循環經濟—混凝土—綠色生態化技術

王寶民 ，劉偉

(大連理工大學土木工程學院建材研究所, 遼寧 大連 116024)

現代混凝土的使用已有一百多年歷史,是目前最大宗的建筑材料, 且仍將是未來主要的建筑材料。但傳統的混凝土材料資源、能源的消耗量巨大, 所造成的環境問題也日益突出。在倡導循環經濟的今天，要求混凝土材料除要考慮降低環境負荷，使其具有優良的環境協調性外，還要考慮自然循環、生物保護和景觀保護等生態學問題，就此提出綠色生態混凝土。

一、循環經濟

1. 循環經濟的思想起源

早在環境保護興起的20 世紀60 年代，開始產生了循環經濟的思想萌芽。其中，以美國經濟學家鮑爾丁提出的“宇宙飛船理論”為早期代表。當時鮑爾丁敏銳地認識到必須要進入經濟過程思考環境問題產生的根源。他認為地球就像在太空中飛行的宇宙飛船，要靠不斷消耗自身有限的資源而生存，如果資源和環境遭受持續的不合理開發和破壞，就會像宇宙飛船那樣走向毀滅。因此，人類應以新的“循環式經濟”代替舊的“單程式經濟”。

隨著時間的推移，人們在思想上和政治上都有所升華，由過去的末端治理方式（考慮污染產生后如何治理以減少其危害）轉換到近些年的可持續發展戰略，源頭預防和全過程治理成為國家環境與發展政策的真正主流。此時學者和政府部門系統地認識到,當代資源環境問題日益嚴重的根源在于工業化運動以來高開采、低利用、高排放的線性經濟模式及其末端治理的局限，如：不能從根本上避免污染發生，治理污染的成本較高，企業僅滿足于遵守環境法規而不是去投資開發污染少的生產方式等。正是在這種發展背景下，英國環境經濟學家D.Pearce和R.K.Turner 通過不斷的探索和總結，提出了人類社會應建立一種以物質閉環流動為特征的循環經濟模式，以此來實現環境與經濟雙贏的戰略目標 。

2. 循環經濟的定義與內涵

2.1 定義及指導思想

《中華人民共和國循環經濟促進法》（自2009 年1月1日起施行）規定循環經濟是指在生產、流通和消費等過程中進行的減量化、再利用、資源化活動的總稱。其中減量化是指在生產、流通和消費等過程中減少資源消耗和廢物產生；再利用是指將廢物直接作為產品或者經修復、翻新、再制造后繼續作為產品使用，或者將廢物的全部或者部分作為其他產品的部件予以使用；資源化是指將廢物直接作為原料進行利用或者對廢物進行再生利用。

國務院關于加快發展循環經濟的若干意見（國發[2005]22號），提出發展循環經濟的指導思想是：以鄧小平理論和“三個代表”重要思想為指導，樹立和落實科學發展觀，以提高資源生產率和減少廢物排放為目標，以技術創新和制度創新為動力，強化節約資源和保護環境意識，加強法制建設，完善政策措施，發揮市場機制作用，促進循環經濟發展。

2.2 循環經濟的基本特征

相比傳統經濟模式，循環經濟具有新的系統觀、經濟觀、價值觀、生產觀、以及消費觀。循環經濟的系統是由人、自然資源和科學技術等要素構成的大系統，將自己作為這個大系統的一部分來研究符合客觀規律的經濟原則；循環經濟要求運用生態學規律，不僅要考慮工程承載能力，還要考慮生態承載能力；所有的經濟活動都要在資源承載能力范圍之內良性循環，使生態系統平衡地發展。從價值觀上看，循環經濟認為自然不僅僅是人類賴以生存的基礎，也是需要維持良性循環的生態系統。任何對自然開發的科學技術，都要充分考慮到它是否會影響對生態系統的修復能力，使之成為有益于環境的技術。以充分考慮自然生態系統的承載能力，盡可能地節約自然資源，不斷提高自然資源的利用效率，循環使用資源，創造良性的社會財富為主要生產觀念。提倡物質的適度消費、層次消費，在消費的同時就考慮到廢棄物的資源化，必要時通過稅收和行政等手段，限制以不可再生資源為原料的一次性產品生產與消費，建立循環生產和消費的綠色消費觀念。

