低碳混凝土新材料的研究進展*

周偉，孫繼成，崔源聲

（建筑材料工業(yè)技術情報研究所，北京 100024）

低碳混凝土新材料的研究進展*

周偉，孫繼成，崔源聲

（建筑材料工業(yè)技術情報研究所，北京 100024）

混凝土一直朝著高性能方向發(fā)展，隨著全球碳減排的愈演愈烈，不僅要求混凝土的高性能化，還要求混凝土在碳減排方面也做出相應的貢獻。為此，世界各國都在為混凝土行業(yè)減少碳排放而努力。本文介紹了降低混凝土碳排放的途徑，并以此為基礎，著重介紹了幾種混凝土新材料，說明混凝土新材料的研究方向及進展。

碳排放；新材料；進展

0 前言

全世界除了水以外，使用量最大的材料是混凝土。據(jù)混凝土與水泥制品協(xié)會資料顯示，2010年我國商品混凝土的產(chǎn)量預計是9.7億m3，與2009年相比增長22.8%。混凝土的大量使用給碳減排帶來很大的壓力，特別是作為混凝土主要原材料的水泥，就是高耗能、高二氧化碳排放的產(chǎn)業(yè)。據(jù)報道（CIF，2003；Flower and Sanjayan，2007；Ulm，2007），每生產(chǎn)1t水泥大約產(chǎn)生0.9tCO2，生產(chǎn)水泥所排放的CO2占工業(yè)總排放的5%～8%。在倡導節(jié)能減排、發(fā)展低碳經(jīng)濟的今天，水泥混凝土工業(yè)應發(fā)展新技術、新裝備，研發(fā)混凝土新材料，降低能耗，減少碳排放量。

降低混凝土行業(yè)的碳排放量可以通過以下幾個途徑達到：降低混凝土生產(chǎn)過程的CO2排放首先要減少水泥用量，合理使用礦物摻合料，在混凝土生產(chǎn)和應用中安全、有效地降低水泥熟料用量，實現(xiàn)節(jié)能減排、發(fā)展低碳經(jīng)濟的目標；其次應提高混凝土的耐久性，延長建筑物的使用壽命，降低維修重建的需要，減少混凝土的使用量；另外，還要充分利用建筑垃圾，發(fā)展再生骨料，特別是利用工業(yè)固體廢棄物煤矸石等生產(chǎn)制造細骨料，積極利用拆除的舊建筑和構筑物的廢棄混凝土、磚、瓦等代替天然砂石，減少對不可再生天然骨料的開采和利用。

據(jù)此，全世界混凝土行業(yè)積極研發(fā)混凝土新品種，實現(xiàn)混凝土的低碳化。本文就以低碳為背景，介紹混凝土新材料的研究進展。

1 減少水泥用量

礦物摻合料用于混凝土生產(chǎn)的時間已經(jīng)很長了，最初，粉煤灰等工業(yè)廢渣只是被作為節(jié)省水泥、降低成本的一種措施，在很長時間內人們對其應用都持一種消極的態(tài)度，甚至認為礦物摻合料的摻入是以犧牲混凝土性能為代價的。20世紀30年代，美國開始對粉煤灰摻入混凝土和砂漿進行完整的研究，直到20世紀70年代，能源危機、環(huán)境污染以及資源枯竭問題的出現(xiàn)，才又強烈激發(fā)人們對粉煤灰、礦渣等工業(yè)廢棄渣進行再利用的研究，為工業(yè)廢渣用作水泥混凝土摻合料開辟了新篇章。

現(xiàn)在經(jīng)過一定的質量控制或制備技術獲得的優(yōu)質礦物摻合料，可明顯改善硅酸鹽水泥自身難以克服的組成和微結構等方面的缺陷，包括劣化的界面區(qū)、耐久性不良的晶相結構、高水化熱造成的微裂紋等，賦予了混凝土優(yōu)異的耐久性和工作性，超越了傳統(tǒng)的降低成本和環(huán)境保護的意義，已成為混凝土材料不可或缺的組分。

在“低碳排放”的浪潮中，通過大摻量使用礦物摻合料，以此減少水泥熟料用量成為混凝土低碳化發(fā)展的主要趨勢。此外，科研人員致力于新技術研究，通過改變混凝土生產(chǎn)技術來減少單方混凝土中水泥用量，以下為幾種典型的低碳混凝土品種介紹。

