生态环境型混凝土材料与技术

　　（1、清华大学土木系，北京，100084）（2、云南建工集团混凝土技术创新中心）
　　（3、中国建筑研究院建材所，北京，100013）（4、云南建工混凝土有限公司，云南 昆明，650051）

1．我国混凝土技术的现状

　　（1）我国水泥产量最多，2004 年水泥产量9.4 亿吨；混凝土的产量也最多，已达到20 亿m3/年，应用面也很广泛。为我国的发展和建设作出了重大的贡献。
　　（2）混凝土结构的承载力不足，耐久性差，寿命短。结构过早的破坏造成资源的重大浪费和对环境带来了严重污染。
　　（3）水泥混凝土材料面临着资源和能源缺乏的新形势。
　　（4）水泥和混凝土生产给生态环境带来了严重的污染。

2．我国的资源、能源和环境问题

　　在中国的主要资源，人均占有量为世界平均水平的50%以下。其中淡水资源为世界平均水平的28%；耕地面积为世界平均水平的32%；矿产资源为世界平均水平的50%。我国消耗的石油资源很大部分依赖进口。而能源消耗又是国际上最高的。以1 美元的GDP 计算，中国的能源消耗是美国的4.3 倍、日本的11.5 倍。在中国能源的利用效率只有美国的26.9%、日本的11.5%。

　　2.1 水泥、混凝土发展对资源能源的消耗及给环境带来的污染

　　水泥、混凝土生产时，又是资源、能源消耗的大户。2004 年，我国水泥的产量约9.4 亿吨，以水泥熟料6.0 亿吨计算，资源和能源消耗十分巨大：每年资源方面消耗：石灰石约10 亿吨；粘土约1.2 亿吨；水约10 亿吨，还有铁粉等辅助材料约2000~3000 万吨。每年能源方面的消耗：煤粉约1.0 亿吨；电约500 亿度。

　　我国混凝土产量约20 亿m3/年。年需要粗骨料约16 亿m3，细骨料约12 亿m3，水泥约6.5 亿吨，水约5.0 亿m3（养护用水未考虑），减水剂约1200 万吨。我国有些城市没有合格的骨料，例如北京的碱活性骨料对混凝土的危险极大，骨料的生产几乎全部停止。大部分骨料均从河北运进来，每年2000 万m3 混凝土，交通、能源方面均带来了巨大的问题。

　　天津某单位的勘测表明，我国能生产水泥的石灰石贮量仅500 亿吨，以其作为生产水泥的原料，按目前水泥产量计算，仅够生产水泥40 年，那么每年20 亿m3 混凝土的骨料又从何来？

　　以上事实说明，我国水泥、混凝土的资源问题迫在眉睫。

[Page]

　　2.2 工业废渣与城市垃圾等大量排放给环境带来的污染

　　我国粉煤灰年排放量2.0 亿吨以上，长期贮存的粉煤灰超过20 亿吨。城市污水排放量超过2 亿吨，污水处理后的沉淀约2000 万吨/年（脱水后）。水库污泥总量超过1374 亿m3，占水库总容量的30%。

　　城市生活垃圾排放量，以北京市为例约1000 万吨，其中10%为废气玻璃，极难处理。此外，还有大量建筑垃圾需要处理。

　　我国由于废水排放，工业生产的废气排放等等，已对环境造成了极大的影响。淮河流域由于工业排水的污染，饮水致癌者为数甚多。松花江水污染已造成国际上极坏的影响。SO2 和CO2 的排放量处于世界前列CO2 的年排放量（其中生产水泥排放的CO2 量占50%以上）已超过了环境的静化能力。酸雨面积约占国土面积的1/3。1995 年酸雨造成的经济损失达到1165 亿
元，约当年的GDP 的2%。

　　空气中微粉粒子含量达432mg/m3 以上，其中大部分是水泥生产造成的，还有汽车排放废气和工地施工带来的粉尘等等。报据北京电视台的报告，在北京没有一天的空气质量是等于优的。

3．混凝土结构过早的劣化破坏给环境带来的污染巨大的经济损失和社会影响

　　山东沿海钢筋混凝土公路桥，使用不到10 年，保护层严重剥落，有的已成危桥（图1）。

图1 埕口大桥桥墩的损伤破坏

　　深圳商报报导，北京奥运展览馆工程曾获鲁班奖，现为豆腐渣工程。

　　2004 年沈阳某公路桥在行车过程中桥板折裂破坏，造成多部汽车掉落桥下，造成车毁人亡。

　　南京长江大桥于文化大革命期间造成，投入使用不到30 年，现已下令外部汽车禁止通行。

　　武汉汉江某桥原设计使用寿命50 年，但不到10 年，已拆除重建。

　　深圳某教室楼投入使用不到15 年已成危险房屋，停止使用。

[Page]

