綠色混凝土的發展及應用研究

(1.鄭州成功財經學院 河南 鞏義 451200；2.河南交通職業技術學院 河南 鄭州 450005)

一、綠色混凝土發展的必要性

為大力發展國家基礎建設，解決人民的住房和交通問題，自上世紀90年代開始，建筑行業迎成為世界上發展最快的行業之一，作為建筑構成的主要材料——混凝土，是目前應用最為廣泛的建筑材料，且將是未來建筑材料的主旋律。隨著混凝土的廣泛應用，傳統的混凝土材料的弊端也逐步凸顯出來，給社會和環境帶來了較多的負面影響，從目前整個行業來看，過度使用傳統混凝土存在的問題有：(1)商品混凝土生產企業追求利益，不注重環保效果，生產過程中帶來噪聲污染，混凝土的攪拌產生大量的粉塵和廢水無法清理，影響周邊環境和居民的正常生活；(2)商品混凝土生產企業綠化面積不符合標準，文明施工程度達不到要求；(3)傳統混凝土生產企業未進行科技創新,材料利用率差，混凝土配合比設計和施工配合比達不到最優的要求，生產過程中會造成嚴重的骨料資源的消耗和浪費；(4)傳統混凝土生產企業選用不合理的砂石材料級配，空隙率大，顆粒形態不合理，級配較差，在生產混凝土時為確保強度要求須增加大量的水泥，造成資源的浪費[1-2]。

綠色混凝土，作為既能減少對地球環境的負荷，又能與自然生態系統協調共生，為人類構造舒適環境的混凝土材料，其具有比傳統混凝土更高的強度和耐久性，可以實現非再生性和再生性資源的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，是現代建筑材料應用轉變發展的趨勢，在低碳化、工業化和信息化的基礎上，進行綠色混凝土生產化基地建設，有利于我國建材行業和建筑行業的發展，有利于社會環境的更好的發展，是我國實現可持續發展的必由之路[3]。當前，建設部正在加大力度推廣綠色混凝土，大力推進綠色混凝土產業的發展，以達到節約資源、減少環境污染、保護環境的目的，實現混凝土行業的可持續發展，這是符合國家產業政策、符合國家和人民利益利的一項重要舉措，是傳統混凝土材料走可持續發展之路的必然選擇，是保護生態環境和實現可持續發展在建筑材料方面的具體體現。

二、色混凝土的分類

在1997年3月的“高強與高性能混凝土”會議上，吳中偉[3]院士首次提出“綠色高性能混凝土”的概念。他認為GHPC應具有下列特征：(1)更多地節約熟料水泥，減少環境污染。GHPC中，采用磨細的工業廢渣，將取代熟料水泥成為最大的膠凝組分；(2)細骨料在合理利用砂子的基礎上，更多地摻加工業廢渣；(3)完善混凝土配合比，采用高性能的水泥，最大限度發揮高性能的優勢，減少水泥在混凝土用量；(4)擴大GHPC的應用范圍，可以將現行HPC的強度低限從現行的C50-C60降到C30左右，實現高性能混凝土常態化。隨后，1998年，為實現降低丹麥CO2排放量的承諾，丹麥提開發新型水泥來代替混凝土中的膠凝材料和骨料，制作新型的綠色混凝土，此后，綠色混凝土的概念逐步深入人心，在建筑行業得到大力的發展[4]。但是目前，綠色混凝土還沒有統一的定義。綜合國內外研究認為，綠色混凝土比傳統的混凝土材料更優秀的強度和耐久性，與生態環境協調共生，實現資源的循環使用，在減少污染的基礎上，節省資源和能源，此外，綠色混凝土的取材更為方便和便捷，更好的利用工業廢渣，降低對環境的污染。在此基礎上，吳中偉院士人為“綠色”的涵義可理解為：做到資源和能源的節約環保，不破壞環境，對生態系統不會造成影響，反而更好的促進資源的可持續發展，能既滿足當代人的需求，又不危害子孫后代[5]。

