綠色高性能混凝土與建筑工程材料的可持續發展
2005-02-18 00:00
孫振平 王新友 張冠倫
（同濟大學材料學院）
周文宗 劉啟印
（HI CON 美商啟欣企業集團）
摘 要
綠色高性能混凝土是混凝土作為建筑工程材料走可持續發展之路的必然方向。本文著重討論了綠色高性能混凝土的涵義，開發使用綠色高性能混凝土在保護環境、節約能源和資源等方面的社會意義，以及綠色高性能混凝土對原材料的要求和發展綠色高性能混凝土尚需進行的工作。
關鍵詞：可持續發展 綠色高性能混凝土 綠色水泥
一 建筑工程材料的可持續發展
1. 可持續發展〔１〕
隨著科技進步和社會生產力的提高，人類創造了前所未有的物質財富，加速推進了社會文明。但與此同時，人口爆炸，資源消耗過度，環境污染以及生態平衡嚴遭破壞等問題也日益突出, 于是“可持續發展”觀念越來越引起人們的高度重視，并成為當今世界各國所面臨的跨世紀的重大課題。1992年聯合國環發大會在巴西里約召開并通過了以實施可持續發展戰略為核心內容的全球“21世紀議程”后，我國十分重視這一問題，1994年我國通過了“中國21世紀議程”，“九五”計劃和2010年遠景目標中又明確將可持續發展作為一個長遠的發展戰略。
何謂“可持續發展”？可持續發展是指既要滿足當代人的需求，又不損害后代人滿足需求能力的發展，也就是經濟建設與人口、資源、環境和社會的協調發展。既要達到發展經濟的目的，又要保護人類賴以生存的自然資源和環境，使我們子孫后代能夠永續發展和安居樂業。一句話：不要吃子孫飯，斷子孫路。
2. 建筑工程材料與可持續發展
可持續發展是社會經濟發展的根本性戰略，它要求在大力發展經濟的同時，要解決好經濟、環境、資源、人口和社會等的協調性。由此，在工業生產領域，其具體目標主要著重于五大方面〔2〕：
a. 最大限度地綜合利用自然資源和能源；
b. 盡可能地提高生產效率，降低能耗，降低各項消耗；
c. 極力保護環境，維護生態平衡，消除或盡量減少環境污染；
d. 消除或最低限度地產生廢渣、廢料、廢水、廢氣；
e. 組織無廢生產，實現生態工業系統，在各工業部門完成環保內循環和三廢自凈的基礎上，建立跨行業的區域性仿生群樂體，解決全社會的環保和生態平衡系統問題。
我國建筑業是一個非常大的產業，在國民經濟五個生產部門中據第三位。建筑業所耗用的鋼材、水泥和木材分別約占全國總耗用量的25％、70％和22％，化學建材作為新型建材正異軍突起，成為第四大建材。我國正處于發展時期，正從一個農業大國向工業國家轉變，今后若干我們都將致力于解決逐步城市化人口的住房問題和大量的城鎮建設問題，還將面臨城市交通、城市大型公用設施和國家重點建設工程等重大項目。任務之重, 必將加大對建筑工程材料的需求量和加速推動建筑工程材料工業的發展。
水泥混凝土作為一種最大宗的傳統的建筑工程材料，其發展已有一百七十多年歷史了。水泥混凝土在各種工程中的應用，打破了只有傳統的秦磚漢瓦才能創造建筑文明的歷史格局。一百多年來，以水泥混凝土為主要建筑材料的各種建筑物（構筑物）不斷標新立意，代表和反映著各時代、各地域的文化背景、建筑風格和建筑水平。可以毫不夸張地說，沒有高技術的水泥混凝土，標志著現代文明的各種建筑物（構筑物）是無法建成的。
