生態(tài)水泥混凝土材料與技術1

　　摘要：生態(tài)混凝土是減輕地球環(huán)境負荷、與生態(tài)體系協(xié)調發(fā)展、創(chuàng)造舒適生活環(huán)境的混凝土材料。第二次世界大戰(zhàn)后，前蘇聯、德國、日本等國對廢棄混凝土進行了開發(fā)研究和再生利用，提混凝土必須生態(tài)化、綠色化，同時開始利用廢棄混凝土做骨料生產再生混凝土，并對其強度、耐久性、經濟性等進行了研究。我國也已經意識到生態(tài)水泥混凝土材料和技術是今后水泥混凝土行業(yè)發(fā)展的大趨勢，這樣才能使水泥混凝土行業(yè)走向可持續(xù)發(fā)展的道路。

　　1、前言

　　以水泥為膠凝材料生產的混凝土，今天已成為全世界各種各樣結構工程建設首選的建筑材料，這主要是由它的經濟性所決定：原材料來源廣泛、便宜，施工與維修費用較低廉。使混凝土技術向前推進的兩大驅動力是加快施工速度和改善混凝土耐久性。除了加快施工速度和改善耐久性以外，第三種驅動力，即對環(huán)境友好的工業(yè)化材料，這方面在未來技術評價中的重要性正在日益增大[1].隨著人類數量的迅速增長和工業(yè)化進程的加快，混凝土材料不再僅用于修建普通建筑和道路，而且大量用于修建基礎設施，如地下快速交通系統(tǒng)、污水處理設施、海洋建筑等。去年全世界每年共生產約16億噸水泥，排放出占全球總排放量5%的二氧化碳?；炷凉I(yè)每年消耗100億噸砂石和10億噸淡水[2].水泥混凝土對于地球的生態(tài)環(huán)境影響很大，探索循環(huán)經濟理論，使水泥混凝土工業(yè)走向可持續(xù)發(fā)展的道路是我國建材工業(yè)面臨的重大的課題。

　　“環(huán)境材料”首先由日本通產省提出，之后又出現了許多類似的提法，如“生態(tài)材料”、“生態(tài)環(huán)境材料”、“綠色材料”、“保健環(huán)境材料”等，它們都是以保護地球環(huán)境和資源為出發(fā)點而提出的概念。綠色建筑材料是那些以對生態(tài)環(huán)境負責的方式使用地球資源、無毒、盡量利用再生資源并且本身是可以再生利用的材料[3]. “綠色”的名詞來源于60年代，指天然、原始的環(huán)境，現在 “綠色”已經成為無毒、無害、無污染的代名詞。

　　1993年前沿科學研究會提出生態(tài)材料(Environmentally Conscious Materials)的概念，日本混凝土協(xié)會與生態(tài)混凝土研究委員會于1995年首先提出“生態(tài)混凝土”的概念(eco-concrete/Environmentally Friendly Concrete)，其涵義是減輕地球環(huán)境負荷、與生態(tài)體系協(xié)調發(fā)展、 并創(chuàng)造舒適生活環(huán)境的混凝土材料。日本混凝土協(xié)會于1995年設立了生態(tài)混凝土研究委員會，發(fā)表的關于各種生態(tài)混凝土材料研究成果受到了社會的關注[4].

　　2、減輕環(huán)境負荷的生態(tài)混凝土(Environmentally Mitigatable Concrete)

　　減輕環(huán)境負荷型生態(tài)混凝土即指能減輕地球環(huán)境壓力的混凝土材料。這包括資源的消耗量以及資源的采伐、深加工、使用時的能耗各個環(huán)節(jié)對地球產生的壓力都比較小的混凝土材料，即混凝土制造時降低環(huán)境的負擔，混凝土在使用中降低環(huán)境負荷，使用后混凝土材料本身能夠循環(huán)利用以降低環(huán)境負擔。

　　2.1 生態(tài)水泥配制混凝土及水泥生產的生態(tài)化制造技術生態(tài)水泥是指用城市的垃圾灰、下水道或污水處理廠的污泥及其它的工業(yè)廢棄物等作為水泥的原料制造的水泥。用這種水泥制作混凝土可以有效解決廢棄物處理占地、石灰石資源和節(jié)省能源的問題。

