環(huán)保生態(tài)型混凝土綜述

2005-12-02 00:00  留言

Summarization of Environmental Friendly Concrete

摘要：進入21世紀，保護地球環(huán)境，尋求與自然的和諧，走可持續(xù)之路成為全世界共同關(guān)心的課題。作為人類最大量使用的建設材料，混凝土是一把雙刃劍，必須以辯證哲學的觀點來對待。混凝土今后的發(fā)展方向必然是既要滿足現(xiàn)代人的需求，又要考慮環(huán)境的因素，減輕對地球環(huán)境的負荷，有利于資源、能源的節(jié)省和生態(tài)平衡。環(huán)保生態(tài)型混凝土是21世紀混凝土的未來和發(fā)展方向，不僅要滿足作為結(jié)構(gòu)材料的要求，還要盡量減少給地球環(huán)境帶來的負荷和不良影響，能夠與自然協(xié)調(diào)，與環(huán)境共生。這是實現(xiàn)土木建筑工程可持續(xù)發(fā)展的重要一環(huán)。

關(guān)鍵詞：混凝土，環(huán)保，生態(tài)，哲學思考。

1前言

據(jù)資料統(tǒng)計，全世界水泥年產(chǎn)量已達到11.5億噸，混凝土年使用量大約為70億噸，可以說混凝土是人類與自然界進行物質(zhì)與能量的交換活動中消費量較大的一種材料，所以混凝土的生產(chǎn)與使用，以及其本身的性能極大地影響著地球環(huán)境、資源、能源的消耗量及其所構(gòu)筑的人類生活空間的質(zhì)量。

長期以來人類只注意到混凝土為人類所用，給人類帶來了方便和財富的一面，卻忽略了混凝土給人類和地球帶來負影響的另一面。隨著時代的進步，人類對生產(chǎn)效率、生活的方便性與舒適性的要求越來越高，為了滿足人類日益增長的需求，長期以來從事混凝土理論科學與實際工程的研究人員，不斷探索，從素混凝土到鋼筋混凝土、預應力混凝土；從干硬性混凝土到塑性混凝土、高流態(tài)混凝土以及高性能混凝土；從手工攪拌、現(xiàn)場攪拌到機械攪拌的商品混凝土；從人工插搗、機械振搗，到泵送、自密實混凝土等，混凝土的理論與技術(shù)不斷趨于成熟。然而，這些研究的目的大多是為了滿足人類單方面的需求，而對于如何考慮自然環(huán)境的因素，使混凝土的生產(chǎn)和使用有利于環(huán)境保護和生態(tài)平衡，盡量減輕給環(huán)境造成的負擔，從自然、環(huán)境、生態(tài)平衡的角度出發(fā)的研究很少。

進入21世紀，保護地球環(huán)境，尋求與自然的和諧，走可持續(xù)之路成為全世界共同關(guān)心的課題。作為人類最大量使用的建設材料，混凝土是一把雙刃劍，必須以辯證哲學的觀點來對待?；炷两窈蟮陌l(fā)展方向必然是既要滿足現(xiàn)代人的需求，又要考慮環(huán)境的因素，減輕對地球環(huán)境的負荷，有利于資源、能源的節(jié)省和生態(tài)平衡。環(huán)保生態(tài)型混凝土是21世紀混凝土的未來和發(fā)展方向。

1混凝土帶來的環(huán)保生態(tài)問題

20世紀以來，隨著科學技術(shù)的飛速發(fā)展，石油、化工、汽車以及土木建筑工程的蓬勃發(fā)展，人類的生活質(zhì)量得到了極大的提高，同時也造成了各種嚴重的地球環(huán)境問題。人類面臨著資源枯竭和能源危機，地球溫暖化，臭氧層破壞，土地沙漠化，野生動物種類減少，熱帶雨林減少，酸雨范圍擴大等環(huán)境問題日益嚴重，大氣、水質(zhì)與土壤污染，噪音、振動等公害給人類的生活帶來了極大的危害和損失。而混凝土材料的生產(chǎn)混凝土與混凝土施工與使用是造成這些環(huán)境問題與公害的原因之一。

