對新型綠色高性能混凝土的研究

王子萌 中建八局裝飾工程有限公司物質(zhì)主管 助理工程師

引言：

從1824年波特蘭水泥發(fā)明開始，混凝土材料至今已有100多年的歷史，以水泥為膠結材的混凝土也取得了巨大的發(fā)展，由普通混凝土向高性能混凝土發(fā)展。從20世紀以來，混凝土就己成為房屋建筑、橋梁、水利、公路等現(xiàn)代工程結構首選材料，作為土木工程中最大宗的人造材料，其用量巨大。據(jù)統(tǒng)計，當今我國每年混凝土用量約109m3，并且隨著我國近年來工業(yè)化、城市化進程的加快，用量將繼續(xù)快速增長。

1 緒論

高性能混凝土是近20余年發(fā)展起來的一種新型混凝土。歐洲混凝土學會和國際預應力混凝土協(xié)會將HPC定義為水膠比低于0.40的混凝土；在日本，將高流態(tài)的自密實混凝土（即免振混凝土）稱為HPC；中國土木工程學會高強與高性能混凝土委員會將HPC定義為以耐久性和可持續(xù)發(fā)展為基本要求并適合工業(yè)化生產(chǎn)與施工的混凝土。雖然不同的國家、不同的學者或工程技術人員對HPC的理解有所不同，比如美國學者更強調(diào)高強度和尺寸穩(wěn)定性，歐洲學者更注重耐久性，而日本學者偏重于高工作性。但是他們的基本點都是高耐久性，這方面的認識是一致的。

水泥混凝土是當代最大宗的人造材料，對資源、能源的消耗和對環(huán)境的破壞十分巨大，與可持續(xù)發(fā)展的要求背道而馳。綠色高性能混凝土研究和應用較多的是粉煤灰混凝土。粉煤灰混凝土與基準混凝土相比，大大提高了新拌混凝土的工作性能，明顯降低混凝土硬化階段的水化熱，提高混凝土強度特別是后期強度，而且節(jié)約水泥，減少環(huán)境污染，成為綠色高性能混凝土的代表性材料。

混凝土能否長期作為最大宗的建筑結構材料，關鍵在于能否成為綠色材料，綠色高性能混凝土應具有以下特征：更多地節(jié)約熟料水泥，減少環(huán)境污染，更多地摻加工業(yè)廢渣為主的細摻料，更大地發(fā)揮高性能的優(yōu)勢，減少水泥與混凝土用量。

混凝土的綠色含量，著眼于混凝土的可持續(xù)發(fā)展，綠色高性能混凝土由于具有良好的性能與環(huán)境協(xié)調(diào)性，已成為混凝土產(chǎn)業(yè)未來發(fā)展方向。

2 高性能混凝土綠色化的途徑

如何發(fā)展綠色混凝土，許多學者提出了許多中肯的意見和建議現(xiàn)歸納如下。

（1）加強混凝土科研開發(fā)、標準制定、工程設計和施工人員等的環(huán)保意識，加大綠色概念的宣傳力度，以引起混凝土工程領域各個環(huán)節(jié)的高度重視。

（2）大力發(fā)展高標號熟料水泥生產(chǎn)，提高高標號熟料在整個熟料生產(chǎn)中的比重；研究改進熟料礦物組分，對傳統(tǒng)的熟料礦物、水泥進行改性、改型發(fā)展生產(chǎn)能耗低的新品種，調(diào)整水泥產(chǎn)品結構，及發(fā)展?jié)M足配制高性能混凝土和綠色高性能混凝土要求的水泥，并在滿足這一要求的前提下，盡量減少混凝土中的水泥用量；研究開發(fā)、改進、提高和發(fā)展水泥生產(chǎn)工藝及技術裝備，采用新技術、新工藝、新裝備改造淘汰落后技術和裝備，以提高水泥質(zhì)量，達到節(jié)能、節(jié)約資源的目的。

（3）大力發(fā)展人造骨料，特別是利用工業(yè)固體廢棄物粉煤灰、煤矸石生產(chǎn)制造輕骨料；積極利用城市固體垃圾，特別是拆除的舊建筑物和構筑物的廢棄物混凝土、磚、瓦及廢物，以其代替天然砂石料，減少砂石料的消耗。

（4）更新傳統(tǒng)的混凝土設計方法，提高施工質(zhì)量意識，嚴格施工，以保證混凝土的施工質(zhì)量。

（5）研究和制定綠色高性能混凝土的設計規(guī)程、質(zhì)量控制方法、驗收標準、施工工藝等。

（6）加強對綠色高性能混凝土配套技術的研究開發(fā)，使之向理想化發(fā)展，并使其適合于各種應用場合，擴大其應用范圍。著重解決高性能混凝土和綠色高性能混凝土由于低水膠比引起的自收縮問題、進一步水化造成的裂紋問題、由于高強度帶來的脆性問題等。

（7）制定有關國家法律、政策，以保護和鼓勵使用綠色高性能混凝土。

（8）成立有關綠色高性能混凝土專門的研究、開發(fā)、推廣、質(zhì)量檢驗和控制的機構。

（9）加強水泥混凝土行業(yè)與其它行業(yè)部門的協(xié)調(diào)，減少推廣應用高性能混凝土和綠色高性能混凝土的阻力。

（10）加強調(diào)查研究，開展大范圍的工程調(diào)查。弄清目前在高性能混凝土和綠色高性能混凝土研究和應用中存在的主要問題、經(jīng)驗教訓，制訂相應的對策和計劃。