　　用水泥回轉窯在生產水泥過程中處理城市危險廢棄物和生活垃圾也已經成為了水泥生態(tài)化制備的重要技術，在歐洲、日本和中國都實現了工業(yè)化生產。北京水泥廠已經利用水泥回轉窯在水泥生產過程中處理各種危險廢棄物10000余噸，既節(jié)約了燃料，又利用了焚燒后廢棄物作為水泥的原料生產出合格的水泥熟料，取得了良好的社會經濟效益。國外從70年代初就著手利用可燃性危險廢棄物作為替代燃料應用于水泥生產的研究。水泥回轉窯在處理危險廢棄物方面較之用專用焚化爐具有以下優(yōu)越性：一是水泥窯內溫度高，氣體溫度可達1350～1650℃(焚化爐溫度一般為850～1200℃)，對有害成分焚燒率可達99.999%;二是滯留時間長，水泥回轉窯內氣體通過時間一般為4～8秒(焚化爐一般為2秒);三是熱穩(wěn)定性好，水泥回轉窯內容積大并有大量高溫熔體;四是利于廢氣的凈化處理，水泥回轉窯內的堿性物質可以和廢棄物中的酸性物質相化合形成穩(wěn)定的鹽類;五是水泥回轉窯可將廢棄物中的絕大部分重金屬元素固定在熟料中，避免再次擴散之害。因此利用水泥回轉窯焚燒危險廢棄物將具有重大的經濟效益和社會效益。

　　2.2 再生骨料與再生骨料混凝土再生骨料混凝土(Recycled Aggregate Concrete)是指將使用過的混凝土或廢棄混凝土破碎后作為混凝土的集料，以代替天然集料制作混凝土。廢棄混凝土的膠結材、混合材或骨料也可用作制作水泥的原料，進行多次重復使用。

　　2.2.1 廢棄混凝土排放現狀一方面，混凝土生產需要大量的天然砂石骨料，生產1m3的混凝土大約需要1700～2000kg的砂石骨料。目前，全世界每年混凝土的使用量大約為20億立方米，砂石骨料大約為34～40億噸，這個數字是非常驚人的。如此巨大的砂石骨料需求必然導致大量的開山采石，最終結果會導致生態(tài)環(huán)境的破壞。另一方面，世界每年拆除的廢舊混凝土、新建建筑產生的廢棄混凝土以及混凝土工廠、預制構件廠排放的廢舊混凝土的數量是巨大的。根據1996年在英國召開的混凝土會議資料表明，全世界從1991～2000年的10年間，廢棄混凝土(包括從鋼筋混凝土工廠不合格的產品)總量超過10億噸。有關資料表明，歐洲共同體廢棄混凝土的排放量從1980年的5500萬噸增加到目前的16200萬噸左右;美國每年大約有6000萬噸廢棄混凝土;日本每年約有1600萬噸廢棄混凝土;在德國，每年拆除的廢棄混凝土約為0. 3噸/年/人，這一數字在今后還會繼續(xù)增長。我國每年拆除建筑垃圾按4000萬噸計算，其中34%是混凝土塊，則由此產生的廢棄混凝土就有1360萬噸，除此之外還有新建房屋產生4000萬噸的建筑垃圾所產生的廢棄混凝土[7][8].傳統(tǒng)的建筑垃圾處理方法主要是運往郊外堆放或填埋，這不僅占有大量的耕地，而且造成環(huán)境污染。[5]因此，對混凝土占用大量自然資源及對環(huán)境造成的負面影響，不可避免地需要從可持續(xù)發(fā)展問題角度進行思考與解決。

