生态混凝土的研究及应用
2006-09-30 00:00
| 摘要: 生态混凝土是一种既不破坏环境,又能保护环境、实现人类与自然环境的协调具有积极作用的新型特种混凝土。生态混凝土可分为环境友好型和生物相容型两类,主要应用在减轻环境负荷、植生、净化水质等方面;智能化、规模化、理论化、体系化和集成化是21世纪生态混凝 土的主要发展趋势。 关键词:生态;混凝土; 应用 1 引言 进入21世纪,人类社会面临前所未有的三大严重问题,即人口急剧增长、资源和能源过度消耗、环境日益恶化,严重威胁着社会经济的可持续发展和人类自身的生存。走可持续发展道路已成为全世界的共识。可持续发展的主要方面是:在减少对环境污染的同时,通过保护和减少浪费来更有效地利用能源和材料。 作为21世纪用量最大的建筑材料———混凝土,与上述的资源、环境问题密切相关[ 1 ] : (1)混凝土的生产要消耗大量能源和资源。据统计我国每年要开采50亿t以上的矿物质材料来生产水泥和混凝土,为此将破坏自然景观,改变河床位置及形状,造成水土流失或河流改道等严重后果。另外,生产水泥和砂石的开采、破碎及运输过程也都需要耗费大量能量。(2)生产水泥时,会排放出CO2 等有害物质。目前全世界每年CO2 的排放量大约为100亿t,其中由于生产水泥而产生的CO2 气体约占10% ,是产生温室效应的主要原因。(3)旧混凝土的循环利用难度大。与金属材料、高分子材料相比,混凝土解体再循环利用难度大,循环利用成本较高。(4)传统混凝土材料的密实性使各类混凝土结构缺乏透气性和透水性,调节空气温度和湿度的能力差,产生“热岛现象”,地温升高等,使气候恶化。降雨时不透水的混凝土道路表面容易积水,雨水长期不能下渗,使地下水位下降,土壤中水分不足、缺氧,影响植物生长,造成生态系统失调。 由上可见,混凝土工业要实现健康可持续发展必须节约资源、能源、减少对环境的污染,发展生态混凝土;也就是说,不仅要提高混凝土的使用寿命,使其具有优良的环境协调性,降低对环境的负荷,还要考虑自然循环、生物保护和景观保护等生态问题。 2 生态混凝土的概念 生态混凝土的概念[ 2 ]是日本混凝土工学协会于1995年提出的。所谓生态混凝土是通过材料研选、采用特殊工艺制造出来的具有特殊结构与表面特性的混凝土,既能减少环境负荷,与生态环境相协调,又能为环保作出贡献。 生态混凝土实质上就是把混凝土技术与自然环境相结合,使混凝土生态材料化。就是从过去对混凝土的强度和耐久性要求,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,提高与保存环境景观。所以,生态混凝土的特征可归纳如下[ 3 ] : (1)具有比传统混凝土更高的强度和耐久性,能满足结构物力学性能、使用功能以及使用年限的要求; (2)具有与自然环境的协调性,减轻对地球和生态环境的负荷,实现非再生型资源的循环利用; (3)具有良好的使用功能,能为人类构筑温和、舒适、便捷的生活环境。 生态混凝土可分为环境友好型和生物相容型两类。环境友好型是指在生产和使用过程中可降低对环境负荷的混凝土;生物相容型是指能与动物、植物等生物和谐共存的混凝土。 3 生态混凝土的应用 3. 1 减轻环境负荷型生态混凝土[ 1, 4～7 ] 减轻环境负荷型混凝土,是指在生产、使用直到解体过程中,能够降低环境负担或通过改善其性能来降低环境负担的混凝土。从利用高炉矿渣、粉煤灰等工业废渣作为水泥的混合材料、混凝土的掺合料,到开发利用高流态、自密性、高强度、高性能混凝土,从生态水泥、再生骨料混凝土到具有吸音性、调温功能、能够吸收有害气体以及能储蓄热量的混凝土,均属于减轻环境负荷型混凝土。下面仅介绍几种。 3. 1. 1 生态水泥 生态水泥(ECO2Cement)是指采用城市垃圾焚烧灰、下水道污泥和工业废弃物作原料,经过处理、配料、烧成、粉磨等工艺,制成的一种新型水泥。这种水泥有利于解决废弃物处理、石灰石资源和减少CO2排放量等问题。例如,生产1 t生态水泥熟料时,需要垃圾焚烧灰0. 5 t (城市垃圾5. 5 t烧成后产品) 、脱水后的下水道污泥0. 3 t、补充石灰石等天然原料0. 3 t。最近,澳大利亚生态技术公司宣布开发成功一种能够吸收二氧化碳的新一代生态水泥。该产品由John Harrison开发研制,其主要成分为废料、粉煤灰、普通水泥等。该公司声称,如果生态水泥能代替世界所产165亿t普通水泥的80% ,将会有15亿t的二氧化碳被吸收。 3. 1. 