高性能混凝土與建筑工程材料的可持續(xù)發(fā)展

■陳穎杰 ■內(nèi)蒙古交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，內(nèi)蒙古 赤峰 024005

1 建筑工程材料的可持續(xù)發(fā)展

1.1 可持續(xù)發(fā)展

建筑工程可持續(xù)發(fā)展是要多考慮長(zhǎng)遠(yuǎn)利益，滿足當(dāng)代的需求是一個(gè)方面，不損害后代的發(fā)展需求是另一個(gè)方面，這兩個(gè)方面都要顧全，并且要實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)建設(shè)與社會(huì)協(xié)調(diào)發(fā)展，這不僅需要實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，也要達(dá)到保護(hù)自然資源和人類生存環(huán)境的目的，保證我們的子孫能夠繼續(xù)和諧生活。

1.2 建筑工程材料與可持續(xù)發(fā)展

可持續(xù)發(fā)展是社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基本戰(zhàn)略的需要，是解決經(jīng)濟(jì)發(fā)展與資源、環(huán)境、人口和社會(huì)之間矛盾的根本方針。因此，在工業(yè)建設(shè)領(lǐng)域的具體目標(biāo)，主要集中在五個(gè)方面:其一，最大可能地提高生產(chǎn)效率，降低能耗和消耗;其二，保護(hù)環(huán)境，維持生態(tài)平衡，盡可能減少或消除環(huán)境污染;其三，要很大情況下使用自然的資源和能源，減少有可能出現(xiàn)的浪費(fèi)，提高利用率;其四，最低限度地產(chǎn)生廢棄物，包括廢水，廢氣，廢渣，廢料等，爭(zhēng)取實(shí)現(xiàn)無廢生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)環(huán)境保護(hù)和廢物循環(huán)利用，保證環(huán)境優(yōu)美和工業(yè)生態(tài)化發(fā)展。

建筑業(yè)在我國國民經(jīng)濟(jì)中的五個(gè)部門占據(jù)第三位，是一個(gè)非常大的產(chǎn)業(yè)。建筑業(yè)的鋼材、水泥和木材的消耗，約占總消費(fèi)量的25%、70%和22%，而化學(xué)建材新型建材是第四大建筑材料。我國的發(fā)展正從農(nóng)業(yè)向工業(yè)過渡，在城市化過程中，我們需要解決城市人口的住房問題，并且要致力于城鎮(zhèn)建設(shè)，在城鎮(zhèn)建設(shè)過程中我們將面臨大量的交通建設(shè)等大型的城市公用設(shè)施建設(shè)，而這些重大項(xiàng)目的建設(shè)對(duì)建筑工程材料的需求量是不可估量的，因?yàn)槭袌?chǎng)的大量需求，直接推動(dòng)者建筑工程材料行業(yè)的快速發(fā)展。水泥作為一種最傳統(tǒng)的建材，其發(fā)展已經(jīng)超過170 多年。不同工程項(xiàng)目中對(duì)水泥混凝土的廣泛應(yīng)用，也推動(dòng)著以水泥混凝土為主要建筑材料的各類建筑物的設(shè)計(jì)不斷翻新，反映著不同地域時(shí)代的文化背景、建筑風(fēng)格和水平。

混凝土在建筑、市政等工程領(lǐng)域中發(fā)揮的作用和其他材料相比是不可替代的。多年來，它被認(rèn)為是有一個(gè)比鋼材、木材和其他建筑材料適用范圍更為廣泛，價(jià)格更加便宜、易于澆筑和力學(xué)性能穩(wěn)定的，并且耐久性強(qiáng)，同時(shí)可以高效利用工業(yè)廢料的節(jié)能建筑材料。相關(guān)資料顯示，相同條件下，每噸混凝土能源消耗的能量是磚的16.7%，鋼材的5%，玻璃的3.6%，鋁材的0.6%。所以，混凝土作為節(jié)能材料，越來越受到人們的重視建筑。但由于水泥混凝土建筑物的不斷出現(xiàn)，也給人類社會(huì)環(huán)境帶來了前所未有的破壞，人們認(rèn)識(shí)到毫無節(jié)制地濫用地球的資源和能源將會(huì)導(dǎo)致資源和社會(huì)發(fā)展的危機(jī)，在發(fā)展經(jīng)濟(jì)促使社會(huì)進(jìn)步的同時(shí)必須將發(fā)展和環(huán)境的保護(hù)、發(fā)展和能源資源的節(jié)約進(jìn)行綜合、全面、長(zhǎng)遠(yuǎn)地考慮，只有做到協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展才是人類社會(huì)真正的發(fā)展，才能保證人類社會(huì)的長(zhǎng)久持續(xù)發(fā)展。與此同時(shí)，為了準(zhǔn)求綠色可持續(xù)發(fā)展，混凝土材料科學(xué)界經(jīng)過不斷地反思試驗(yàn)，提出了關(guān)于高性能混凝土以及綠色高性能混凝土的理念。