混凝土材料給環(huán)境帶來的負荷主要表現(xiàn)在以下幾個方面：混凝土的主要組成材料之一是水泥，大約占混凝土重量的1/5。在制造水泥時石灰石分解生成石灰（CaO），同時排出具有溫室效應的CO₂氣體，生產(chǎn)1噸水泥大約要排出1噸CO₂氣體。同時水泥的燒成反應所需要能量在我國是由化石類燃料燃燒獲得的，每燒制１噸水泥熟料耗標準煤178kg，由此還將產(chǎn)生CO₂和SO_X等有害氣體，以溫室效應和酸雨的形式增加對地球環(huán)境的負荷。目前全世界每年CO₂的排放量大約為100億噸，其中由于生產(chǎn)水泥而產(chǎn)生的CO₂氣體約占1/10，是產(chǎn)生溫室效應氣體的大戶。其次，混凝土體積的70～80%為砂石骨料。為取得這些原材料，需要開山或挖取河床，破壞自然景觀，改變河床位置及形狀，造成水土流失或河流改道等嚴重后果。混凝土澆注使用的模板還有相當大部分采用木模板，消耗大量的森林資源，造成熱帶雨林的破壞，間接地影響野生動物的生息環(huán)境和生態(tài)平衡。在混凝土的運輸與施工過程中，除了要消耗大量的能量之外，還產(chǎn)生振動和噪音，是城市公害的主要來源。據(jù)調(diào)查，城市噪音的1/3來自于建筑施工，其中混凝土的振動占主要部分。

再就混凝土本身的特性來看，質(zhì)地脆硬，顏色灰暗，給人以粗、硬、冷的感覺，由混凝土所構(gòu)成的生活空間色彩單調(diào)，缺乏透氣性、透水性，對溫度、濕度的調(diào)節(jié)性能差，在城市大密度的混凝土建筑物和鋪筑的道路，使城市的氣溫上升，因此有人把現(xiàn)代城市稱為“灰色的熱島”或“都市沙漠”。

因此，21世紀的混凝土不僅要滿足作為結(jié)構(gòu)材料的要求，還要盡量減少給地球環(huán)境帶來的負荷和不良影響，能夠與自然協(xié)調(diào)，與環(huán)境共生。這是實現(xiàn)土木建筑工程可持續(xù)發(fā)展的重要一環(huán)。

2混凝土前沿科學的哲學思考

混凝土的發(fā)展經(jīng)過了3個質(zhì)的飛躍，每個飛躍都意味著混凝土科學向前又邁出了重要的一步，都極大地提高了混凝土科學和技術(shù)的發(fā)展。

第一，波特蘭水泥的問世。波特蘭水泥的產(chǎn)生標志著真正意義的水泥混凝土的問世。

第二，外加劑的出現(xiàn)。高效減水劑降低了混凝土中水泥的用量，提高了混凝土拌和物的工作性，提高了混凝土的強度、密實度及耐久性；引氣劑通過在混凝土中引入均勻細小的密閉氣泡，極大地提高了混凝土的抗凍性和耐久性；促凝劑和緩凝劑使混凝土的凝結(jié)時間更容易被我們所控制……自此，混凝土的強度、耐久性等性能有了極大的提高，標志著現(xiàn)代混凝土的出現(xiàn)；

第三，第六組相的研究。第六組相指的就是摻合料作為輔助膠凝材料的使用。粉煤灰具有形態(tài)效應、火山灰效應和微集料填充效應，作為摻合料摻入混凝土中，能改善混凝土的性能；礦渣是玻璃體，自身就能發(fā)生水化反應，能提高混凝土的強度；硅粉能極大地提高混凝土的強度和耐久性……這些礦物本來都是一些工業(yè)廢料，利用到混凝土中不僅降低了污染，降低了混凝土的水泥用料，而且提高了混凝土的性能。這標志著混凝土朝著環(huán)保生態(tài)型發(fā)展。

