水泥与混凝土的环境友好特性概论

2006-05-10 00:00

自从１８世纪初叶水泥问世以来，水泥混凝土已成为应用最广泛的大宗建筑材料，随着水泥与混凝土生产制备技术的不断提高和发展，加之其环境友好型特性的凸显，国际上许多知名专家与学者，一致认为在２１世纪水泥混凝土仍将作为主要的大宗建材之一，具有广阔的发展前景。

    本文旨在研究水泥混凝土的整个生命周期内——由原燃料开始，水泥生产□混凝土制备，水泥混凝土使用、废弃处理，直到回收循环利用的全过程中——其对生态环境的影响，并进行全面综合的分析；阐明其环境友好型建材的重要特征。

    一、水泥与混凝土的生产制备过程对环境的影响水泥与混凝土的生命周期，如图１所示。

为了对水泥混凝土生命周期进行全过程的环境评价，首先应考察在水泥生产过程中污染物的排放及其对水泥厂周围生态环境的影响。德国水泥工业研究院协同国家环保总局分别在德国的中部和南部选择了若干对比试验区域，对比试验区域内的各项自然生态环境均基本一致，所不同的是在一个区域内有水泥厂存在，而在另一个区域内则没有水泥厂，纯属农业与畜牧业区域。从１９７０年前后开始，对对比试验区域内的大气、水、土壤、植物、动物、人群以及食物链、生物链等各方面的变化信息进行了连续３０余年的检测。这项研究工作最近公布的结论是，在德国现行的水泥工业污染物允许排放极限值标准（表１）的条件下，水泥厂对大气所排放的污染物种类很少，有毒成分极微小或没有，污染物浓度及数量较低，通常仅为当地大气综合排放量的百分之一到万分之一，或更低；完全可以被自然环境所消纳澄清。水泥窑□预分解窑□废气中排出的各种重金属元素，最后进入工厂附近土壤中的数量也极少（表２），远低于允许极限。同样，水泥厂对各区域内的水质没有任何不利影响。

    此外，从原燃料中带入水泥窑内的各种重金属或微量有害元素，在熟料煅烧过程中除了由废气逸出外，其余的都被固定在熟料中，不致外泄污染环境。

    所以，水泥厂完全可以实现对其附近区域自然环境的零污染。

    至于混凝土的制备，其过程比较简单，主要是将水泥、集料□骨料□和少量的外加剂等按一定配比，加水搅拌而成，纯粹是一个机械过程，不会引起环境污染。

    因为水泥呈碱性，新拌混凝土的ＰＨ值能被溶出。铬在初始时是可溶的，但是随着混凝土的硬化进程，溶解的铬就会被固定在水泥的水化产物之中。在已经硬化的混凝土中铬是不可溶的，呈完全无害状态。

    与其他的无机建材相比，水泥混凝土生产过程中的一次能源消耗及其对环境的宏观影响，如表３所列。因对其他建材的研究工作尚欠充分，表３中有些数据暂缺。但从已有的数据中足以表明，在这方面水泥混凝土优于灰砂砖、黏土砖和泡沫混凝土。更何况在使用领域，水泥混凝土的应用范围、施工性能、力学性能以及耐久性能等诸多方面均大大优越于它们。

二、水泥与混凝土在使用、废弃或回收利用过程中对环境的影响混凝土中的各种重金属元素主要来源于水泥、集料和外加剂所带入的含量，其中除铬在新拌混凝土中是可溶的以外，其余的重金属均呈不溶性。而适量铬的溶解则有利于增强硬化水泥体的凝结力，同时使混凝土新构体中毛细管构造趋向密实，防止外界有害物质的扩散侵入，有利促进其耐久性。在混凝土的硬化过程中，其中所含的各种重金属都将全部固定在其构体中，呈不溶状态，因而在混凝土的使用寿命之内，这些重金属是不会被浸滤析出而污染环境的。表４所列是德国混凝土中各种重金属可能出现的最高含量。长期试验及使用实践业已证明，重金属不会从混凝土中浸滤析出。

    考虑到混凝土构筑物结束使用寿命之后的废弃处置或循环回收再利用，其对环境的影响问题，德国水泥工业研究院对破碎后的混凝土碎块进行了一系列的２４小时摇动冲洗浸滤试验，检测混凝土碎块中重金属被浸析出来的情况（表５）。可以看出，其中重金属被浸析出的量是极其微量的，浸析水中的重金属含量远低于欧洲一般饮用水的相应标准。表５中列举了我国以人体健康基准值为依据，主要适用集中式生活饮用水的地下水质量的有关标准，供参照。

    显然，以重金属来衡量，试验后浸析水中的含量比人们饮用水低很多。所以混凝土碎块无论是废弃处理或者回收利用都不会造成污染。混凝土碎块具有如此高度的环境安全性，那么使用中的整体混凝土构筑物就更安全了，完全可以放心。

    总体来说，在使用过程中的各种混凝土构筑物都不会排放任何气体物质。如果有一些有机成分的气体排放的话，则完全取决于其中集料或外加剂中所带入的有机物。只要集料或外加剂的质量符合要求，混凝土是没有有机气体排放的。在新拌混凝土的初期，很短时间内可能会有很少量的氨和甲醛产出，不过很快就会散尽。