1.1 低碳生態(tài)混凝土

低碳生態(tài)混凝土中水泥用量為150～200kg/m3，而普通混凝土水泥用量為300～400kg/m3。普通水泥制品（EN 197的CEM Ⅰ）CO2排放量為930kg/（噸水泥）（英國水泥協(xié)會，2009）：大約50%來自石灰石分解（過程排放），40%來自燃料消耗，10%來自生產(chǎn)過程中所用的電能。低碳生態(tài)水泥充分發(fā)揮粉煤灰、礦渣在混凝土中的作用，如每噸粒化高爐礦渣（GGBS）一般釋放35kg CO2，混凝土制備中使用粒化高爐礦渣可以減少水泥用量，顯著降低CO2排放。GGBS的使用減少了水泥的使用，也就減少了水泥生產(chǎn)過程中其他有害物質的排放，如能引起酸雨形成的氮氧化物和SO2，這些排放物不僅對環(huán)境造成污染，而且對人體健康也有影響。

此外，利用GGBS制備的混凝土有很高的太陽能反射率：美國的研究已表明，用GGBS制備的混凝土可增加20%的陽光反射。這就減少了城市發(fā)展中的“熱島”效應，同時還可起到減少對人工燈的需求、可視性提高、增加道路安全性的作用。

1.2 E-CreteTM

E-CreteTM是由澳大利亞一家名為Zeobond的公司生產(chǎn)的地聚合物混凝土產(chǎn)品。主要成份為粉煤灰和礦渣，還摻入鋼纖維或有機纖維。由于減少了水泥用量，與普通水泥混凝土相比，至少可以減少60%的CO2排放，同時，通過使用工業(yè)廢棄物，減少了原材料開采，節(jié)約了資源。

E-CreteTM可以用于多種預制件中，如擋土墻、人行道、車道、屋面板等，性能與普通水泥相似，抗鹽腐蝕性及耐火性大于普通水泥?，F(xiàn)已在澳大利亞得到廣泛應用。

1.3 拋填骨料混凝土

近年來混凝土的研究和應用都朝著高強和高工作性發(fā)展，粗骨料在混凝土中的用量越來越低，含有大量漿體的自密實混凝土更是大行其道，過多的膠凝材料用量往往帶來的是中高強混凝土的普遍早期開裂，在設計高強混凝土時，往往要增加膠集比來提高混凝土的流動性，混凝土中的粗集料用量變小，這樣就帶來了漿體的大量富余。

為了平衡混凝土工作性和服役性能的矛盾，沈衛(wèi)國[1]發(fā)明了一種名為拋填骨料混凝土的施工工藝；在混凝土澆筑或攤鋪過程中，通過分層撒布的方式外加體積分數(shù)為10%～30%（以成品混凝土體積為準）的骨料，振搗密實，形成一種“骨料嵌鎖型混凝土”，不僅降低了混凝土的水泥用量，還能大幅度提高混凝土的服役性能。

利用拋填骨料技術僅用440kg/m3的水泥即可制備94MPa的高性能混凝土；利用360kg/m3粉煤灰即可制備82MPa的自密實拋填骨料混凝土，用大約400kg/m3膠凝材料即可制備出近70MPa的高強混凝土。采用拋填骨料工藝制備的混凝土中骨料分布均勻，達到了緊密堆積并有效嵌鎖，改善了混凝土漿體集料界面過渡區(qū)，基本杜絕了澆筑和振搗過程中骨料沉降、浮漿和泌水等病害。骨料能充分發(fā)揮其優(yōu)良的性能：降低混凝土水化熱，大幅度提高混凝土強度和模量、體積穩(wěn)定性、抗裂性和耐久性。采用這種技術可節(jié)約20%左右的水泥，克服了當前混凝土普遍存在的漿體富余系數(shù)過高的弊端，同時，由于水泥是混凝土中碳排放的主要成分，減少水泥用量就大幅度減少了碳排放。

拋填集料混凝土的施工可以保持原有的施工工藝不變，只是在混凝土攤鋪或建筑過程中拋入一定量的粗集料即可，粗集料可以通過配置一臺小型的集料撒布機械在混凝土澆筑過程中均勻投入，也可以通過人工撒布，非常易于推廣應用。