混凝土在建筑、市政、橋梁、地下、水利、海洋、核工業、軍事等眾多工程領域都發揮著其它材料所無法替代的作用和功能。多年來混凝土也一直被人們當作是一種相對于鋼材、木材等建筑材料來說，適用范圍廣，價格便宜，易澆注成型，力學性能較穩定，比較耐久，有時還可以有效地利用一些工業固體廢料的節能型建筑材料。據統計，每噸混凝土消耗的能量僅為磚的1/6, 鋼材的1/20, 玻璃的1/28, 鋁材的1/170, 因此, 作為節能材料, 混凝土一直受到人們更多的重視。但自從以水泥混凝土為主要建筑材料的建筑物及構筑物開始出現人們所未曾預料到的破壞，尤其是當人們開始意識到人類毫無節制地濫用地球資源和能源，以致開始出現危急時，當發展與環境保護、發展與能源節約、發展與資源節省放在一起綜合考慮（也即可持續發展），力求協調發展之時，混凝土材料科學界也開始進行反思。那么，混凝土材料究竟如何走可持續發展之路呢？筆者認為，單單建立一個“高性能混凝土”的概念是不夠的，必須提出和深化“綠色”概念，搞“綠色高性能混凝土”。本文主要討論綠色高性能混凝土的涵義，開發使用綠色高性能混凝土的社會意義，開發綠色高性能混凝土對水泥工業、混凝土設計方法、材料選擇、施工工藝和質量評定等方面的要求，以及今后尚需盡快解決的其它幾個問題。
二 綠色高性能混凝土
綠色高性能混凝土是混凝土材料科學發展到今天, 并且當人們將材料性能的獲得與廢物利用、減少污染和保護環境等問題綜合考慮時的必然趨勢。
1. 普通混凝土
混凝土是由水泥、細集料、粗集料和水以及必要時摻入的外加劑按一定比例混合拌勻，經澆注成型并凝結硬化后形成一種呈堆聚結構且具有一定強度的結構材料。混凝土的概念相當廣泛。經過幾代科學家的不懈努力，混凝土科學已逐漸被納入材料科學軌道。
自1824年英國的Aspdin首次獲得Portland水泥專利時起，水泥品種、標號、產量和水泥混凝土用量一直以很大的速度上升，1995年，全世界水泥年產量達到13億噸，混凝土方量為35億立方米，其中我國水泥產量為4.3億噸，混凝土方量為12億立方米；1997年，我國水泥產量預計將達到4.8億噸。可以說，混凝土的大量應用，對推動國民經濟起到了很大作用。
至今, 混凝土的發展已經歷了幾個階段：（1）普通混凝土；（2）鋼筋混凝土；（3）預應力鋼筋混凝土；（4）外加劑混凝土；（5）聚合物水泥混凝土、纖維增強混凝土等。在這些階段，混凝土的原材料都基本以水泥、砂、石和水為主。
2. 高性能混凝土（HPC）
HPC是在1990年5月美國國家標準與技術研究院（NIST）和美國混凝土協會（ACI）召開的會議上首次提出的概念。盡管各國學者都一直在對HPC的具體定義展開著熱烈討論，但至今似乎仍未達成一致，主要分歧在于所謂的高性能是否是一個十分全面的概念。縱觀各個國家及學者定義HPC時的背景，筆者認為，HPC應根據各個時代、地區和工程實際、科研水平來定義。對于混凝土這樣一個大系統，人們對它的研究或者說改性只能從某幾個方面入手，另外，全球各個國家地域不同，混凝土技術發展的歷史更不相同，工程上對混凝土各種性能的要求也不盡相同。基于這些原因，我們認為應把HPC的“高性能”理解為是“與一定歷史階段和工程實際最相適應的性能”〔3〕。那么, 可以定義高性能混凝土為: 凡具有人們所期望的但用傳統材料或傳統設計思想較難達到的性能的混凝土即為高性能混凝土。高性能混凝土具有相對性和時代性。
因此，筆者認為只要具有以下某些優良性能或全部性能的混凝土均可認為是高性能混凝土：
1）優良的施工性。如高流動性、免振自密實性或者滿足某種特定工程的施工性（如滑模攤鋪路面混凝土、水下施工混凝土、快速注漿材料等）；
2）強度高。目的是盡量減少肥梁胖柱，但必須要同時考慮建筑的美學效果和結構撓度和功能等方面的要求，也即，并不是每項工程都需要高強混凝土；
3）盡可能地提高耐久性，這一項不管是中低強度混凝土還是高強度混凝土都必須十分注重；
4）具有下列某些特殊功能，如超早強、低脆性、高耐磨性、吸聲、自呼吸性等。