隨著綠色混凝土的大力推進，現階段我們常見的有以下幾種：

(一)綠色高性能混凝土

隨著經濟的大力發展，高層建筑逐步向超高層過度，對混凝土的強度要求也隨之提升，從原來的C50到現在的C80，但隨著強度的提升，其帶來的社會污染也較傳統的要高，現階段國家呼吁綠色發展和可持續發展，將高強混凝土和可持續發展結合起來，就形成綠色高性能混凝土(GHPC)。在1997年3月的“高強與高性能混凝土”會議上，吳中偉院士首次提出“綠色高性能混凝土”的概念，并指出：GHPC是混凝土的發展方向，更是混凝土的未來，真正的綠色高性能混凝土應該是節能型混凝土，所使用的水泥必須為綠色水泥。

粗骨料、細骨料、水泥和水是傳統混凝土的基本構成，水泥是構成傳統混凝土的重要材料，如表1所示，普通的硅酸鹽水泥是硅酸鹽水泥熟料和適量的石膏及規定的混合材料構成的，水泥生產古城中會消耗大量的能源。新的生產條件下，對水泥進行新的條件和材料改進，將水泥熟料進行相應的替換，就可以較為明顯的降低能耗。

表1 水泥中的主要成分及命名

(二)再生骨料混凝土

我國20世紀50年代所建成的混凝土工程已使用50余年，許多工程發生損壞進行拆除，在大量拆除建筑廢料中相當一部分都是可以再生利用的，再生骨料混凝土就是以廢混凝土、廢磚塊、廢砂漿作骨料，加入水泥砂漿拌制的混凝土，在一定程度上可以緩建建筑垃圾帶來的巨大壓力，如表2-表5所示，再生骨料的力學性能指標和試件的強度等級，從中可以了解到，在滿足力學指標的基礎上，再生骨料也符合相應的要求，其密度和力學指標符合規定，最終的混凝土構件受壓和受拉性能達到要求，可以在工程中進行利益，從而可以大量利用建筑垃圾。為了更好地回收利用廢混凝土，可將廢混凝土經過特殊處理工藝制成再生骨料，用其部分或全部代替天然骨料配制成再生混凝土。

表2 再生粗骨料力學指標

表3 再生細骨料力學指標

表4 每立方米再生混凝土用量

表5 混凝土力學指標

再生混凝土技術，是指廢棄的混凝土結構經分裂破碎形成較小的混凝土塊，再經過破碎機的破碎，達到試驗需要的粒徑，然后對進行沖洗、篩分和分級后，按照所設定的參量，將分級后的混凝土材料按一定比例進行摻和，使其部分或全部替換天然骨料(主要是粗骨料)做結構試件中的膠凝骨架，再加入水泥、水等配制而成的混凝土技術。而通過將廢棄混凝土經分裂、篩分后形成級配合理的骨料稱為再生混凝土骨料，最后將再生骨料和水泥、水等按比例攪拌配置而成的混凝土稱為再生骨料混凝土，如圖1和圖2為混凝土破碎后得到的粗細骨料。

圖1再生粗骨料(16-20)圖2再生細骨料

(三)生態環保混凝土

安全性、穩定性和耐久性是建筑結構的基本要求，為滿足高強度和高耐久性的要求，傳統混凝土一直以來通過增加材料、構件的密實度加以實現，但密實度越高，使得城市建筑的混凝土結構缺乏透氣性和透水性，其調解空氣溫度和濕度的能力差，會加劇城市的熱島效應，是人類的生活環境更為惡劣；高密實性使得雨水不能滲透地下，導致地下水位下降，影響地表植被的生長，造成城市生態系統的失調。除高樓建筑外，基礎設施、水利、鐵路、公路工程中也大量使用混凝土砌塊，道路和橋梁工程中有的甚至直接用混凝土澆注成硬質斜坡或地坪，這種地坪形式既不能長草，又不能下滲雨水，缺乏生態功能。為緩解這種現象，充分發揮生態系統的循環保護能力，日本混凝土協會與生態混凝土研究委員會于1995年首先提出生態混凝土具有特殊的結構與表面特性，能減少環境負荷，并能與生態環境相協調，從而能為環保做出貢獻。根據使用功能的不同，目前開發的生態混凝土的品種主要有透水性混凝土、植被混凝土、減輕環境負荷性混凝土和自密實混凝土等。