2 提高混凝土的耐久性

2.1 超高性能混凝土

超高性能混凝土（Ultra High Performance Concrete，簡稱UHPC）又稱活性粉末混凝土（Reactive Powder Concrete，簡稱RPC）是20世紀90年代末開發(fā)出的超高強度、高韌性、高耐久性、體積穩(wěn)定性良好的新型材料。它是DSP（Densified System containing ultra-fine Particles）材料與纖維增強材料相復合的高技術混凝土。因其具有優(yōu)異的力學性能和超高的耐久性，在國外引起了材料界和工程界的極大興趣，其中法國和加拿大的一些學者已將這種新型水泥基材料產(chǎn)業(yè)化并用于建筑工程中。

20世紀90年代末，由法國Lafarge公司研發(fā)的Ductal?就是超高性能混凝土的一種，它將混凝土的強度、韌性、耐久性及美學完美地結合在一起了。因此，使用Ductal?在提高結構耐久性（包括抗侵蝕性、抗?jié)B性、磨蝕及沖蝕性）的前提下，能夠增加結構物的跨度、減小尺寸，從而使得結構物重量減輕，也更加美觀?？梢云鸬浇档徒ㄖ杀?、減少維護、快速施工、提高結構安全性、延長使用壽命等作用。

Ductal?的抗壓強度是普通混凝土的6～8倍，抗折強度是普通混凝土的10倍，耐久性是標準指標的100倍，能在過載情況下，變形但不斷裂。同時具有高質量表面，尤其是在橋梁上使用，更能比普通鋼筋混凝土橋梁節(jié)約35%的原材料，降低53%的CO2排放。

圖1 同等抗彎能力的幾種混凝土構件的尺寸比較（從左到右依次是UHPC、鋼筋、預應力混凝土、鋼筋增強混凝土）

Ductal?已在美國、加拿大、法國、西班牙、韓國等國家得到了應用。如2002年由法國著名設計師設計的和平橋 （圖2），主跨部分全部使用Ductal?，具有輕巧、自重小、建設速度快的特點，且除基礎和橋墩外，全為預制裝配、后張預應力施工。

圖2 2002年由法國著名設計師設計的韓國首爾的和平橋

加拿大卡爾加里（Calgary）的Glenmore/Legsby步行橋（圖3）也是使用的Ductal?，橋梁跨距53m，橫跨8條城市道路，跨中厚度1.1m，梁重約100t。該橋結構強度大、重量輕、施工快速，設計部分去掉了中心柱子，增加了能見度，改善了交通安全性；抗氯離子滲透性增強，表面光滑，滿足了美觀要求，耐久性高，減少了維護工作。

圖3 加拿大卡爾加里的步行橋

我國最早對RPC開展比較系統(tǒng)研究的是湖南大學的黃政宇教授，其課題組應用國產(chǎn)材料成功配制出了RPC200，完成了RPC200基本力學性能的測試，并制成了RPC鋼管混凝土以及預應力RPC組合梁。東南大學的孫偉教授也進行了RPC配合比的試驗研究，并對RPC的沖擊力學性能進行了初步研究[3]。但總的來說，我國在RPC方面的研究相對較少，且缺乏具有說服力的工程實踐。

2.2 CEMROC?

Holcim公司研制了一種名為CEMROC?的混凝土，它是通過在礦渣水泥中添加其他成分生產(chǎn)而成的，其壽命長，具有特殊的抗化學侵蝕性，耐久性好，生產(chǎn)過程中CO2排放量少。

3 再生骨料混凝土

城市改造拆除的混凝土結構經(jīng)破碎和加工，可以制成生產(chǎn)新鮮混凝土所需的骨料用于各種強度等級的混凝土結構中，其性能與天然骨料沒有顯著區(qū)別。它可有效減少建筑垃圾造成的污染，減少由于開采砂石造成的自然環(huán)境的破壞，對保護自然環(huán)境、發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟和可持續(xù)發(fā)展具有積極意義。

