绿色高性能混凝土与建筑工程材料的可持续发展

孙振平  王新友  张冠伦

（同济大学材料学院）

周文宗  刘启印

（HI CON 美商启欣企业集团）

 

    绿色高性能混凝土是混凝土作为建筑工程材料走可持续发展之路的必然方向。本文着重讨论了绿色高性能混凝土的涵义，开发使用绿色高性能混凝土在保护环境、节约能源和资源等方面的社会意义，以及绿色高性能混凝土对原材料的要求和发展绿色高性能混凝土尚需进行的工作。

关键词：可持续发展  绿色高性能混凝土  绿色水泥  

 

    随着科技进步和社会生产力的提高，人类创造了前所未有的物质财富，加速推进了社会文明。但与此同时，人口爆炸，资源消耗过度，环境污染以及生态平衡严遭破坏等问题也日益突出, 于是“可持续发展”观念越来越引起人们的高度重视，并成为当今世界各国所面临的跨世纪的重大课题。1992年联合国环发大会在巴西里约召开并通过了以实施可持续发展战略为核心内容的全球“21世纪议程”后，我国十分重视这一问题，1994年我国通过了“中国21世纪议程”，“九五”计划和2010年远景目标中又明确将可持续发展作为一个长远的发展战略。

    何谓“可持续发展”？可持续发展是指既要满足当代人的需求，又不损害后代人满足需求能力的发展，也就是经济建设与人口、资源、环境和社会的协调发展。既要达到发展经济的目的，又要保护人类赖以生存的自然资源和环境，使我们子孙后代能够永续发展和安居乐业。一句话：不要吃子孙饭，断子孙路。

    可持续发展是社会经济发展的根本性战略，它要求在大力发展经济的同时，要解决好经济、环境、资源、人口和社会等的协调性。由此，在工业生产领域，其具体目标主要着重于五大方面^〔2〕：

    a. 最大限度地综合利用自然资源和能源；

    b. 尽可能地提高生产效率，降低能耗，降低各项消耗；

    c. 极力保护环境，维护生态平衡，消除或尽量减少环境污染；

    d. 消除或最低限度地产生废渣、废料、废水、废气；

    e. 组织无废生产，实现生态工业系统，在各工业部门完成环保内循环和三废自净的基础上，建立跨行业的区域性仿生群乐体，解决全社会的环保和生态平衡系统问题。

    我国建筑业是一个非常大的产业，在国民经济五个生产部门中据第三位。建筑业所耗用的钢材、水泥和木材分别约占全国总耗用量的25％、70％和22％，化学建材作为新型建材正异军突起，成为第四大建材。我国正处于发展时期，正从一个农业大国向工业国家转变，今后若干我们都将致力于解决逐步城市化人口的住房问题和大量的城镇建设问题，还将面临城市交通、城市大型公用设施和国家重点建设工程等重大项目。任务之重, 必将加大对建筑工程材料的需求量和加速推动建筑工程材料工业的发展。

    水泥混凝土作为一种最大宗的传统的建筑工程材料，其发展已有一百七十多年历史了。水泥混凝土在各种工程中的应用，打破了只有传统的秦砖汉瓦才能创造建筑文明的历史格局。一百多年来，以水泥混凝土为主要建筑材料的各种建筑物（构筑物）不断标新立意，代表和反映着各时代、各地域的文化背景、建筑风格和建筑水平。可以毫不夸张地说，没有高技术的水泥混凝土，标志着现代文明的各种建筑物（构筑物）是无法建成的。

    混凝土在建筑、市政、桥梁、地下、水利、海洋、核工业、军事等众多工程领域都发挥着其它材料所无法替代的作用和功能。多年来混凝土也一直被人们当作是一种相对于钢材、木材等建筑材料来说，适用范围广，价格便宜，易浇注成型，力学性能较稳定，比较耐久，有时还可以有效地利用一些工业固体废料的节能型建筑材料。据统计，每吨混凝土消耗的能量仅为砖的1/6, 钢材的1/20, 玻璃的1/28, 铝材的1/170, 因此, 作为节能材料, 混凝土一直受到人们更多的重视。但自从以水泥混凝土为主要建筑材料的建筑物及构筑物开始出现人们所未曾预料到的破坏，尤其是当人们开始意识到人类毫无节制地滥用地球资源和能源，以致开始出现危急时，当发展与环境保护、发展与能源节约、发展与资源节省放在一起综合考虑（也即可持续发展），力求协调发展之时，混凝土材料科学界也开始进行反思。那么，混凝土材料究竟如何走可持续发展之路呢？笔者认为，单单建立一个“高性能混凝土”的概念是不够的，必须提出和深化“绿色”概念，搞“绿色高性能混凝土”。本文主要讨论绿色高性能混凝土的涵义，开发使用绿色高性能混凝土的社会意义，开发绿色高性能混凝土对水泥工业、混凝土设计方法、材料选择、施工工艺和质量评定等方面的要求，以及今后尚需尽快解决的其它几个问题。