　　2.2.2 廢棄混凝土研究利用情況第二次世界大戰(zhàn)后，蘇聯、德國、日本等國對廢棄混凝土進行了開發(fā)研究和再生利用，已召開過三次有關廢混凝土再利用的專題國際會議，提出混凝土必須綠色化。再生混凝土的利用已成為發(fā)達國家所共同研究的課題，有些國家還采用立法形式來保證此項研究和應用的發(fā)展。德國、荷蘭、比利時等國家廢棄物資再生率已達50%以上。德國鋼筋混凝土委員會1998年8月提出了“在混凝土中采用再生骨料的應用指南”，要求采用再生骨料配置的混凝土必須完全符合天然骨料混凝土的國家標準[9].1977年日本政府制定了《再生骨料和再生混凝土使用規(guī)范》，并相繼在各地建立了以處理混凝土廢棄物為主的再生加工廠，生產再生骨料和再生混凝土。根據日本建設省的統(tǒng)計，1995年混凝土的利用率為65%，要求到2000年混凝土塊的資源再利用率達到90%.日本對再生混凝土的吸水性、強度、配合比、收縮、耐凍性等進行了系統(tǒng)性的研究。德國有望將80%的再生骨料用于10%～15%的混凝土工程中。比利時和荷蘭，利用廢棄的混凝土做骨料生產再生混凝土，并對其強度、吸水性、收縮等特性進行了研究。我國政府制定的中長期科教興國戰(zhàn)略和社會可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，也鼓勵廢棄物的研究和應用。

　　2.2.3 再生骨料混凝土性能再生骨料的性質同天然砂石骨料相比含有30%左右的硬化水泥砂漿，從而導致其吸水性能、表觀密度等物理性質與天然骨料不同。再生骨料表面粗糙、棱角較多，并且骨料表面還包裹著相當數量的水泥砂漿(水泥砂漿孔隙率大、吸水率高)，再加上混凝土塊在解體、破碎過程中由于損傷積累使再生骨料內部存在大量微裂紋，這些因素都使再生骨料的吸水率和吸水速率增大，這對配制再生混凝土是不利的。同樣由于骨料表現的水泥砂漿的存在，使再生骨料的密度和表觀密度比普通骨料低 [10] [11] . 用再生骨料制備的混凝土同用天然骨料拌制的混凝土相比較，其力學性能是不同的。對于再生骨科混凝土來說，我們感興趣的其他性能，例如抗拉強度、抗彎強度、抗剪強度和彈性模量等，通常都是較低的，而徐變和收縮率卻是較高的。各種性能的差異程度取決于再生骨料所占的比重、原混凝土特征、污染物質的數量和性質，細粒材料和附著砂漿的數量、研究之目的在于測定這些因素的最佳組合，以便較經濟地生產適合于某種用途的再生骨料混凝土。含有再生骨料的混凝土之耐久性，也受上述各種因素的影響。然而最明顯的因素就是污染物質的存在。

　　2.2.4 再生骨料處理技術要擴大再生骨料混凝土的應用范圍，將再生骨料混凝土用于鋼筋混凝土結構工程中，必須要對再生骨料進行改性強化處理[12].根據再生骨料的基本特性， 對再生骨料的改性通常采取如下幾種途徑。

　　a)機械活化

　　機械活化的目的在于破壞弱的再生碎石顆?；虺フ掣接谠偕槭w粒表面的水泥砂漿。俄羅斯的試驗表明，經球磨機活化的再生骨料質量大大提高，再生粗骨料的壓碎指標降低到12以下，可用于生產鋼筋混凝土構件。這種活化再生骨料的方法最有前途。

　　b)酸液活化

　　這種活化方法是將再生骨料置于酸液中，如置于冰醋酸、鹽酸溶液中，利用酸液與再生骨料中的水泥水化產物Ca(OH)2反應，起到改善再生骨料顆粒表面的作用，從而改善再生骨料的性能。

　　c)化學漿液處理

　　該法是采用較高標號水泥和水按一定比例調成素水泥漿液，為了改善水泥漿液的性能也可向其中摻入適量的其它物質，如超細礦物質(粉煤灰、硅粉等)或防水劑(FeCl3防水劑、硅質防水劑等)或硫鋁酸鈣類膨脹劑。利用漿液對再生骨料浸泡、干燥等處理，以改善再生骨料的孔隙結構來提高再生骨料質量。

　　d)水玻璃溶液處理

　　用液體水玻璃溶液浸漬再生骨料，利用水玻璃與再生骨料表面的水泥水化產物Ca(OH)2反應生成的硅酸鈣膠體能填充再生骨料孔隙，使再生骨料的密實度有所改善[13].

