绿色建材和绿色高性能混凝土的开发

    摘 要：本文分析了建筑材料工业对我国国民经济的重要性，讨论了建筑材料和混凝土对人类生态环境造成的巨大破坏。提出研究和发展绿色建材和绿色混凝土是实现建材工业可持续化发展的正确途径。
    关键词：绿色建材；高性能混凝土；绿色高性能混凝土；可持续发展

    1 绿色建材在国内外的发展

    1．1 绿色建材在国外的发展
    绿色建材在一些发达国家早已得到研制开发。近20年来，国际上主要工业发达国家和地区对绿色建材发展非常重视，如美国、加拿大、日本、西欧、北欧、北美国家，已就建筑材料对室内空气的影响进行了全面、系统的基础研究工作，并制订了严格的法规。1992年联合国召开了环境与发展大会，1994年联合国又增设了"可持续产品开发"工作组。国际标准化机构ISO也讨论制订了环境协调和制品的标准，大大推动着国外绿色建材的发展。

    美国是较早提出环境标志的国家，如美国环保局(EPA)设置了室内空气部，正在开展应用于室内的空气质量控制的研究计划。加州大学设置了室内空气系，研究和制订了评价建筑材料释放挥发性有机化合物(VOC)的理论基础；确定了测试建筑材料释放挥发性有机化合物的体系和方法；提出了预测建筑材料影响室内空气质量的数学模型。在一些州，规定了一些环境保护标准。如洛杉矶市早在1966年就提出了限制有机溶剂排放量的"历法规"，并于1967年开始实施。另外华盛顿州、加利福尼亚州、明尼苏达和斯康星州都对有关污染物质规定了环保标准。美国比bile公司还建造了一栋绿色办公大楼，其建筑面积为6．2万m2。加拿大是积极推动和发展绿色建材的北美国家。加拿大的环境标志计划开始于1988年，至今已经有14个类别的800多种产品被授予环境标志。

    丹麦、挪威为了促进绿色建材的发展，推出了“健康建材”(NMB)标准。国家法律规定，对于出售的涂料等建材产品，在使用说明书上除了标出产品质量标准外，还必须标出健康指标。瑞典也积极推动和发展绿色建材。瑞典已正式实施新的建筑法规，规定用于室内的建筑材料必须实行安全标签制。制订了有机化合物室内空气浓度指标限值。德国是世界上最早推行环境标志的国家。1978年发布了第一个环境标志——“蓝天使”后，至今实施“蓝天使”的产品已达7500多种，占全国商品的30％。英国也是研究开发绿色建材较早的欧洲国家之一。另外，芬兰、冰岛等国家于1989年实施了统一的北欧环境标志。

    日本对绿色建材的发展非常重视。日本于1988年开展环境标志工作，至今已经有2500多种环保产品。

    1．2 我国的绿色建材发展情况
    近年来，绿色建材在国内得到了大力开发，从国内一些室内装饰产品所展示的一批新型装饰产品看，“绿色”概念在一些厂家已经有了深化和发展，一些国际产品90％以上都具有绿色标准，国内产品也悄然投入“绿色”行列，并有了一些长足的进步。但从总体上看，发展还不平衡，在推广应用上还没有得到广大消费者足够的重视，因此，出现了发达地区与发展地区在开发、应用上的差距。

    我国的环境标志是于1993年10月公布的。1994年在6类18种产品中首先实行环境标志。1994年5月17日中国环境标志产品认证委员会在北京宣告成立。水性涂料是建材第一批首先实行环境标志的产品。近几年，绿色建材开始受到建筑装饰业的重视。我国先后从美国、加拿大、澳大利亚等国家引进了“绿色建材”中的乳胶漆，这是对过去使用的油漆等传统的墙体装饰的变革。在引进和借鉴的基础上，先后开发出环保型、健康型的壁纸、涂料、地毯、复合地板、管道、纤维增强石膏板等装饰建材。如“防霉壁纸”是对传统壁纸的革命性改变，经过化学处理，排除了壁纸在空气潮湿或室内外温差较大时出现发霉、起泡、滋生霉菌等现象。目前，上海已经成立了绿色建材展示促销中心，同济大学材料科学与工程学院已经将绿色建材列入重点建设发展的学科领域之一，正在系统、深入地开展绿色建材的研究。