 

    绿色高性能混凝土是混凝土材料科学发展到今天, 并且当人们将材料性能的获得与废物利用、减少污染和保护环境等问题综合考虑时的必然趋势。

    混凝土是由水泥、细集料、粗集料和水以及必要时掺入的外加剂按一定比例混合拌匀，经浇注成型并凝结硬化后形成一种呈堆聚结构且具有一定强度的结构材料。混凝土的概念相当广泛。经过几代科学家的不懈努力，混凝土科学已逐渐被纳入材料科学轨道。

    自1824年英国的Aspdin首次获得Portland水泥专利时起，水泥品种、标号、产量和水泥混凝土用量一直以很大的速度上升，1995年，全世界水泥年产量达到13亿吨，混凝土方量为35亿立方米，其中我国水泥产量为4.3亿吨，混凝土方量为12亿立方米；1997年，我国水泥产量预计将达到4.8亿吨。可以说，混凝土的大量应用，对推动国民经济起到了很大作用。

    至今, 混凝土的发展已经历了几个阶段：（1）普通混凝土；（2）钢筋混凝土；（3）预应力钢筋混凝土；（4）外加剂混凝土；（5）聚合物水泥混凝土、纤维增强混凝土等。在这些阶段，混凝土的原材料都基本以水泥、砂、石和水为主。

 

 

 

    HPC是在1990年5月美国国家标准与技术研究院（NIST）和美国混凝土协会（ACI）召开的会议上首次提出的概念。尽管各国学者都一直在对HPC的具体定义展开着热烈讨论，但至今似乎仍未达成一致，主要分歧在于所谓的高性能是否是一个十分全面的概念。纵观各个国家及学者定义HPC时的背景，笔者认为，HPC应根据各个时代、地区和工程实际、科研水平来定义。对于混凝土这样一个大系统，人们对它的研究或者说改性只能从某几个方面入手，另外，全球各个国家地域不同，混凝土技术发展的历史更不相同，工程上对混凝土各种性能的要求也不尽相同。基于这些原因，我们认为应把HPC的“高性能”理解为是“与一定历史阶段和工程实际最相适应的性能”^〔3〕。那么, 可以定义高性能混凝土为: 凡具有人们所期望的但用传统材料或传统设计思想较难达到的性能的混凝土即为高性能混凝土。高性能混凝土具有相对性和时代性。

    因此，笔者认为只要具有以下某些优良性能或全部性能的混凝土均可认为是高性能混凝土：

    1）优良的施工性。如高流动性、免振自密实性或者满足某种特定工程的施工性（如滑模摊铺路面混凝土、水下施工混凝土、快速注浆材料等）；

    2）强度高。目的是尽量减少肥梁胖柱，但必须要同时考虑建筑的美学效果和结构挠度和功能等方面的要求，也即，并不是每项工程都需要高强混凝土；

    3）尽可能地提高耐久性，这一项不管是中低强度混凝土还是高强度混凝土都必须十分注重；

    4）具有下列某些特殊功能，如超早强、低脆性、高耐磨性、吸声、自呼吸性等。

    尽管在开发应用HPC的过程中， 一般都要使用高性能外加剂和性能优良的掺合料，一定程度可以起到节约水泥从而节约资源和能源、保护环境的效果，但HPC的提出者和在此之后关于HPC的争论者都没有从环境保护，节约资源和能源的高度来认识这一问题，譬如，过分强调在任何工程中都使用高强混凝土，无疑是对宝贵而有限的地球资源和能源的浪费。因此，用可持续发展战略眼光来重新认识高性能混凝土，指出水泥混凝土今后的发展方向是非常有必要的。

 

