綠色混凝土技術的研究與應用現(xiàn)狀

綠色混凝土技術的研究與應用現(xiàn)狀長期以來，我國經(jīng)濟發(fā)展的模式是資源消耗型模式，這導致產(chǎn)生大量的廢棄物。據(jù)統(tǒng)計，我國每年排放的工業(yè)固體廢棄物達6億多噸，其中只有40％得到綜合利用，與發(fā)達國家的70％~80％相距甚遠。因此我國面臨著能源資源環(huán)境的壓力。傳統(tǒng)的硅酸鹽水泥混凝土的生產(chǎn)存在的問題是：消耗自然資源巨大，破壞環(huán)境，影響地球生態(tài)平衡，尤其是其主要原材料水泥的生產(chǎn)，水泥工業(yè)的CO2排放量通常占人類活動碳排放量的5％~10％，水泥工業(yè)是我國碳排放量的主要來源，占到15％左右，每生產(chǎn)1t硅酸鹽水泥從水泥原料中排放CO2約511kg。我國每年因拆除建筑產(chǎn)生的固體廢棄物達2億t以上，新建建筑產(chǎn)生的固體廢棄物大約1億t，兩項合計約3億t，僅廢棄混凝土大約有1億t左右，其巨大的處理費用和由此引發(fā)的環(huán)境問題十分突出[1]。水泥混凝土行業(yè)走向低碳、可持續(xù)發(fā)展的道路是此行業(yè)發(fā)展的必然選擇。1綠色混凝土的提出目前對綠色混凝土還沒有一個確切的定義。一般認為，相對于傳統(tǒng)的混凝土生產(chǎn)制備過程中所釋放的碳排放量，綠色混凝土的碳排放量有著顯著的降低。其中，水泥生產(chǎn)和運輸過程，混凝土骨料生產(chǎn)與運輸過程，混凝土制備過程，以及混凝土運輸過程中的碳排放量，構成了混凝土碳排放總量的主要組成部分[2]。降低混凝土行業(yè)所產(chǎn)生的二氧化碳排放量主要可以通過以下幾個途徑達到：提高混凝土的性能以增加其使用壽命，降低維修和重建的需求，從宏觀上減少混凝土的使用量；同時，使用大摻量的礦物摻和料；再有，使用再生混凝土微細粉以及再生骨料等材料，以減少對不可再生天然骨料的開采和使用。因此，綠色混凝土是指從生產(chǎn)制造使用到廢棄的整個周期中，最大限度地減少資源和能源的消耗，最有效地保護環(huán)境，是可以進行清潔生產(chǎn)和使用的，并且是可再回收循環(huán)利用的高質(zhì)量高性能的綠色建筑材料。綠色混凝土的主要特征是：更多地摻加以工業(yè)廢渣為主的摻和料，以節(jié)約水泥熟料；更大地發(fā)揮混凝土的性能優(yōu)勢。2綠色混凝土技術的研究與應用現(xiàn)狀2.1提高混凝土性能以延長壽命近年來高性能混凝土的概念得到宣貫，重大工程的混凝土的配制不只是考慮強度因素，而是考慮耐久性等因素。國家大量重點工程都是以百年壽命來設計的，這樣大大減少了水泥的使用量，也達到了低碳效果。另外，超高性能水泥復合材料（Ultra-HighPerformance

CementComposites），包括密筋增強復合材料（Compact

ReinforcedComposite,CRC）以及Ducta（一體化成型法）都有著獨特的美學和結構方面的優(yōu)良性能。CRC具有很高的抗壓強度（150MPa~400MPa）[3~4]，主要用在預制混凝土部件上。由三個法國公司Lafarge，BouyguesandRhodia研制[5]的Ductal與傳統(tǒng)混凝土相比，其抗壓強度比傳統(tǒng)混凝土高6～8倍，抗彎強度高10倍，耐久性更高出10～100倍。從環(huán)境因素方面考量，Ductal只需要傳統(tǒng)混凝土65%的原材料，51%的能耗以及47%的碳排放量。