    2 绿色高性能混凝土的开发及应用

    2．1 高性能混凝土
    高性能混凝土(High Performance Concrete)的研究是当今土木工程界最热门的课题之一。1990年5月美国国家标准与技术研究院(NIST)与美国混凝土协会(ACl)召开会议，首先提出高性能混凝土(HPC)这个名词，认为HPC是同时具有某些性能的匀质混凝土，必须采用严格的施工工艺与优质原材料，配制成便于浇捣、不离析、力学性能稳定、早期强度高，并具有韧性和体积稳定性的混凝土；特别适合于高层建筑、桥梁以及暴露在严格环境下的建筑物。

    自“高性能混凝土(HPC)”一词提出以来，已近10年历史，但至今对它没有统一的解释或定义。以美国的P．K．Mehta和加拿大的P．C．Aitcin为代表的学者们认为高性能混凝土应该是高耐久性[14]，而不仅仅是高强度。除了强度之外，高耐久性还应该包括高的体积稳定性(收缩和徐变小)、低渗透性和高工作性；法国规定高性能混凝土的圆柱体强度应该在50MPa以上；以东京大学冈村甫为代表的日本学者认为高流态、免振自密实混凝土就是高性能混凝土。他们认为高性能混凝土不仅具有良好的工作性能，而且应该具有良好的体积稳定性。

    由此可知，不同的学者或技术人员对高性能混凝土的定义与理解有所不同。但大多数认为HPC的强度应该不低于50-60MPa。我国的吴中伟院士认为[15]，应该根据用途和经济合理等条件对性能有所侧重，现阶段HPC强度低限可向中等强(30MPa)适当延伸，但以不损害混凝土内部结构(孔结构、界面结构、水化物结构等)的发展与耐久性为度，并据此提出了HPC的初步定义为：HPC是一种新型的高技术混凝土，是在大幅度提高混凝土性能的基础上，采用现代混凝土技术，选用优质原材料，在严格的质量管理的条件下制成的；除了水泥、水、集料以外，必须掺加足够数量的细掺料与高效外加剂，HPC重点保证下列性能：高耐久性、工作性、各种力学性能、适用性、体积稳定性以及经济合理性。后来又进一步明确为[16]：HPC是一种新型的高技术混凝土，是在大幅度提高常规混凝土性能的基础上，采用现代混凝土技术，选用优质原材料，在妥善的质量控制下制成的；除采用优质水泥、水和集料以外，必须采用低水胶比和掺加足够数量的矿物细掺料与高效外加剂，HPC应同时保证下列性能：耐久性、工作性、各种力学性能、适用性、体积稳定性和经济合理性。

    根据不同的理解还可以提出其它方面的要求和类似的定义，作者赞成如下观点[17]：很难给出一个使大家都认可并且满意的定义，而且也不应该设置一个大而全的框框，甚至设定具体的数值低限去限制高性能混凝土。高性能混凝土应该成为努力的方向，而不是教条。况且，每一个特定的工程与其工作环境都存在对混凝土某些方面性能的特殊要求，而对另一些方面的性能要求则可能不需要太高，企望设计出一种任何方面的都具有优异性能的混凝土是不切实际的。

    2．2 绿色高性能混凝土
    最早提出绿色高性能混凝土概念的是吴中伟教授。绿色高性能混凝土的提出在于加强人们对绿色的重视，加强绿色意识，要求混凝土工作者更加自觉地提高HPC的绿色含量，或者加大其绿色度，节约更多的资源、能源，将对环境的破坏减到最少，这不仅为了混凝土和建筑工程的继续健康发展，更是人类的生存和发展所必需的。根据孙振平等人的研究[13]，认为符合以下条件的才能称得上是真正得绿色高性能混凝土：

    (1)所使用的水泥必须为绿色水泥；砂石料的开采应该以十分有序且不过分破坏环境为前提。此处的“绿色水泥”是针对“绿色型”水泥工业来说的。绿色型水泥工业是指将资源利用率和二次能源回收率均提高到最高水平，并能够循环利用其它工业的废渣和废料；技术装备上更加强化了环境保护的技术和措施； 产品除了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；粉层、废渣和废气等的排放几乎接近于零，真正做到不仅自身实现零污染、无公害，又因循环利用其它工业的废料、废渣，而帮助其它工业进行三废消化，最大限度地改善环境。

    (2)最大限度地节约水泥用量，从而减少水泥生产中的“副产品”——二氧化碳、二氧化硫、氧化氮等气体，以保护环境。

    (3)更多地掺加经过加工处理的工业废渣，如磨细矿渣、优质粉煤灰、硅灰和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)大量应用以工业废液，尤其是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，帮助其它工业消化处理难以处治的液体排放物。

