綠色高性能混凝土材料的研究

王宏利

（安徽省亳州市泰合混凝土制品有限公司， 安徽 亳州 236800）

0 引言

混凝土材料是非常重要的建筑材料，傳統的混凝土材料不論是從生產環節還是從應用階段，都會對生態環境造成破壞，而綠色高性能混凝土材料的研發和使用可以很好地規避這種環境破壞風險，通過科學有效的措施，將綠色高性能混凝土材料和建筑工程緊密結合，可以大幅度的減少建筑行業生產施工對于環境的污染，符合可持續發展戰略要求，綠色高性能混凝土材料的研發和應用對于我國社會經濟發展有著重要意義。

1 發展綠色建筑材料的重要作用

1.1 傳統建材對環境造成的影響

就能源及資源消耗來看，建材工業的能源消耗及資源消耗非常大，建筑材料的生產也是城市及區域環境的重要污染源。就環境污染而言，建材行業所產生的粉煤灰、氮化物、硫化物、二氧化碳、廢水、固體廢料等排放量均非常大。就人體健康的影響而言，建筑材料會在很大程度上對人體的健康帶來負面影響，例如花崗石板材中的放射性元素、化學建材中的甲醛、氟氯烴等，陶瓷中含有的鉛等。建筑裝飾材料中有很多材料都是易燃物品，燃燒過程會產生大量有害氣體；建筑裝飾材料如泡沫聚苯烯也是白色污染的重要來源。綠色建材需要滿足建材防火安全標準，監控耐火等級及有毒有害氣體排放、放射性等，從而為人們的身體健康提供保障。就資源可持續利用方面，很多材料拆除后沒有充分利用而是隨意堆放、填埋，沒有充分利用混凝土廢棄物及石料，造成資源的浪費。

以混凝土為例，砂石骨料是混凝土的主要部分，水泥作為膠凝材料，其原料為黏土及石灰石，大規模生產水泥及混凝土可引起河床的形狀及位置改變，可引起河流改道、水土流失等；原料的開采及運輸也是重要的消耗能源的環節；水泥生產過程中可釋放大量二氧化碳；水泥的生產及施工過程中，可引起粉塵污染、噪音污染等。

1.2 綠色建筑材料的優勢及意義

與傳統建材相比，綠色材料具有以下優勢：（1）原料盡可能減少天然資源的使用，而是將廢液、廢渣、尾礦等廢棄物作為生產原料；（2）產品生產、配置過程中不使用或少使用對環境有害的顏料、添加劑；（3）生產工藝對環境造成污染小或無環境污染，制造工藝能耗低；（4）產品對人體健康無害；（5）產品可回收再利用。

因此，綠色建材可以滿足可持續發展的需要，兼顧眼下需求與長遠發展，可實現發展與環境的統一，可以讓人們對健康、舒適、安全等的需求得到滿足，不會損害后代人對資源及環境的需求。

2 高性能混凝土的研究

2.1 高性能混凝土的定義

當前對高性能混凝土還沒有統一的定義或解釋，按照人們對高性能混凝土的應用范圍、要求、目的等，對高性能混凝土存在不同的定義。但無論定義如何，人們都強調的是高性能混凝土的耐久性，因此高性能混凝土并非指的是混凝土的具體品種，而是對混凝土的質量、性能的要求、保證。

2.2 高性能混凝土的組成

混凝土是粗骨料、細骨料、水泥、水四種基本組分構成的復合材料，根據需要可以加入礦物質超細粉以及外加劑。

（1）水。滿足國家標準的生活飲用水可以應用于直接拌制混凝土。其余的水源則對雜質含量有一定要求，以鋼筋混凝土為例，要求，要求Cl-＜1200mg/L，要求可溶物＜5000mg/L，要求不溶物＜2000mg/L，要求PH值＞4。

（2）骨料。高性能混凝土對骨料的要求較高。要求骨料的級配良好，盡量降低骨料的空隙率，骨料的粗細大小要合適。骨料的物理性能要合適，堆積密度及表觀密度要合適，粒形要好，表面有一定粗糙度，吸水率要低；就力學性能方面，骨料的力學性能要滿足要求，不能使用風化骨料或者是含有軟弱顆粒的骨料，要確保骨料的彈性模量較大以保證混凝土的彈性模量。在骨料的化學性能方面，骨料中不能含有硫酸鹽、硫化物及有機物等雜質；不能含有泥塊，整體含泥量不高于1%；骨料宜采用沒有堿活性的骨料。

（3）水泥。水泥分為硅酸鹽水泥、特種水泥以及混合水泥。水泥熟料的礦物成分包括C4AF、C3S、C3A及C2S，制備高性能水泥時主要是通過對四種礦物含量進行調整、增加摻合料如粉煤灰、加入外加劑制備。抗硫酸鹽水泥中C3A含量比較低以發揮抗硫酸鹽腐蝕的效果；低熱水泥、中熱水泥除了C4AF以外其余礦物的含量均較低以降低水化熱。針對混凝土的不同需求要選擇不同品種的水泥，一般而言，高性能混凝土主要選擇的是普通硅酸鹽水泥。

（4）外加劑。混凝土外加劑包括減水劑、加氣劑、引氣劑、緩凝劑及早強劑等，其中高效減水劑是提高混凝土強度、耐久性以及流動性的關鍵，會在很大程度上影響到高性能混凝土的性能。現對高性能減水劑的特性探討如下。

高效減水劑的分散機理方面，超細粉、水泥吸收高效減水劑分子后可在表面形成擴散雙電層的粒子分布，靜電的斥力作用下分散水泥粒子，釋放水泥水化所形成的空間網架結構中的束縛水，讓混凝土的流動性得到提高。通過對摻量進行調整，讓粒子表面的Zeta點位改變，從而實現完全分散。

