分析环保型混凝土的研究现状及存在的问题
水泥 2009-12-02
[摘 要] 混凝土作为人类最大用量的建筑材料，其理论与技术已日趋成熟。然而大量混凝土被应用的同时对人居环境和生态系统带来了负面影响。21世纪对混凝土的研究应从自然、环境和生态平衡的角度出发。本文论述了几种环保型混凝土的研究现状及其存在的一些问题。
1 前言
混凝土技术的发展与人居环境的关系日趋恶化，据统计[1]仅我国一年就要开采50亿t粘土、石灰石等原材料用于生产水泥和混凝土，且烧制1t水泥熟料需燃烧标准煤178kg左右，消耗了大量的自然资源和能源；生产水泥熟料时还要排放大量的CO2，仅此一项就占全世界CO2排量的1/10，是温室效应的大户；而且混凝土在运输与施工过程中不仅耗能还产生振动和噪音是城市公害的主要来源；现在一些大城市所出现的“热岛现象”也是由于大量密实性混凝土用于建筑群所致；混凝土材料又由多组分构成，分解循环利用的难度较大，大批废弃混凝土建筑产生了大量的城市垃圾，这也是目前混凝土面临的一大难题。由此研究能和自然、环境的生态平衡发展的混凝土就日益受到人们的重视。
2 环保型混凝土
环保型混凝土[1]（Environmentally Friendly Concrete 以下简称EFC）指能减少给环境造成的负荷，同时又能与自然生态系统协调发展，为人类构造更加舒适环境的混凝土材料，其具有更高的强度和耐久性以满足物理力学性能、使用功能的要求。按其对生态环境发生作用的方式不同又可分为减轻环境负荷型混凝土和生态型混凝土。前者一般包括人造轻骨料混凝土、高强耐久混凝土、免振自密实混凝土、废弃物再生混凝土等，我们常用的将高炉矿渣、粉煤灰等作水泥混合料、混凝土的掺合料等方式配制的混凝土属于这一行列；后者包括生物适应型混凝土、透水性混凝土、绿化景观混凝土、相变温控混凝土等。
2.1 减轻环境负荷型混凝土
减轻环境负荷型混凝土被列为环保型混凝土行列主要是因为在原材料方面利用工业废渣部分替代了水泥，从而减少了水泥的用量，节约了不可再生的粘土、石灰石等原材料。还因为这类混凝土具有普通混凝土无法比拟的优良性能，如高强度、高耐久性等。
2.1.1 高强混凝土
目前各个国家对高强混凝土有着不同的概念，结合我国实际中国土木工程学会与高性能混凝土委员会提出《高强混凝土结构设计施工指南》将强度超过50Mpa的混凝土称为高强混凝土。目前高强混凝土已普遍应用于工程中，具有强度高、自重轻、建筑构件截面积小、增加建筑使用面积等优点。
脆性是高强混凝土的致命弱点，这是目前急需解决的问题。与普通混凝土相比高强混凝土的弹性模量略高，应力-应变曲线的直线段比普通混凝土更长些，达到最大应力时的应变量稍有增大；由于高强混凝土中水泥石的强度较高，与骨料的应力-应变曲线差别较小，因此高强混凝土中内应力分布较均匀，微裂纹的形成与发展也相应减少，因而混凝土内部应力重分配的能力也减弱，使高强混凝土在极限载荷作用下变形量较小，并发生脆性突然破坏。此外体积稳定性是高强混凝土存在的特殊问题，其原因主要是高强混凝土的胶凝材料用量比较大，骨料在水泥浆中出现悬浮状态使其初始收缩变大。
2.1.2 高性能混凝土[Page]
20世纪90年代美国首先提出HPC的新概念，在国内吴中伟教授[2]最早提出了HPC 并指出了它的意义：应具备高施工性、高抗渗性、高体积稳定性，并保持其强度持续增长，最终获得高耐久性能。目前国际上普遍采用配制HPC的技术途径是硅酸盐水泥+高效减水剂+活性矿物掺合料这一路线。HPC的高耐久性不仅是对混凝土的一种要求，也是节约矿产、砂石，减少建筑垃圾产生，保护自然环境的需要。大量掺用粉煤灰等工业废料，形成良好的循环。
