綠色混凝土

1.1 綠色高性能混凝土

1998年吳中偉院士首次提出"綠色高性能混凝土"的概念，高性能混凝土具有普通混凝土無法比擬的優(yōu)良性能，關(guān)于高性能混凝土的研究是當今土木工程界最熱門的課題之一，如果將高性能混凝土與環(huán)境保護、生態(tài)保護和可持續(xù)發(fā)展結(jié)合起來考慮，則成為綠色高性能混凝土(GHPC)。在1997年3月的"高強與高性能混凝土"會議上指出GHPC是混凝土的發(fā)展方向。真正的綠色高性能混凝土應(yīng)該是節(jié)能型混凝土，所使用的水泥必須為綠色水泥。普通水泥生產(chǎn)過程中需要高溫煅燒硅質(zhì)原料和鈣質(zhì)原料，消耗大量的能源。如果采用無熟料水泥或免燒水泥配制混凝土，就能顯著降低能耗，達到節(jié)能的目的。

1.2 再生骨料混凝土

再生骨料混凝土指以廢混凝土、廢磚塊、廢砂漿作骨料，加入水泥砂漿拌制的混凝土[1-3].我國20世紀50年代所建成的混凝土工程已使用50余年，許多工程都已經(jīng)損壞，隨著結(jié)構(gòu)的破壞，許多建筑物都需要修補或拆除，而在大量拆除建筑廢料中相當一部分都是可以再生利用的，如果將拆除下來的建筑廢料進行分選，制成再生混凝土骨料，用到新建筑物的重建上，不僅能夠根本上解決大部分建筑廢料的處理問題，同時減少運輸量和天然骨料使用量。在德國，再生混凝土主要用于公路工程，如德國lowerSaxong的一條雙層公路采用了再生骨料混凝土，該混凝土路面總厚度為26 em，底層混凝土19cm采用再生骨料混凝土，面層7 cm采用天然骨料配制的混凝土[4].為了更好地回收利用廢混凝土，可將廢混凝土經(jīng)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。利用再生骨料配制再生混凝土是發(fā)展綠色混凝土的主要措施之一，可節(jié)省建筑原材料的消耗，保護生態(tài)環(huán)境，有利于混凝土工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。但是，再生骨料與天然骨料相比，孔隙率大、吸水性強、強度低，因此再生骨料混凝土與天然骨料配置的混凝土的特性相差較大，這是應(yīng)用再生骨料混凝土?xí)r需要注意的問題。

1.3 環(huán)保型混凝土

混凝土材料給環(huán)境帶來了負面影響，如制造水泥時燃燒碳酸鈣排出的二氧化碳和含硫氣體，形成酸雨，產(chǎn)生溫室效應(yīng)，進而影響環(huán)境。據(jù)調(diào)查城市噪聲的三分之一來自建筑施工，其中混凝土澆搗振動噪音占主要部分。就混凝土本身的特性來看，質(zhì)地硬脆，顏色灰暗，給人以粗、硬、冷的感覺，由混凝土的構(gòu)成的生活空間色彩單調(diào)，缺乏透氣性，透水性，對溫度，濕度的調(diào)節(jié)性能差，在城市大密度的混凝土建筑物和鋪筑的道路，使城市的氣溫上升[5].新型的混凝土不僅要滿足作為結(jié)構(gòu)材料的要求，還要盡量減少給地球環(huán)境帶來的負荷和不良影響，能夠與自然協(xié)調(diào)，與環(huán)境共生[6].因此，作為人類最大量使用的建設(shè)材料，混凝土的發(fā)展方向必然使既要滿足現(xiàn)代人的需求，又要考慮環(huán)境因素，有利于資源、能源的節(jié)省和生態(tài)平衡，環(huán)保型的混凝土成為了混凝土的主要發(fā)展方向[7-8].