高效減水劑在凝膠粒子表面吸附后，水化反應過程中水泥漿體系的粒子持續分散、水花，超細粒子水化物進一步吸收減水劑的分子，這時電性中和，立體排斥作用、靜電排斥作用都進一步降低，平衡被破壞，這時范德華力成為主導，水泥漿凝集從而出現坍落度損失。

高效減水劑包括多羧酸系、氨基磺酸系、三聚氰胺系及萘系高效減水劑四種，萘系高效減水劑的減水效果理想，在我國應用最多。使用高效減水劑時需要注意控制硫酸鈉的含量，以免對混凝土的耐久性造成負面影響。除此以外還要注意控制混凝土的坍落度，避免坍落度迅速損失影響混凝土施工。

2.3 高性能混凝土的技術路徑

混凝土的耐久性與其抗滲性能直接相關，抗滲性能則受到混凝土粗骨料與水泥石的界面結構、密實度有關，因此高性能混凝土的技術路徑為調控水灰比、改善水泥石孔結構以及改善骨料與水泥石界面結構。合理控制混凝土的水灰比，為水泥顆粒的水化效果提供保障，避免出現未水化顆粒及毛細水，可以確保混凝土的抗滲性能良好，高效減水劑的應用可以為混凝土的流動性及保塑功能提供保障，讓混凝土的密實性得到提高，從而獲得高性能混凝土。

水泥石含有過多超過100nm的大孔，這會嚴重影響混凝土的耐久性、抗滲性以及強度；粗骨料與水泥石之間界面過渡區的存在造成混凝土的耐久性及強度降低，采用超細粉來改善混凝土的孔結構以及骨料與水泥石的界面結構，從而提高混凝土的性能。

2.4 高性能混凝土成分的發展方向

就骨料而言，當前我國主要使用花崗巖及石灰石骨料，尋找新的骨料來源是混凝土工業發展的重要方向。主要集中在開發人造輕骨料、利用再生骨料以及開發低品位骨料的利用技術。

減水劑是高性能混凝土的重要構成部分，減水劑的發展方向是需更加適用于商品混凝土泵送，進一步提高其性能。

對礦物超微粉而言，粉磨技術不斷發展，礦物超微粉將更加精細，其活性將進一步提高，從而進一步提高混凝土的耐久性、工作性、強度及密實度；需要超微粉的種類更加豐富，超微粉的應用走向綠色化發展方向。

3 綠色混凝土的研究

3.1 綠色混凝土的特點

綠色混凝土具有以下特點：（1）可減少水泥的使用量，采用工業廢料代替；（2）與自然環境協調性良好，有害物質排放少，可以提高非再生性資源的利用率，這有助于減少能源的消耗，對環境造成的負荷小；（3）可以為人們提供安全、舒適、溫和的生存環境；（4）與傳統混凝土相比，其耐久性、力學性能更好。

3.2 綠色混凝土實現路徑

3.2.1 減少水泥用量，充分利用工業廢料

水泥的生產除了產生粉塵污染以外，還會排放大量有害氣體，因此水泥工業對環境造成的污染非常嚴重。如何在滿足工程需要的前提下減少水泥的使用量非常重要，充分利用工業廢料可以很好地解決這一問題。硅灰、煤矸石、粒化高爐礦渣、粉煤灰等工業廢渣具有較高的應用價值，應用這些工業廢渣來代替一定量的水泥，還可以應用于制備高性能混凝土，工業廢渣回收利用可以減少水泥的使用量，也能減少工業廢渣對環境造成的影響，其經濟效益、社會效益重大。

3.2.2 使用人造骨料、再生骨料

混凝土的制備對砂石的需求量非常高，與此同時拆除建筑垃圾、新建房屋都會產生大量廢棄混凝土，這些廢棄混凝土主要是被堆埋，而將其循環利用為再生骨料，這對節約能源、保護環境及節約資源都具有非常重要的作用。

海砂資源豐富，可以考慮采用海砂代替河砂、山砂作為細骨料，這能有效解決細骨料資源缺乏的問題。海砂的缺陷主要有：（1）海砂含有大量氯離子，這會對鋼筋造成腐蝕，硫酸根離子可對混凝土造成侵蝕；（2）海砂難以形成級配，需要進行一定處理。針對海砂中的鹽分的處理，可以采用自然放置、機械清洗及灑水清洗等方法進行處理。針對級配問題則可以將粗碎砂摻入海砂從而滿足級配要求。因此使用海砂是具有可行性的。

3.2.3 重視與環境協調

為了實現混凝土與自然環境的協調，可通過混凝土構造、形狀及性能的設計來降低對環境造成的影響。例如通過設計混凝土的色彩及性能來實現混凝土與植物的協調，如生態混凝土、生物適應型混凝土。除此之外通過控制混凝土的空隙率、空隙特征來提高混凝土吸附氣體的性能、蓄熱性能、吸音性能以及透水性。

3.2.4 提高混凝土綜合性能

提高混凝土的強度可減少結構體積或截面積，這對減少混凝土使用量有利。提高混凝土的耐久性有助于延長建筑物使用壽命，節省重建、維修的費用，這能在一定程度上減少資源消耗。

4 結束語

綠色高性能混凝土材料是一種綠色、生態、可持續發展的建筑材料，這種材料的使用可以較大程度保護生態環境，但是在材料研究以及推廣過程中，必須要重視材料的配制，最大限度地提升混凝土的性能，而在實際的運用過程中，如何更好地提升減水劑的減水率、提升混凝土的密實性和抗凍融性能是建筑行業需要不斷創新的方向。