　　有些钢筋混凝土结构，由于使用了碱活性骨料，或使用了海砂，经数年使用，劣化已扩展到表面，出现了严重的损伤开裂。甚至有些工程，由于对环境劣化固于考虑不够，在施工过程中就不断的暴露出了严重的问题。

　　从上述现况和分析表明，水泥混凝土材料的发展，必须从仅考虑技术性能和经济效果传统的观念中转变过来；也就是说沿看技术、经济和生态环境三方面的合成方向发展。如图2 所示。

4．生态环境协调型的混凝土材料和技术

　　生态环境协调性的混凝土材料和技术应该是省资源、省能源、降低环境污染和能再生循环利用的材料与技术。生态混凝土与过去的混凝土相比如图3 所示。

　　生态混凝土是从过去对混凝土的强度和耐久性的要求基础上，进一步与环境问题结合起来，降低环境负荷，与生态环境协调，保存与提高环境景观。也就是说，生态混凝土要具有结构所要求的性能与功能之外，还要具有环境协调性和居住的愉适性。

[Page]

　　生态混凝土还可以进一步分类如图4 所示。

　　4.1 生态水泥

　　日本的生态水泥是很成功的。在日本有多处生产生态水泥的工厂， 总产量约500 万吨以上。生产1 吨生态水泥所需要的垃圾灰、下水道污泥及工艺过程如图5 所示。水泥的化学成分如表1，物化性能如表2。

表1 水泥的化学成分和矿物组成

[Page]

　　利用生态水泥配制混凝土与普通混凝土相比如图6，图7 所示。

　　由此可见，生态水泥混凝土的性能与普通混凝土相似。

　　4.2 再生骨料混凝土

　　将混凝土建筑结构物解体后的砼块运进工厂，经一次破碎之后，剔除铁块及粗大杂物；初碎的混凝土块再经二级破碎，湿式分级，分离成粗、细骨料及砂浆，同时排放污水。混凝土块再生利用的实例如图8 所示

　　在图8 中，除了再生碎石和再生砂以外，还有大量微粉，主要用途有以下三个方面：（1）代替部分水泥用于生产混凝土；（2）混凝土微粉按一定比例与石灰配合，生产制品，通过高压蒸养，可以得到比强度高的制品；（3）流化土，在建筑工程中，挖掘的泥土，掺入水泥和混凝土微粉及化学外加剂，可以得到流动性很大的回填土。

[Page]

　　日本再生骨料暂行规定中，把再生骨料按吸水率和稳定性（安定性）分类如表-3 所示。

　　*注：不考虑冻融耐久性

　　利用再生骨料配制的混凝土及其应用如表4、表5

表5 再生骨料混凝土的用途

　　再生骨料配制的混凝土的性能与再生粗细骨料对天然骨料的置换率有关。

[Page]

图-9 是用不同粗细骨料配制不同水灰比混凝土强度。骨料的组合如下：

　　从图9 可见，利用再生骨料和天然骨料适当配合，配制的混凝土基本上不降低强度。日本向井毅以30%再生骨料代替天然骨料配制的混凝土与天然骨料混凝土的性能相同。

　　4.3 非烧结粉煤灰陶粒混凝土砌块

　　1）非烧结粉煤灰陶粒

　　工艺过程：粉煤灰非烧结陶粒工艺过程如下（图10）

　　陶粒性能：容重700～800 ㎏/m3；抗压强度≥4.0 MPa；吸水率：2hr≤10%,24hr≤20%。非烧结粉煤灰陶粒如图11 所示

[Page]

　　2）非烧结粉煤灰陶粒砌块

　　以非烧结粉煤灰陶粒为骨料，水泥、粉煤灰为胶结料，经配合、搅拌、振动加压成型、太阳能养护而成。这种砌块可作框架结构的外墙以及内墙。用作外墙砌块时，可掺入硬脂酸乳化液，可达到防水的目的。粉煤灰陶粒砌块如图12 所示。

　　非烧结粉煤灰陶粒及其为骨料的砌块，原材料的80%都是粉煤灰，达到了省资源、省能源，降低环境负荷的目的。

　　4.4 透水混凝土

　　过去的透水混凝土多为无砂大孔混凝土。是以粗骨料裹上水泥浆以后，再经振动加压成型而成。利用这种混凝土铺设人行道、广场时能大量渗水，可以把雨水变成地下水；也可以吸声，并有水的净化功能，动物和植物可在表面生长等等。具有很多特性。但重量大，且含有较大碱性，也不利于植物生长。

