對新型綠色高性能混凝土的研究

王子萌 中建八局裝飾工程有限公司物質(zhì)主管 助理工程師

引言：

從1824年波特蘭水泥發(fā)明開始，混凝土材料至今已有100多年的歷史，以水泥為膠結(jié)材的混凝土也取得了巨大的發(fā)展，由普通混凝土向高性能混凝土發(fā)展。從20世紀(jì)以來，混凝土就己成為房屋建筑、橋梁、水利、公路等現(xiàn)代工程結(jié)構(gòu)首選材料，作為土木工程中最大宗的人造材料，其用量巨大。據(jù)統(tǒng)計(jì)，當(dāng)今我國每年混凝土用量約109m3，并且隨著我國近年來工業(yè)化、城市化進(jìn)程的加快，用量將繼續(xù)快速增長。

1 緒論

高性能混凝土是近20余年發(fā)展起來的一種新型混凝土。歐洲混凝土學(xué)會和國際預(yù)應(yīng)力混凝土協(xié)會將HPC定義為水膠比低于0.40的混凝土；在日本，將高流態(tài)的自密實(shí)混凝土（即免振混凝土）稱為HPC；中國土木工程學(xué)會高強(qiáng)與高性能混凝土委員會將HPC定義為以耐久性和可持續(xù)發(fā)展為基本要求并適合工業(yè)化生產(chǎn)與施工的混凝土。雖然不同的國家、不同的學(xué)者或工程技術(shù)人員對HPC的理解有所不同，比如美國學(xué)者更強(qiáng)調(diào)高強(qiáng)度和尺寸穩(wěn)定性，歐洲學(xué)者更注重耐久性，而日本學(xué)者偏重于高工作性。但是他們的基本點(diǎn)都是高耐久性，這方面的認(rèn)識是一致的。

水泥混凝土是當(dāng)代最大宗的人造材料，對資源、能源的消耗和對環(huán)境的破壞十分巨大，與可持續(xù)發(fā)展的要求背道而馳。綠色高性能混凝土研究和應(yīng)用較多的是粉煤灰混凝土。粉煤灰混凝土與基準(zhǔn)混凝土相比，大大提高了新拌混凝土的工作性能，明顯降低混凝土硬化階段的水化熱，提高混凝土強(qiáng)度特別是后期強(qiáng)度，而且節(jié)約水泥，減少環(huán)境污染，成為綠色高性能混凝土的代表性材料。

混凝土能否長期作為最大宗的建筑結(jié)構(gòu)材料，關(guān)鍵在于能否成為綠色材料，綠色高性能混凝土應(yīng)具有以下特征：更多地節(jié)約熟料水泥，減少環(huán)境污染，更多地?fù)郊庸I(yè)廢渣為主的細(xì)摻料，更大地發(fā)揮高性能的優(yōu)勢，減少水泥與混凝土用量。

混凝土的綠色含量，著眼于混凝土的可持續(xù)發(fā)展，綠色高性能混凝土由于具有良好的性能與環(huán)境協(xié)調(diào)性，已成為混凝土產(chǎn)業(yè)未來發(fā)展方向。

2 高性能混凝土綠色化的途徑

如何發(fā)展綠色混凝土，許多學(xué)者提出了許多中肯的意見和建議現(xiàn)歸納如下。

（1）加強(qiáng)混凝土科研開發(fā)、標(biāo)準(zhǔn)制定、工程設(shè)計(jì)和施工人員等的環(huán)保意識，加大綠色概念的宣傳力度，以引起混凝土工程領(lǐng)域各個(gè)環(huán)節(jié)的高度重視。

（2）大力發(fā)展高標(biāo)號熟料水泥生產(chǎn)，提高高標(biāo)號熟料在整個(gè)熟料生產(chǎn)中的比重；研究改進(jìn)熟料礦物組分，對傳統(tǒng)的熟料礦物、水泥進(jìn)行改性、改型發(fā)展生產(chǎn)能耗低的新品種，調(diào)整水泥產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，及發(fā)展?jié)M足配制高性能混凝土和綠色高性能混凝土要求的水泥，并在滿足這一要求的前提下，盡量減少混凝土中的水泥用量；研究開發(fā)、改進(jìn)、提高和發(fā)展水泥生產(chǎn)工藝及技術(shù)裝備，采用新技術(shù)、新工藝、新裝備改造淘汰落后技術(shù)和裝備，以提高水泥質(zhì)量，達(dá)到節(jié)能、節(jié)約資源的目的。