2 高性能混凝土

2.1 高性能混凝土特征

2.1.1 耐久性

高性能混凝土應(yīng)用是為了增加混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性，增加使用時(shí)間，配合使用減水劑和礦物質(zhì)超細(xì)粉這樣可以使其耐久性增強(qiáng)，還能夠減少混凝土配比時(shí)候的用水量，同時(shí)減少混凝土的內(nèi)部的氣穴，這樣能夠有效控制混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性、可靠性，使其能夠持續(xù)穩(wěn)定工作很多年。

2.1.2 工作性

評(píng)價(jià)混凝土工作性的最主要的指標(biāo)為坍落度，高性能混凝土的坍落度比較容易控制，高性能混凝土的振動(dòng)粘度性比較大，粗骨料在下沉過程中，速度比較緩慢，在相同的時(shí)間內(nèi)下降的距離短，穩(wěn)定性和均勻性好。此外，在高性能混凝土中水灰比例較低，并且有超細(xì)粉的加入，因?yàn)楦咝阅芑炷烈话闶遣怀霈F(xiàn)泌水現(xiàn)象的，這也造成高性能混凝土的水泥漿粘度大，基本不會(huì)出現(xiàn)離析的狀況。

2.1.3 力學(xué)性能

對(duì)于混凝土的強(qiáng)度的影響因素很多，水灰比是其中之一。很多時(shí)候，普通混凝土的強(qiáng)度是與水灰比成反比的，高性能混凝土可以利用增塑劑，使其分散能力加強(qiáng)，使其的減水率提高，這樣可以減少水用量，增加效果。高性能混凝土中可以加入礦物超細(xì)粉，這樣可使每個(gè)水泥顆粒之間的間隙被充分填充，減少氣穴，增加強(qiáng)度，使混凝土的密實(shí)度得到很大提高，從可以有效提高混凝土的使用壽命。

2.1.4 體積穩(wěn)定性

體積穩(wěn)定性也是高性能混凝土的特性之一，高性能混凝土的體積穩(wěn)定性是指混凝土在硬化初期具有較低的水化熱，而在硬化后期其收縮變形比較小。

2.1.5 經(jīng)濟(jì)性

通過以上分析可知高性能混凝土具有強(qiáng)度高、耐久性好等特性，而這些特性都是高性能混凝土具有良好經(jīng)濟(jì)性的依據(jù)。首先，因?yàn)楦咝阅芑炷辆哂懈邚?qiáng)度性，這可以縮減構(gòu)件的尺寸和自重，從而節(jié)約使用空間;其次，因?yàn)楦咝阅芑炷辆哂辛己玫哪途眯?，這可以使結(jié)構(gòu)的維修費(fèi)用顯著降低，并且可以使結(jié)構(gòu)的使用壽命延長(zhǎng);其三，因?yàn)楦咝阅芑炷辆哂泻芎玫墓ぷ餍?，這可降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，并且可以提高施工速度，加快施工進(jìn)度，從使成本顯著下降。簡(jiǎn)單的說，高性能混凝土更適合結(jié)構(gòu)功能要求和施工工藝要求，能使混凝土的使用壽命最大化，從而取得良好的經(jīng)濟(jì)效益。

2.2 高性能混凝土的質(zhì)量管理和施工使用控制技術(shù)

2.2.1 高性能混凝土的原材料選擇及其適用情況

(1)細(xì)集料與粗集料選用。在進(jìn)行細(xì)集料選擇時(shí)，應(yīng)選擇質(zhì)地堅(jiān)硬、潔凈、級(jí)配良好的天然中、粗河沙，質(zhì)量符合《建筑用砂》GB/T14684的規(guī)定?；炷恋膹?qiáng)度受到砂粗細(xì)程度的影響，較粗的砂，混凝土的強(qiáng)度越高。細(xì)度模數(shù)大于2.3 的中砂用于配制C50-C80 的混凝土，細(xì)度模數(shù)大于2.6 的中砂或粗砂用于配置C80-C100 的混凝土。此外，對(duì)于粗集料的選擇，要求是強(qiáng)度高、吸水率低、級(jí)配良好。高性能混凝土要求強(qiáng)度高的骨料，粗集料強(qiáng)度一般需要是混凝土強(qiáng)度的115 到210倍，最大粒徑必須小于25 毫米。粗集料一般采用連續(xù)級(jí)配，最好采用級(jí)配良好的石灰?guī)r碎石。為了減小溫度應(yīng)力，必須選擇線膨脹系數(shù)低的粗集料，這樣可以保證混凝土的體積穩(wěn)定性。