　　作者发明了一种新型透水材料。以人造轻骨料代替普通骨料，以水玻璃和玻璃粉为胶结料，经低温煅烧而成的透水材料，质轻，可以铺设马路两边人行道，也可以做成隔热保温及吸声材料，种植花草，铺设屋顶花园。陶粒烧制的透水材料如图13 所示。

[Page]

　　4.5 循环使用的混凝土材料

　　混凝土组成材料考虑到解体后能制造再生水泥，用再生水泥与改性再生骨料配制成再生混凝土。资源可以循环利用。如图-14 所示。

　　能使用为完全循环混凝土材料如下表：

表-7 使用作为完全循环的混凝土材料

粉 体 　　：　水泥，矿渣微粉、粉煤灰、硅质粉末、硅粉、石灰石粉
细骨料　　：　石灰石碎石砂、硅质岩石碎石砂、硅砂、矿渣细骨料、膨胀页岩系人造细骨料、粉煤灰烧成细骨料、钢渣细骨料等渗水管与材料
粗骨料　　：　石灰石碎石，硅质岩石碎石或卵石，粘板岩碎石或卵石，矿渣粗骨料，膨胀页岩人造轻骨料，粉煤灰烧成粗骨料

　　通过完全循环混凝土技术，与混凝土有关资源问题可以得到改

5．商品混凝土生产时副产物的再利用

　　混凝土生产与施工应用的过程中，排出大量的副产品，如清洗搅拌机及搅拌运输车时排出的废水；搅拌站或混凝土制品厂生产时排放的泥浆。由于长期排放，造成环境的污染。这些副产品需要很好的再利用。

[Page]

　　混凝土每天施工运输过程中，运输车中常常有未用完退回的混凝土。可以通过冲洗，筛分，把粗细骨料分离开来利用，冲洗水（包括多次沉淀水）可以澄清再利用。而浆膏可以掺入骨料和水泥，生产砌块或铺设路砖。这方面的技术，在广州、北京及武汉的一些商品混凝土搅拌站已得到应用。

6．混凝土长寿命化

　　混凝土的高耐久性与长寿命，首先是保证结构的安全性和可靠性。这也是从根本上节约资源与能源，减少环境污染的重大课题。例如现有钢筋混凝土结构住宅，平均造价为2000 元/m2，每平米需材料1500kg/m2（其中混凝土1000kg/m2），若全国每年建造7 亿m2 住宅，需资金14000 亿元，需要混凝土材料7 亿吨/年。如果把现在有住宅使用寿命从现在的50 年延长至75 年，每年就可以节约1/3 的建筑资金（约3800 亿元），节约材料2.3 亿吨，同时可以大大降低水泥生产和建筑垃圾对环境
的污染。可以说，混凝土结构的高耐久性和长寿命是混凝土材料和技术发展的另一个重大问题。

　　提高混凝土结构的耐久性，除了根据结构设计，保证足够的承载力外，还需要根据混凝土结构所处的环境，由于环境带来的劣化外力，如冻融，盐害，海洋冲刷及硫酸盐腐蚀等进行耐久性设计。

　　由于环境条件不同，耐久性设计时，有的可能只考虑一种劣化外力，有的可能是多种劣化外力的共同作用，也就是耐久性病害综合症，这需要找出预防混凝土耐久性病害综合症的对策方法。

　　提高混凝土的耐久性，需要根据环境条件，选用适宜的水泥品种；检测骨料的碱活性，选用适宜的矿物质粉体和化学外加剂。在配合比设计方面要保证单方混凝中水泥有用量≥280kg/m3，用水量≤175kg/m3；水灰比≤0.42。

　　由于耐久性对混凝土强度要求，往往高于结构设计对混凝土强度要求。如英吉利海峡隧道，结构设计时混凝土强度只有40 多MPa，但从百年耐久性要求，要求砼强度62MPa。香港的青马大桥也是一样，原设计混凝土不能满足导电量<1000 库仑；后来加8%硅粉，强度提高，导电量降至1000库仑以下。

7．结束语

　　水泥混凝土是一种性能优良的人造材料，为人类的文明与发展做出了巨大的贡献。人类进入21世纪后，面临着资源、能源和环境污染等重大问题。水泥混凝土材料又是资源、能源消耗的大户，环境污染的重要来源。这就要求人们从传统的水泥混凝土模式中走出来。结合生态环境的要求，走生态环境型的混凝土材料和技术；省资源、省能源和降低环境污染，才可能得到可持续发展。

　　作者简介：冯乃谦（1934年7月-），出生于广东省，1953年9月考入清华大学，毕业后从事建筑材料和制品专业至今。在清华大学工作期间，曾任水泥厂厂长、科研科长、教研室主任、清华大学专业技术职务校级学科评议组成员、中国建筑材料博士点的博士生导师。

　　单位地址：北京市海淀区清华路（100084）