將廢棄混凝土再生利用的研究工作最早開始于歐洲，在二次世界大戰(zhàn)后，美國、日本、歐洲等國家重建家園，就注意到了廢棄混凝土的問題并開始了相關的研究，到現(xiàn)在已召開了數(shù)次有關廢棄混凝土再生利用的國際會議。因此，廢棄混凝土再生利用已成為國內外工程界和學術界共同關注的熱點和前沿問題之一。

拉法基公司和GRS公司合資組建的公司正在推動一個來自于利用拆舊、工地及可用垃圾制造更多可持續(xù)的建筑工業(yè)產(chǎn)品的再循環(huán)的項目，將廢棄的混凝土、石頭、磚石進行處理，將其回收再利用加工成有價值的、顆粒均勻的可再用材料。

由于國土面積小、資源相對匱乏，日本的構造原料價格比歐洲都要高。因此日本人將建筑垃圾視為“建筑副產(chǎn)品”，十分重視將其作為可再生資源而重新開發(fā)利用。比如港埠設施，以及其他改造工程的基礎設施配件，都可以利用再循環(huán)的石料，代替相當數(shù)量的自然采石場礫石材料。并且制定了相關規(guī)范和法規(guī)。

由于過去，我國對建筑垃圾的再利用沒有充分認識，因此，沒有引起重視。但是隨著建筑垃圾引發(fā)的環(huán)境問題、經(jīng)濟問題和社會問題日益突出，我國政府已開始重視節(jié)能和資源的回收利用問題，并大力提倡和發(fā)展建筑垃圾的再生利用[3]。由于我國對建筑垃圾再利用的研究起步較晚，目前，一些學者和科研人員做了相關的研究和探索，但仍處于研究的初級階段，缺乏完善的技術、規(guī)程和標準，對再生骨料的研究也是局限于一些零散的試驗研究，缺乏系統(tǒng)的整理。因此，對再生骨料的研究已成為建筑材料領域的一個熱點課題。

4 特殊性能混凝土

4.1 綠化混凝土

通過混凝土結構和配合比優(yōu)化設計，采用特殊制備技術，現(xiàn)場澆筑成混凝土地面（坡面），使該混凝土滿足植物種植和生長要求。種植混凝土的綠化率可達到80%～100%，主要用于堤岸保護、護坡和水庫綠化，也可用于庭院、公園、停車場、花園的地面。通過種植植物吸收CO2，相當于間接降低CO2排放。

20世紀90年代初期，日本最早開始研究綠化混凝土，從混凝土結構物的綠化施工方法、評價指標等多方面進行了系統(tǒng)的研究和開發(fā)。綠化混凝土在日本得到了廣泛的應用，從城市建筑局部綠化、沿岸、護岸工程到道路、機場建設等大型土木工程，均考慮了綠化措施。近年來，我國也開始混凝土結構物的綠化問題，2004年上海市嘉定區(qū)江河道綜合治理工程中進行了一段綠化混凝土生態(tài)護坡的建設，應用效果良好。因此，積極開發(fā)、研究和應用綠化混凝土是將混凝土向環(huán)保型材料發(fā)展的一個重要方面。

4.2 ThermediaTM

ThermediaTM是拉法基聯(lián)手布伊格建筑協(xié)會，共同推出的新一代建筑節(jié)能系列混凝土。其中Thermedia 0.6B是ThermediaTM系列中的第一款產(chǎn)品，在提高建筑物的能源效率領域帶來了初步滿意的結果，主要表現(xiàn)在：能夠通過建筑外壁減少建筑物內熱量的散失；通過外墻保溫來改進建筑方法。采用此種混凝土可以減少建筑物內采暖以及空調使用的成本，更能減少對大氣中CO2排放量的影響。

4.3 清水混凝土

清水混凝土又稱裝飾混凝土，產(chǎn)生于20世紀20年代，因其極具裝飾效果而得名。20世紀60年代，越來越多地出現(xiàn)在歐洲、北美等發(fā)達國家。在亞洲，日本最早開始使用清水混凝土，到今天，日本的清水混凝土已經(jīng)得到了很大的發(fā)展。在我國，清水混凝土是隨著混凝土結構的發(fā)展不斷發(fā)展的。20世紀70年代，在內澆外掛體系的施工中，清水混凝土主要應用在預制混凝土外墻板反打施工中，取得了進展。后來，由于人們對外裝飾的目光都投諸于面磚和玻璃幕墻中，清水混凝土的應用和實踐幾乎處于停滯狀態(tài)。直到1997年，北京設立了 “結構長城杯工程”獎，推廣清水混凝土，使清水混凝土重獲發(fā)展。