2 再生骨料混凝土 再生骨料混凝土是将废混凝土经过特殊处理工艺制成再生骨料,用其部分或全部代替天然骨料(砂石)配制成的。据报导,日本每年有3 000万t旧混凝土,他们对其开发利用以生产砂子和水泥。此举可谓高瞻远瞩,能避免50 a后砂石资源枯竭的困境。但全部用再生细骨料和再生粗骨料配制的混凝土的强度要低于基准混凝土。日本向井毅的试验证明,以30%的粗细再生骨料等量取代天然骨料,配制的混凝土强度与基准混凝土相同。 3. 1. 3 吸音混凝土 公路交通的建设和发展在极大的推动人类进步的同时,也给人类的生存环境带来了许多负面影响,其中交通噪音已列入交通部“公路水路交通科技发展战略”需要解决的问题。吸音混凝土就是为了减少交通噪音而开发的,适用于机场、高速道路、高速铁路两侧、地铁等产生恒定噪音的场所,能明显地减低交通噪音,改善出行环境以及公共交通设施周围的居住环境。 吸音混凝土具有连续、多孔的内部结构,具有较大的内表面积,与普通的密实混凝土组成复合构造。多孔的吸音混凝土直接暴露面对噪音源,入射的声波一部分被反射,大部分则通过连通孔隙被吸收到混凝土内部。其中有一小部分声波由于混凝土内部的摩擦作用转换成热能,而大部分声波透过多孔混凝土层,到达多孔混凝土背后的空气层和密实混凝土板表面再被反射,而这部分被反射的声波从反方向再次通过多孔混凝土向外部发散。在此过程中,与入射的声波具有一定的相位差, 由于干涉作用互相抵消一部分,对减小噪音效果明显。罗马尼亚最近开发出2种与普通混凝土相比有更强拉力、抗震力和更隔声隔热的生态混凝土,而且这种生态混凝土还能让墙壁“呼吸”,能避免混凝土缩合而排放的有毒气体。由于这种生态混凝土无须抹灰泥、刷漆和放置隔热材料,采用它进行房屋建设可大大降低造价。 3. 2 植生混凝土[ 4, 8～12 ] 植生混凝土是指能够适应绿色植物生长的多孔混凝土。混凝土内部存在许多连续的空隙,使其具有良好的透水、透气特性,施工时,只要在混凝土块的孔隙中充填腐植土、种子、缓释肥料、保水剂等混合材料,草籽就可生根、发芽,并穿透到土壤中生长,从而可以大大改善周围大气的环境。同时,利用其多孔,透水透气性,不仅可使微生物及小动物在其凹凸不平的表面或连续空隙内生息,保持了生物的多样性,具有显著的生态效应;还可成功地解决常规硬化路面存在的散热少、无呼吸、雨水聚积成涝等问题. 可以减轻市政排水设施负担,使地下水得到及时补充,避免造成地下水位明显下降等严重问题。此外,植生型多孔混凝土具有较好的力学性能,若加入特殊的合成纤维,其抗压强度可达到15 ～18MPa。 植生混凝土可以作为固沙、固土、固堤护岸材料,用于保护和绿化城镇人行路面、停车场、建筑物墙壁、河道堤防和屋顶等,使绿化与硬化完美地结合起来,增加城市的绿色空间,还能够吸收粉尘、保护环境,维持生态平衡,是一种与自然协调、生态效应显著的混凝土材料。关于植生混凝土的研究,最早发生于20世纪90年代初期的日本,近年来,我国的梅道亮等人研究成了既能与岩石坡面粘合、防止表面冲蚀,又能适宜植物发芽和生长的复合植生多孔混凝土,取得了较好的效果;奚新国等人以粉煤灰为主要原料配制了低碱度生态混凝土也满足了混凝土低碱、多孔适应植物生长的要求。前不久,上海引进的一种新型植生混凝土,也首次在嘉定西虬江护坡上亮相,河道护堤的混凝土上长满郁郁葱葱的嫩草,既可满足河道护坡的硬度要求,又能够为河道景观添绿。 3. 3 净化水质生态混凝土[ 3～15 ] 净化水质,不让污水污染环境是急待解决的全球性环保问题。应用于污水处理的生态混凝土是一种多孔混凝土( Porous Concrete) , 利用多孔混凝土外表面对各种微生物的吸附,通过生物层的作用产生间接净化功能,将其制成浮体结构或浮岛设置在富营养化的湖河内净化水质,使草类、藻类生长更加繁茂,通过定期采割,利用生物循环过程消耗污水的富营养成分,从而保护生态环境。关于这一课题,国外的研究相当活跃:文献报道日本长崎大学于1994年起进行实海现场试验,将直径lm高0. 5 m的有孔试块l0个一组地投入海中,并于1995年2月至1996年2月每月实测一次水质变化,发现生态混凝土有富集营养物质的功能。另有文献报道,使用生态混凝土在公园内小河上建造净水渠(15 m ×2 m ×0. 4 m) ,水在其中停留1～3 h可去除水中的BOD40%～50% ,长时间停留可去除80% ～90%。近来,受国外科技成果启发,我国同济大学材料科学与工程学院从1997年起开始研究生态混凝土材料,并成功研究开发了实用性很强的小型生活污水处理装置,其是一种沉淀、过滤、曝气三合一的预处理装置,在沉淀的同时进行过滤和曝气,污水中的固体物质可去除90%以上。 