绿色混凝土的发展及应用

绿色混凝土的发展及应用摘要：介绍了绿色建材的发展和绿色混凝土的概念，对研究和发展绿色混凝土的必要性进行了分析，着重介绍了绿色高性能混凝土、再生骨料混凝土、环保型混凝土、机敏混凝土的发展，最后提出绿色混凝土的应用开发问题。关键词：绿色建材；绿色混凝土随着社会生产力和经济高速的发展，材料生产和使用过程中资源过度开发和废弃及其造成的环境污染和生态破坏，对社会经济的可持续发展和人类自身的生存构成严重的障碍和威胁。坚持可持续发展，混凝土能否长期作为最主要的建筑结构材料，其关键在于能否成为绿色材料，绿色建材成为土木工程建设材料发展的方向。绿色混凝土，指既能减少对地球环境的负荷，又能与自然生态系统协调共生，为人类构造舒适环境的混凝土材料，即可理解为：节约资源、能源，不破坏环境，更有利于环境。一般说来，绿色混凝土应具有比传统混凝土更高的强度和耐久性，可以实现非再生性资源的可循环使用和有害物质的最低排放，既能减少环境污染，又能与自然生态系统协调共生。1绿色混凝土的基本分类绿色混凝土主要分为：绿色高性能混凝土、再生骨料混凝土、环保型混凝土及机敏型混凝土等。1．1绿色高性能混凝土1998年吴中伟院土首次提出“绿色高性能混凝土”的概念，高性能混凝土具有普通混凝土无法比拟的优良性能，关于高性能混凝土的研究是当今土木工程界最热门的课题之一，如果将高性能混凝土与环境保护、生态保护和可持续发展结合起来考虑，则成为绿色高性能混凝土(GHPC)。在1997年3月的“高强与高性能混凝土”会议上指出GHPC是混凝土的发展方向。真正的绿色高性能混凝土应该是节能型混凝土，所使用的水泥必须为绿色水泥。普通水泥生产过程中需要高温煅烧硅质原料和钙质原料，消耗大量的能源。如果采用无熟料水泥或免烧水泥配制混凝土，就能显著降低能耗，达到节能的目的。1．2再生骨料混凝土再生骨料混凝土指以废混凝土、废砖块、废砂浆作骨料，加入水泥砂浆拌制的混凝土。我国20世纪50年代所建成的混凝土工程已使用50余年，许多工程都已经损坏，随着结构的破坏，许多建筑物都需要修补或拆除，而在大量拆除建筑废料中相当一部分都是可以再生利用的，如果将拆除下来的建筑废料进行分选，制成再生混凝土骨料，用到新建筑物的重建上，不仅能够根本上解决大部分建筑废料的处理问题，同时减少运输量和天然骨料使用量。在德国，再生混凝土主要用于公路工程，如德国的一条双层公路采用了再生骨料混凝土，该混凝土路面总厚度为26cm，底层混凝土19cm采用再生骨料混凝土，面层7cm采用天然骨料配制的混凝土。为了更好地回收利用废混凝土，可将废混凝土经过特殊处理工艺制成再生骨料，用其部分或全部代替天然骨料配制成再生混凝土。利用再生骨料配制再生混凝土是发展绿色混凝土的主要措施之一，可节省建筑原材料的消耗，保护生态环境，有利于混凝土工业的可持续发展。但是，再生骨料与天然骨料相比，孔隙率大、吸水性强、强度低，因此再生骨料混凝土与天然骨料配置的混凝土的特性相差较大，这是应用再生骨料混凝土时需要注意的问题。1．3环保型混凝土混凝土材料给环境带来了负面影响，如制造水泥时燃烧碳酸钙排出的二氧化碳和含硫气体，形成酸雨，产生温室效应，进而影响环境。据调查城市噪声的三分之一来自建筑施工，其中混凝土浇捣振动噪音占主要部分。就混凝土本身的特性来看，质地硬脆，颜色灰暗，给人以粗、硬、冷的感觉，由混凝土的构成的生活空间色彩单调，缺乏透气性，透水性，对温度，湿度的调节性能差，在城市大密度的混凝土建筑物和铺筑的道路，使城市的气温上升。