[摘 要] 混凝土作為人類最大用量的建筑材料，其理論與技術(shù)已日趨成熟。然而大量混凝土被應(yīng)用的同時(shí)對(duì)人居環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)帶來(lái)了負(fù)面影響。21世紀(jì)對(duì)混凝土的研究應(yīng)從自然、環(huán)境和生態(tài)平衡的角度出發(fā)。本文論述了幾種環(huán)保型混凝土的研究現(xiàn)狀及其存在的一些問(wèn)題。

　　1 前言

　　混凝土技術(shù)的發(fā)展與人居環(huán)境的關(guān)系日趨惡化，據(jù)統(tǒng)計(jì)[1]僅我國(guó)一年就要開采50億t粘土、石灰石等原材料用于生產(chǎn)水泥和混凝土，且燒制1t水泥熟料需燃燒標(biāo)準(zhǔn)煤178kg左右，消耗了大量的自然資源和能源；生產(chǎn)水泥熟料時(shí)還要排放大量的CO2，僅此一項(xiàng)就占全世界CO2排量的1/10，是溫室效應(yīng)的大戶；而且混凝土在運(yùn)輸與施工過(guò)程中不僅耗能還產(chǎn)生振動(dòng)和噪音是城市公害的主要來(lái)源；現(xiàn)在一些大城市所出現(xiàn)的“熱島現(xiàn)象”也是由于大量密實(shí)性混凝土用于建筑群所致；混凝土材料又由多組分構(gòu)成，分解循環(huán)利用的難度較大，大批廢棄混凝土建筑產(chǎn)生了大量的城市垃圾，這也是目前混凝土面臨的一大難題。由此研究能和自然、環(huán)境的生態(tài)平衡發(fā)展的混凝土就日益受到人們的重視。

　　2 環(huán)保型混凝土

　　環(huán)保型混凝土[1]（Environmentally Friendly Concrete 以下簡(jiǎn)稱EFC）指能減少給環(huán)境造成的負(fù)荷，同時(shí)又能與自然生態(tài)系統(tǒng)協(xié)調(diào)發(fā)展，為人類構(gòu)造更加舒適環(huán)境的混凝土材料，其具有更高的強(qiáng)度和耐久性以滿足物理力學(xué)性能、使用功能的要求。按其對(duì)生態(tài)環(huán)境發(fā)生作用的方式不同又可分為減輕環(huán)境負(fù)荷型混凝土和生態(tài)型混凝土。前者一般包括人造輕骨料混凝土、高強(qiáng)耐久混凝土、免振自密實(shí)混凝土、廢棄物再生混凝土等，我們常用的將高爐礦渣、粉煤灰等作水泥混合料、混凝土的摻合料等方式配制的混凝土屬于這一行列；后者包括生物適應(yīng)型混凝土、透水性混凝土、綠化景觀混凝土、相變溫控混凝土等。

　　2.1 減輕環(huán)境負(fù)荷型混凝土

　　減輕環(huán)境負(fù)荷型混凝土被列為環(huán)保型混凝土行列主要是因?yàn)樵谠牧戏矫胬霉I(yè)廢渣部分替代了水泥，從而減少了水泥的用量，節(jié)約了不可再生的粘土、石灰石等原材料。還因?yàn)檫@類混凝土具有普通混凝土無(wú)法比擬的優(yōu)良性能，如高強(qiáng)度、高耐久性等。

　　2.1.1 高強(qiáng)混凝土

　　目前各個(gè)國(guó)家對(duì)高強(qiáng)混凝土有著不同的概念，結(jié)合我國(guó)實(shí)際中國(guó)土木工程學(xué)會(huì)與高性能混凝土委員會(huì)提出《高強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)施工指南》將強(qiáng)度超過(guò)50Mpa的混凝土稱為高強(qiáng)混凝土。目前高強(qiáng)混凝土已普遍應(yīng)用于工程中，具有強(qiáng)度高、自重輕、建筑構(gòu)件截面積小、增加建筑使用面積等優(yōu)點(diǎn)。

　　脆性是高強(qiáng)混凝土的致命弱點(diǎn)，這是目前急需解決的問(wèn)題。與普通混凝土相比高強(qiáng)混凝土的彈性模量略高，應(yīng)力-應(yīng)變曲線的直線段比普通混凝土更長(zhǎng)些，達(dá)到最大應(yīng)力時(shí)的應(yīng)變量稍有增大；由于高強(qiáng)混凝土中水泥石的強(qiáng)度較高，與骨料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線差別較小，因此高強(qiáng)混凝土中內(nèi)應(yīng)力分布較均勻，微裂紋的形成與發(fā)展也相應(yīng)減少，因而混凝土內(nèi)部應(yīng)力重分配的能力也減弱，使高強(qiáng)混凝土在極限載荷作用下變形量較小，并發(fā)生脆性突然破壞。此外體積穩(wěn)定性是高強(qiáng)混凝土存在的特殊問(wèn)題，其原因主要是高強(qiáng)混凝土的膠凝材料用量比較大，骨料在水泥漿中出現(xiàn)懸浮狀態(tài)使其初始收縮變大。