    混凝土的放射性主要可能来自掺合料粉煤灰的带入，因此掌握粉煤灰的质量就足以杜绝混凝土可能发生的放射性污染。通常混凝土中放射性元素的含量极其微量，较天然的花岗岩和玄武岩都低很多。

    混凝土中是没有氡气散发出来的，因为其中所含氡的浓度比天然土壤中的氡低几百倍。相反地，混凝土还能吸收保存一定量的由土壤中排放出来的氡。

    大量和长期的试验研究和使用实践表明，采用混凝土构筑物作为民用和工农业设施，对环境和人体健康都是十分安全的，绝对无害的。

    三、水泥工业对全社会环保的辅助功能

    水泥工业在自身的生产过程中不仅能实现对环境的零污染，对废水、废渣的零排放，而且还能借助水泥窑煅烧熟料的种种独特优势，为全社会消纳处理多种工业废渣、废料以及城市生活垃圾。有些工业废渣，水泥工业可以回收主要作为二次原料，例如赤泥、铸造砂、粉煤灰、硫酸渣、烟气脱硫石膏、城市水处理厂污泥等等。有些可燃废料，可以回收主要作为水泥窑的二次燃料，例如废轮胎、废机油、废塑料、废纺织品、废油漆涂料、废家具、医疗垃圾、废化学化妆品、生活垃圾、动物骨肉、石油焦等等。有些废渣可以兼有二次原料和燃料的用途，例如煤矸石、油页岩、含沼气污泥等。还有一种近年国际上广为应用的是，将水淬高炉矿渣或粉煤灰超细磨以后，用以配制高性能混凝土，因而使其附加值猛增，大幅度地变废为宝。

    如此众多的废渣、废料，日积月累地不断产出，如果不能适当地消纳处置，势必对全社会的生态环境造成严重污染，经济上的损失尤为巨大。现今水泥工业为经济妥善地较大量消纳回收利用这些废渣废料提供了一个新途径新选择。因为水泥窑内的热容量很大，温度高达１６００℃以上，气体和物料在其中的停留时间长，加之窑内的碱性气氛等诸多特点，废渣、废料中的各种有害物质绝大部分都被彻底地分解焚毁，烧剩的各种熔渣、灰烬、重金属等都将固定在熟料矿物或玻璃体中而一并制成水泥或混凝土，没有二次污染。按照欧盟标准，水泥厂烧废料时其污染物允许排放的极限值比烧正常燃料（煤或油）时的更严格（表１）。根据３６座烧废料水泥窑，８年来１６０次检测的结果表明，窑气中二恶英和呋喃的含量绝大多数在０．０２ｎｇ／ｍ３以下，远低于０．１ｎｇ／ｍ３的标准要求。因此在水泥窑中烧废料就可以不增设专用的二恶英过滤器，而这种过滤器在垃圾焚烧炉后面是必须配置的。

    德国水泥工业所用二次燃料中各种重金属元素含量的变化范围以及几种主要二次燃料的铬和镉的含量分别如表６和表７所示。

某水泥厂烧生活垃圾时废气中重金属的实际排放与允许值的比较如表８所列。可以看出，其窑废气中重金属的排放量极其微小，对环境安全无恙。采用各种二次燃料，烧制水泥与混凝土，其中重金属的含量情况列于表９中。

可以认为，现今水泥工业广泛采用的二次原料和二次燃料不会对水泥混凝土的环境友好特性引起任何不利影响。它和烧正常燃料的水泥混凝土一样，毫无二致。这应该归功于水泥窑的强大“火力”和“氛围”。

按照可持续发展的理念，兹以烧废塑料为例，比较各种不同的消纳处置方法，其结果分别列于表１０中。

    不难看出，将废塑料用作水泥工业的二次燃料，这种消纳处置方法比较优越，有利环保，较经济合理。

    现代科技装备的水泥工业不仅彻底改变了传统水泥厂尘土飞扬的旧面貌，而且鉴于其独特的工艺生产过程，除具有“天生”的自洁净功能以外，对改善全社会的环保还有相应的辅助功能。针对当前我国的某些倾向，这里必需特别强调两点：第一，只有采用先进科技及装备的现代化水泥厂才可能具有上述良好功能；反之任何采用落后工艺生产方式的水泥厂对全社会的环保总体而言，非但无利而且有害。切忌以次充好，鱼目混珠。第二，全社会的环保必需依赖于各行各业的共同努力才能实现，过分夸大水泥工业的环保功能或“贡献”，难免有言过其实之嫌。尤其是对我国水泥工业的现状来说，要给它冠以环保的美名，尚为时太早，还有很多艰巨的工作要做，切忌说得太好。

    四、结语

    通过上述水泥混凝土生命周期环境评价的长期试验研究，现今的结论主要是：水泥混凝土是一种原燃料来源广（包括二次原燃料），生产制备过程简捷，采用先进实用科技及装备成熟可靠，自动化生产程度高，生产成本低，对周围环境具有自洁净功能，对全社会环保具有相应辅助功能，使用范围广，性能良好，健康无害的环境友好型大宗建筑材料，基本符合可持续发展的原则。在未来的１００年内，水泥混凝土仍将作为主要的大宗建材之一，具有广泛的改进、提高、发展、应用的空间与前景。

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