(2)細(xì)摻合料。在制備高性能混凝土的時(shí)候，摻活性摻合料的水泥漿流動(dòng)性小，可以充分填充混凝土的空隙，從而大大提高硬化后的水泥石強(qiáng)度。此外，在配制高性能混凝土?xí)r，摻入活性細(xì)摻合料可以使混凝土中骨料和水泥石的界面結(jié)構(gòu)得到很大改善，從而全面提高混凝土的強(qiáng)度、抗?jié)B性和耐久性。因此，高性能混凝土調(diào)配時(shí)所必須使用的材料就是活性細(xì)摻合料。一般情況下，我們會(huì)將天然沸石粉、粉煤灰、磨細(xì)礦渣粉和硅粉用作為高性能混凝土的活性細(xì)摻合料。

(3)減水劑及緩凝劑。高性能混凝土在黏合過程中，有比較高的硬度且混凝土拌合物的坍落度一般較大，在低水膠比可以使混凝土具有較大的坍落度，并且要加入一定量的減水劑，減水率應(yīng)該在百分之二十五左右。鑒于混凝土坍落度造成的損失，在與之適當(dāng)?shù)那闆r下，加入減水劑，緩凝劑等，除此之外，鑒于高性能的水泥，混凝土，溶液中離子數(shù)量也少，顆粒間距也小，所以水泥的適應(yīng)性比較差。由于大多數(shù)高性能混凝土施工采用泵繼續(xù)運(yùn)輸，因此，與加入減水劑的混凝土拌和時(shí)的坍落度損失必須要減小，否則泵輸送比較困難。

2.2.2 配合比設(shè)計(jì)控制要點(diǎn)

(1)設(shè)計(jì)思路有很大區(qū)別。以混凝土的高性能配合比設(shè)計(jì)，應(yīng)遵循下列要求:低水灰比的高性能混凝土質(zhì)量是非常重要的，要加入增塑劑和礦物細(xì)粉，加強(qiáng)混凝土摻合料的低水膠比。不使用太多的膠凝材料，膠凝材料不僅成本高，而且對(duì)于大體積混凝土穩(wěn)定性影響較大，對(duì)于需要的強(qiáng)度高，意義卻不大。所以，應(yīng)該通過調(diào)整骨料和砂的用量以便控制較低的孔隙率和易性。混凝土中應(yīng)加入引發(fā)劑，控制含氣量在3 至4百分點(diǎn)之內(nèi)。盡可能讓聚羧酸減水劑收縮，加強(qiáng)工作效率。

(2)膠凝的材料的用法用量以及使用過程中粉煤灰所占比例。配合比設(shè)計(jì)參數(shù)要確?；炷恋哪途眯裕炷林械乃嘤昧繎?yīng)在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)，對(duì)于C40 混凝土，膠凝材料不應(yīng)大于400kg/m3，C40、C50 的總量不應(yīng)超過450kg/m3。在外加粉煤灰時(shí)，不僅在具體的成本上考慮，也要注意其目的主要是為需要提高混凝土的強(qiáng)度，特別是混凝土的耐化學(xué)腐蝕性(包括氯化物，硫酸鹽的腐蝕和侵蝕等)的研究表明，粉煤灰的摻量大于20%以上，對(duì)改善混凝土耐久性更好。在《技術(shù)規(guī)范建筑》(JTG/tf50-2011)明確規(guī)定，礦物摻合料用量不少于總膠凝材料的百分之二十，當(dāng)用量大于30%時(shí)，水灰比不大于0.45。

3 綠色高性能混凝土

隨著高性能混凝土的應(yīng)用不斷擴(kuò)展，現(xiàn)在對(duì)高性能混凝土提出了新的內(nèi)涵，即是綠色高性能混凝土，主要增加了三個(gè)方面的含義:其一，保護(hù)環(huán)境，益于環(huán)境;其二，節(jié)約能源和資源;其三，高性能混凝土要滿足可持續(xù)發(fā)展的要求。

