環(huán)保生態(tài)型混凝土綜述
2005-12-02 00:00
Summarization of Environmental Friendly Concrete
摘要：進(jìn)入21世紀(jì)，保護(hù)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(shè)材料，混凝土是一把雙刃劍，必須以辯證哲學(xué)的觀點(diǎn)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(fù)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(jì)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(fù)荷和不良影響，能夠與自然協(xié)調(diào)，與環(huán)境共生。這是實(shí)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(xué)思考。
1前言
據(jù)資料統(tǒng)計，全世界水泥年產(chǎn)量已達(dá)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(jìn)行物質(zhì)與能量的交換活動中消費(fèi)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(fù)影響的另一面。隨著時代的進(jìn)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(xué)與實(shí)際工程的研究人員，不斷探索，從素混凝土到鋼筋混凝土、預(yù)應(yīng)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(jī)械攪拌的商品混凝土；從人工插搗、機(jī)械振搗，到泵送、自密實(shí)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(hù)和生態(tài)平衡，盡量減輕給環(huán)境造成的負(fù)擔(dān)，從自然、環(huán)境、生態(tài)平衡的角度出發(fā)的研究很少。
進(jìn)入21世紀(jì)，保護(hù)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(shè)材料，混凝土是一把雙刃劍，必須以辯證哲學(xué)的觀點(diǎn)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(fù)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(jì)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(jì)以來，隨著科學(xué)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(yán)重的地球環(huán)境問題。人類面臨著資源枯竭和能源危機(jī)，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(kuò)大等環(huán)境問題日益嚴(yán)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(fù)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(yīng)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(yīng)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(biāo)準(zhǔn)煤178kg，由此還將產(chǎn)生CO2和SOX等有害氣體，以溫室效應(yīng)和酸雨的形式增加對地球環(huán)境的負(fù)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(yīng)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(yán)重后果?；炷翝沧⑹褂玫哪０暹€有相當(dāng)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(yùn)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(jì)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(fù)荷和不良影響，能夠與自然協(xié)調(diào)，與環(huán)境共生。這是實(shí)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(xué)的哲學(xué)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(xué)向前又邁出了重要的一步，都極大地提高了混凝土科學(xué)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(biāo)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(qiáng)度、密實(shí)度及耐久性；引氣劑通過在混凝土中引入均勻細(xì)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(qiáng)度、耐久性等性能有了極大的提高，標(biāo)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(yīng)、火山灰效應(yīng)和微集料填充效應(yīng)，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(yīng)，能提高混凝土的強(qiáng)度；硅粉能極大地提高混凝土的強(qiáng)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(biāo)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(xué)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(fù)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(fù)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(shè)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(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)，將混凝土對環(huán)境造成的負(fù)荷控制在最小限度之內(nèi)，混凝土材料的研究、生產(chǎn)和應(yīng)用必須考慮環(huán)境因素。
3.1減輕環(huán)境負(fù)荷型混凝土
減輕環(huán)境負(fù)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(fù)擔(dān)。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(shí)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(shí)現(xiàn)減輕環(huán)境負(fù)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(shí)、高性能混凝土，均屬于減輕環(huán)境負(fù)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(yīng)生物生長、對調(diào)節(jié)生態(tài)平衡、美化環(huán)境景觀、實(shí)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(biāo)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(hù)地球環(huán)境，維護(hù)生態(tài)平衡的意識更加強(qiáng)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(fù)荷型混凝土的出發(fā)點(diǎn)，是人類承認(rèn)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(fù)擔(dān)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(fù)面的影響，以盡量減輕這種危害的程度為目標(biāo)所進(jìn)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(yīng)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(biāo)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(hù)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(qiáng)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(diǎn)：
第一，在集中降雨季節(jié)加重了城市排水系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，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(yīng)有的補(bǔ)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(diǎn)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(kuò)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(yīng)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(qiáng)堿性，pH值高達(dá)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(hù)鋼筋不被腐蝕的作用。但對于道路、港灣、護(hù)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(yīng)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(yuǎn)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(hù)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(shè)的發(fā)展，混凝土越來越重要。從上世紀(jì)80年代初，我國水泥和混凝土材料被納入材料科學(xué)的范疇。材料科學(xué)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(xué)的理論和先進(jìn)的測試方法已引入混凝土的研究，使混凝土科學(xué)逐步建立在近代科學(xué)方法的基礎(chǔ)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(fù)雜的多。材料科學(xué)已進(jìn)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(xué)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(xué)起著指導(dǎo)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(xué)又是土木工程學(xué)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(xué)科分類體系中，水泥和混凝土材料人才主要在材料科學(xué)與工程學(xué)科中培養(yǎng)，其主要基礎(chǔ)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(xué)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(shè)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(yán)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(xué)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(xué)又與水泥材料學(xué)密不可分，甚至可以說水泥材料學(xué)應(yīng)該是混凝土材料學(xué)中重要的組成部分，因?yàn)樗嗖牧蠈W(xué)畢竟是為混凝土服務(wù)的，混凝土材料學(xué)更不能不以水泥材料學(xué)作為重要基礎(chǔ)?，F(xiàn)在知識信息不斷更新，應(yīng)該大力提倡，甚至呼吁土木工程技術(shù)人員適當(dāng)補(bǔ)學(xué)一些混凝土材料學(xué)，混凝土材料技術(shù)人員適當(dāng)學(xué)習(xí)一些土木建筑知識?；パa(bǔ)不足，培養(yǎng)一批既懂結(jié)構(gòu)又懂材料(當(dāng)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(yīng)用科學(xué)，國家撥款資助的科研項(xiàng)目日趨減少，而工程建設(shè)部門要求進(jìn)行的項(xiàng)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(xiàng)目的研究，這些研究成果又直接應(yīng)用于工程，與工程質(zhì)量和耐久性密切相關(guān)，這些項(xiàng)目的完成又必須與設(shè)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(bǔ)工作。這類任務(wù)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(xué)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(chǔ)設(shè)施，可以說，20世紀(jì)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(jìn)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(fù)擔(dān)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步開發(fā)對保護(hù)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。
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（武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 武漢 430072）
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