从当前的研究工作和应用情况来看，HPC在性能上还存在以下问题[3]：（1）自缩引起裂缝；（2）“湿胀”引起的表面裂缝；（3）其应力-应变曲线与普通混凝土不同；研究表明在HPC中掺入一定体积的钢钎维后，不管是自缩产生的裂缝还是“湿胀”产生的裂缝都能得到一定程度的缓解，且钢钎维还能起到增强的作用使混凝土达到更高的性能，德国科学家称之为超高性能混凝土（SHPC）。在巴西办公大厦中还首次使用一种叫HPCC[4]（High Performance Colored Concrete ）的混凝土，这种混凝土将含铁氧化物的矿物干粉掺入拌合料，使混凝土呈现出红色，不仅解决了以往混凝土建筑视觉效果差的缺点还得到了更高的早期强度和耐久性。另外，HPC的生产需要高素质的操作人员、完善的施工设施和高水平的质量管理与控制，故将计算机技术引入HPC的配合比设计、生产控制管理是HPC技术的发展方向。
2.1.3 再生混凝土
再生混凝土又称再生骨料混凝土（Recycled Aggregate Concrete），是用废弃混凝土块作粗骨料，加入水泥砂浆拌制的混凝土。二战后苏联、德国、日本等发达国家就开始研究和再生利用，特别是美国政府专门制定了《超基金法》给再生混凝土的开发提供了法律保障[5]。我国对再生混凝土的研究晚于工业发达国家，但也进行了立项研究，并取得了一些成果。目前对再生混凝土的研究都是围绕再生混凝土的基本性能进行的，且均只局限于中、低强度等级。再生混凝土的应用面也较窄，大多用于道路面层和垫层，用于建筑物承重结构的几乎没有报道。所以再生混凝土的高强化甚至开发高性能再生混凝土应该是以后的研究重点。
目前再生混凝土主要存在强度问题、造价成本问题和收缩问题[5]。由于再生骨料一般都有不同程度裂缝，抗压强度低等缺陷，故再生混凝土的强度一般都比较低，要想提高再生混凝土的强度除了用传统的掺高效减水剂+活性矿物外，还应该从提高再生骨料的强度着手，这两方面是获得再生高性能混凝土（RHPC）的突破口。再生混凝土的收缩问题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，吸水率高则必然导致失水后[Page] 干缩增大、徐变增大。再生混凝土特别是再生高性能混凝土的造价问题比较突出。一方面再生骨料的获得要经过清洗、破碎、分级等工序，另一方面高效减水剂、硅粉的成本较高，因此在再生混凝土的应用方面一定要进行工程效益、质量控制成本、质量可靠性评价等综合技术经济分析。
2.2 生态型混凝土
“生态型混凝土”[1]的研究和开发还处于起步阶段，这种混凝土既能适应动、植物生长，又能调节生态平衡，美化环境景观。是一种21世纪很有应用前景的混凝土。下面将主要介绍相变温控混凝土和透水性混凝土。
2.2.1 相变温控混凝土
相变温控混凝土是相变材料（PCM）与混凝土复合制得的，是一种通过PCM材料的相变过程吸收或释放热量而调节室内温度的智能型混凝土。PCM材料的选择原则是需与混凝土体系有很好的相容性，且置入工艺必须简单，置入后对混凝土的物理力学等性能不造成大的影响。目前也有人研究[6]用PCM的相变潜热来控制大体积混凝土中水泥的水化热温度以此来减少大体积混凝土的裂缝问题。
