國內外裝配式建筑綠色新技術的研發及應用*

孫耀乾

濟源職業技術學院，河南 濟源 459001

在國家政策的不斷推進下，裝配式建筑得以快速發展，在裝配式結構上也形成了目前混凝土發展的新方向。同時，在研發綠色高性能混凝土結構以及新型養護技術方面也具有突出成就，為我國節能減排、綠色環保事業作出了突出貢獻。文章簡單介紹了目前裝配式建筑的兩項新技術。這兩項新技術的研發與應用，可以較好地減少生產過程中二氧化碳的排放量以及能源的消耗量，積極響應國家節能減排的號召[1]。

1 裝配式建筑無水混凝土技術

1.1 研究背景與發展前景

與其他建筑材料相比，混凝土價格低、制備簡單，具有良好的力學特性，因此被建筑行業廣泛接納，并不斷運用至實際生活生產中，成為主要的建筑材料之一。硅酸鹽水泥是混凝土制備過程中常見的生產原料之一，但是，每年由于硅酸鹽水泥的生產制造產生的溫室氣體高達13.5億t，占世界溫室氣體排放總量的7%。與普通硅酸鹽水泥相比，地質聚合物可以減少80%～90%的二氧化碳排放量。地質聚合物具有快硬早強、抗火、耐久性強、干縮小等優良特性，并適用于當前的建筑環境，因此廣泛應用于建筑行業。

在當前國家大力倡導環境保護、可持續健康發展以及裝配式混凝土結構的時代背景之下，合理利用地質聚合物材料可以實現工業廢棄物的回收利用，符合當下可持續發展的時代趨勢。粉煤灰是地質聚合物中的一種材料，是熱電廠高爐燃煤產生的工業副產品，其生產量極高，達到每年7.8億t，但是產率卻僅為17%～20%。隨著對地質聚合物的深入研究，其生產技術不斷成熟，間接導致其生產成本的大幅度降低，從而能夠得到更大范圍的運用，減少對環境的污染。因此，地質聚合物混凝土將成為未來綠色凝膠材料發展的趨勢。

1.2 國內外研究應用現狀

國外對地質聚合物研究的起步時間相對較早，在20世紀30年代時，美國已經研制出基于礦渣的快凝高強新型膠凝材料，并且提出“堿催化”機理[2]。20世紀50年代，烏克蘭基輔建工學院教授所研究的堿激發礦渣粉煤灰膠凝材料的強度已經達到120MPa。20世紀60年代，蘇聯開始大力發展這種新型膠凝材料，并應用于建筑工業，提出微觀反應過程的固化機理[3]。

世界第一棟采用地質聚合物混凝土的建筑結構為澳大利亞昆士蘭大學的全球變化研究所（the Global Change Institute）。該建筑高4層，由3層懸浮地質聚合物混凝土板組成，包含33塊礦渣/粉煤灰基地質聚合物預制板[4]。

國內也有一定的理論研究成果。張云升等[5]研究發現地質聚合物材料從水化早期到水化末期，其孔隙是從較疏松到完全填滿的過程。馬鴻文等[6]研究發現地質聚合物材料反應機理是部分Si-0鍵和A1-0鍵首先斷裂，又在Na+離子和0H-離子的作用下，重新組合形成中間產物，再經過脫水縮合形成最終產物。劉崢等[7]以硅藻土和粉煤灰為原料，研究了制備硅藻土地質聚合物膠凝材料的方法。李琴等[8]研究了廢陶瓷為原料制備陶瓷地質聚合物的方法，同時提供了以廢玻璃為原料制備地質聚合物的方法。

1.3 技術理論現狀

國內外大多數文獻在敘述地質聚合物材料的結構及其反應機理時，大多參照Davidovits[9]教授的觀點。礦物聚合材料的形成過程分為4個階段。（1）溶解階段。偏高嶺土、粉煤灰等含活性硅鋁酸鹽的礦物粉體在堿激發劑溶液（A10H、KOH、Na2SiO3按照一定模數配合）中溶解。（2）解聚階段。硅鋁酸鹽礦物粉體中Si-0鍵和A1-0鍵斷裂，解聚成單硅酸根和鋁酸根。（3）硅酸鋁鹽聚合反應是放熱脫水的反應，反應中水為傳質，聚合后大部分的水將排除。由聚合材料塊體分子式可知，地質聚合物以鋁氧四面體和硅氧四面體為基本結構單元，具有不同的聚合程度，并形成近有序遠程無序的三維網狀結構。（4）當反應在較為穩定的環境，其水化產物將會往沸石晶體方向發展。

