán)境負(fù)荷的目的。

　　4.4 透水混凝土

　　過(guò)去的透水混凝土多為無(wú)砂大孔混凝土。是以粗骨料裹上水泥漿以后，再經(jīng)振動(dòng)加壓成型而成。利用這種混凝土鋪設(shè)人行道、廣場(chǎng)時(shí)能大量滲水，可以把雨水變成地下水；也可以吸聲，并有水的凈化功能，動(dòng)物和植物可在表面生長(zhǎng)等等。具有很多特性。但重量大，且含有較大堿性，也不利于植物生長(zhǎng)。

　　作者發(fā)明了一種新型透水材料。以人造輕骨料代替普通骨料，以水玻璃和玻璃粉為膠結(jié)料，經(jīng)低溫煅燒而成的透水材料，質(zhì)輕，可以鋪設(shè)馬路兩邊人行道，也可以做成隔熱保溫及吸聲材料，種植花草，鋪設(shè)屋頂花園。陶粒燒制的透水材料如圖13 所示。

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　　4.5 循環(huán)使用的混凝土材料

　　混凝土組成材料考慮到解體后能制造再生水泥，用再生水泥與改性再生骨料配制成再生混凝土。資源可以循環(huán)利用。如圖-14 所示。

　　能使用為完全循環(huán)混凝土材料如下表：

表-7 使用作為完全循環(huán)的混凝土材料

粉 體 　?。骸∷啵V渣微粉、粉煤灰、硅質(zhì)粉末、硅粉、石灰石粉
細(xì)骨料　?。骸?FONT face=Verdana>石灰石碎石砂、硅質(zhì)巖石碎石砂、硅砂、礦渣細(xì)骨料、膨脹頁(yè)巖系人造細(xì)骨料、粉煤灰燒成細(xì)骨料、鋼渣細(xì)骨料等滲水管與材料
粗骨料　?。骸∈沂槭?，硅質(zhì)巖石碎石或卵石，粘板巖碎石或卵石，礦渣粗骨料，膨脹頁(yè)巖人造輕骨料，粉煤灰燒成粗骨料

　　通過(guò)完全循環(huán)混凝土技術(shù)，與混凝土有關(guān)資源問(wèn)題可以得到改

5．商品混凝土生產(chǎn)時(shí)副產(chǎn)物的再利用

　　混凝土生產(chǎn)與施工應(yīng)用的過(guò)程中，排出大量的副產(chǎn)品，如清洗攪拌機(jī)及攪拌運(yùn)輸車(chē)時(shí)排出的廢水；攪拌站或混凝土制品廠(chǎng)生產(chǎn)時(shí)排放的泥漿。由于長(zhǎng)期排放，造成環(huán)境的污染。這些副產(chǎn)品需要很好的再利用。

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　　混凝土每天施工運(yùn)輸過(guò)程中，運(yùn)輸車(chē)中常常有未用完退回的混凝土?？梢酝ㄟ^(guò)沖洗，篩分，把粗細(xì)骨料分離開(kāi)來(lái)利用，沖洗水（包括多次沉淀水）可以澄清再利用。而漿膏可以摻入骨料和水泥，生產(chǎn)砌塊或鋪設(shè)路磚。這方面的技術(shù)，在廣州、北京及武漢的一些商品混凝土攪拌站已得到應(yīng)用。

6．混凝土長(zhǎng)壽命化

　　混凝土的高耐久性與長(zhǎng)壽命，首先是保證結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性。這也是從根本上節(jié)約資源與能源，減少環(huán)境污染的重大課題。例如現(xiàn)有鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)住宅，平均造價(jià)為2000 元/m2，每平米需材料1500kg/m2（其中混凝土1000kg/m2），若全國(guó)每年建造7 億m2 住宅，需資金14000 億元，需要混凝土材料7 億噸/年。如果把現(xiàn)在有住宅使用壽命從現(xiàn)在的50 年延長(zhǎng)至75 年，每年就可以節(jié)約1/3 的建筑資金（約3800 億元），節(jié)約材料2.3 億噸，同時(shí)可以大大降低水泥生產(chǎn)和建筑垃圾對(duì)環(huán)境
的污染。可以說(shuō)，混凝土結(jié)構(gòu)的高耐久性和長(zhǎng)壽命是混凝土材料和技術(shù)發(fā)展的另一個(gè)重大問(wèn)題。

　　提高混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性，除了根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，保證足夠的承載力外，還需要根據(jù)混凝土結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境，由于環(huán)境帶來(lái)的劣化外力，如凍融，鹽害，海洋沖刷及硫酸鹽腐蝕等進(jìn)行耐久性設(shè)計(jì)。

　　由于環(huán)境條件不同，耐久性設(shè)計(jì)時(shí)，有的可能只考慮一種劣化外力，有的可能是多種劣化外力的共同作用，也就是耐久性病害綜合癥，這需要找出預(yù)防混凝土耐久性病害綜合癥的對(duì)策方法。

　　提高混凝土的耐久性，需要根據(jù)環(huán)境條件，選用適宜的水泥品種；檢測(cè)骨料的堿活性，選用適宜的礦物質(zhì)粉體和化學(xué)外加劑。在配合比設(shè)計(jì)方面要保證單方混凝中水泥有用量≥280kg/m3，用水量≤175kg/m3；水灰比≤0.42。

　　由于耐久性對(duì)混凝土強(qiáng)度要求，往往高于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)混凝土強(qiáng)度要求。如英吉利海峽隧道，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)混凝土強(qiáng)度只有40 多MPa，但從百年耐久性要求，要求砼強(qiáng)度62MPa。香港的青馬大橋也是一樣，原設(shè)計(jì)混凝土不能滿(mǎn)足導(dǎo)電量<1000 庫(kù)侖；后來(lái)加8%硅粉，強(qiáng)度提高，導(dǎo)電量降至1000庫(kù)侖以下。

7．結(jié)束語(yǔ)

　　水泥混凝土是一種性能優(yōu)良的人造材料，為人類(lèi)的文明與發(fā)展做出了巨大的貢獻(xiàn)。人類(lèi)進(jìn)入21世紀(jì)后，面臨著資源、能源和環(huán)境污染等重大問(wèn)題。水泥混凝土材料又是資源、能源消耗的大戶(hù)，環(huán)境污染的重要來(lái)源。這就要求人們從傳統(tǒng)的水泥混凝土模式中走出來(lái)。結(jié)合生態(tài)環(huán)境的要求，走生態(tài)環(huán)境型的混凝土材料和技術(shù)；省資源、省能源和降低環(huán)境污染，才可能得到可持續(xù)發(fā)展。

　　作者簡(jiǎn)介：馮乃謙（1934年7月-），出生于廣東省，1953年9月考入清華大學(xué)，畢業(yè)后從事建筑材料和制品專(zhuān)業(yè)至今。在清華大學(xué)工作期間，曾任水泥廠(chǎng)廠(chǎng)長(zhǎng)、科研科長(zhǎng)、教研室主任、清華大學(xué)專(zhuān)業(yè)技術(shù)職務(wù)校級(jí)學(xué)科評(píng)議組成員、中國(guó)建筑材料博士點(diǎn)的博士生導(dǎo)師。

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