綠色高性能混凝土材料及其應用研究

王利莉

（廣州科技職業技術大學，廣東廣州 510550）

混凝土是工程建設中最為常見的人造材料，其在被廣泛應用的同時，也加劇了環境污染，如主要原料水泥帶來的污染與耗能問題、河砂開采帶來的水土破壞及資源稀缺問題等［1］，所以混凝土的生產及使用，對地球環境、資源消耗、人類生活空間狀況等均有著顯著的影響［2］。在當下城市中，多數建筑物及路面均以混凝土為材料，這將不可避免地進一步加劇熱島現象［3］。同時，質地脆、硬的混凝土對地表植物的種植有不良影響，不利于構建海綿城市，且其表面觀感粗糙，整體觸覺不佳，顏色較為灰暗，環境營造效果差［4］。

基于上述背景，綠色高性能混凝土（Green High Performance Concrete，GHPC）應運而生［5］。目前，關于高性能混凝土的研究并不鮮見，但針對綠色高性能混凝土的報道則相對較少。張平等［6］通過對低品質的粉煤灰和礦粉進行活化作用，制備出了低碳型復合礦物摻合料，并研究了其對高性能混凝土性能的影響；陳劍毅等［7］以粉煤灰、礦渣、沸石和硅藻土為混凝土摻合料，在自然養護和復合鹽凍融環境下分別進行了混凝土抗壓強度的試驗，并基于配合比的正交試驗，分析了相關的影響因素，得出了綠色高性能混凝土的最優的配比組合；楊德勝［8］則從新時代我國社會經濟發展的特點出發，認為大力發展綠色高性能混凝土是建設行業轉型升級的契機。上述文獻大多側重于性能試驗或政策方面，為此，本文在前人研究的基礎上，對綠色高性能混凝土的基本概念與組成、特點以及三種常見的應用類型等進行了總結論述，以期為同行提供參考。

1 綠色高性能混凝土的概念與組成

1.1 綠色高性能混凝土的概念

綠色高性能混凝土這一概念是我國建筑材料專家吳中偉院士于1997年提出的，其在高性能混凝土（HPC）的基礎上，強調要素“綠色“而形成，目的是加強人們對綠色環保的重視，減少環境破壞，實現混凝土和建筑工程的長期可持續發展［5］，是今后混凝土的主要發展方向。作為新時期環保建筑類材料，綠色高性能混凝土的“綠色”主要體現為節約資源與能源、對環境友好及可持續發展，而“高性能”則主要體現在高強度與高耐久性、抗損害性能、穩定性以及高抗裂性等方面。綠色高性能混凝土代表了混凝土的發展方向，是一種有益于人體健康的新型混凝土。從實際應用角度看，人們所稱的綠色高性能混凝土一般是指在生產配制時大量利用了廢渣礦粉的高性能混凝土。

1.2 綠色高性能混凝土的材料組成

綠色高性能混凝土實際構成材料與普通混凝土并無大的差異，即為基本的水泥、水、粗集料、細集料，以及必要的礦物摻合料與外加劑等，但在每種材料的選用上突出了“綠色”的原則，主要是摻加更多的工業廢渣，節約更多的水泥熟料，以及依靠高性能減少總體水泥與混凝土的用量。在實際應用中，為提升混凝土結構密實程度，增強混凝土結構耐久性，應結合工程不同特點，因地制宜，合理確定綠色高性能混凝土的施工配合比，如：

（1）在混凝土制作時加入硅灰、鋼渣等磨細工業廢料，既可提高經濟性，又能保護環境；在有偏高嶺土、火山灰、硅藻土等條件的項目中，將其加入到混凝土制作過程中，可獲得較好的經濟效益；在混凝土生產中針對煤矸石的應用進行試驗，并在一定程度上推廣嘗試，對于環境保護意義重大。

（2）在混凝土生產中，綠色高性能混凝土的材料選用須以保證混凝土的可泵性、力學性能以及耐久性為前提，注重高效外加劑與礦物摻合料的應用，合理控制水膠比，使混凝土具有良好的工作性，提高環境適應性與經濟學。

（3）實際工程應用證明，摻合料以及外加劑的摻量與性能以及水膠比等指標，對綠色高性能混凝土的主要性能具有主導影響，因此在材料選用時應加強相應的檢測與試驗，確定設備的精度與可靠性，在保證材料性能的條件下，更多地選用工業廢料與廢渣，減少水泥熟料的使用量。

2 綠色高性能混凝土的特點

綠色高性能混凝土憑借自身優勢，在建筑工程中得到了一定范圍的應用，其區別于常規混凝土的特點，主要體現在以下幾方面：

（1）高強度。作為綠色高性能混凝土最為典型的特征，多數學者認為綠色高強度混凝土需具有高強的基本特征，其實際強度不應低于50~60 MPa，實際項目中應用的混凝土強度超過C100。

（2）高耐久性。綠色高性能混凝土自身應擁有良好的抗滲透性、抗腐蝕性，混凝土結構需具備較強的致密性，使其呈現為低溫度應變、低徐變特征，且實際硬化過程中整體體積不會發生較大的變化，水化熱較低，溫度升高波動較小，外觀結構密實度優良，即便處于惡劣環境下其實際使用壽命也較長，不易產生宏觀、微觀裂縫，始終保證抗滲性滿足相關要求［10］。