清水混凝土屬于一次澆筑成型，不做任何外裝飾，直接采用現(xiàn)澆混凝土的自然表面效果作為飾面，因此不同于普通混凝土，表面平整光滑、色澤均勻、棱角分明、無碰損和污染，只是在表面涂一層或兩層透明的保護劑，顯得十分天然、莊重。

清水混凝土是名副其實的綠色混凝土：混凝土結構不需要裝飾，舍去了涂料、飾面等化工產(chǎn)品；有利于環(huán)保：清水混凝土結構一次成型，不剔鑿修補、不抹灰，減少了大量建筑垃圾，有利于保護環(huán)境；消除了諸多質量通?。呵逅b飾混凝土避免了抹灰開裂、空鼓甚至脫落的質量隱患，減輕了結構施工的漏漿、樓板裂縫等質量通??；促使工程建設的質量管理進一步提升：清水混凝土的施工，不可能有剔鑿修補的空間，每一道工序都至關重要，迫使施工單位加強施工過程的控制，使結構施工的質量管理工作得到全面提升；降低工程總造價：清水混凝土的施工需要投入大量的人力物力，勢必會延長工期，但因其最終不用抹灰、吊頂、裝飾面層，從而減少了維護費用，最終降低了工程總造價。

由于清水混凝土具有前期設計精細、施工管理要求高、后期維護成本低等特點，再加上其耐酸堿的特性，使建筑即使在惡劣環(huán)境下仍能有效抵抗表面風化和內部鋼筋被腐蝕的過程，而混凝土自然的顏色、機理及質感及其與生俱來的厚重、清雅，還能充分體現(xiàn)建筑物設計中自然、質樸、沉穩(wěn)的獨特韻味，因此，清水混凝土被廣泛用于國內外知名建筑，如悉尼歌劇院、日本國家大劇院、巴黎史前博物館，以及我國的海南三亞機場、首都機場、上海浦東國際機場航站樓、東方明珠電視塔等都采用了清水混凝土。

4.4 泡沫混凝土

泡沫混凝土是一種具有節(jié)能、保溫、輕質、隔熱、耐火等性能的多功能材料，在建筑節(jié)能領域將發(fā)揮越來越重要的作用，國家政策也為泡沫混凝土的發(fā)展創(chuàng)造了良好的條件。與有機泡沫材料相比，泡沫混凝土有防火、隔聲、耐久、綠色環(huán)保等優(yōu)勢；與加氣混凝土、泡沫玻璃、?；⒅榈绕渌麩o機保溫材料相比，有造價低、可現(xiàn)澆自保溫墻體、制品密度低、易于成型、工藝簡單、投資小、原料來源廣、易于推廣等優(yōu)勢。

目前，影響泡沫混凝土得到廣泛應用的主要原因是無標準可依、無示范工程引領市場等，這些問題突破后，泡沫混凝土將會很快普及應用。

5 結論

建筑節(jié)能減排要求越來越高，對建筑材料的節(jié)能減排要求也會越來越高，因此，混凝土的低碳化將成為今后的發(fā)展方向，越來越多的低碳混凝土將應用于建筑結構中，這些以降低碳排放為目的的混凝土新材料必然成為將來建筑用混凝土的首選?；炷列虏牧嫌兄鴱V闊的發(fā)展前景。

[1]沈衛(wèi)國.拋填集料工藝對混凝土力學性能的影響[J].建筑材料學報，2007(12):711-716

[2]佘斌.超高性能混凝土的研究現(xiàn)狀與展望[J].企業(yè)家天地·理論版，2008.4:175-177

[3]丁敏旭，王軍龍，王建芳.再生混凝土骨料的研究現(xiàn)狀和應用前景展望[H].硅谷，2009.12:102-103

[單位地址]北京市朝陽區(qū)管莊東里甲一號（100024）

中國建筑材料聯(lián)合會《建設以低碳排放為特征的中國建材產(chǎn)業(yè)體系研究》

周偉（1985-），女，碩士研究生，畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學，現(xiàn)主要從事建材行業(yè)低碳項目研究。