新型的混凝土不仅要满足作为结构材料的要求，还要尽量减少给地球环境带来的负荷和不良影响，能够与自然协调，与环境共生。因此，作为人类最大量使用的建设材料，混凝土的发展方向必然使既要满足现代人的需求，又要考虑环境因素，有利于资源、能源的节省和生态平衡，环保型的混凝土成为了混凝土的主要发展方向。1)低碱混凝土pH值在12～13，呈碱性的混凝土对用于结构物来说是有利的，具有保护钢筋不被腐蚀的作用。但对于道路、港湾等，这种碱性不利于植物和水中生物的生长，所以开发低碱性、内部具有一定的空隙、能够提供植物根部或生物生长所必须的养分存在的空间、适应生物生长的混凝土是环保型混凝土的一个重要研究方向。目前开发的环保型混凝土主要有多孔混凝土及植被混凝土。多孔混凝土也称为无砂混凝土，它具有粗骨料，没有细骨料，直接用水泥作为黏结剂连接粗骨料，其透气和透水性能良好，连续空隙可以作为生物栖息繁衍的地方，而且可以降低环境负荷，是一种新型的环保材料。植被混凝土则是以多孔混凝土为基础，然后通过在多孔混凝土内部的孔隙加入各种有机、无机的养料来为植物提供营养，并且加入了各种添加剂来改善混凝土内部性质，使得混凝土内部的环境适合植物生长，另外还在混凝土表面铺了一层混有种子的客土，提供种子早期的营养。2)透水混凝土透水性混凝土与传统混凝土相比，透水性混凝土最大的特点是具有15％一30％的连通孔隙，具有透气性和透水性，将这种混凝土用于铺筑道路、广场、人行道等，能扩大城市的透水、透气面积，增加行人、行车的舒适性和安全性，减少交通噪声，对调节城市空气的温度和湿度、维持地下土壤的水位和生态平衡具有重要作用。透水性混凝土使用的材料有水泥、骨料、混合材、外加剂和水，与一般混凝土基本上相同，根据用途、目的及使用场合不同，有时不使用混合材和外加剂。反映透水性混凝土性能的指标有孔隙率、透水系数、抗压强度、抗冻融循环性和干缩等。3)吸收分解NOx的光催化混凝土城市工业和交通的发展，会导致城市的空气的质量的下降。燃烧燃料也会对大气环境造成严重的影响，危害最大的是NOx。NOx(主要有NO，NO2，N2O)可引起酸雨、臭氧层破坏、温室效应及光化学烟雾等破坏地球生态环境和危害人的身体健康及其动植物的发育一系列问题。光催化混凝土是绿色建材中的一种，它含有二氧化钛催化剂，因而具有催化剂，能氧化多数的有机和无机的污染物，尤其是工业燃烧和汽车尾气排放的NO气体，使其降解为二氧化碳和水等无害物质，起着空气净化、美化环境的作用。1．4机敏型混凝土机敏混凝土是一种具有感知和修复性能的混凝土，是智能混凝土的初级阶段，是混凝土材料发展的高级阶段。智能混凝土是在混凝土原有的组成基础上掺加复合智能型组分使混凝土材料具有一定的自感知、自适应和损伤自修复等智能特性的多功能材料，根据这些特性可以有效的预报混凝土材料内部的损伤，满足结构自我安全检测需要，防止混凝土结构潜在的脆性破坏，能显著提高混凝土结构的安全性和耐久性。近年来，损伤自诊断混凝土、温度自调节混凝土及仿生自愈合混凝土等一系列机敏混凝土的相续出现，为智能混凝土的研究和发展打下了坚实的基础。1)自诊断智能混凝土自诊断智能混凝土具有压敏性和温敏性等性能。普通的混凝土材料本身并不具有自感应功能，但在混凝土基材中掺入部分导电相组分制成的复合混凝土可具备自感应性能。目前常用的导电组分可分为3类：聚合物类、碳类和金属类，而最常用的是碳类和金属类。碳类导电组分包括石墨、碳纤维及碳黑；金属类材料则有金属微粉末、金属纤维、金属片及金属网等。2)自调节机敏混凝土自调节机敏混凝土具有电力效应和电热效应等性能。