21世紀(jì)可持續(xù)發(fā)展的混凝土壩

［伊朗］ M.R.賈巴魯?shù)?/p>

周 虹 袁玉蘭 譯自《2013年中國大壩協(xié)會學(xué)術(shù)年會英文論文集》

付湘寧 校

1 壽命周期成本分析和性能

通過壽命周期成本分析(LCCA)選用結(jié)構(gòu)材料和部件，可以大大降低施工和維修的壽命成本。

學(xué)者福瑞爾馬斯(Freyermuth)曾建議，未來結(jié)構(gòu)的設(shè)計和建造應(yīng)達(dá)到100～120 a或者更長的年限，而不是50 a。城市環(huán)境中主要橋梁的使用壽命至少應(yīng)為150 a。根據(jù)壽命周期成本設(shè)計的基礎(chǔ)設(shè)施，例如大壩、水電站、主要隧道和橋梁，其可用資金的回報率和可利用的自然資源回報率最大。

例如，建筑業(yè)中采用高性能的混凝土(HPC)就比普通性能的混凝土(NPC)強度更高、重量更輕、使用壽命更長。雖然使用高性能混凝土結(jié)構(gòu)的原始成本可能比普通性能混凝土高，但是高性能混凝土結(jié)構(gòu)的使用周期要比普通性能混凝土的長很多，從而降低了壽命周期中的維修成本。因此，應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)的整體壽命成本(包括原始建造成本和檢查、維修及更換成本)來選擇成本低、效果好的設(shè)計和修復(fù)方案。對于泄洪道的陡槽、槽壁和橋面以及大壩和水電站的其他結(jié)構(gòu)體，高性能混凝土就是一種非常適用的材料。

另一個用在大壩和其他大體積結(jié)構(gòu)(例如水電站)中的耐久混凝土的例子就是摻有大量粉煤灰的混凝土，其主要組成材料即為摻有50% ～60%粉煤灰或高爐礦渣的慢硬化復(fù)合波蘭特水泥。有學(xué)者對其配合比、性能及應(yīng)用條件等作了具體描述，指出這種高摻量粉煤灰、超塑性的混凝土如果減少拌和水用量和膠凝材料總用量，同時輔之以超增塑外加劑，那么就可能完全消除或減少其收縮效應(yīng)和隨之產(chǎn)生的裂縫，并能使混凝土的壽命長達(dá)500 a或更長。

降低混凝土對環(huán)境影響的長期有效方法之一是降低其消耗率。有學(xué)者預(yù)測了21世紀(jì)未來人口增長與混凝土消耗的關(guān)系，認(rèn)為由于發(fā)展中國家人口增長速率的影響，到2050年混凝土的消耗率才有可能降低(如果現(xiàn)在所建的混凝土建筑物在以后的數(shù)百年內(nèi)都不需重建、改建或大修，同時也能滿足發(fā)展中國家大多數(shù)建筑和基礎(chǔ)設(shè)施需求，那么在2050年之前才可能降低混凝土的消耗并減少其對環(huán)境影響)。此后，混凝土消耗量可能會整體下降，這取決于所面臨的混凝土業(yè)環(huán)境問題嚴(yán)重程度以及采取適當(dāng)措施提高混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性，但是混凝土建筑業(yè)所采取的這些措施見效極慢。因為建筑業(yè)的盈利主要取決于快速施工進度，而不是通過節(jié)約能源和材料以減少壽命周期成本起作用。

2 減少能耗

水泥是混凝土制造業(yè)最主要的組成材料。由于該行業(yè)能源密集型的特點，以及把石灰石焙燒成石灰的化學(xué)過程所產(chǎn)生大量的二氧化碳，導(dǎo)致溫室氣體伴隨著水泥的生產(chǎn)而排放。

圖1比較了水泥、混凝土和其他普通建筑材料在原材料提取、運輸和制造過程中的生產(chǎn)能耗。

圖1 普通建筑材料的生產(chǎn)能耗

研究表明，生產(chǎn)1 t水泥所需能耗是5 GJ/t，而生產(chǎn)1t鋼是30 GJ/t。水泥生產(chǎn)商已使用了一些方法來降低二氧化碳的排放量，如使用輔助膠凝材料來減少生產(chǎn)水泥熟料(未制成水泥的半成品)所需的能耗，利用廢燃料提高與水泥生產(chǎn)有關(guān)的能效等。

2.1 輔助膠凝材料

輔助膠凝材料(SCM)可以替代混凝土中一部分水泥成分。這些材料被用于提高混凝土在新鮮和硬化階段的性能，促進其和易性、耐久性以及強度。SCM是工業(yè)副產(chǎn)品材料，如不加以利用就被當(dāng)做垃圾處理掉了。火山灰、粉煤灰、硅粉和磨碎的粒狀高爐礦渣都可作為混凝土中的輔助膠凝材料。

在這類大體積混凝土中，使用輔助膠凝材料可降低產(chǎn)生的水化熱，降低水化速度，從而減少溫度裂縫。RCC含水泥量較少，往往通過布置在壩中溢洪道的優(yōu)化設(shè)計(減少壩肩開挖)，使用更多的輔助膠凝材料和更少的波特蘭水泥，便能在各種氣候條件下快速施工，減少相應(yīng)的能耗。

在世界各地，含有膠凝特性的產(chǎn)品即火山灰副產(chǎn)品復(fù)合波特蘭水泥的使用率在穩(wěn)定增長。中國和印度的水泥消費量很大，每年需用3億多噸粉煤灰作為水泥的替代品，因此減少了更多生產(chǎn)波特蘭水泥熟料的需求。最近的應(yīng)用指南還允許更廣泛地使用石灰石作為成品水泥的研磨材料。這對產(chǎn)品的性能不僅無影響，而且還能降低二氧化碳的排放。