再有，納米技術也在提高混凝土性能方面起著重要作用。通過使用包括納米管在內(nèi)的納米纖維作為混凝土的增強相，可以顯著提高混凝土的強度，使減少鋼筋增強相的使用成為可能，硅酸鹽水泥、二氧化硅、二氧化鈦及三氧化二鐵的納米顆?？梢燥@著提高混凝土的抗壓和抗彎強度。2.2使用大摻量礦物摻和料以減少硅酸鹽水泥的用量利用工業(yè)固體廢棄物作礦物細粉摻和料與硅酸鹽水泥復合配制高性能混凝土。通過礦物細粉摻和料的物理性能和化學組成解決混凝土的早期開裂以及收縮等問題。另外，礦物細粉摻和料的微集料，填充其他材料間的孔隙以提高彈性模量并增進強度，并與水泥熟料水化產(chǎn)物反應形成穩(wěn)定的水化物。最常見的礦物摻和料包括粉煤灰、磨細粒化高爐礦渣粉以及硅灰。超細石灰石粉顆粒粒徑小于10μm，可以填充水泥顆粒空隙，提高凝膠密實度；表面能較低，易于分散，達到同樣流動性需水量少。超細石灰石粉不完全是一種惰性混合材料，后期可以生成三碳水化鋁酸鈣和單碳水化鋁酸鈣；早期具有一定促進水化的“加速效應”，一定摻量下對早期強度影響不大；由于不是自身水化，混凝土水化溫升低。超細石灰石粉具有優(yōu)異的減水增塑效果，可明顯改善混凝土工作性能，對于中低強度等級混凝土，達到同樣坍落度時單位體積用水量明顯減少。對于高強混凝土而言，具有重要意義的是超細石灰石粉的加入使高強混凝土的黏度有顯著降低。摻入超細石灰石粉可以減少混凝土的早期裂縫，提高混凝土抵抗早期開裂性能。超細石灰石粉可以明顯降低混凝土孔隙率，提高混凝土密實性。超細石灰石粉作為摻和料使用，對于中低強度混凝土意義重大，可以在控制水泥、礦渣粉、粉煤灰用量的前提下，保證足夠的粉體用量，滿足工程對混凝土大流態(tài)的需求。超細石灰石粉在國內(nèi)外自密實混凝土工程中已早有成功應用。2.3使用混凝土再生材料以減少對不可再生天然骨料的消耗廢棄混凝土的循環(huán)利用也是近年混凝土行業(yè)研究的熱點。用再生骨料來替代天然骨料，可以減少資源的消耗，也減小廢棄混凝土的占地面積。再生混凝土骨料的使用有其一定的局限性。若在混凝土中使用100%再生骨料，再生骨料混凝土由于再生細骨料吸水率高，對坍落度保持十分不利，嚴重影響泵送施工，但有關研究表明，預濕再生細骨料可以有效改善坍落度損失問題[5]。3綠色混凝土技術的發(fā)展重點3.1生產(chǎn)以C2S為主要熟料礦物的水泥通過調(diào)整熟料礦物組分，對傳統(tǒng)的熟料礦物進行改性，發(fā)展生產(chǎn)能耗低、低碳排放的水泥新品種。比如改變現(xiàn)有硅酸鹽水泥熟料的礦物組成，生產(chǎn)高β－C2S含量的水泥熟料。與C3S比較，C2S所需要的CaCO3要少，排放的CO2也少。一般水泥熟料中C3S占60％左右，必須將熟料燒成溫度提高到1450℃，這將使C2S的活性降低，早期的水化性能發(fā)揮不出來。而生產(chǎn)高含量的C2S水泥除可以降低燒成溫度外，更重要的是可以減少CO2的排放[6]。近年來，國際上也有“低能水泥”（低能耗水泥）的研究[7]，其中一種就是高β－C2S含量硅酸鹽水泥熟料。我國隋同波等[8~14]前幾年也進行過這方面的研究，并作了生產(chǎn)性試驗，高C2S含量水泥的早期強度不如硅酸鹽水泥，但也能夠達到52.5等級，它的28d強度不論是抗折強度或抗壓強度基本上與硅酸鹽水泥一致，3個月以后就遠遠超過了硅酸鹽水泥。