盡管在開發應用HPC的過程中， 一般都要使用高性能外加劑和性能優良的摻合料，一定程度可以起到節約水泥從而節約資源和能源、保護環境的效果，但HPC的提出者和在此之后關于HPC的爭論者都沒有從環境保護，節約資源和能源的高度來認識這一問題，譬如，過分強調在任何工程中都使用高強混凝土，無疑是對寶貴而有限的地球資源和能源的浪費。因此，用可持續發展戰略眼光來重新認識高性能混凝土，指出水泥混凝土今后的發展方向是非常有必要的。
3. 綠色高性能混凝土的提出及其涵義
混凝土盡管是一種相對節能的大宗的建筑工程材料，但隨著世界水泥年產量和混凝土澆注量的不斷增加，其對資源、能源和環境產生了極其巨大的影響。水泥混凝土能否長期維持作為最主要的建筑材料，不僅要求其具備在耐久性、施工性和強度等方面的高性能, 而且最關鍵之處在于其綠色“含量”是否高。為此，“綠色高性能混凝土”的概念便油然而生。最早提出“綠色高性能混凝土”概念的是我國工程院院士吳中偉教授〔4〕。
簡要地說，符合以下條件的高性能混凝土才真正能稱得上是綠色高性能混凝土：
1）綠色高性能混凝土使用的水泥必須為綠色水泥；砂石料的開采應以十分有序且不過分破壞環境為前提， 大力推行以碎石破碎后的下腳料－－石屑代替天然砂技術。
2）最大限量地節約水泥用量，從而減少水泥生產中的“副產品”－－CO2 、SO2等，減小因大量排放無法固定處理的CO2 、SO2等而導致的整個地球的“溫室效應”和局部地區酸雨的形成等后果，以保護環境。
3）更多地摻加經加工處理的工業廢渣如磨細礦渣、優質粉煤灰、硅灰、稻殼灰等作為活性摻合料，以節約水泥，保護環境，并改善混凝土耐久性；
4）應用以工業廢液，尤其是造紙廠黑色紙漿廢液為原料改性制造的減水劑，以及在此基礎上研制的其它復合外加劑。
5）發揮HPC的優勢，通過提高強度，來減小結構截面積或結構體體積，減少混凝土用量，從而節約水泥和砂、石的用量；通過改善施工性來減小澆注密實能耗，降低噪音；通過大幅度提高混凝土耐久性，延長結構物的使用壽命進一步節約維修和重建費用，減少對資源無節制的開挖使用。
6）集中攪拌混凝土，并消除現場攪拌混凝土所產生的廢料、粉塵和廢水，即對從混凝土攪拌站排出的廢水、廢混凝土料進行循環使用。
8）對因拆除舊混凝土建筑物（構筑物）所產生的廢棄混凝土進行循環利用，發展再生混凝土。
4. 綠色高性能混凝土的原材料
4.1 水泥
在水泥混凝土各原材料中，水泥是最主要的不可缺少的一種材料，它既起膠凝材料作用，又是使所有活性摻合料發揮其自身活性產生膠凝物質的激發劑。
雖然水泥只占混凝土所有原材料重量的10－20％，但水泥工業生產中所消耗的能量是最多的，幾乎占混凝土能量消耗的50－60％；混凝土從原材料生產加工到澆注成型過程中，水泥生產工業是排放粉塵、SO2以及NOX等有害氣體的重大環節。因而，生產和使用節能型、環境污染少的綠色水泥是發展綠色高性能混凝土的首要條件。這里主要討論綠色水泥在原材料、生產控制等方面應注意的幾個基本問題。
4.1.1 水泥工業的幾種型式〔2〕：
水泥工業型式按資源利用水平、技術裝備、管理水平、產品品種質量、廢物排放以及造成環境污染的程度等進行劃分，目前主要存在以下四種生產型式
1）粗放型 無節制地向自然索取資源（原料、燃料、電力），且利用率低；在企業技術裝備上表現為簡陋粗糙、陳舊、效率低，安全可靠性差；管理上更是無科學性可言；水泥品種少，質量不穩定；在廢渣利用方面，只是為了增加低標號水泥品種，降低成本才在少數企業使用，尚未充分考慮廢渣的活性；在環保方面，基本上屬于無節制地排放，盡管可能有國家標準，但由于環保意識尚未在社會中廣泛而牢固地建立，因而多數都不執行，導致環境污染非常嚴重。
2）技術型 能夠做到有控制、有規范地利用資源，并且正在力爭充分利用，以減少浪費；能夠采用新技術、新裝備，以趨向于節能降耗；開發研制出較多的水泥品種，質量較合格，可滿足各種需要；在三廢的控制方面已趨向于能夠滿足日益嚴格的排放標準，環境污染逐步減輕。