2.2 能源效率

據(jù)美國環(huán)境保護署的報告，美國每生產(chǎn)1000 kg的波特蘭水泥，就排放900～1100 kg的二氧化碳，取決于所用燃料的種類、原材料和水泥廠的能效。排放的二氧化碳中有50%～60%來自煅燒碳酸鈣原材料，這是生產(chǎn)過程中必不可少的環(huán)節(jié)。其余排放的二氧化碳則是礦物燃料產(chǎn)生的，例如，燒煤和用天然氣加熱爐內(nèi)的原材料，都會排放大量二氧化碳。

水泥生產(chǎn)商不得不通過提高水泥窯的能效來降低二氧化碳的排放。利用低含量二氧化碳的燃料，例如天然氣和接近碳中性的生物質(zhì)燃料，也有助于降低排放。

2.3 使用替代燃料

水泥行業(yè)使用替代燃料不僅具有經(jīng)濟意義，而且還有利于環(huán)境。環(huán)境效益包括:①減少對不可再生的化石燃料的依賴性;②減少溫室氣體排放;③利用廢料;④安全處理有機成分被完全破壞的廢物;⑤抑制熟料(煅燒過程中)中重金屬的逸放。

新西蘭水泥行業(yè)已多年成功使用廢油和將木頭作為替代燃料。另外，該國每年成千上萬的廢舊輪胎成為垃圾堆積如山，然而從廢舊利用的角度講，卻給水泥窯提供了理想的燃料。這種替代燃料燃燒時沒有煙霧或火焰。其他可作為替代燃料的安全品種還包括地下水中的污泥、生活垃圾等。

3 使用回收再利用材料

混凝土機械需兩處用水，即攪拌混凝土?xí)r需拌和用水，每個臺班結(jié)束時沖洗機械設(shè)備用水。每個卡車洗車用水為1200～2000 L。另外，大壩基礎(chǔ)進行帷幕灌漿時，也會產(chǎn)生大量含有水泥漿的廢水。這些水可能是高堿性的，如果處理不當(dāng)?shù)脑挘驗閜H值極高，可能造成環(huán)境問題。

事實上，大多數(shù)可回收利用的工業(yè)用水都適合于生產(chǎn)水泥，除非經(jīng)過檢測不能用。清洗水和養(yǎng)護水也可以回收利用。混凝土壩體養(yǎng)護必須要很長的時間，而且需要大量的水保持混凝土濕潤并使其冷卻。另外還有骨料的清洗和混凝土的后期冷卻等，這些用水都是可以回收利用的水。

混凝土建筑物和道路一般是經(jīng)久耐用的，維護保養(yǎng)要求不高。但是當(dāng)其超服役期而被拆除時，廢棄的混凝土和廢磚塊便可壓碎而重新用作骨料，即可以減少天然骨料和垃圾的使用。

有人預(yù)測，全世界每年大約會產(chǎn)生10億t廢棄的混凝土和廢磚塊。目前，考慮到環(huán)境和廢物處理成本高，只有少量的廢棄混凝土和廢磚塊用來扎成骨料被使用。不過，歐洲大多數(shù)國家現(xiàn)已建立了短期目標(biāo)，從上述廢棄材料中回收使用50% ～90%的可用建筑材料。當(dāng)對混凝土質(zhì)量擔(dān)憂時，可以將循環(huán)再生骨料和天然骨料混合使用來解決該問題。

4 使用化學(xué)添加劑

可使用減水劑來減少混凝土中水泥用量，這對混凝土的和易性和抗壓強度沒有任何負(fù)面影響。在摻有大量粉煤灰的混凝土中，使用超強塑化添加劑是必要的，因此，幾乎任何種類的高性能混凝土都要用此添加劑來降低拌和水和水泥用量，以減少混凝土的收縮和裂縫。通常，在混凝土壩中還使用緩凝劑來控制混凝土的凝固時間，以防止出現(xiàn)不良冷縫，減少縫切割操作、溫度裂縫和能源損耗。

5 結(jié)論

對混凝土行業(yè)的認(rèn)知是隨著可持續(xù)發(fā)展需要而不斷增加的。擬展開有關(guān)混凝土對建立更可持續(xù)生態(tài)環(huán)境所起的重要作用方面的探討，這樣有助于開發(fā)適應(yīng)性需求，建造出更高質(zhì)量、更經(jīng)濟和尊重社會環(huán)境原則的混凝土結(jié)構(gòu)。

當(dāng)然，接受混凝土行業(yè)的新技術(shù)也存在一些障礙。正如前述，建筑業(yè)的盈利主要取決于快速的施工進度，而不是通過節(jié)約能源和材料來減少壽命周期成本。如果將結(jié)構(gòu)的耐久性和可持續(xù)性定為重要目的，那么當(dāng)前的施工管理就必須考慮轉(zhuǎn)變模式，即由偏愛施工的高速度向無裂縫的混凝土結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。

建筑法規(guī)不鼓勵使用可回收利用的副產(chǎn)品材料。一些規(guī)范通常規(guī)定了輔助膠凝材料的最大用量，或者水泥的最少用量。

與其他建筑材料相比，混凝土的整體性能優(yōu)勢較明顯，但從可持續(xù)發(fā)展而言，仍需要不斷改進。碾壓混凝土壩的許多優(yōu)勢使其成為環(huán)境友好型的選擇，適合21世紀(jì)倡導(dǎo)的可持續(xù)發(fā)展。