　　2.1.2 高性能混凝土[Page]

　　20世紀(jì)90年代美國(guó)首先提出HPC的新概念，在國(guó)內(nèi)吳中偉教授[2]最早提出了HPC 并指出了它的意義：應(yīng)具備高施工性、高抗?jié)B性、高體積穩(wěn)定性，并保持其強(qiáng)度持續(xù)增長(zhǎng)，最終獲得高耐久性能。目前國(guó)際上普遍采用配制HPC的技術(shù)途徑是硅酸鹽水泥+高效減水劑+活性礦物摻合料這一路線。HPC的高耐久性不僅是對(duì)混凝土的一種要求，也是節(jié)約礦產(chǎn)、砂石，減少建筑垃圾產(chǎn)生，保護(hù)自然環(huán)境的需要。大量摻用粉煤灰等工業(yè)廢料，形成良好的循環(huán)。

　　從當(dāng)前的研究工作和應(yīng)用情況來(lái)看，HPC在性能上還存在以下問(wèn)題[3]：（1）自縮引起裂縫；（2）“濕脹”引起的表面裂縫；（3）其應(yīng)力-應(yīng)變曲線與普通混凝土不同；研究表明在HPC中摻入一定體積的鋼釬維后，不管是自縮產(chǎn)生的裂縫還是“濕脹”產(chǎn)生的裂縫都能得到一定程度的緩解，且鋼釬維還能起到增強(qiáng)的作用使混凝土達(dá)到更高的性能，德國(guó)科學(xué)家稱之為超高性能混凝土（SHPC）。在巴西辦公大廈中還首次使用一種叫HPCC[4]（High Performance Colored Concrete ）的混凝土，這種混凝土將含鐵氧化物的礦物干粉摻入拌合料，使混凝土呈現(xiàn)出紅色，不僅解決了以往混凝土建筑視覺(jué)效果差的缺點(diǎn)還得到了更高的早期強(qiáng)度和耐久性。另外，HPC的生產(chǎn)需要高素質(zhì)的操作人員、完善的施工設(shè)施和高水平的質(zhì)量管理與控制，故將計(jì)算機(jī)技術(shù)引入HPC的配合比設(shè)計(jì)、生產(chǎn)控制管理是HPC技術(shù)的發(fā)展方向。

　　2.1.3 再生混凝土

　　再生混凝土又稱再生骨料混凝土（Recycled Aggregate Concrete），是用廢棄混凝土塊作粗骨料，加入水泥砂漿拌制的混凝土。二戰(zhàn)后蘇聯(lián)、德國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家就開始研究和再生利用，特別是美國(guó)政府專門制定了《超基金法》給再生混凝土的開發(fā)提供了法律保障[5]。我國(guó)對(duì)再生混凝土的研究晚于工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，但也進(jìn)行了立項(xiàng)研究，并取得了一些成果。目前對(duì)再生混凝土的研究都是圍繞再生混凝土的基本性能進(jìn)行的，且均只局限于中、低強(qiáng)度等級(jí)。再生混凝土的應(yīng)用面也較窄，大多用于道路面層和墊層，用于建筑物承重結(jié)構(gòu)的幾乎沒(méi)有報(bào)道。所以再生混凝土的高強(qiáng)化甚至開發(fā)高性能再生混凝土應(yīng)該是以后的研究重點(diǎn)。

　　目前再生混凝土主要存在強(qiáng)度問(wèn)題、造價(jià)成本問(wèn)題和收縮問(wèn)題[5]。由于再生骨料一般都有不同程度裂縫，抗壓強(qiáng)度低等缺陷，故再生混凝土的強(qiáng)度一般都比較低，要想提高再生混凝土的強(qiáng)度除了用傳統(tǒng)的摻高效減水劑+活性礦物外，還應(yīng)該從提高再生骨料的強(qiáng)度著手，這兩方面是獲得再生高性能混凝土（RHPC）的突破口。再生混凝土的收縮問(wèn)題也是原于再生骨料的缺陷，再生骨料的吸水率和吸水速度比普通骨料大的多，吸水率高則必然導(dǎo)致失水后[Page] 干縮增大、徐變?cè)龃?。再生混凝土特別是再生高性能混凝土的造價(jià)問(wèn)題比較突出。一方面再生骨料的獲得要經(jīng)過(guò)清洗、破碎、分級(jí)等工序，另一方面高效減水劑、硅粉的成本較高，因此在再生混凝土的應(yīng)用方面一定要進(jìn)行工程效益、質(zhì)量控制成本、質(zhì)量可靠性評(píng)價(jià)等綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析。

　　2.2 生態(tài)型混凝土

　　“生態(tài)型混凝土”[1]的研究和開發(fā)還處于起步階段，這種混凝土既能適應(yīng)動(dòng)、植物生長(zhǎng)，又能調(diào)節(jié)生態(tài)平衡，美化環(huán)境景觀。是一種21世紀(jì)很有應(yīng)用前景的混凝土。下面將主要介紹相變溫控混凝土和透水性混凝土。