3 綠色高性能混凝土的發(fā)展展望

HPC 是近一二十年才提出的。它的出現(xiàn)把混凝土技術從經(jīng)驗技術轉(zhuǎn)變?yōu)楦呖萍迹碇斀窕炷涟l(fā)展的總趨勢。 其特點集中表現(xiàn)為具有大流動性、高強度、高耐久性、低水化熱、高體積穩(wěn)定性等多方面的優(yōu)越性能。 從強度而言，抗壓強度大于C60的混凝土即屬于高強混凝土。 提高混凝土強度是發(fā)展高層建筑、高聳結構、大跨度結構的重要措施。采用高強混凝土，可以減小截面尺寸，減輕自重，因而可獲得較大的經(jīng)濟效益，而且高強度混凝土一般也具有良好的耐久性。

隨著HPC的開發(fā)和應用， 建筑對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生的影響正引起社會的關注。建筑物在建造和運行的過程中需消耗大量的自然資源和能源，并對環(huán)境產(chǎn)生不同程度的影響。有專家指出， 作為建筑工業(yè)主要原料的水泥，實際上是一種不可持續(xù)發(fā)展的產(chǎn)品。因此，高性能混凝土的技術核心是在限制水泥用量以獲得混凝土高性能的同時，堅持其可持續(xù)性的發(fā)展原則。21世紀前后， 吳中偉等提出了綠色混凝土的概念，在高性能混凝土的基礎上增加了三個含義：（1）節(jié)約資源、能源；（2）不破壞環(huán)境，更有利于環(huán)境；（3）可持續(xù)發(fā)展， 既要滿足當代人的需求，又不危害后代人滿足其需要的能力。大力開展綠色高性能混凝土的研究和應用高性能混凝土具有普通混凝土無法比擬的優(yōu)良性能，對混凝土的發(fā)展將起重要作用， 并為HPC的發(fā)展指明了非常明確的方向。

在節(jié)材方面，如果能夠?qū)⒛壳笆褂玫匿摬暮突炷撂岣咭粋€強度等級，則可以獲得明顯的經(jīng)濟效益和社會效益。粗略計算，到2010年，僅通過推廣應用高強鋼和高性能混凝土，就可節(jié)省資金約596.94億元，同時產(chǎn)生間接經(jīng)濟效益144.18-216.27億元/年，合計可節(jié)約640-810億元/年。另外，采用高強材料，可以提高施工作業(yè)效率，提高建筑質(zhì)量，延長使用年限，減少維護使用費用，解決了建筑結構中肥梁胖柱問題。這樣不僅能增加建筑使用面積，增大建筑使用空間，也可以使結構設計更加靈活，提高建筑使用功能。推廣應用高強鋼和高性能混凝土，在建設階段可以節(jié)約鋼材和混凝土，減少資源和能源的消耗量，進而減少二氧化碳、二氧化硫等有害氣體和廢渣的排放。據(jù)有關專家統(tǒng)計分析，節(jié)約1噸鋼材可以節(jié)省電能300千瓦時、標準煤0.70噸，節(jié)約1噸水泥，可以節(jié)省電能110千瓦時、標準煤0.2噸。比照以上數(shù)據(jù)，到2010年，通過推廣應用高強鋼和高性能混凝土，則每年可節(jié)省電能58.56億千瓦時、標準煤1120.2萬噸，大量減少二氧化碳排放。

隨著HPC的開發(fā)和應用， 建筑對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生的影響正引起社會的關注。建筑物在建造和運行的過程中需消耗大量的自然資源和能源，并對環(huán)境產(chǎn)生不同程度的影響。有專家指出， 作為建筑工業(yè)主要原料的水泥，實際上是一種不可持續(xù)發(fā)展的產(chǎn)品。因此，高性能混凝土的技術核心是在限制水泥用量以獲得混凝土高性能的同時，堅持其可持續(xù)性的發(fā)展原則。21世紀前后， 吳中偉等提出了綠色混凝土的概念，在高性能混凝土的基礎上增加了三個含義：（1）節(jié)約資源、能源；（2）不破壞環(huán)境，更有利于環(huán)境；（3）可持續(xù)發(fā)展， 既要滿足當代人的需求，又不危害后代人滿足其需要的能力。大力開展綠色高性能混凝土的研究和應用高性能混凝土具有普通混凝土無法比擬的優(yōu)良性能，對混凝土的發(fā)展將起重要作用， 并為HPC的發(fā)展指明了非常明確的方向。

4 結論與展望

高性能混凝土的研究與開發(fā)應用，對傳統(tǒng)混凝土的技術性能有了重大的突破，對節(jié)能、工程質(zhì)量、工程經(jīng)濟、環(huán)境與勞動保護等方面都具有重大的意義。可以預期，高性能混凝土在工程上的應用領域?qū)⒀杆贁U大，并取得更大、更多的技術經(jīng)濟效益。

本文認為隨著社會的發(fā)展，高層建筑、大跨橋粱、港口建筑等多種薄形結構將會大量涌現(xiàn)，國內(nèi)外應用高性能混凝土建造的工程將越來越多，由于高性能混凝土的高強度，高耐久性和高工作性滿足了現(xiàn)代建筑的需求。納米混凝土、再生混凝土、免振搗自密實高性能混凝土等都是綠色高性能混凝土。綠色高性能混凝土已被廣泛應用于市政工程、民用建筑和工業(yè)建筑，與普通混凝土相比，高性能混凝土具有更好的施工性能和耐久性，同時可以更多地利用工業(yè)廢渣及其它廢棄物，有良好的經(jīng)濟指標和環(huán)保意義，因此，綠色高性能混凝土是混凝土的發(fā)展方向。