（3）大力發(fā)展人造骨料，特別是利用工業(yè)固體廢棄物粉煤灰、煤矸石生產(chǎn)制造輕骨料；積極利用城市固體垃圾，特別是拆除的舊建筑物和構(gòu)筑物的廢棄物混凝土、磚、瓦及廢物，以其代替天然砂石料，減少砂石料的消耗。

（4）更新傳統(tǒng)的混凝土設(shè)計(jì)方法，提高施工質(zhì)量意識，嚴(yán)格施工，以保證混凝土的施工質(zhì)量。

（5）研究和制定綠色高性能混凝土的設(shè)計(jì)規(guī)程、質(zhì)量控制方法、驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)、施工工藝等。

（6）加強(qiáng)對綠色高性能混凝土配套技術(shù)的研究開發(fā)，使之向理想化發(fā)展，并使其適合于各種應(yīng)用場合，擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。著重解決高性能混凝土和綠色高性能混凝土由于低水膠比引起的自收縮問題、進(jìn)一步水化造成的裂紋問題、由于高強(qiáng)度帶來的脆性問題等。

（7）制定有關(guān)國家法律、政策，以保護(hù)和鼓勵使用綠色高性能混凝土。

（8）成立有關(guān)綠色高性能混凝土專門的研究、開發(fā)、推廣、質(zhì)量檢驗(yàn)和控制的機(jī)構(gòu)。

（9）加強(qiáng)水泥混凝土行業(yè)與其它行業(yè)部門的協(xié)調(diào)，減少推廣應(yīng)用高性能混凝土和綠色高性能混凝土的阻力。

（10）加強(qiáng)調(diào)查研究，開展大范圍的工程調(diào)查。弄清目前在高性能混凝土和綠色高性能混凝土研究和應(yīng)用中存在的主要問題、經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，制訂相應(yīng)的對策和計(jì)劃。

3 綠色高性能混凝土的發(fā)展展望

HPC 是近一二十年才提出的。它的出現(xiàn)把混凝土技術(shù)從經(jīng)驗(yàn)技術(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)楦呖萍?，代表著?dāng)今混凝土發(fā)展的總趨勢。 其特點(diǎn)集中表現(xiàn)為具有大流動性、高強(qiáng)度、高耐久性、低水化熱、高體積穩(wěn)定性等多方面的優(yōu)越性能。 從強(qiáng)度而言，抗壓強(qiáng)度大于C60的混凝土即屬于高強(qiáng)混凝土。 提高混凝土強(qiáng)度是發(fā)展高層建筑、高聳結(jié)構(gòu)、大跨度結(jié)構(gòu)的重要措施。采用高強(qiáng)混凝土，可以減小截面尺寸，減輕自重，因而可獲得較大的經(jīng)濟(jì)效益，而且高強(qiáng)度混凝土一般也具有良好的耐久性。

隨著HPC的開發(fā)和應(yīng)用， 建筑對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生的影響正引起社會的關(guān)注。建筑物在建造和運(yùn)行的過程中需消耗大量的自然資源和能源，并對環(huán)境產(chǎn)生不同程度的影響。有專家指出， 作為建筑工業(yè)主要原料的水泥，實(shí)際上是一種不可持續(xù)發(fā)展的產(chǎn)品。因此，高性能混凝土的技術(shù)核心是在限制水泥用量以獲得混凝土高性能的同時(shí)，堅(jiān)持其可持續(xù)性的發(fā)展原則。21世紀(jì)前后， 吳中偉等提出了綠色混凝土的概念，在高性能混凝土的基礎(chǔ)上增加了三個(gè)含義：（1）節(jié)約資源、能源；（2）不破壞環(huán)境，更有利于環(huán)境；（3）可持續(xù)發(fā)展， 既要滿足當(dāng)代人的需求，又不危害后代人滿足其需要的能力。大力開展綠色高性能混凝土的研究和應(yīng)用高性能混凝土具有普通混凝土無法比擬的優(yōu)良性能，對混凝土的發(fā)展將起重要作用， 并為HPC的發(fā)展指明了非常明確的方向。