国外的一位混凝土专家，在1973年首先研究了力由变形产生电、电力，由电产生变形效应。他在做水泥净浆小梁弯曲时，通过附着在梁上下表面的电极可检测到电压，且对其逆反应一电力效应进行了研究，发现梁产生弯曲变形，改变电压的方向时，弯曲的方向也发生相应的变化。机敏混凝土的力电效应、电力效应是基于电化学理论的可逆效应，因此将电力效应应用于混凝土结构的传感和驱动时，可以在一定范围内对它们实施变形调节。例如，对于平整度要求极高的特殊钢筋混凝土桥梁，可通过机敏混凝土的电热和电力自调节功能进行调节由于温度自重所引起的蠕变；机敏混凝土的热电效应使其可以方便的实时检测建筑物内部和周围环境温度变化，并利用电热效应在冬季控制建筑物内部环境的温度，可极大的促进智能化建筑的发展。3)自修复机敏混凝土混凝土结构在使用过程中，大多数结构是带裂缝工作的。含有微裂纹的混凝土在一定的环境条件下是能够自行愈合的，但自然愈合有其自身无法克服的缺陷，受混凝土的龄期、裂纹尺寸、数量和分布以及特定的环境影响较大，而且愈合期较长，通常对较晚龄期的混凝土或当混凝土裂缝宽度超过了一定的界限，混凝土的裂缝很难愈合。国内的研究表明，掺有活性掺和料和微细有机纤维的混凝土破坏后其抗拉强度存在自愈合现象；国外研究混凝土裂缝自愈合的方法是在水泥基材料中掺入特殊的修复材料，使混凝土结构在使用过程中发生损伤时，自动利用修复材料(粘结剂)进行恢复甚至提高混凝土材料的性能。美国伊利诺伊斯大学的研究人员采用在空心玻璃纤维中注入缩醛高分子溶液作为粘结剂，埋人混凝土中，制成具有自修复智能混凝土。当混凝土结构在使用过程中发生损伤时，空心玻璃纤维中的粘结剂流出愈合损伤，恢复甚至提高混凝土材料的性能。2绿色混凝土的研究和应用就如何发展绿色混凝土，许多学者提出了许多中肯的意见和建议，现归纳如下：1)加强混凝土科研开发、标准制定、工程设计和施工人员等的环保意识，加大绿色概念的宣传力度，以引起混凝土工程领域各个环节的高度重视。2)大力发展高标号熟料水泥生产，提高高标号熟料在整个熟料生产中的比重；研究改进熟料矿物组分，对传统的熟料矿物、水泥进行改性、改型发展生产能耗低的新品种，调整水泥产品结构，及发展满足配制高性能混凝土和绿色高性能混凝土要求的水泥，并在满足这一要求的前提下，尽量减少混凝土中的水泥用量；研究开发、改进、提高和发展水泥生产工艺及技术装备，采用新技术、新工艺、新装备改造淘汰落后技术和装备，以提高水泥质量，达到节能、节约资源的目的。3)大力发展人造骨料，特别是利用工业固体废弃物粉煤灰、煤矸石生产制造轻骨料；积极利用城市固体垃圾，特别是拆除的旧建筑物和构筑物的废弃物混凝土、砖、瓦及废物，以其代替天然砂石料，减少砂石料的消耗。4)更新传统的混凝土设计方法，提高施工质量意识，严格施工，以保证混凝土的施工质量。5)研究和制定绿色高性能混凝土的设计规程、质量控制方法、验收标准、施工工艺等。6)加强对绿色高性能混凝土配套技术的研究开发，使之向理想化发展，并使其适合于各种应用场合，扩大其应用范围。着重解决高性能混凝土和绿色高性能混凝土由于低水胶比引起的自收缩问题、进一步水化造成的裂纹问题、由于高强度带来的脆性问题等。7)制定有关国家法律、政策，以保护和鼓励使用绿色高性能混凝土。8)成立有关绿色高性能混凝土专门的研究、开发、推广、质量检验和控制的机构。9)加强水泥混凝土行业与其它行业部门的协调，减少推广应用高性能混凝土和绿色高性能混凝土的阻力。10)加强调查研究，开展大范围的工程调查。弄清目前在高性能混凝土和绿色高性能混凝土研究和应用中存在的主要问题、经验教训，制订相应的对策和计划。