正是基于以上哲學思考，我們提出了環(huán)保生態(tài)性混凝土。

3環(huán)保生態(tài)型混凝土研究

環(huán)保生態(tài)型混凝土是指既能減少對地球環(huán)境的負荷，同時又能與自然生態(tài)系統(tǒng)協(xié)調(diào)共生，為人類構(gòu)造舒適環(huán)境的混凝土材料，包括減輕環(huán)境負荷型和生態(tài)型兩大類。

如上所述，混凝土的大量生產(chǎn)和使用一方面給人類提供了豐富多彩、便捷的生活設施，同時也給地球環(huán)境和生態(tài)平衡造成了不良的影響。為了實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的目標，將混凝土對環(huán)境造成的負荷控制在最小限度之內(nèi)，混凝土材料的研究、生產(chǎn)和應用必須考慮環(huán)境因素。

3.1減輕環(huán)境負荷型混凝土

減輕環(huán)境負荷型混凝土是指在混凝土的生產(chǎn)、使用直到解體全過程中，能夠減輕給地球環(huán)境造成的負擔。這類混凝土包括在生產(chǎn)階段使用免燒水泥和混合材料，減少由于煅燒水泥而產(chǎn)生的CO₂氣體排放量；采用工業(yè)廢渣制造輕骨料，或再生利用廢棄的混凝土代替天然骨料，節(jié)省天然的礦物質(zhì)資源，同時減輕固體廢渣對環(huán)境的污染，即在混凝土建筑物解體時，將廢棄的混凝土再生利用，或開發(fā)能夠消解、消化混凝土的技術(shù)，減少固體垃圾量。在混凝土的施工過程中，采用免振搗、自密實混凝土，減少施工噪音。此外，開發(fā)研究高耐久性的混凝土，延長結(jié)構(gòu)物的使用壽命，也是減少混凝土的生產(chǎn)量，實現(xiàn)減輕環(huán)境負荷的重要途徑。

有關(guān)這類混凝土的開發(fā)與研究，在我國已有幾十年的歷史，從利用高爐礦渣、粉煤灰等工業(yè)廢渣作為水泥的混合材料和混凝土的摻合料，到開發(fā)、利用高流態(tài)、自密實、高性能混凝土，均屬于減輕環(huán)境負荷型混凝土。

3.2生態(tài)型混凝土

生態(tài)型混凝土即能夠適應生物生長、對調(diào)節(jié)生態(tài)平衡、美化環(huán)境景觀、實現(xiàn)人類與自然的協(xié)調(diào)具有積極作用的混凝土材料。有關(guān)這類混凝土的研究和開發(fā)還剛剛起步，它標志著人類在從事土木工程活動，生產(chǎn)和使用混凝土材料的過程中，要保護地球環(huán)境，維護生態(tài)平衡的意識更加強烈了，對自已在建筑材料方面的開發(fā)研究工作提出了更高的要求。

開發(fā)研究減輕環(huán)境負荷型混凝土的出發(fā)點，是人類承認最大宗的建筑材料——混凝土的生產(chǎn)和使用給環(huán)境帶來負擔是不可避免的，與此同時，面對大量產(chǎn)生的工業(yè)垃圾和混凝土給地球環(huán)境帶來的負面的影響，以盡量減輕這種危害的程度為目標所進行的種種努力和嘗試，在對待混凝土與環(huán)境的關(guān)系上應該說是一種被動的行為。而生態(tài)型混凝土的提出，是人類在處理混凝土材料與環(huán)境的關(guān)系中更加積極的、主動的態(tài)度。它的目標是混凝土不僅僅作為建筑材料，為人類構(gòu)筑所需要的結(jié)構(gòu)物建筑物，而且它是與自然融合的，對自然環(huán)境和生態(tài)平衡具有積極的保護作用。