3.1 綠色高性能混凝土對(duì)水泥的要求

3.1.1 開拓原材料，節(jié)約水泥生產(chǎn)消耗

首先需要加大對(duì)原材料資源的地質(zhì)勘查力度，拓寬原材料資源，確定原材料資源的儲(chǔ)量及分布，并且開拓粘土、石灰石之外的同類原材料，避免現(xiàn)有水泥原料礦山遭到破壞。所有的技術(shù)措施都要為節(jié)省水泥在生產(chǎn)中的應(yīng)用服務(wù)，在如今的技術(shù)下，每噸水泥熟料平均消耗約152 公斤標(biāo)準(zhǔn)煤，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于世界先進(jìn)水平，這要求我們必須研發(fā)先進(jìn)技術(shù)，從技術(shù)上實(shí)現(xiàn)節(jié)約資源的目標(biāo)，提高煤炭等資源的利用率。

3.1.2 加大工業(yè)廢物的循環(huán)利用

(1)用可燃廢物作燃料。垃圾焚燒不僅污染環(huán)境，而且使可燃廢物的熱能得不到有效利用。在水泥熟料的制作過程中，如果將可燃垃圾作為燃料使用，將會(huì)在很大程度使資源得到有效利用，從而達(dá)到節(jié)約能源的目的。

(2)將多種材料作為混合材料。作為水泥混合材料的工業(yè)和農(nóng)業(yè)廢物，除了已知的粉煤灰、?；郀t礦渣等，還有其他的材料比如磷渣，爐渣，鋼渣，沸石等也經(jīng)常作為摻合料。1995 年，中國從不同的工業(yè)廢料600，000，000 噸產(chǎn)生在水泥工業(yè)中作為摻合料，得到約85，000，000噸可用材料，用作其他原料和其他用途約20，000，000 噸，占總排放量的16%至18%。廢棄的爐渣作為水泥混合的可能性更大，但由于摻量大時(shí)，可能不會(huì)達(dá)到水泥早期強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)，所以在未來的進(jìn)一步發(fā)展，必須研究和大批量生產(chǎn)一種水泥外加劑，解決水泥早期強(qiáng)度問題，當(dāng)然也可以控制標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行必要的修改，以促進(jìn)水泥工業(yè)“化灰燼為寶藏”。

3.1.3 大力推廣散裝水泥

散裝的建設(shè)運(yùn)輸和儲(chǔ)備是水泥行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)，散裝水泥盡量不要使用紙袋或塑料袋進(jìn)行包裝，避免在拆卸過程中，袋裝水泥的廢物對(duì)環(huán)境的污染，還有水泥、混凝土等材料要注意機(jī)械化生產(chǎn)、自動(dòng)進(jìn)料和稱重的過程中浪費(fèi)和污染，也保證了散裝水泥的質(zhì)量。目前散裝水泥只占水泥總的生產(chǎn)的量的15%左右，生產(chǎn)水泥的水泥工業(yè)企業(yè)對(duì)于這方面并不重視，而在發(fā)達(dá)國家高達(dá)90%。所以，我國的公司應(yīng)盡快在現(xiàn)代水泥生產(chǎn)的理念基礎(chǔ)上加快發(fā)展，加速現(xiàn)有立窯除塵改造，燃料節(jié)約，廢料、廢品回收，要突破現(xiàn)有格局，加強(qiáng)綠色內(nèi)容，制造多樣性和高質(zhì)量的水泥，這是生產(chǎn)綠色高性能混凝土的重要保證。

4 結(jié)束語

綜上所述，本文探討了可持續(xù)發(fā)展的內(nèi)涵和建筑工程材料走可持續(xù)發(fā)展道路的必要性，其中對(duì)高性能混凝土從其特性、材料和配比設(shè)計(jì)著手進(jìn)行了深入詳細(xì)地闡述，并且對(duì)綠色高性能混凝土進(jìn)行了研究和對(duì)其未來發(fā)展方向進(jìn)行了展望。當(dāng)前社會(huì)，高性能混凝土在建筑工程中得到廣泛應(yīng)用，要想提高高性能混凝土在建筑工程中的作用必須將高性能混凝土進(jìn)一步綠色化。在社會(huì)不斷發(fā)展和資源不斷減少的過程中，綠色高性能混凝土必將成為建筑工程的重要材料，也是建筑工程材料實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的必然選擇。

［1］元成方.高性能混凝土發(fā)展及若干關(guān)鍵技術(shù)問題［D］.鄭州:鄭州大學(xué)土木工程學(xué)院，2010.

［2］俞瑞堂.高性能混凝土的發(fā)展與展望.水利水電工程設(shè)計(jì)，1997.

［3］吳中偉.綠色高性能混凝土——混凝土的發(fā)展方向.混凝土與水泥制品，1998(1):3-7.