在節(jié)材方面，如果能夠?qū)⒛壳笆褂玫匿摬暮突炷撂岣咭粋€(gè)強(qiáng)度等級，則可以獲得明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。粗略計(jì)算，到2010年，僅通過推廣應(yīng)用高強(qiáng)鋼和高性能混凝土，就可節(jié)省資金約596.94億元，同時(shí)產(chǎn)生間接經(jīng)濟(jì)效益144.18-216.27億元/年，合計(jì)可節(jié)約640-810億元/年。另外，采用高強(qiáng)材料，可以提高施工作業(yè)效率，提高建筑質(zhì)量，延長使用年限，減少維護(hù)使用費(fèi)用，解決了建筑結(jié)構(gòu)中肥梁胖柱問題。這樣不僅能增加建筑使用面積，增大建筑使用空間，也可以使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更加靈活，提高建筑使用功能。推廣應(yīng)用高強(qiáng)鋼和高性能混凝土，在建設(shè)階段可以節(jié)約鋼材和混凝土，減少資源和能源的消耗量，進(jìn)而減少二氧化碳、二氧化硫等有害氣體和廢渣的排放。據(jù)有關(guān)專家統(tǒng)計(jì)分析，節(jié)約1噸鋼材可以節(jié)省電能300千瓦時(shí)、標(biāo)準(zhǔn)煤0.70噸，節(jié)約1噸水泥，可以節(jié)省電能110千瓦時(shí)、標(biāo)準(zhǔn)煤0.2噸。比照以上數(shù)據(jù)，到2010年，通過推廣應(yīng)用高強(qiáng)鋼和高性能混凝土，則每年可節(jié)省電能58.56億千瓦時(shí)、標(biāo)準(zhǔn)煤1120.2萬噸，大量減少二氧化碳排放。

隨著HPC的開發(fā)和應(yīng)用， 建筑對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生的影響正引起社會的關(guān)注。建筑物在建造和運(yùn)行的過程中需消耗大量的自然資源和能源，并對環(huán)境產(chǎn)生不同程度的影響。有專家指出， 作為建筑工業(yè)主要原料的水泥，實(shí)際上是一種不可持續(xù)發(fā)展的產(chǎn)品。因此，高性能混凝土的技術(shù)核心是在限制水泥用量以獲得混凝土高性能的同時(shí)，堅(jiān)持其可持續(xù)性的發(fā)展原則。21世紀(jì)前后， 吳中偉等提出了綠色混凝土的概念，在高性能混凝土的基礎(chǔ)上增加了三個(gè)含義：（1）節(jié)約資源、能源；（2）不破壞環(huán)境，更有利于環(huán)境；（3）可持續(xù)發(fā)展， 既要滿足當(dāng)代人的需求，又不危害后代人滿足其需要的能力。大力開展綠色高性能混凝土的研究和應(yīng)用高性能混凝土具有普通混凝土無法比擬的優(yōu)良性能，對混凝土的發(fā)展將起重要作用， 并為HPC的發(fā)展指明了非常明確的方向。

4 結(jié)論與展望

高性能混凝土的研究與開發(fā)應(yīng)用，對傳統(tǒng)混凝土的技術(shù)性能有了重大的突破，對節(jié)能、工程質(zhì)量、工程經(jīng)濟(jì)、環(huán)境與勞動保護(hù)等方面都具有重大的意義?？梢灶A(yù)期，高性能混凝土在工程上的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒀杆贁U(kuò)大，并取得更大、更多的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。

本文認(rèn)為隨著社會的發(fā)展，高層建筑、大跨橋粱、港口建筑等多種薄形結(jié)構(gòu)將會大量涌現(xiàn)，國內(nèi)外應(yīng)用高性能混凝土建造的工程將越來越多，由于高性能混凝土的高強(qiáng)度，高耐久性和高工作性滿足了現(xiàn)代建筑的需求。納米混凝土、再生混凝土、免振搗自密實(shí)高性能混凝土等都是綠色高性能混凝土。綠色高性能混凝土已被廣泛應(yīng)用于市政工程、民用建筑和工業(yè)建筑，與普通混凝土相比，高性能混凝土具有更好的施工性能和耐久性，同時(shí)可以更多地利用工業(yè)廢渣及其它廢棄物，有良好的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和環(huán)保意義，因此，綠色高性能混凝土是混凝土的發(fā)展方向。