2.3 循環經濟的原則

循環經濟遵循減量化（Reduce）、再利用（Reuse）、再循環（Recycle）的3R 原則，且每個原則都是成功實施循環經濟所必需的。減量化原則旨在減少進入生產和消費過程的初始物質量，再利用原則旨在延長產品和服務的時間強度，再循環原則則旨在通過把廢物再次變成資源，以減少最終處理量。

2.4 我國發展循環經濟的意義

我國人口多，人均物質資源占有量與世界平均水平相比較低。同時，資源開采和利用方式粗放、綜合利用水平低、浪費嚴重，靠過量消耗能源來發展經濟。我國目前正處于加快發展的關鍵時期，資源的短缺已經成為經濟持續增長的重大約束，因此資源約束矛盾需要發展循環經濟；其次我國生態環境惡化，土地沙漠化、水土流失、森林和草地退化、江河斷流、水生態系統失衡等生態問題仍沒有得到有效控制，生態服務功能持續下降，生態災害加重，生態問題復雜化。污染物排放已經超過了環境自凈能力，許多地區環境污染已經處于極限狀態，環境污染、生態失衡要求發展循環經濟，同時發展循環經濟是經濟全球化的客觀要求，

二、混凝土發展與循環經濟

1. 混凝土現狀

混凝土作為當今世界最大宗的人造建筑材料，目前世界的使用量約為28 ～30 億m3，其中我國約為15 億m3。然而在混凝土給人類帶來巨大文明進步的同時，也帶來了十分嚴峻的資源、能源及環境問題。主要問題有[1、6]：混凝土生產過程中會消耗大量的能源和資源。據估算，我國水泥生產的資源與能源消耗為：每生產1t 水泥熟料需石灰石約1.3t、黏土0.3t、煤0.2t，每生產1m3混凝土除水泥外，尚需砂石骨料約2.0t。水泥生產時，會排放CO2等有害物質，每生產1t 水泥熟料會排放CO2約l.0t、有害氣體SO20.74 kg，NOx 1.51 kg 及大量粉塵等污染物。傳統混凝土材料的密實性使混凝土結構缺乏透氣和透水性，調節空氣溫度和濕度的能力差，產生“熱島效應”，地溫升高等。

對于目前正處于經濟建設的高速發展時期的我國，各種工程中水泥混凝土的用量都十分巨大，而且數量在不斷增加。據統計，我國每年要開采50 億噸包括黏土、石灰石和砂石等天然礦物資源用于生產水泥和混凝土。這樣巨量地開山、采石與挖取河砂、卵石，不僅是能源的消耗，還將對環境及生態產生影響，造成破壞山體的自然景觀與綠色植被，改變河床位置及形狀，造成水土流失或河流改道等嚴重后果。

2. 混凝土發展與循環經濟

混凝土生產對資源損耗，以及對環境、生態的影響逐漸受到了人們的重視。人們開始本著發展循環經濟的原則，從原料、生產技術等方面尋求混凝土的可持續發展之路，且由此產生了綠色混凝土技術。

綠色生態混凝土技術從本質上講，就是要實現混凝土產品從原材料獲取、到產品生產、到施工、到使用、直到最終拆除廢棄，整個過程的可持續發展。根據材料過程工程學理論，通過對單元過程進行優化重組，可以形成滿足不同性能和使用要求的綠色生態混凝土的最佳生命循環周期。實現這一過程的具體途徑，就是要把生態設計、資源和能源的減量化利用、清潔生產、循環使用等融為一體，在循環經濟的思維框架內構建“綠色化”、“生態化”的混凝土產業體系。

作為整個國民經濟和工業領域的一個組成部分，混凝土產業不僅與礦產資源產業、建材生產產業和建筑產業的循環發展密切相關，同時，由于燃料、電力及其他重要原料的供應關系，又與煤炭、電力、冶金和化工等基礎工業相關聯。此外，混凝土產業還在整個社會這個大循環中扮演著重要角色，支撐和協同共生產業的發展。因此，混凝土產業發展循環經濟是一個同時涉及自身、相關產業和社會大系統的復雜體系，對其他許多相關產業發展循環經濟，起著非常重要的互補、互動的“鏈接”作用。離開混凝土產業的支持，國家發展循環經濟的大格局必然存在嚴重的欠缺。混凝土產業可以充分利用自己的廣泛耦合優勢，為發展循環經濟和加快建設節約型社會做出更多的貢獻。