3）集約型 當生產水平提高到這一階段，水泥工業已開始綜合地充分利用資源，盡量爭取物盡其用，使資源浪費降低到最小；能夠廣泛采用最新的技術裝備，全面實現高效低耗；此時水泥品種多，性能優；沒有廢渣排放，粉塵足以忽略不計，有害氣體極少，完全達到排放標準；環境污染十分輕微。
4）“綠色”型 要求將資源利用率和二次能源回收率均提高到最高，并且能夠循環利用其它工業的廢渣和廢料；技術裝備上更強化了環境保護的技術與措施；產品除了質量全面實行質量管理體系外，還真正實行全面環境保護的保證體系；粉塵、廢渣和廢氣等的排放幾乎接近于零，真正做到不但自身實現零污染，無公害，又因循環利用其它工業的廢料、廢渣，而幫助其它工業的三廢消化，以最大限度地改善環境。
目前，一些發達國家，如德國、丹麥、日本等已有綠色水泥廠，水泥工業較先進的發展中國家如泰國、韓國等的工業水平則正介于技術型和集約型之間，而大多數發展中國家基本上處于粗放型到技術型之間。至于我國的的水泥工業，盡管其年總產量已連續14年雄居世界各國之首，但90％左右的水泥廠仍處于“粗放型”階段，屬于“技術型”的在10％以下，大致能稱得上“集約型”的僅有2％左右。
4.1.2 發展綠色水泥應采取的幾個措施
筆者認為，為盡快使我國水泥生產邁上“綠色化”軌道，應從以下幾個方面著手：
1）進一步開拓原材料資源，加大原材料資源的地質勘探工作的力度，摸清原料資源的儲量、品位、分布情況，在此同時，還要研究開發除石灰石和粘土以外的其它鈣質和硅質原料〔5〕。避免對現有較高品位水泥原料礦山的不科學的亂采亂挖，水泥工業不久遭受無米之炊之苦。
2）盡一切技術力量節約水泥生產中的能耗。每生產1噸水泥熟料，我國目前平均消耗152Kg標準煤，而世界先進水平為105Kg。如果我們的節能技術提高到世界先進水平，按年產3億噸水泥熟料計算，則每年僅水泥生產中就可節約標準煤470萬噸。實現這一目標，必須創建新型干法生產線，提高煤炭利用效率并完善現有的粉磨設備〔6〕。
3）加大循環利用其它工農業排放的廢渣的力度。可以作為水泥混合材的工農業固體廢渣有很多種，如高爐礦渣、電廠粉煤灰、硅鐵合金廠的副產品硅灰、農業稻殼灰，還有其它如磷渣、電石渣、鋼渣以及天然的石灰石、沸石和燒粘土等，這些混合材都具有一定的潛在活性，其活性成分可以與水泥熟料的水化產物Ca(OH)2等發生二次水化反應，產生起增強作用的產物。我國1995年共產出各種工業廢渣6億噸，水泥工業用作混合材的約8500萬噸，用作原料和其它的有2000萬噸，共計吃掉工業廢渣總排量的16－18％。廢渣作為水泥的混合材尚有很大潛力可挖，但是由于混合材摻量較大時，水泥的早期強度有可能達不到有關的產品標準，所以，今后在進一步開發研究和生產大摻量混合材的水泥品種時，一方面要解決水泥的早期強度問題，另一方面，也可以對有關標準進行必要的修改，以利于水泥工業吃灰的“便利”性。
4） 更嚴格地限制粉塵的排放。我國目前水泥工業控制粉塵排放量的水平相當低，只相當于發達國家五、六十年代的水平，情況十分令人擔憂。應盡快加以改造，安裝袋式收塵器或電收塵器，將粉塵排放量降低到50mg/m3以下甚至接近于零。
5）大力推廣散裝水泥。以散裝形式運輸和儲備水泥是工業和建設大規模化后水泥工業發展的必然趨勢，散裝水泥可以避免使用包裝紙袋或塑料袋，因而，防止了水泥袋拆用后造成的廢棄物對環境的二次污染；采用散裝水泥同時也為混凝土生產中采用機械化自動上料、自動稱量，減少浪費和污染提供了一定保證。我國目前散裝水泥僅占當年水泥總產量的15％左右，而水泥工業發達國家已達到90％左右，我們在這方面是十分落后的。