2 裝配式建筑二氧化碳養護技術

2.1 研究背景及發展前景

2011年以來，國內建筑產業現代化受到前所未有的關注，各地的政府部門，設計、科研單位以及施工企業都在積極籌措和實施。建筑現代化的實施依賴于建筑工業化水平的提高，尤其是裝配式混凝土構件制造能力和技術水平的提高。這一發展趨勢為我國預制構件新型技術研發提供了良好的機會。

在混凝土預制構件生產中，蒸汽養護技術可以使預制構件在短時間內達到較高的早期強度，但該技術對養護環境的要求較高，消耗大量的能源，同時成本高，且將排放大量的溫室氣體（二氧化碳）。因此，發展新型、綠色裝配式混凝土養護技術是大規模實現建筑產業現代化的根本保障。二氧化碳養護技術指新拌和混凝土在水化尚未完成之前，由水泥熟料中的硅酸鈣、鋁酸鈣及部分水化產物氫氧化鈣與二氧化碳發生化學反應，生成碳化鈣和硅凝膠的現象。通過采用二氧化碳養護處理，可以改變混凝土內部孔隙結構，減小總體孔隙率，增大密實度，提高強度，在不用外加劑的情況下，從根本上改善混凝土的抗滲和防水性能，增強耐久性。

同時，采用二氧化碳養護裝配式混凝土結構，可以吸收大量的溫室氣體（二氧化碳），進而減少建筑行業的二氧化碳凈排放量。綜上所述，在大力推行裝配式結構的形勢下，研發和推廣二氧化碳養護技術，既能在短時間內保證裝配式混凝土結構的優良性能，也能實現二氧化碳的資源化利用，為建筑產業現代化、建筑節能、綠色建筑協同發展助力。

2.2 國內外研究應用現狀

二氧化碳在建材中的應用最早可追溯至古羅馬時代，當時人們發現石灰、砂和水混合的砂漿在大氣中經過一段時間后可以提升其黏結強度。20世紀60年代以來，大量國外學者對二氧化碳養護水泥基材料進行了系統研究，涵蓋養護過程中化學反應動力學、微觀結構變化、養護程度的影響因素及應用范圍等方面。（1）二氧化碳的養護可以在短期內急劇增加混凝土抗壓強度，已報道的研究結果如下：養護5min的水泥時間強度達到19.7MPa；養護81min強度可達到50MPa。（2）基于化學反應方程式的二氧化碳養護新拌混凝土材料的理論控制方程。（3）水灰比和試件的含濕量對二氧化碳的養護效果影響較大，即過多的水分會充滿試件的孔隙，并阻礙二氧化碳氣體的滲透和擴散，影響養護過程中的化學反應。（4）反應生成后的碳酸鈣存在3種形式：方解石（Calcite）、球霰石（Vaterite）和文石（Aragonite），主要以方解石晶體形態存在。（5）壓強對二氧化碳養護的影響較小。（6）二氧化碳養護技術可以促進工業廢棄物以及低熱波特蘭水泥（Low heat port land cement）的利用[7]。

在應用方面，二氧化碳養護技術已經得到商業化應用，英國CDS Group公司與美國Solidia Technologies公司合作研究采用二氧化碳養護預制混凝土的新型養護箱技術，目前CDS Group公司已經研發出相對成熟的大型混凝土養護系統。深圳儲碳型水泥基材料工程實驗室擬采購該公司的CDS二氧化碳介質試驗窯，旨在引進國外先進設備，與知名技術設備供應商合作，促進國內相關技術的研發和推廣，推進國內基于二氧化碳再利用新型建材的研發[10]。

3 結束語

綜上所述，通過分析國內外裝配式建筑綠色新技術的研究應用現狀可以發現，無水混凝土和二氧化碳技術的研究與應用目前均有大幅度提升，大力推動了國內新型建材的創新和發展，符合我國綠色建筑目標的發展方向。