1)低堿混凝土

pH值在12~13，呈堿性的混凝土對用于結(jié)構(gòu)物來說是有利的，具有保護鋼筋不被腐蝕的作用。但對于道路、港灣等，這種堿性不利于植物和水中生物的生長，所以開發(fā)低堿性、內(nèi)部具有一定的空隙、能夠提供植物根部或生物生長所必須的養(yǎng)分存在的空間、適應(yīng)生物生長的混凝土是環(huán)保型混凝土的一個重要研究方向。

目前開發(fā)的環(huán)保型混凝土主要有多孔混凝土及植被混凝土。多孔混凝土也稱為無砂混凝土，它具有粗骨料，沒有細骨料，直接用水泥作為黏結(jié)劑連接粗骨料，其透氣和透水性能良好，連續(xù)空隙可以作為生物棲息繁衍的地方，而且可以降低環(huán)境負荷，是一種新型的環(huán)保材料[9].植被混凝土則是以多孔混凝土為基礎(chǔ)，然后通過在多孔混凝土內(nèi)部的孔隙加入各種有機、無機的養(yǎng)料來為植物提供營養(yǎng)，并且加入了各種添加劑來改善混凝土內(nèi)部性質(zhì)，是的混凝土內(nèi)部的環(huán)境適合植物生長，另外還在混凝土表面鋪了一層混有種子的客土，提供種子早期的營養(yǎng)。

2)透水混凝土

透水性混凝土與傳統(tǒng)混凝土相比，透水性混凝土最大的特點是具有15%一30%的連通孔隙，具有透氣性和透水性，將這種混凝土用于鋪筑道路、廣場、人行道等，能擴大城市的透水、透氣面積，增加行人、行車的舒適性和安全性，減少交通噪聲，對調(diào)節(jié)城市空氣的溫度和濕度、維持地下土壤的水位和生態(tài)平衡具有重要作用。

透水性混凝土使用的材料有水泥、骨料、混合材、外加劑和水，與一般混凝土基本上相同，根據(jù)用途、目的及使用場合不同，有時不使用混合材和外加劑。反映透水性混凝土性能的指標有孔隙率、透水系數(shù)、抗壓強度、抗凍融循環(huán)性和干縮等[10].

3)吸收分解NOx的光催化混凝土 城市工業(yè)和交通的發(fā)展，會導(dǎo)致城市的空氣的質(zhì)量的下降。燃燒燃料也會對大氣環(huán)境造成嚴重的影響，危害最大的是NOx. NOx(主要有NO，NO2，N2O)可引起酸雨、臭氧層破壞、溫室效應(yīng)及光化學(xué)煙霧等破壞地球生態(tài)環(huán)境和危害人的身體健康及其動植物的發(fā)育一系列問題。光催化混凝土是綠色建材中的一種，它含有二氧化鈦催化劑，因而具有催化劑，能氧化多數(shù)的有機和無機的污染物，尤其是工業(yè)燃燒和汽車尾氣排放的NO，氣體，使其降解為二氧化碳和水等無害物質(zhì)，起著空氣凈化、美化環(huán)境的作用。

1.4 機敏型混凝土

機敏混凝土是一種具有感知和修復(fù)性能的混凝土，是智能混凝土的初級階段，是混凝土材料發(fā)展的高級階段。智能混凝土是在混凝土原有的組成基礎(chǔ)上摻加復(fù)合智能型組分使混凝土材料具有一定的自感知、自適應(yīng)和損傷自修復(fù)等智能特性的多功能材料，根據(jù)這些特性可以有效的預(yù)報混凝土材料內(nèi)部的損傷，滿足結(jié)構(gòu)白我安全檢測需要，防止混凝土結(jié)構(gòu)潛在的脆性破壞，能顯著提高混凝土結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性。近年來，損傷自診斷混凝土、溫度自調(diào)節(jié)混凝土及仿生自愈合混凝土等一系列機敏混凝土的相續(xù)出現(xiàn)，為智能混凝土的研究和發(fā)展打下了堅實的基礎(chǔ)。