且水泥的水化熱小，對減水劑的適應性、混凝土的工作性、抗凍性、抗?jié)B性、抗碳化性能、干縮性能等均與同等級的硅酸鹽水泥混凝土相近，甚至優(yōu)于硅酸鹽水泥混凝土。3.2開發(fā)貝利特-硫鋁酸鹽水泥相對于硅酸鹽水泥熟料，硫鋁酸鹽水泥熟料的低燒成溫度以及低碳排放的特點使得這一水泥系列在今天有了更重要的意義。該水泥的這些特點，受到世界各國水泥材料工作者的高度重視。法國A.Alaoui等[15~16]對硅酸鹽水泥熟料和硫鋁酸鹽水泥熟料不同礦相的二氧化碳排放量、燒成能耗以及強度和耐久性進行了比較。國內(nèi)外研究者探索用一些工業(yè)固體廢物來燒制硫鋁酸鹽水泥[17~20]。硫鋁酸鹽水泥一般用于早強高強混凝土、耐腐蝕混凝土、冬季施工混凝土等結構材料，但后期強度倒縮的缺點阻礙了它的發(fā)展和應用。與普通硫鋁酸鹽水泥熟料相比，貝利特-硫鋁酸鹽水泥熟料由于其中C2S的含量大幅提升（約50%~60%），而C4A3的含量僅約20%~30%，雖然燒成的碳排放量稍高；但相比于普通硅酸鹽水泥仍具有顯著的優(yōu)勢，最多可以減少35%的碳排放量[21]。由于大量的C2S礦物的存在，相比普通硫鋁酸鹽水泥，后期性能得到很大的改善。早在1999年就開始有了對貝利特-硫鋁酸鹽水泥熟料燒成的研究[22~23]。多年來，研究者們利用電石渣、粉煤灰、煤矸石或固硫渣等工業(yè)廢料，并輔以鋁礬土均成功燒成了貝利特-硫鋁酸鹽水泥[24~26]。3.3開發(fā)高品質(zhì)骨料在我國，各地眾多作坊似的采石場為了降低成本，大多采用顎式破碎機破碎出來的砂石粒形往往達不到要求，破碎出來的石子中，針片狀以及非常不規(guī)則骨料的含量高。這樣就增大了混凝土中的需水量，為了保持水膠比一定，不得不增加膠凝材料的用量，增大漿骨比，不僅造成膠凝材料與外加劑用量增加，成本提高，更重要的是將量增多造成混凝土水化溫升高，干縮、自生收縮增大，體積穩(wěn)定性變差。骨料對制備混凝土有重要意義的特性包括：空隙率、顆粒級配、吸水性、粒形和表面情況、骨料強度、彈性模量等。我國混凝土質(zhì)量比西方國家的差，主要原因在于骨料的質(zhì)量。如果不能用足夠包裹骨料的最少量的漿體和最大量的骨料組成具有工程所需要的良好施工性能的拌和物，是不可能得到耐久的混凝土的。因此，骨料質(zhì)量首先不是強度，重要的是級配和粒形，使用級配和粒形良好的骨料可以得到最小用水量的混凝土拌和物。良好的骨料級配可以通過空隙率及混凝土和易性來體現(xiàn)。良好的骨料級配可用較少的漿量制得流動性好、泌水少、不離析的混凝土拌合物，硬化后得到均勻密實的混凝土。骨料質(zhì)量的好壞在很大程度上影響著混凝土配制的技術路線。因此，高品質(zhì)骨料的開發(fā)對綠色混凝土的實施意義重大。3.4發(fā)揮高性能優(yōu)勢，減少水泥和混凝土的用量混凝土工程因其工程量浩大，耐久性不足對未來社會會造成極為沉重的負擔，所以提高混凝土的耐久性顯得越來越重要。許多發(fā)達國家每年用于建筑維修的費用超過新建的費用。我國目前也開始進入需要大規(guī)模修補或更換已建混凝土結構的時期?；炷两Y構的提前劣化必然造成大量建筑垃圾和對混凝土原材料的大量需求與浪費。因此必須從可持續(xù)發(fā)展的高度對混凝土結構的耐久性給予足夠的重視。唐明述院士指出：基礎設施的耐久性就是節(jié)約與保護生態(tài)環(huán)境。4綠色混凝土工程應用存在的問題綠色高性能混凝土技術的廣泛應用是一項系統(tǒng)工程，需要建筑業(yè)統(tǒng)一認識，協(xié)作完成。