　　2.2.1 相變溫控混凝土

　　相變溫控混凝土是相變材料（PCM）與混凝土復(fù)合制得的，是一種通過(guò)PCM材料的相變過(guò)程吸收或釋放熱量而調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度的智能型混凝土。PCM材料的選擇原則是需與混凝土體系有很好的相容性，且置入工藝必須簡(jiǎn)單，置入后對(duì)混凝土的物理力學(xué)等性能不造成大的影響。目前也有人研究[6]用PCM的相變潛熱來(lái)控制大體積混凝土中水泥的水化熱溫度以此來(lái)減少大體積混凝土的裂縫問(wèn)題。

　　當(dāng)前相變溫控混凝土的研究難點(diǎn)在于PCM的選擇和PCM的置入工藝方面。美國(guó)DOW化學(xué)公司[7]對(duì)近2萬(wàn)種相變材料進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)只有不到1%的相變材料可以進(jìn)一步研究，它們?yōu)橐恍┖线m熔點(diǎn)的水合鹽以及一些有機(jī)相變材料，如石蠟、硬脂酸等。而且在PCM的應(yīng)用上還存在PCM能否重復(fù)使用和PCM相變過(guò)程中的性能穩(wěn)定性問(wèn)題，這兩個(gè)問(wèn)題解決不好就會(huì)影響相變溫控混凝土的使用壽命。目前而言比較可行的置入工藝有三種[6]：（1）浸漬工藝，通過(guò)浸泡將PCM滲入多孔摻合料中，例如PCM浸漬沸石粉等；（2）密封后（微膠囊）置入混凝土中，此法適用用于固-液相變的PCM，如姜勇[8]等人用化學(xué)方法將固-液相變的高分子材料進(jìn)行改造，將化學(xué)鍵引入低熔點(diǎn)物質(zhì)和骨架材料之間使其具有固-固相變的性質(zhì)；（3）PCM直接與混凝土拌合，固-固相變PCM的開發(fā)推動(dòng)了這一工藝，如粉末狀的脂肪酸/SiO2PCM，該P(yáng)CM可作填料與水泥等建材混合，成為具有溫控功能的建筑材料。

　　2.2.2 透水性混凝土

　　透水性混凝土主要有水泥透水性混凝土和高分子透水性混凝土兩種。目前研究較多的是水泥透水性混凝土，這是一種硅酸鹽水泥為膠凝材料，采用單一粒級(jí)的粗骨料，不用或很少用細(xì)骨料的無(wú)砂多孔混凝土。其一般集灰比在3.0~4.0之間、水灰比大概在0.3~0.35范圍內(nèi)[1]。這種混凝土的優(yōu)點(diǎn)是混凝土內(nèi)部有15%~25%的連通孔隙通過(guò)，成型簡(jiǎn)單、制作成本較低、非常適用于用量較大的道路鋪筑同時(shí)耐久性好。目前在日本和美國(guó)的公園、人行道、輕量[Page] 級(jí)車道、停車廠等路面已開始使用，國(guó)內(nèi)尚處于研究階段。

　　由于這種混凝土有較多的孔隙故其強(qiáng)度、耐磨性和抗凍性差是技術(shù)難點(diǎn)。目前研究的重點(diǎn)是試圖找到一個(gè)較好的配合比使其既保持較高的孔隙率又能滿足上述三方面的要求。但是透水性混凝土在配合比設(shè)計(jì)方面到目前為止還沒(méi)有一個(gè)成熟的設(shè)計(jì)理論，這就使透水性混凝土的研究在一定程度上受到了影響。一個(gè)比較公認(rèn)的原則是：認(rèn)為1m3混凝土的外觀體積僅由骨料堆積而成，1m3透水性混凝土的重量應(yīng)為骨料的緊密堆積密度和單位水泥用量及用水量之和，大約為1600-2100kg內(nèi)。另外，透水性混凝土的性能標(biāo)準(zhǔn)及其測(cè)量方法也沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，現(xiàn)用最多的是日本“環(huán)保型混凝土研究委員會(huì)”于1998年提出的《多孔混凝土性能試驗(yàn)方法草案》。所以要使透水性混凝土能有更大的發(fā)展前景，制訂一部標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范已刻不容緩。

　　3 結(jié)語(yǔ)

　　前面介紹的五種混凝土中高強(qiáng)混凝土和高性能混凝土國(guó)內(nèi)研究的比較多，所到達(dá)的水平已比較高，而再生混凝土甚至再生高性能混凝土以及后兩種生態(tài)型混凝土的研究可以說(shuō)是處于起步階段的。但是有一點(diǎn)可以肯定隨著混凝土材料與人居環(huán)境問(wèn)題的日益突出，環(huán)保型混凝土將是21世紀(jì)混凝土材料研究的重點(diǎn)。

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