当前相变温控混凝土的研究难点在于PCM的选择和PCM的置入工艺方面。美国DOW化学公司[7]对近2万种相变材料进行研究发现只有不到1%的相变材料可以进一步研究，它们为一些合适熔点的水合盐以及一些有机相变材料，如石蜡、硬脂酸等。而且在PCM的应用上还存在PCM能否重复使用和PCM相变过程中的性能稳定性问题，这两个问题解决不好就会影响相变温控混凝土的使用寿命。目前而言比较可行的置入工艺有三种[6]：（1）浸渍工艺，通过浸泡将PCM渗入多孔掺合料中，例如PCM浸渍沸石粉等；（2）密封后（微胶囊）置入混凝土中，此法适用用于固-液相变的PCM，如姜勇[8]等人用化学方法将固-液相变的高分子材料进行改造，将化学键引入低熔点物质和骨架材料之间使其具有固-固相变的性质；（3）PCM直接与混凝土拌合，固-固相变PCM的开发推动了这一工艺，如粉末状的脂肪酸/SiO2PCM，该PCM可作填料与水泥等建材混合，成为具有温控功能的建筑材料。
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两种。目前研究较多的是水泥透水性混凝土，这是一种硅酸盐水泥为胶凝材料，采用单一粒级的粗骨料，不用或很少用细骨料的无砂多孔混凝土。其一般集灰比在3.0~4.0之间、水灰比大概在0.3~0.35范围内[1]。这种混凝土的优点是混凝土内部有15%~25%的连通孔隙通过，成型简单、制作成本较低、非常适用于用量较大的道路铺筑同时耐久性好。目前在日本和美国的公园、人行道、轻量[Page] 级车道、停车厂等路面已开始使用，国内尚处于研究阶段。
由于这种混凝土有较多的孔隙故其强度、耐磨性和抗冻性差是技术难点。目前研究的重点是试图找到一个较好的配合比使其既保持较高的孔隙率又能满足上述三方面的要求。但是透水性混凝土在配合比设计方面到目前为止还没有一个成熟的设计理论，这就使透水性混凝土的研究在一定程度上受到了影响。一个比较公认的原则是：认为1m3混凝土的外观体积仅由骨料堆积而成，1m3透水性混凝土的重量应为骨料的紧密堆积密度和单位水泥用量及用水量之和，大约为1600-2100kg内。另外，透水性混凝土的性能标准及其测量方法也没有标准规范，现用最多的是日本“环保型混凝土研究委员会”于1998年提出的《多孔混凝土性能试验方法草案》。所以要使透水性混凝土能有更大的发展前景，制订一部标准规范已刻不容缓。
3 结语
前面介绍的五种混凝土中高强混凝土和高性能混凝土国内研究的比较多，所到达的水平已比较高，而再生混凝土甚至再生高性能混凝土以及后两种生态型混凝土的研究可以说是处于起步阶段的。但是有一点可以肯定随着混凝土材料与人居环境问题的日益突出，环保型混凝土将是21世纪混凝土材料研究的重点。
[参考文献]
[1] 杨静.建筑材料与人居环境[M].清华大学出版社，2001，9：209-230
[2]张明征.高性能混凝土的配制与应用[M].中国计划出版社，2003，3：3-4
[3] F.H.Wittmann，P.Schwesinger. High Performance Concrete Material Properties and Design[M].1999，7：1-2
[4] Paulo Helene，Carine Hartmann. HPCC in Brazilian office Tower[J].Concrete International，2003，12，Vol.25 No.12：64-68
[5] 杜婷，李惠强，吴贤国.再生混凝土的研究现状和存在问题[J].建筑技术，2003，Vol.34 No.2：133-134
[6] 陈美祝，何真，陈胜宏.相变温敏混凝土研究[J].新型建筑材料，2003，12：2
[7] 张东，周剑敏，吴科如.相变储能建筑材料的分析与研究[J].高分子材料，2003，9：2
[8] 姜勇，丁思勇，黎国康.一种新型的相变储能功能高分子材料[J].高分子材料科学与工程，2001，5，Vol.17 No.3：174
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