    (5)集中搅拌混凝土和大力发展预拌商品混凝土，消除现场搅拌混凝土所产生的废料、粉层和废水，并加强对废料和废水的循环使用。

    (6)发挥HPC的优势，通过提高强度，减小结构截面积或结构体积，减少混凝土用量，从而节约水泥、砂、石的用量；通过改善施工性来减少浇注密实性能，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，减少对自然资源无节制的使用。

    (7)对大量拆除废弃的混凝土进行循环利用，发展再生混凝土。

    2．3 大力开展绿色高性能混凝土的研究和应用
    高性能混凝土具有普通混凝土无法比拟的优良性能，对混凝土的发展将起重要作用，许多学者将其称为混凝土的又一次革命，是2l世纪的混凝土。如果将高性能混凝土与环境保护、生态保护和可持续发展结合起来考虑，加入更多的绿色成分，则成为绿色高性能混凝土。为使混凝土及其制品能适应经济发展的需要，而不制约经济快速、健康地发展，必须坚持走可持续化并能与环境协调发展的集约化道路。目前，许多学者就如何发展高性能混凝土及绿色高性能混凝土，从混凝土原材料选择、配比设计、试验标准、施工规程、政策法律、技术进步、研究方法、设备改造、宣传指导等方面，提出了许多中肯的意见和建议[2][11][12][13][15][18][19][20]，现归纳为如下14条，供参考：

    (1)加强混凝土科研开发、标准制定、工程设计和施工人员等环保意识，加大绿色概念的宣传力度，以引起混凝土工程领域各个环节的高度重视。

    (2)大力发展高标号熟料水泥生产，提高高标号熟料在整个熟料生产中的比重；研究改进熟料矿物组分，对传统的熟料矿物、水泥进行改性、改型，发展生产能耗低的新品种，调整水泥产品结构，及发展满足配制高性能混凝土和绿色高性能混凝土要求的水泥，并在满足这一要求的前提下，尽量减少混凝土中的水泥用量；研究开发、改进、提高和发展水泥生产工艺及技术装备，采用新技术、新工艺、新装备改造淘汰落后技术和装备，以提高水泥质量，达到节能、节约资源的目的。

    (3)大力发展人造骨料，特别是利用工业固体废弃物粉煤灰、煤矸石生产制造轻骨料；积极利用城市固体垃圾，特别是拆除的旧建筑物和构筑物的废弃物混凝土、砖、瓦及废物，以其代替天然砂石料，减少砂石料的消耗。

    (4)工程设计人员应该更新传统的混凝土设计方法，敢于在重大工程中掺用活性掺合料和加大掺合料的掺量；施工人员要提高施工质量意识，严格施工，以保证混凝土的施工质量。

    (5)研究工业废渣行之有效的加工方法、加工设备，以充分利用工业废渣的活性；在工业废渣利用中贯彻优质优用的原则。

    (6)大力发展用于调节水泥水化特性、混凝土拌合物工作特性、提高硬化混凝土各项性能的有机或无机的化学外加剂及矿物掺合料，以及它们的复合外加剂和复合掺合料，以发挥它们的超迭效应。

    (7)对纸浆黑色废液或其它废液进行加工处理，开发以纸浆浆液为主要原料的各种外加剂，并扩大其使用范围。

    (8)研究和制定绿色高性能混凝土的设计规程、质量控制方法、验收标准、施工工艺等。

    (9)大力发展推广预拌商品混凝土技术、装备；开发、提高各种混凝土制品生产技术和装备；研究开发新的混凝土制品，提高混凝土整体水平。

    (10)加强对绿色高性能混凝土配套技术的研究开发，并使其适合于各种应用场合，扩大其应用范围。 当前要着重解决高性能混凝土和绿色高性能混凝土由于低水胶比引起的自收缩问题、进一步水化造成的裂纹问题、由于高强度带来的脆性问题等。

    (11)制定有关国家法律、政策，以保护和鼓励使用绿色高性能混凝土。

    (12)成立有关绿色高性能混凝土专门的研究、开发、推广、质量检验和控制的机构，以保证绿色高性能混凝土不用则罢，一用就应该有显著效果。

    (13)加强水泥混凝土行业与其它行业部门的协调，减少推广应用的阻力。

    (14)加强调查研究，开展大范围的工程调查。弄清目前在高性能混凝土和绿色高性能混凝土研究和应用中存在的主要问题、经验教训，制订相应的对策和计划。