3. 混凝土在循環經濟中的作用

一方面，作為工程建設中最常用的建筑材料，混凝土是資源、能源消耗大戶，其生產和應用伴隨著巨大的資源、能源消耗以及對環境的污染。

另一方面，混凝土也是廢棄物回收利用的最大用戶。綠色生態混凝土技術的廣泛應用，使在自身節約資源、能源的同時，還可以從能源和材料兩個方面大量吸納和減少其它工業排放的廢料，實現垃圾資源化，緩解能源制約和環境壓力。

三、綠色生態混凝土技術

1. 綠色生態混凝土的提出

1995 年日本在生態材料概念的基礎上，提出了綠色生態混凝土的概念，并設立了“綠色生態混凝土研究委員會 ”。綠色生態混凝土是一類特種混凝土，具有特殊的結構與表面特征，它能減小環境負荷，與生態環境相協調，并能為環保做出貢獻。通常又稱其為環保型混凝土，即能夠適應生物生長、對調節生態平衡、美化環境景觀、實現人類與自然的協調具有積極作用的混凝土材料[1]。綠色混凝土應具有比傳統混凝土更高的強度和耐久性，可以實現非再生性資源的可循環使用和有害物質的最低排放，既能減少環境污染，又能與自然生態系統協調共生。“綠色”的涵義可理解為:節約資源、能源；不破壞環境，更有利于環境;可持續發展，既滿足當代人的需求，又不危害子孫后代，且能滿足其需要[2]。

綠色生態混凝土具有以下特點[3]:(1)具有一定的強度和耐久性，能滿足結構物的力學性能、使用功能以及使用年限的要求；(2)具有與自然環境的協調性，減輕對地球和生態環境的負荷，實現非再生型資源可循環性使用；(3)具有良好的使用功能，能為人類構筑溫和、舒適、便捷的生活環境。

2. 綠色生態混凝土的意義

(1)解決地球環境、資源和能源問題

固體廢棄物的資源化是實現環境減負型混凝土的主要途徑。固體廢棄物的綜合化利用消除了對環境的不利影響，“解放了”大量土地，同時節省了大量的原生礦產資源。

(2)人類發展觀的轉變

人類文明自始至終演繹著人和自然的關系史，人類的發展觀歷經了認識自然、改造自然、修復自然的過程。人類在改造自然的同時也遭到了自然的懲罰，在覺醒之后開始修復自然，實現人和自然的和諧相處。

(3)改善人居環境

綠色生態混凝土作為中介來聯系人與自然的生態混凝土為豐富人居環境的內容創造了更多的自然空間，另外，生態混凝土的出現也標志著人類自然觀的根本改變。

3. 綠色生態混凝土技術及應用發展

綠色生態混凝土分為環境減負型混凝土和生物相容型生態混凝土兩種。

3.1 環境減負型混凝土

顧名思義，環境減負型混凝土是指在混凝土的生產、使用直至解體的全過程中，可以降低對環境負荷的混凝土。其特征主要有:

(1)更多的節約熟料水泥、減少環境污染；

(2)更多的摻加以工業廢渣為主的細摻料，不僅節約熟料，而且改善環境，減少二次污染；

(3)更大的發揮高性能的優勢，減少水泥與混凝土用量，達到節約資源、能源與改善環境的目的。

環境減負型混凝土的技術途徑主要有以下三種[4]：

(1)降低混凝土生產過程中的環境負擔

這種技術途徑主要通過固體廢棄物的再生利用來實現。如生態水泥、廢棄混凝土粉碎作為再生骨料使用、固體資源在混凝土中利用等。

日本小野田公司利用城市垃圾焚燒灰和下水道污泥為主要原料(原料中70%為廢棄物，其中城市垃圾灰占40%～50%，另補充石灰石原料20%～30%)生產出高強度水泥，并利用再生水泥制備混凝土。德國對再生骨料的分類處理見圖2 所示。

(2)在使用過程中的降低環境負荷

通過技術手段提高混凝土的耐久性，使混凝土結構的使用壽命得到延長而維修費用得到減少；加強“綠色”施工管理提倡以節約能源、降低消耗、減少污染的產生量和排放量為基本宗旨的“綠色生產”。