1)自診斷智能混凝土

自診斷智能混凝土具有，壓敏性和溫敏性等性能。普通的混凝土材料本身并不具有自感應(yīng)功能，但在混凝土基材中摻入部分導(dǎo)電相組分制成的復(fù)合混凝土可具備自感應(yīng)性能。目前常用的導(dǎo)電組分可分為3類:聚合物類、碳類和金屬類，而最常用的是碳類和金屬類。碳類導(dǎo)電組分包括石墨、碳纖維及碳黑;金屬類材料則有金屬微粉末、金屬纖維、金屬片及金屬網(wǎng)等。

2)自調(diào)節(jié)機敏混凝土

自調(diào)節(jié)機敏混凝土具有電力效應(yīng)和電熱效應(yīng)等性能。Wittmann F H在1973年首先研究了力由變形產(chǎn)生電、電力，由電產(chǎn)生變形效應(yīng)。Wittmann F H在做水泥凈漿小梁彎曲時，通過附著在梁上下表面的電極可檢測到電壓，且對其逆反應(yīng)一電力效應(yīng)進行了研究，發(fā)現(xiàn)梁產(chǎn)生彎曲變形，改變電壓的方向時，彎曲的方向也發(fā)生相應(yīng)的變化。

機敏混凝土的力電效應(yīng)、電力效應(yīng)是基于電化學(xué)理論的可逆效應(yīng)，因此將電力效應(yīng)應(yīng)用于混凝土結(jié)構(gòu)的傳感和驅(qū)動時，可以在一定范圍內(nèi)對它們實施變形調(diào)節(jié)。例如，對于平整度要求極高的特殊鋼筋混凝土橋梁，可通過機敏混凝土的電熱和電力自調(diào)節(jié)功能進行調(diào)節(jié)由于溫度自重所引起的蠕變;機敏混凝土的熱電效應(yīng)使其可以方便的實時檢測建筑物內(nèi)部和周圍環(huán)境溫度變化，并利用電熱效應(yīng)在冬季控制建筑物內(nèi)部環(huán)境的溫度，可極大的促進智能化建筑的發(fā)展。

3)自修復(fù)機敏混凝土

混凝土結(jié)構(gòu)在使用過程中，大多數(shù)結(jié)構(gòu)是帶裂縫工作的。含有微裂紋的混凝土在一定的環(huán)境條件下是能夠自行愈合的，但自然愈合有其自身無法克服的缺陷，受混凝土的齡期、裂紋尺寸、數(shù)量和分布以及特定的環(huán)境影響較大，而且愈合期較長，通常對較晚齡期的混凝土或當混凝土裂縫寬度超過了一定的界限，混凝土的裂縫很難愈合。國內(nèi)的研究表明，摻有活性摻和料和微細有機纖維的混凝土破壞后其抗拉強度存在自愈合現(xiàn)象;國外研究混凝土裂縫自愈合的方法是在水泥基材料中摻人特殊的修復(fù)材料，使混凝土結(jié)構(gòu)在使用過程中發(fā)生損傷時，自動利用修復(fù)材料(粘結(jié)劑)進行恢復(fù)甚至提高混凝土材料的性能。美國伊利諾伊斯大學(xué)的Carolyn Dry采用在空心玻璃纖維中注入縮醛高分子溶液作為粘結(jié)劑，埋人混凝土中，制成具有自修復(fù)智能混凝土。當混凝土結(jié)構(gòu)在使用過程中發(fā)生損傷時，空心玻璃纖維中的粘結(jié)劑流出愈合損傷，恢復(fù)甚至提高混凝土材料的性能。

就如何發(fā)展綠色混凝土，許多學(xué)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(shè)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(lǐng)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(jié)構(gòu)，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(shù)裝備，采用新技術(shù)、新工藝、新裝備改造淘汰落后技術(shù)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(gòu)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(shè)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(shè)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(shù)的研究開發(fā)，使之向理想化發(fā)展，并使其適合于各種應(yīng)用場合，擴大其應(yīng)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(guān)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(guān)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(gòu)。

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(yīng)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(yīng)用中存在的主要問題、經(jīng)驗教訓(xùn)，制訂相應(yīng)的對策和計劃。

綠色混凝土