從以上分析來看，我國水泥工業要想實現“綠色”生產，必須在原料、工業廢料利用、節約能耗、降低廢物排放等方面下功夫。水泥產品的綠色含量上不去，則綠色混凝土也是一句空話。
4.2 綠色高性能混凝土對其它原材料的要求
綠色高性能混凝土除了對水泥的“綠色”含量要求很高外, 對活性摻合料、集料、外加劑和拌和水的質量都將提出嚴格的要求，以改變過去那種材料使用過程中無序的狀態和人為的浪費，以及消除微量的、不易被人所察覺但的確對人體健康造成一定危害的物質的存在，隨著科技的發展，這些要求都將逐步被量化而使具體控制有所依據。
三 開發研制和應用綠色高性能混凝土尚需進行的工作
綠色高性能混凝土材料的設計、施工和應用涉及到許多部門，許多環節。在這樣一個大系統中，只注重對水泥產業結構進行調整，實現“綠色化”生產一個環節是遠遠不夠的。因此亟待開展以下工作：
首先要加強混凝土科研開發、標準制定、工程設計、施工人員等的環保節能意識，加大綠色概念的宣傳力度。從而使混凝土科研人員加強研究；水泥生產企業盡快轉化觀念，在現存立窯的基礎上加快窯體改型，從燃料、收塵、工業廢渣利用、廢氣循環利用等幾個方面找突破口，生產出綠色含量高的品種齊全、質量上乘的水泥，這是搞綠色高性能混凝土在原材料方面的重要保證之一。
其次，工程設計人員應更新傳統的混凝土設計方法，敢于在重大工程中摻用活性混合材料；施工人員要提高質量意識，嚴格施工。
第三，要研究出對工業廢渣行之有效的加工方法、加工設備，以期充分利用工業廢渣的活性。
第四，對紙漿黑色廢液進行加工處理，開發以紙漿廢液為主要原材料的普通減水劑和高效減水劑。長期以來，黑色的紙漿廢液一直是導致我國長江、黃河流域以及其它河道水質污染的“元兇”〔7〕。我國大約有9000多家造紙廠，每年產生的黑色廢液大約有30－90億噸，絕大多數廠家都把未經處理的廢液直接排放到江河中，造成的污染十分驚人－－竟占我國所有化工污染的1/4！應用紙漿廢液來制取混凝土減水劑不僅可以生產價廉的產品，節省減水劑生產中所使用的工業萘，最重要的是可以幫助造紙廠處理廢液，減少廢液對環境、工農業生產以及人身健康造成的巨大危害。
第五，開發適合于摻活性混合材混凝土的高性能外加劑，以解決摻混合材對混凝土性能造成的某些不利影響（如早期強度低，強度發展慢等）。
第六，研究一種或多種活性混合材和外加劑與水泥礦物成分的超疊加效應，以便針對具體材料提出最佳設計方案。
第七，研究和制定綠色高性能混凝土的質量控制方法、驗收標準等。綠色高性能混凝土都要求摻加活性混合材。眾所周知，象粉煤灰、磨細礦渣等摻入混凝土中，混凝土的強度發展較慢，但后期強度卻能夠提高很多，一般摻活性混合材的混凝土其強度在28天后到三個月這期間增長幅度相當大，一年后，仍會繼續增長，當活性混合材摻量較大（如30－50％，甚至70％）時，這種效應更加明顯，也即，活性混合材對混凝土強度的貢獻主要在后期。如果仍沿用普通混凝土質量控制方法和驗收標準，即以28天抗壓強度來衡量混凝土的質量，則是不符合實際情況的，勢必要造成強度和材料的嚴重浪費，這與混凝土“綠色化”的真正目的是背道而馳的。另外，綠色高性能混凝土要求混凝土具有較高耐久性，以延長結構使用壽命，對混凝土質量評定的傳統和現行的標準只考慮強度，而對耐久性指標一般不予考慮，希望新標準增加耐久性指標這一項。
最后，針對當前城市改造過程中大量拆除的舊結構物混凝土，研究一整套破碎、分級技術，研究出用廢舊混凝土顆粒作為集料配制混凝土的切實可行的方法，循環利用，搞再生混凝土，用來澆筑強度要求相對比較低的地坪、中低等級混凝土路面等工程。
參考文獻：
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