3.2.1透水、排水性混凝土

傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)用混凝土都要求其不透水性，以滿足強度和抗?jié)B、抗凍等耐久性的要求。所以城市地表面的大約80%被不透水、不透氣的混凝土建筑物和道路覆蓋。這種狀況帶來的不良影響有以下幾點：

第一，在集中降雨季節(jié)加重了城市排水系統(tǒng)的負擔，容易造成內(nèi)澇和道路積水，影響正常的交通和城市居民的生活；

第二，市區(qū)的地下土壤水分得不到應有的補充，地下水位降低，使地表植物的生長受到影響；

第三，由于地表面缺乏透氣性和透水性，調(diào)節(jié)空氣溫度、濕度的能力降低，城市尤其是市區(qū)的局部氣候惡化，生態(tài)平衡失調(diào)。

而排水性、透水性混凝土與傳統(tǒng)的混凝土相比，最大的特點是具有15～30%的連通孔隙，具有透氣性和透水性。將這種混凝土用于鋪筑道路、廣場、人行道路等，能夠擴大城市的透水、透氣面積，增加行人、行車的舒適性和安全性，減小交通噪音，對調(diào)節(jié)城市空間的氣溫和濕度，維持地下土壤的水位和生態(tài)平衡具有重要作用。

3.2.2生物適應型混凝土

普通的混凝土由于其組成材料之一的水泥在水化時將產(chǎn)生占水泥石體積20～25%的Ca(OH)₂，使得混凝土呈強堿性，pH值高達12～13。這種堿性對用于結(jié)構(gòu)物的鋼筋混凝土來說是有利的，具有保護鋼筋不被腐蝕的作用。但對于道路、港灣、護岸用混凝土構(gòu)件等，這種堿性不利于植物和水中生物的生長，所以開發(fā)低堿性、內(nèi)部具有一定的空隙，能夠提供植物根部或水中生物生長所必須的養(yǎng)分存在的空間。適應生物生長的混凝土是生態(tài)混凝土的一個重要研究方向。

3.2.3綠化、景觀混凝土

傳統(tǒng)的混凝土色彩灰暗，表情呆滯，給人以生硬、粗糙、灰冷的視覺效果。人們生活在被鋼筋混凝土填充的城市中，感到遠離自然，缺少生活情趣。所以開發(fā)能夠植被的綠化混凝土，用于城市的道路兩側(cè)及中央隔離帶、水邊護坡、樓頂、停車場等部位，可以增加城市的綠色空間，調(diào)節(jié)人們的生活情緒，同時能夠吸收噪音和粉塵，對城市氣候的生態(tài)平衡也起到積極作用。此外，各種造型及色彩的混凝土構(gòu)件，用于路旁欄桿、園林結(jié)構(gòu)物等，可起到美化城市，豐富景觀的作用。

4混凝土前沿研究方向

混凝土技術(shù)的發(fā)展必須與土木工程相結(jié)合混凝土是最大宗和最重要的建筑材料，無論是水利、鐵道、道路、橋梁和建筑工程都缺不了混凝土。隨著建設的發(fā)展，混凝土越來越重要。從上世紀80年代初，我國水泥和混凝土材料被納入材料科學的范疇。材料科學研究材料的組成、結(jié)構(gòu)與其性能的關(guān)系。近代材料科學的理論和先進的測試方法已引入混凝土的研究，使混凝土科學逐步建立在近代科學方法的基礎上。