3. 4 海洋生物适应型混凝土[ 4, 6 ] 随着沿岸及近海工程建设量日益加大,大量的、单一性质的钢筋混凝土结构物取代自然海岸. 使海洋生物的生存空间日益减少,因此近海生态系统生物多样化逐渐减退,水质的自然净化能力逐渐下降,使沿海及近海环境日益恶化。因此,开发海洋生物适应型混凝土是一项重要的工作。海洋生物适应型混凝土,是指能够营造出适合于生物生息的空间或空隙,能够为海藻类生物提供合适的附着表面,并能在混凝土表面繁殖,且混凝土周围的水质对生物的生长没有不良反应。目前已开发应用的海洋生物适应型混凝土有多孔混凝土人工礁石。这种多孔混凝土礁石放在海洋之中,附着在表面的海藻类数量是普通混凝土块的2～3倍,且海藻生长茂盛。此外还有用于淡水域的河床、护岸等混凝土构件,构件的表面做成凹凸不的形状,使之尽量接近自然状态的河床、河岸的状态,为水中的藻类、植物提供根部附着的场所,为鱼类提供水中生息和避难的场所。目前,在日本已有大量的这种人工渔礁。我国科学家也已在辽宁省沿海进行了人工礁石的研究。 4 生态混凝土的发展趋势 随着时代的进步,人类要寻求自然和谐、可持续发展之路,对混凝土的要求不仅仅作为建筑材料,为人类构筑所需要的结构物建筑物,而是进一步开发对保护环境,对人类与自然协调能积极作用的生态混凝土。这是时代的要求,也是混凝土材料发展的必然趋势。有关生态混凝土的研究和开发在我国还刚刚起步,生态混凝土智能化、规模化、理论化、体系化和集成化应我国是今后生态混凝土研究和开发的主要方向[ 3 ] ,其中智能化是指集生态混凝土和智能混凝土的双重特性;规模化是指生态混凝土规模化生产的经济化,是促进生态混凝土推广的有效途径;理论化是指传统混凝土的理论无法指导生态混凝土的研究,其理论尚待进一步研究;体系化是指生态型混凝土是集岩石工程力学、生物学、土壤学、肥料学、硅酸盐化学、园艺学、环境生态和水土保持学等学科于一体的综合交叉学科,体系化是生态混凝土发展的必然趋势;集成化是指生态混凝土研究应以集成化和多元化来达到复合多功能的效果。 参考文献 [ 1 ] 蔡丽朋,赵丽君. 环保型混凝土的特性及开发应用[ J ]. 福建建材, 2004, 83 (1) : 26～28 [ 2 ]日本JCK株式会社. 长江护岸工程的设计一护堤技法的提案、探讨报告书[R ]. 上海: 2004 [ 3 ] 李化建,孙恒虎,肖雪军. 生态混凝土研究进展[ J ]. 材料导报, 2005, 19 (3) : 17～20 [ 4 ]李湘洲. 走向可持续发展的生态混凝土技术[ J ]. 中国建材, 2003, 25 (1) : 34～35 [ 5 ]冯乃谦,张智峰,马骁. 生态环境与混凝土技术[ J ]. 混凝土, 2005, 185 (3) : 3～8 [ 6 ]蒋冬青. 新型生态混凝土材料及其应用[ J ]. 建材发展导向, 2004, 15 (3) : 35～37 [ 7 ]生态混凝土[N ]. 建筑时报, 2004206204 [ 8 ]史美东. 绿色混凝土的发展与应用[ J ]. 上海建材. 2005, 23 (1) : 24～26 [ 9 ]高建明,吉伯海,吴春笃,等. 植生型多孔混凝土性能的试验[ J ]. 江苏大学学报, 2005, 26 (4) : 346～349 [ 10 ]李丽蓉,沈凡,刘玉强. 新型多孔质纤维混凝土及其应用[ J ]. 建材发展导向, 2004, 15 (6) : 83～85 [ 11 ]梅道亮,王安明. 复合植生混凝土研究及其应用[ J ]. 中国水土保持, 2003, 21 (8) : 28～29 [ 12 ]奚新国,倪亚茹,许仲梓,等. 低碱度生态混凝土的初步研究[ J ]. 新型建筑材料, 2003, 28 (3) : 40～42 [ 13 ]陈志山. 用于水污染治理的生态混凝土技术[ J ]. 建筑材料学报, 2001, 20 (1) : 60～64 [ 14 ]陈志山. 生态混凝土净水机理与存在问题[ J ]. 给水排水, 2001, 27 (3) : 40～41 [ 15 ]陈志山,陈荷生. 生态混凝土净水新技术[ J ]. 上海环境科学, 2002, 21 (5) : 302～304 |
| 原作者： 胡瑞珍 田秀淑 任书霞 |
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