目前之所以得不到很好的效果，原因就在于整個行業(yè)對混凝土的理解和認識還停留在傳統(tǒng)觀念上，下面對綠色混凝土技術發(fā)展的障礙做如下分析。4.1原材料行業(yè)不能供應優(yōu)質(zhì)原材料混凝土原材料品質(zhì)無法保證混凝土質(zhì)量，砂石存在含泥量過高、無級配可言、粒形差及砂含石量高等問題。如果不能用足夠包裹骨料的最少量的漿體和最大量的骨料組成具有工程所需要的良好施工性能的拌合物，是不可能得到耐久的混凝土的。骨料質(zhì)量首先不是強度，重要的是使用級配和粒形良好的骨料可以得到最小用水量的拌合物。作為現(xiàn)代混凝土重要組成部分的礦物摻和料，沒有形成具有規(guī)模的、質(zhì)量穩(wěn)定的原材料供應產(chǎn)業(yè)。優(yōu)質(zhì)礦物摻和料供應不足的問題日益顯現(xiàn)。西南地區(qū)優(yōu)質(zhì)粉煤灰供應已經(jīng)嚴重不足，混凝土攪拌站買不到需水量比低、細度細、燒失量較小的優(yōu)質(zhì)粉煤灰。混凝土結構的耐久性比強度更重要，而與混凝土結構耐久性關系最密切的就是水泥，只保證高強度的水泥并不一定有利于混凝土結構耐久性，最重要的是勻質(zhì)性和體積的穩(wěn)定性，當代混凝土需要開裂敏感性低的水泥。4.2過分追求工程進度，養(yǎng)護不充分，追求早期強度施工單位不適當?shù)丶涌旃こ踢M度，追求施工速度。其實，混凝土的耐久性質(zhì)量尤其需要有足夠的施工養(yǎng)護期加以保證，過度追求工程進度不僅造成混凝土得不到充分養(yǎng)護，同時勢必導致混凝土追求高早強。高早強的混凝土更容易開裂，在侵蝕性環(huán)境中劣化更迅速；規(guī)范應該修正并強調(diào)這一點?；炷恋哪途眯杂绕湫枰凶銐虻氖┕ゐB(yǎng)護期加以保證。工程施工速度的不斷加快、一再加速的施工進度使得澆筑后的混凝土普遍得不到充足時間的養(yǎng)護。養(yǎng)護不足直接損傷了表層混凝土的密實性與強度，而防止鋼筋發(fā)生銹蝕和外界有害物質(zhì)侵入混凝土內(nèi)部所依靠的就是表層混凝土的密實性；表層混凝土抵抗外界有害物質(zhì)侵入的能力（抗侵入性或抗?jié)B性）可因養(yǎng)護不良而成倍降低。我們在建造耐久的混凝土結構時，必須犧牲一些建設速度，顯然，這需要政府主管部門、業(yè)主、營造商與設計者轉(zhuǎn)變觀念。4.3行業(yè)對綠色混凝土技術缺乏認識高質(zhì)量的混凝土結構是需要混凝土結構設計單位、混凝土原材料供應商、混凝土攪拌站、施工單位、監(jiān)理單位、檢測與建筑質(zhì)量管理機構共同努力建造的。而目前混凝土結構設計單位、施工單位、監(jiān)理單位人員總體上對現(xiàn)代混凝土的發(fā)展與特點缺乏正確的認識。例如綠色混凝土技術采用低水膠比，大比例摻加礦物摻和料，塑性收縮較大，早期及時充分的養(yǎng)護對保證質(zhì)量很重要。但現(xiàn)實是，混凝土工程中大表面混凝土結構澆筑后由于不注重養(yǎng)護，經(jīng)常發(fā)生開裂，施工單位往往認識不到養(yǎng)護的缺失是造成開裂的主要原因，一味向混凝土供應商推卸責任。例如，監(jiān)理人員技術觀念陳舊，往往認為水泥用得越多越好，最好只用水泥不用礦物摻和料，一味盯著配合比，干擾綠色高性能混凝土技術的應用。再如設計人員不重視混凝土技術的學習，設計時經(jīng)常照搬過去的方案，對特定環(huán)境中的混凝土耐久性要