　　2.2.5 再生骨料混凝土應用存在的主要問題再生骨料主要用來配制中低強度的混凝，用在道路面層和墊層，而在建筑物承重結構中一般用得不多，再生混凝土的應用范圍還相當窄。阻礙再生混凝土廣泛應用的阻力一是其經濟性，由于再生骨料的收集和制備要耗費一定的機械設備和人力，從純經濟指標的角度來講，再生骨料的生產是微利甚至虧損;阻礙再生混凝土廣泛應用的另一個阻力是缺乏再生骨料和再生混凝土通用的設計規(guī)程和有關材料、施工和驗收的標準。

　　2.3 用混合材制作混凝土用粉煤灰、高爐礦渣等工業(yè)廢料作為混合材制作混凝土，達到節(jié)省資源、減少廢棄物處理用地抑制CO2排放量的目的。當今全世界粉煤灰的年排量約為4.5億噸，只有0.25億噸，或6%作為混合材用于水泥或礦物摻合料用于混凝土。如果將粉煤灰在混凝土里的應用加大，那么混凝土對環(huán)境友好的作用就能大大增強。有大量高爐礦渣副產品的國家還可以通過利用其作為混凝土或水泥摻合料獲利。摻有高效減水劑的混凝土，當拌合物的水膠比為0.3或者更低時，最多可達60%的水泥用粉煤灰代替，并具備強度與耐久性優(yōu)異的特性。其彈性模量、徐變、干縮和凍融特性均與普通混凝土相當。值得注意的是：這種混凝土抵抗水和氯離子滲透的能力優(yōu)異，從結構耐久性的角度，包括控制暴露于侵蝕環(huán)境中鋼筋的銹蝕，應用摻有超塑化劑的高摻量粉煤灰混凝土是粉煤灰在建筑業(yè)中附加值最高的途徑。在碾壓混凝土中通常摻有大量火山灰質材料，主要是粉煤灰，如瑞士一高度為95m的Platanovryssi壩所用碾壓混凝土水泥用量僅35Kg/m3，而粉煤灰(屬高鈣粉煤灰，總CaO達42%)為250 Kg/m3，是以褐煤為原料的熱電廠所排放，使用前經預處理(燃燒并水化)。每年全世界高爐礦渣的產量大約為1億噸，作為膠凝材料的比率很低，因為在許多國家，只有少部分礦渣進行水淬或?；幚?，而緩慢冷卻的重礦渣沒有膠凝性質。雖然美國材料試驗標準學會規(guī)定礦渣在水泥中的摻量可以到65%，但商品水泥中一般不超過50%.

　　自密實混凝土技術技術工人短缺和節(jié)省施工時間，是日本開發(fā)和應用自密實混凝土的主要原因。由于這種混凝土要有足夠的粘聚性，以保證其澆注過程不致離析，粉體需用量較大，如果全用水泥，容易導致開裂，因此粉煤灰、礦渣或石灰石粉的摻量通常較高。如日本明石大橋的錨固墩29萬立方米混凝土里均摻有150 Kg/m3石灰石粉。在法國，預拌混凝土廠生產供應自密實混凝土，作為無噪音產品，可用于城市街區(qū)一帶的混凝土澆注。由于減小噪音、節(jié)約勞力并延長鋼模板使用壽命，預制混凝土業(yè)也對其感到興趣。從生產技術上講，自密實混凝土生產過程節(jié)能、高效、減少噪音具有混凝土生態(tài)化施工技術的特點。P.K.Mehta根據材料與施工費用、耐久性和對環(huán)境友好三方面作為技術評價的基準對未來的混凝土材料和技術進行了評價，認為超塑化大摻量粉煤灰混凝土、超塑化大摻量礦渣混凝土對未來混凝土的沖擊會很大，自密實混凝土也對混凝土行業(yè)有一定的沖擊，這更多地取決于它們的生態(tài)友好特性。

?2009年結構工程師考試時間：9月19、20日
?2009年結構工程師輔導招生簡章
?二級結構工程師