1.透水性混凝土

隨著現代化水平的提高，地表不斷被鋼筋混凝土建筑和混凝土路面覆蓋，傳統混凝土容易造成道路積水嚴重，雨水長期不能下滲，使地下水位下降，土壤中水分不足、缺氧，影響植物生長，造成生態系統失調，因此，透水性混凝土的研制迫在眉睫。透水混凝土具有15%～30%的連通孔隙，具有很好的透水、透氣性，將這種混凝土用于公園、道路、停車場以及各種體育場地，能增加地表的透水、透氣面積，調節空氣溫度和濕度，減少熱島效應，城市的高熱環境可以得到一定的改善。透水性混凝土還有利于雨水下滲和植物生長，維持地下水位和生態平衡。一般透水性混凝土使用的原材料和普通混凝土相同，但材料的配合比不同，使用的外加劑也不同。

2.植被混凝土

植被混凝土，顧名思義，是指能長草的混凝土，對比于傳統的混凝土而言，其采用了特殊的配合比，充分利用混凝土構件內部相互連通的空隙，利用化學和生物知識和技術，施工過程中，在混凝土的空隙中填充植物生長必備的土資源，然后進行添加種子、緩釋肥料、保水劑等的混合材料，種子生根、發芽，扎根于混凝土中生長。一般而言，植被混凝土不同于傳統混凝土，它由水泥、粗骨料、減水劑、水和肥料、保水材料匯合而成的細骨料等組成，可用來作為鞏固砂石、泥土、堤壩等結構的材料，在市政工程中，可用來保護河道和綠化堤防，對城鎮人行路面、建筑物外墻面、屋頂和停車場等進行綠化，改善環境，對揚塵的防止提供一個良好的途徑，讓綠化與硬化完美地結合起來，還能夠吸收噪聲和粉塵，更好的調解城市的生態平衡，是一種環境效應顯著的綠色建材。

此外，減輕環境負荷型混凝土也屬于生態環保混凝土，可以充分利用工業廢料的泡沫混凝土、在自重作用下不經振搗可以直接自行流動的自密實混凝土、具有裝飾效果的清水混凝土均屬于減輕環境負荷型混凝土的范疇，在實際工程中的應用仍存在一定的缺陷，應進一步加強在配合比、材料、工藝流程和設備等相關方面的研究，擴大在工程中的利用程度。

三、綠色混凝土的實現途徑

綠色生態混凝土能消耗較少的資源和能源，與自然生態系統相協調，對環境產生的壓力小，能夠改善環境，可以充分利用非再生資源，實現建筑垃圾的循環利用，其具體制備可以通過以下途徑實現[5]：

(1)利用來自其他行業的副產品、建筑廢料，積極利用城市固體垃圾，拆除的舊建筑物的廢棄物混凝結構，代替天然砂石料，減少砂石料的消耗。

(2)通過增多和強化混凝土的功能來改善混凝土，研制和開發新型綠色材料，利用工業廢渣和高效能外加劑提升混凝土強度，減少水泥用量，降低環境負擔。例如透水混凝土、綠化混凝土、吸音混凝土等改善混凝土結構性能。

(3)在混凝土整個使用壽命周期的各個階段中，充分有效的利用能源，大幅降低對能源的消耗。

(4)利用再生廢水，使水泥和混凝土生產過程中大量減少廢水的產生。

四、結論

隨著“一帶一路”的順利推進和可持續發展觀念的深入人心，綠色混凝土在我國得到較大的發展，相關部門隨之研究制定了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，并擴大宣傳力度，在城市公租房建設和新建建筑中大力推進綠色混凝土的利用，實現工程建設過程中的“四節一環保”，減少對環境的污染，推進社會的可持續發展。