    混凝土尽管是一种相对节能的大宗的建筑工程材料，但随着世界水泥年产量和混凝土浇注量的不断增加，其对资源、能源和环境产生了极其巨大的影响。水泥混凝土能否长期维持作为最主要的建筑材料，不仅要求其具备在耐久性、施工性和强度等方面的高性能, 而且最关键之处在于其绿色“含量”是否高。为此，“绿色高性能混凝土”的概念便油然而生。最早提出“绿色高性能混凝土”概念的是我国工程院院士吴中伟教授^〔4〕。

    简要地说，符合以下条件的高性能混凝土才真正能称得上是绿色高性能混凝土：

    1）绿色高性能混凝土使用的水泥必须为绿色水泥；砂石料的开采应以十分有序且不过分破坏环境为前提， 大力推行以碎石破碎后的下脚料－－石屑代替天然砂技术。

    2）最大限量地节约水泥用量，从而减少水泥生产中的“副产品”－－CO₂ 、SO₂等，减小因大量排放无法固定处理的CO₂ 、SO₂等而导致的整个地球的“温室效应”和局部地区酸雨的形成等后果，以保护环境。

    3）更多地掺加经加工处理的工业废渣如磨细矿渣、优质粉煤灰、硅灰、稻壳灰等作为活性掺合料，以节约水泥，保护环境，并改善混凝土耐久性；

    4）应用以工业废液，尤其是造纸厂黑色纸浆废液为原料改性制造的减水剂，以及在此基础上研制的其它复合外加剂。

    5）发挥HPC的优势，通过提高强度，来减小结构截面积或结构体体积，减少混凝土用量，从而节约水泥和砂、石的用量；通过改善施工性来减小浇注密实能耗，降低噪音；通过大幅度提高混凝土耐久性，延长结构物的使用寿命进一步节约维修和重建费用，减少对资源无节制的开挖使用。

    6）集中搅拌混凝土，并消除现场搅拌混凝土所产生的废料、粉尘和废水，即对从混凝土搅拌站排出的废水、废混凝土料进行循环使用。

    8）对因拆除旧混凝土建筑物（构筑物）所产生的废弃混凝土进行循环利用，发展再生混凝土。

   

    在水泥混凝土各原材料中，水泥是最主要的不可缺少的一种材料，它既起胶凝材料作用，又是使所有活性掺合料发挥其自身活性产生胶凝物质的激发剂。

    虽然水泥只占混凝土所有原材料重量的10－20％，但水泥工业生产中所消耗的能量是最多的，几乎占混凝土能量消耗的50－60％；混凝土从原材料生产加工到浇注成型过程中，水泥生产工业是排放粉尘、SO₂以及NO_X等有害气体的重大环节。因而，生产和使用节能型、环境污染少的绿色水泥是发展绿色高性能混凝土的首要条件。这里主要讨论绿色水泥在原材料、生产控制等方面应注意的几个基本问题。

    水泥工业型式按资源利用水平、技术装备、管理水平、产品品种质量、废物排放以及造成环境污染的程度等进行划分，目前主要存在以下四种生产型式

    1）粗放型  无节制地向自然索取资源（原料、燃料、电力），且利用率低；在企业技术装备上表现为简陋粗糙、陈旧、效率低，安全可靠性差；管理上更是无科学性可言；水泥品种少，质量不稳定；在废渣利用方面，只是为了增加低标号水泥品种，降低成本才在少数企业使用，尚未充分考虑废渣的活性；在环保方面，基本上属于无节制地排放，尽管可能有国家标准，但由于环保意识尚未在社会中广泛而牢固地建立，因而多数都不执行，导致环境污染非常严重。

    2）技术型  能够做到有控制、有规范地利用资源，并且正在力争充分利用，以减少浪费；能够采用新技术、新装备，以趋向于节能降耗；开发研制出较多的水泥品种，质量较合格，可满足各种需要；在三废的控制方面已趋向于能够满足日益严格的排放标准，环境污染逐步减轻。

    3）集约型  当生产水平提高到这一阶段，水泥工业已开始综合地充分利用资源，尽量争取物尽其用，使资源浪费降低到最小；能够广泛采用最新的技术装备，全面实现高效低耗；此时水泥品种多，性能优；没有废渣排放，粉尘足以忽略不计，有害气体极少，完全达到排放标准；环境污染十分轻微。