混凝土看起來是一種簡單的常用材料，而且是一種傳統(tǒng)的老材料，但它與金屬、高分子材料、甚至玻璃陶瓷不同，它是一種多相、多孔、非常不勻質(zhì)的材料，它的結(jié)構(gòu)比勻質(zhì)材料復雜的多。材料科學已進入分子、原子級的微觀世界，而混凝土內(nèi)既有大到cm級的集料，還有小到μm級的孔和水泥水化物。因此，材料科學的一些基本理論往往不能直接用于混凝土材料，它的一些理論和概念以及近代測試方法對混凝土學起著指導和啟迪的作用。另外一方面，混凝土作為一種重要的建筑材料又與土木建筑工程結(jié)構(gòu)和施工密切相關(guān)?；炷恋馁|(zhì)量和耐久性直接影響鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的安全度和耐久性。因此，混凝土材料科學又是土木工程學的一個分支，這已成為影響混凝土技術(shù)發(fā)展的一個因素，必須妥善解決。

在目前我國高校學科分類體系中，水泥和混凝土材料人才主要在材料科學與工程學科中培養(yǎng)，其主要基礎課程是與金屬、高分子甚至納米材料是一樣的，基本上不涉及土木工程方面的知識。而土木工程學科的建筑材料課程越來越不被重視。我國現(xiàn)有的從事土木工程設計和施工的技術(shù)人員基本上不太熱衷混凝土，從事混凝土專業(yè)的技術(shù)人員又不了解土建工程?，F(xiàn)在已經(jīng)看出這種情況嚴重的影響混凝土技術(shù)的發(fā)展和混凝土工程質(zhì)量。

在混凝土工程蓬勃發(fā)展的今天，混凝土學科技術(shù)的發(fā)展必須密切與土木工程相結(jié)合?；炷敛牧峡茖W又與水泥材料學密不可分，甚至可以說水泥材料學應該是混凝土材料學中重要的組成部分，因為水泥材料學畢竟是為混凝土服務的，混凝土材料學更不能不以水泥材料學作為重要基礎?，F(xiàn)在知識信息不斷更新，應該大力提倡，甚至呼吁土木工程技術(shù)人員適當補學一些混凝土材料學，混凝土材料技術(shù)人員適當學習一些土木建筑知識?；パa不足，培養(yǎng)一批既懂結(jié)構(gòu)又懂材料(當然有主次之分)的新型高級技術(shù)人才。

從科研情況來看，混凝土是一門應用科學，國家撥款資助的科研項目日趨減少，而工程建設部門要求進行的項目日趨增多，看來這是一個順理成章的趨勢。因此混凝土科研人員必然要從事密切結(jié)合重大工程項目的研究，這些研究成果又直接應用于工程，與工程質(zhì)量和耐久性密切相關(guān)，這些項目的完成又必須與設計和施工人員合作。近年來越來越多地出現(xiàn)混凝土過早破壞和混凝土質(zhì)量事故(包括裂紋)的診斷和彌補工作。這類任務必須由土建人員和材料人員共同完成，缺一就容易造成片面甚至造成錯誤。由此可見，混凝土科學和技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到了這樣一個階段：混凝土材料與土木工程結(jié)構(gòu)和施工相結(jié)合的問題急需提到日程上來了。

5結(jié)語

在過去的100多年中，混凝土作為用量最大的建筑材料，為人類建造了大量的用于生產(chǎn)、生活、交通、娛樂等基礎設施，可以說，20世紀混凝土為建造人類的物質(zhì)文明立下了汗馬功勞。然而，混凝土的生產(chǎn)與使用也給地球帶來了不可忽視的副作用。隨著時代的進步，人類要尋求與自然和諧、可持續(xù)發(fā)展之路，對混凝土也不再僅僅要求其作為結(jié)構(gòu)材料的功能，而是在盡量不給環(huán)境增加負擔的基礎上，進一步開發(fā)對保護環(huán)境，對人類與自然的協(xié)調(diào)能起到積極作用的環(huán)保生態(tài)型混凝土，這是時代的要求，是混凝土材料發(fā)展的必然趨勢。

參考文獻

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（武漢大學水資源與水電工程科學國家重點實驗室武漢 430072）

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