（3）高工作性。其實際運輸過程中，具有較高的流動度，無需進行振搗，綠色高性能混凝土拌合物除高流動性之外，還需具有良好的填充和離析能力。

（4）經濟合理性。因高性能混凝土中含有大量的工業廢棄渣料，在節省大量能源的基礎上，實現環境保護目標。其單價成本高于普通混凝土，但因減少人工、機械費用等，其整體的建設成本還是低于普通混凝土，利用綠色高性能混凝土建設工程，可大幅度減輕建筑結構自身重量，減少材料實際用量及運輸量，實現經濟效益最大化。

3 綠色高性能混凝土的應用

3.1 植被混凝土

植被混凝土主要是指滿足綠色植物生長，且具有相應防護能力的混凝土，其主要是由植物、泥土等材料構成。我國北方區域內存在大量的沙漠侵蝕、水土流失較為嚴重的區域，需結合實際狀況，選取大量的固沙、固土材料。城市混凝土化和高熱環境需從本質得以有效治理，開發植被混凝土是最直接、最高效的方法，植被混凝土可顯著增加整個城市綠色空間，大幅度吸收噪聲及其塵土，對城市整體氣候生態均衡具有較佳的作用。

當下植被型混凝土不僅擁有混凝土自身材料基本功能，而且具備保護環境、改善生態環境優勢。植被混凝土自身實際容重為14~15 kN/m3，孔隙率為30%~45%，自身性能較為優良、抗光照性能較佳，自身抗沖刷能力可進一步抵御120mm/h降雨。普通掛網客土噴播難以長期處于高陡巖石邊坡上，作為一類新型防護技術，植被混凝土由多種混合料構成，機械化水平較高，選取干式噴錨機進行噴播，實際噴射距離較遠，且具有較強的抗沖刷能力，用于陡峭的巖石邊坡中優勢十分凸顯［11］。

3.2 透水性混凝土

相較于傳統混凝土，透水性混凝土最為典型的特征為擁有15%~30%的連通孔隙，自身透水性十分優良，此種材料用于道路、廣場等鋪設過程中，可顯著擴展城市透水面積，為行車、人員提供良好的舒適性及安全性，進一步調整城市空氣溫濕度，保證土壤自身水位及生態均衡性。伴隨當下人類對生態環境保護的愈發重視，透水性混凝土使用較為廣泛，其在城市公園、居民小區、工業園區等區域內的路面應用中成效優良［12］。具體來說，透水性混凝土具備以下優點：一是可進一步增加城市可透水、透氣面積，強化地表與空氣自身熱量、水分相互間的交換，對整個城市氣候調節優化具有促進作用，可從本質層面緩解“熱島現象”；二是可最大限度使用雨雪降水，增大地表實際溫濕度，改善城區內水資源匱乏現狀；三是大幅度緩解雨季道路排水系統整體負擔，減少不良天氣對城市水資源產生的污染；四是可及時吸收車輛產生的較大噪聲，為人們創設良好的生活環境，避免雨天路面積水和夜間反光。

3.3 水生物保護型混凝土

水生物保護型混凝土具體是指，結合生物生長特征及其規律，創設良好的生物空間及其孔隙，為水生物營造良好的生長環境，主要依托共生或相互間作用形成完整的食物鏈，促使混凝土周圍水質對生物生長不會產生較大的影響，為海洋生物和淡水生物的良好生長提供條件，實現保護生態環境目標。此類混凝土主要適用于江、河、湖等區域內。水生物保護型混凝土實際配制過程中，需充分以植被綠化型混凝土為基礎。應用于海洋環境中時，混凝土受外界因素侵蝕較多，所以在保證低堿度多孔的基礎上，應采取措施最大限度提高混凝土在海洋中的抗腐蝕性。此外，其還可用于淡水水域中河床、護岸等構件，將其構件表面形成凹凸不平的形狀，保證其適應于自然狀態的河床、河岸形態，可為各類植物提供生長場所，凈化水質，保護生物多樣及生態環境均衡性［13］。

4 總結與展望

從初期環節的原材料至具體的工程應用，綠色高性能混凝土的研究包含多個環節，實現混凝土生產“綠色化”，需積極開展以下工作：

（1）加強高性能混凝土的科研開發、標準制定，以及人們的環保節能意識，進一步加大宣傳綠色概念，促使混凝土生產各環節予以重視。綠色混凝土已成為人們關注的焦點，逐步推廣使用該材料，符合未來可持續發展的理念。

（2）工程設計人員需不斷更新混凝土設計方法，施工人員需遵循相應的原則，保證施工質量達標。實踐數據顯示，粉煤灰替代率為35%~50%的低強度等級混凝土，可大面積用于道路路基中，在大體積混凝土工程中應用加入了大量粉煤灰的混凝土，成效較佳。

（3）對紙漿廢液進行進一步加工處理，開發以紙漿為核心原材料的各類外加劑，并擴大其應用范圍。長期以來，黑色紙漿廢液是影響我國多個河道污染的主要因素，有效處理廢漿具有重大意義，充分應用紙漿廢液制作最終的減水劑，不僅可節省大量費用支出，還可避免造紙廠廢棄液體對環境、工農業生產的不利影響。

（4）研究和制定綠色高性能混凝土質量控制方法、驗收標準等。沿用原有混凝土的質量控制方法，難以滿足現下實際需求，一定程度影響綠色高性能混凝土生產者的積極性，不利于大面積推廣及應用。綠色混凝土材料作為我國建筑產業健康發展基礎，需積極加大其研究開發力度，對其存在問題及時解決，尤其在技術及資金方面予以支持。此外，綠色高性能混凝土要求具有良好的耐久性，但對其質量進行綜合評定時，尚僅依靠現行的標準考量，未重視耐久性指標，因此，規范的質量控制方法與標準亟待制定。