    4）“绿色”型  要求将资源利用率和二次能源回收率均提高到最高，并且能够循环利用其它工业的废渣和废料；技术装备上更强化了环境保护的技术与措施；产品除了质量全面实行质量管理体系外，还真正实行全面环境保护的保证体系；粉尘、废渣和废气等的排放几乎接近于零，真正做到不但自身实现零污染，无公害，又因循环利用其它工业的废料、废渣，而帮助其它工业的三废消化，以最大限度地改善环境。

    目前，一些发达国家，如德国、丹麦、日本等已有绿色水泥厂，水泥工业较先进的发展中国家如泰国、韩国等的工业水平则正介于技术型和集约型之间，而大多数发展中国家基本上处于粗放型到技术型之间。至于我国的的水泥工业，尽管其年总产量已连续14年雄居世界各国之首，但90％左右的水泥厂仍处于“粗放型”阶段，属于“技术型”的在10％以下，大致能称得上“集约型”的仅有2％左右。

 

    笔者认为，为尽快使我国水泥生产迈上“绿色化”轨道，应从以下几个方面着手：

    1）进一步开拓原材料资源，加大原材料资源的地质勘探工作的力度，摸清原料资源的储量、品位、分布情况，在此同时，还要研究开发除石灰石和粘土以外的其它钙质和硅质原料^〔5〕。避免对现有较高品位水泥原料矿山的不科学的乱采乱挖，水泥工业不久遭受无米之炊之苦。

    2）尽一切技术力量节约水泥生产中的能耗。每生产1吨水泥熟料，我国目前平均消耗152Kg标准煤，而世界先进水平为105Kg。如果我们的节能技术提高到世界先进水平，按年产3亿吨水泥熟料计算，则每年仅水泥生产中就可节约标准煤470万吨。实现这一目标，必须创建新型干法生产线，提高煤炭利用效率并完善现有的粉磨设备^〔6〕。

    3）加大循环利用其它工农业排放的废渣的力度。可以作为水泥混合材的工农业固体废渣有很多种，如高炉矿渣、电厂粉煤灰、硅铁合金厂的副产品硅灰、农业稻壳灰，还有其它如磷渣、电石渣、钢渣以及天然的石灰石、沸石和烧粘土等，这些混合材都具有一定的潜在活性，其活性成分可以与水泥熟料的水化产物Ca(OH)₂等发生二次水化反应，产生起增强作用的产物。我国1995年共产出各种工业废渣6亿吨，水泥工业用作混合材的约8500万吨，用作原料和其它的有2000万吨，共计吃掉工业废渣总排量的16－18％。废渣作为水泥的混合材尚有很大潜力可挖，但是由于混合材掺量较大时，水泥的早期强度有可能达不到有关的产品标准，所以，今后在进一步开发研究和生产大掺量混合材的水泥品种时，一方面要解决水泥的早期强度问题，另一方面，也可以对有关标准进行必要的修改，以利于水泥工业吃灰的“便利”性。

    4） 更严格地限制粉尘的排放。我国目前水泥工业控制粉尘排放量的水平相当低，只相当于发达国家五、六十年代的水平，情况十分令人担忧。应尽快加以改造，安装袋式收尘器或电收尘器，将粉尘排放量降低到50mg/m³以下甚至接近于零。

    5）大力推广散装水泥。以散装形式运输和储备水泥是工业和建设大规模化后水泥工业发展的必然趋势，散装水泥可以避免使用包装纸袋或塑料袋，因而，防止了水泥袋拆用后造成的废弃物对环境的二次污染；采用散装水泥同时也为混凝土生产中采用机械化自动上料、自动称量，减少浪费和污染提供了一定保证。我国目前散装水泥仅占当年水泥总产量的15％左右，而水泥工业发达国家已达到90％左右，我们在这方面是十分落后的。

    从以上分析来看，我国水泥工业要想实现“绿色”生产，必须在原料、工业废料利用、节约能耗、降低废物排放等方面下功夫。水泥产品的绿色含量上不去，则绿色混凝土也是一句空话。

 

    绿色高性能混凝土除了对水泥的“绿色”含量要求很高外, 对活性掺合料、集料、外加剂和拌和水的质量都将提出严格的要求，以改变过去那种材料使用过程中无序的状态和人为的浪费，以及消除微量的、不易被人所察觉但的确对人体健康造成一定危害的物质的存在，随着科技的发展，这些要求都将逐步被量化而使具体控制有所依据。