例：吸聲混凝土，特定的多孔混凝土具有吸收聲波的特性，目前，這方面的應用技術已較為成熟。國外，例如，日本、德國等在這方面的應用都已經實現產品化，在高速公路、鐵路的兩旁，由多孔混凝土制成的隔聲屏障，減輕了公路、鐵路沿線居民的噪音。

(3)通過提高性能來改善混凝土的環境影響

這種技術途徑是通過改善混凝土的性能來降低其環境負擔。目前研究較多的是多孔混凝土。也稱為無砂混凝土，它只有粗骨料而沒有細骨料，直接用水泥作為黏結劑連接粗骨料，這種混凝土內部有大量連續的孔隙。其孔隙特性不同，混凝土的特性就有很大差別。通過控制不同的孔隙特性和不同的孔隙率，可賦予混凝土不同的性能，如良好的透水性、吸音隔音性、蓄熱性、吸附氣體，種植植物，水質凈化以及生物的生息。

例：有害氣體吸附混凝土，由于具有比普通混凝土更大的比表面積和表面能，多孔混凝土會吸附微小的物質以減少其系統能量，維持其自身的穩定。在膠凝材料或人工集料中摻人某些特定氣體(CO2, SO2等)的吸附劑，就能吸收此類氣體。例如，在公路表面的多孔混凝土里添加諸如CO2, SO2等氣體的吸附劑，就能減輕汽車尾氣向大氣中的排放量。

例：氣候混凝土，利用其比普通混凝土更大的比表面積和表面能，在具有吸濕和解濕性能的溶液(如CaC12溶液)中浸泡且干燥之后，多孔混凝土能夠在環境濕度大于某一數值時吸濕，而在環境濕度小于該數值時解濕。溫永玲等人的研究認為吸濕量與吸附層面積、吸附時間、環境濕度和溫度等因素有關，且當環境濕度較高時，材料表現為吸濕，濕度較低時則解濕;馮乃謙在混凝土中加人天然浮石等具有載體效應的物質，研究發現這種混凝土具有良好的調濕等性能。

3.2. 生物相容型生態混凝土

生物相容型生態混凝土是指能與動植物等生物和諧共存、對調節生態平衡、美化環境景觀、實現人類與自然協調具有積極作用的混凝土。主要有以下幾種：

（1）植物相容型生態混凝土

植物相容型生態混凝土利用多孔混凝土的透氣、透水等性能，滲透植物所需營養，生長植物根系這一特點來種植小草、低灌木等植物，用于河川護堤的綠化，美化環境。

（2）微生物相容型混凝土

海洋生物、淡水生物相容型混凝土是將多孔混凝土設置在河、湖和海濱等水域，讓陸生和水生小動物附著柄息在其凹凸不平的表面或連續孔隙內，通過相互作用或共生作用，形成食物鏈，為海洋生物和淡水生物生長提供良好條件，以保護生態環境。

（3）凈化水質用生態混凝土

凈化水質用生態混凝土是利用多孔混凝土外表面對各種微生物的吸附，通過生物層的作用產生間接凈化功能，將其制成浮體結構或浮島設置在富營養化的湖河內凈化水質，使草類、藻類生長更加繁茂，通過定期采割，利用生物循環過程消耗污水的富營養成分，從而保護生態環境。

3.3 綠色生態混凝土的應用類別[3、4]

（1）透水性混凝土

與傳統混凝土相比，透水性混凝土的最大特點是具有15%～30%的連通孔隙，具有很好的透水、透氣性。

劉連新等[5]結合了高原特殊環境，研究出不僅可以用于工程護坡，還可以在其上植生的透水性混凝土，試驗證實這種混凝土具有良好工程特性、生態親和性和植生性。

（2）綠化混凝土

綠化混凝土是指能夠適應綠色植物生長、進行綠色植被的混凝土及其制品。綠化混凝土用于城市的道路兩側及中央隔離帶、水邊護坡、樓頂、停車廠等部位，可以增加城市綠色空間，調節人們的生活情緒，同時能夠吸收噪音和粉塵，對城市的生態平衡也起到了積極作用，是與自然協調、具有環保意義的混凝土材料。

20 世紀90 年代初期，日本最早開始研究植被混凝土，并于2001 年發布了關于護岸用植被混凝土的專利公報。我國吉林省水利科學研究院，水土保持研究院，水利實業公司等研究單位于1998 年開始，根據水利防護工程的特點，提出了復合隨機多孔型綠化混凝土結構。