   

    绿色高性能混凝土材料的设计、施工和应用涉及到许多部门，许多环节。在这样一个大系统中，只注重对水泥产业结构进行调整，实现“绿色化”生产一个环节是远远不够的。因此亟待开展以下工作：

    首先要加强混凝土科研开发、标准制定、工程设计、施工人员等的环保节能意识，加大绿色概念的宣传力度。从而使混凝土科研人员加强研究；水泥生产企业尽快转化观念，在现存立窑的基础上加快窑体改型，从燃料、收尘、工业废渣利用、废气循环利用等几个方面找突破口，生产出绿色含量高的品种齐全、质量上乘的水泥，这是搞绿色高性能混凝土在原材料方面的重要保证之一。

    其次，工程设计人员应更新传统的混凝土设计方法，敢于在重大工程中掺用活性混合材料；施工人员要提高质量意识，严格施工。

    第三，要研究出对工业废渣行之有效的加工方法、加工设备，以期充分利用工业废渣的活性。

    第四，对纸浆黑色废液进行加工处理，开发以纸浆废液为主要原材料的普通减水剂和高效减水剂。长期以来，黑色的纸浆废液一直是导致我国长江、黄河流域以及其它河道水质污染的“元凶”^〔7〕。我国大约有9000多家造纸厂，每年产生的黑色废液大约有30－90亿吨，绝大多数厂家都把未经处理的废液直接排放到江河中，造成的污染十分惊人－－竟占我国所有化工污染的1/4！应用纸浆废液来制取混凝土减水剂不仅可以生产价廉的产品，节省减水剂生产中所使用的工业萘，最重要的是可以帮助造纸厂处理废液，减少废液对环境、工农业生产以及人身健康造成的巨大危害。

    第五，开发适合于掺活性混合材混凝土的高性能外加剂，以解决掺混合材对混凝土性能造成的某些不利影响（如早期强度低，强度发展慢等）。

    第六，研究一种或多种活性混合材和外加剂与水泥矿物成分的超叠加效应，以便针对具体材料提出最佳设计方案。

    第七，研究和制定绿色高性能混凝土的质量控制方法、验收标准等。绿色高性能混凝土都要求掺加活性混合材。众所周知，象粉煤灰、磨细矿渣等掺入混凝土中，混凝土的强度发展较慢，但后期强度却能够提高很多，一般掺活性混合材的混凝土其强度在28天后到三个月这期间增长幅度相当大，一年后，仍会继续增长，当活性混合材掺量较大（如30－50％，甚至70％）时，这种效应更加明显，也即，活性混合材对混凝土强度的贡献主要在后期。如果仍沿用普通混凝土质量控制方法和验收标准，即以28天抗压强度来衡量混凝土的质量，则是不符合实际情况的，势必要造成强度和材料的严重浪费，这与混凝土“绿色化”的真正目的是背道而驰的。另外，绿色高性能混凝土要求混凝土具有较高耐久性，以延长结构使用寿命，对混凝土质量评定的传统和现行的标准只考虑强度，而对耐久性指标一般不予考虑，希望新标准增加耐久性指标这一项。

    最后，针对当前城市改造过程中大量拆除的旧结构物混凝土，研究一整套破碎、分级技术，研究出用废旧混凝土颗粒作为集料配制混凝土的切实可行的方法，循环利用，搞再生混凝土，用来浇筑强度要求相对比较低的地坪、中低等级混凝土路面等工程。

1. 布朗, 建设一个可持续发展的社会, 上海科技文献出版社, 1984年;

2. 高长明，论水泥工业可持续发展战略，水泥技术，1997（1），3－6；              

3. 孙振平，张冠伦，高性能混凝土的研究，混凝土，1995（6），1－11； 

4. 吴中伟，绿色高性能混凝土－－混凝土的发展方向，高强与高性能混凝土研讨会，  

  庐山，1997年5月； 

5. 高世雄，水泥工业调整产业结构应注意的问题，中国建材，1997（5），4－5；

6. 蒋明麟，由大变强 靠新出强 为把我国建设成水泥工业强国而努力，水泥技术，

  1997（7），3－7；

7.  D. Y. Chang and Sammy Y. N. Chan, Straw Pulp Waste Liquor as a Water-reducing   

   Admicxture, Magazine of Conc. Res., 1995, 113-118.