（3）吸音混凝土

吸音混凝土是針對所產生的噪音采取的隔音、吸音措施。吸音混凝土具有連續、多孔的內部結構，具有較大的內表面積，與普通的、密實混凝土組成復合構造。多孔的吸音混凝土直接暴露面對噪音源，入射的聲波一部分被反射，大部分則通過連通孔隙被吸收到混凝土內部。

（4）海洋及水域生物適應型混凝土

所謂海洋生物適應型混凝土，即能夠營造出適合生物生長生息的空間或空隙，能夠為海藻類生物提供合適的附著表面，并能在混凝土表面增殖，使混凝土周圍的水質對生物生長沒有不良影響。目前開發并已經實際應用的海洋生物適應型混凝土主要有人工礁石。

國內清華大學材料系提出了自適應植被混凝土，即集智能混凝土和植被混凝土雙重特性的新型生態混凝土。該混凝土結構本身具備自適應、自供給特征，能適于植物生長的植被混凝土，屬于生態混凝土的一種。自適應植被混凝土是具有自適應(自動適合植物生長的酸堿度和濕度)和自供給(結構內部提供植物生長所需的營養元素)特征，并具有工程所需強度的多孔混凝土。

（5）再生混凝土

將廢舊混凝土經過特殊處理工藝制成再生骨料，部分取代或全部取代天然骨料制成再生混凝土，是綠色混凝土的種類之一。這種技術減少了混凝土生產過程中的天然原料的消耗，使材料被循環使用，滿足可持續發展的要求，是目前的研究熱點之一。

3.4 綠色生態混凝土發展方向

綠色生態混凝土的開發，充分適應了循環經濟理論，改善了混凝土這種目前應用范圍較大的建筑材料對環境的影響，將會成為未來混凝土發展的方向。其發展方向有[7、8]：

(1)進一步加強基礎理論研究促進技術化：綠色生態混凝土不同于傳統混凝土，要先對其基礎理論進行深入研究，以促進其技術應用。

(2)生態化和智能化混凝土研究：混凝土具有生態化和智能化雙重特征，能夠在多種領域顯示出其優越性能，是綠色混凝土發展中具廣大前景的方向之一。

(3)綠色生態混凝土技術集成化研究

生態混凝土研究的趨勢應以集成化和多元化來達到復合多功能的效果，如研制一種凈水植被混凝土，集植被混凝土和凈水混凝土雙重功能，其目的是用凈水混凝土所吸附的菌類或富營養元素來滿足植被混凝土中植物的生長，而植被混凝土中所生長的植物是通過某種反應來增加凈水混凝土的凈水效果。

(4)綠色生態混凝土規范標準研究

目前，綠色生態混凝土在我國剛剛起步，得到了一定的發展，有關部門應加快研究制定綠色混凝土的設計規程、施工工藝、質量控制方法、驗收標準等，并加大在廣大工程技術人員中的宣傳力度，鼓勵使用綠色混凝土。

(5)學科交叉

綠色混凝土的發展應用涉及多學科領域知識，廣泛涉及結構（結構設計、構造設計）、材料（配合比設計、材料選擇）、施工建設、使用維護以及環境保護等多方面及多學科交叉。

(6)處理設備與工藝技術研究

綠色混凝土發展前景廣闊，其處理設備與工藝技術研究將成為研究熱點。

(7)循環經濟建材產業園規劃與建設

將循環經濟引入建材產業當中，規劃建立循環經濟產業園區，為綠色混凝土的推廣應用提供一個廣闊平臺。

四、結語

目前我國正處于經濟高速增長時期，建筑業蓬勃發展需要大量的混凝土材料。因此混凝土行業必須轉變傳統生產方式，大力發展循環經濟，開發研究綠色生態混凝土，它不僅作為建筑材料為人類構筑所需要的結構物建筑物，而且它是與自然融合的，對自然環境和生態平衡具有積極的保護作用。

（1） 混凝土產業的發展必然要與循環經濟緊密結合。

（2） 綠色生態化是混凝土的重要發展方向，也是混凝土走循環經濟之路的主要途徑。

（3） 發展綠色生態混凝土需要理論化、技術化、規范化的支撐。

綜上所述，未來混凝土技術的發展，應引入循環經濟的發展模式，開發綠色生態混凝土新產品，充分利用可再生資源，實現混凝土產業乃至整個建材行業的健康、可持續發展。

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