國(guó)內(nèi)外裝配式建筑綠色新技術(shù)的研發(fā)及應(yīng)用*

孫耀乾

濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 濟(jì)源 459001

在國(guó)家政策的不斷推進(jìn)下，裝配式建筑得以快速發(fā)展，在裝配式結(jié)構(gòu)上也形成了目前混凝土發(fā)展的新方向。同時(shí)，在研發(fā)綠色高性能混凝土結(jié)構(gòu)以及新型養(yǎng)護(hù)技術(shù)方面也具有突出成就，為我國(guó)節(jié)能減排、綠色環(huán)保事業(yè)作出了突出貢獻(xiàn)。文章簡(jiǎn)單介紹了目前裝配式建筑的兩項(xiàng)新技術(shù)。這兩項(xiàng)新技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用，可以較好地減少生產(chǎn)過(guò)程中二氧化碳的排放量以及能源的消耗量，積極響應(yīng)國(guó)家節(jié)能減排的號(hào)召[1]。

1 裝配式建筑無(wú)水混凝土技術(shù)

1.1 研究背景與發(fā)展前景

與其他建筑材料相比，混凝土價(jià)格低、制備簡(jiǎn)單，具有良好的力學(xué)特性，因此被建筑行業(yè)廣泛接納，并不斷運(yùn)用至實(shí)際生活生產(chǎn)中，成為主要的建筑材料之一。硅酸鹽水泥是混凝土制備過(guò)程中常見(jiàn)的生產(chǎn)原料之一，但是，每年由于硅酸鹽水泥的生產(chǎn)制造產(chǎn)生的溫室氣體高達(dá)13.5億t，占世界溫室氣體排放總量的7%。與普通硅酸鹽水泥相比，地質(zhì)聚合物可以減少80%～90%的二氧化碳排放量。地質(zhì)聚合物具有快硬早強(qiáng)、抗火、耐久性強(qiáng)、干縮小等優(yōu)良特性，并適用于當(dāng)前的建筑環(huán)境，因此廣泛應(yīng)用于建筑行業(yè)。

在當(dāng)前國(guó)家大力倡導(dǎo)環(huán)境保護(hù)、可持續(xù)健康發(fā)展以及裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的時(shí)代背景之下，合理利用地質(zhì)聚合物材料可以實(shí)現(xiàn)工業(yè)廢棄物的回收利用，符合當(dāng)下可持續(xù)發(fā)展的時(shí)代趨勢(shì)。粉煤灰是地質(zhì)聚合物中的一種材料，是熱電廠高爐燃煤產(chǎn)生的工業(yè)副產(chǎn)品，其生產(chǎn)量極高，達(dá)到每年7.8億t，但是產(chǎn)率卻僅為17%～20%。隨著對(duì)地質(zhì)聚合物的深入研究，其生產(chǎn)技術(shù)不斷成熟，間接導(dǎo)致其生產(chǎn)成本的大幅度降低，從而能夠得到更大范圍的運(yùn)用，減少對(duì)環(huán)境的污染。因此，地質(zhì)聚合物混凝土將成為未來(lái)綠色凝膠材料發(fā)展的趨勢(shì)。

1.2 國(guó)內(nèi)外研究應(yīng)用現(xiàn)狀

國(guó)外對(duì)地質(zhì)聚合物研究的起步時(shí)間相對(duì)較早，在20世紀(jì)30年代時(shí)，美國(guó)已經(jīng)研制出基于礦渣的快凝高強(qiáng)新型膠凝材料，并且提出“堿催化”機(jī)理[2]。20世紀(jì)50年代，烏克蘭基輔建工學(xué)院教授所研究的堿激發(fā)礦渣粉煤灰膠凝材料的強(qiáng)度已經(jīng)達(dá)到120MPa。20世紀(jì)60年代，蘇聯(lián)開(kāi)始大力發(fā)展這種新型膠凝材料，并應(yīng)用于建筑工業(yè)，提出微觀反應(yīng)過(guò)程的固化機(jī)理[3]。

世界第一棟采用地質(zhì)聚合物混凝土的建筑結(jié)構(gòu)為澳大利亞昆士蘭大學(xué)的全球變化研究所（the Global Change Institute）。該建筑高4層，由3層懸浮地質(zhì)聚合物混凝土板組成，包含33塊礦渣/粉煤灰基地質(zhì)聚合物預(yù)制板[4]。

國(guó)內(nèi)也有一定的理論研究成果。張?jiān)粕萚5]研究發(fā)現(xiàn)地質(zhì)聚合物材料從水化早期到水化末期，其孔隙是從較疏松到完全填滿(mǎn)的過(guò)程。馬鴻文等[6]研究發(fā)現(xiàn)地質(zhì)聚合物材料反應(yīng)機(jī)理是部分Si-0鍵和A1-0鍵首先斷裂，又在Na+離子和0H-離子的作用下，重新組合形成中間產(chǎn)物，再經(jīng)過(guò)脫水縮合形成最終產(chǎn)物。劉崢等[7]以硅藻土和粉煤灰為原料，研究了制備硅藻土地質(zhì)聚合物膠凝材料的方法。李琴等[8]研究了廢陶瓷為原料制備陶瓷地質(zhì)聚合物的方法，同時(shí)提供了以廢玻璃為原料制備地質(zhì)聚合物的方法。

1.3 技術(shù)理論現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)外大多數(shù)文獻(xiàn)在敘述地質(zhì)聚合物材料的結(jié)構(gòu)及其反應(yīng)機(jī)理時(shí)，大多參照Davidovits[9]教授的觀點(diǎn)。礦物聚合材料的形成過(guò)程分為4個(gè)階段。（1）溶解階段。偏高嶺土、粉煤灰等含活性硅鋁酸鹽的礦物粉體在堿激發(fā)劑溶液（A10H、KOH、Na2SiO3按照一定模數(shù)配合）中溶解。（2）解聚階段。硅鋁酸鹽礦物粉體中Si-0鍵和A1-0鍵斷裂，解聚成單硅酸根和鋁酸根。（3）硅酸鋁鹽聚合反應(yīng)是放熱脫水的反應(yīng)，反應(yīng)中水為傳質(zhì)，聚合后大部分的水將排除。由聚合材料塊體分子式可知，地質(zhì)聚合物以鋁氧四面體和硅氧四面體為基本結(jié)構(gòu)單元，具有不同的聚合程度，并形成近有序遠(yuǎn)程無(wú)序的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。（4）當(dāng)反應(yīng)在較為穩(wěn)定的環(huán)境，其水化產(chǎn)物將會(huì)往沸石晶體方向發(fā)展。

2 裝配式建筑二氧化碳養(yǎng)護(hù)技術(shù)

2.1 研究背景及發(fā)展前景

2011年以來(lái)，國(guó)內(nèi)建筑產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化受到前所未有的關(guān)注，各地的政府部門(mén)，設(shè)計(jì)、科研單位以及施工企業(yè)都在積極籌措和實(shí)施。建筑現(xiàn)代化的實(shí)施依賴(lài)于建筑工業(yè)化水平的提高，尤其是裝配式混凝土構(gòu)件制造能力和技術(shù)水平的提高。這一發(fā)展趨勢(shì)為我國(guó)預(yù)制構(gòu)件新型技術(shù)研發(fā)提供了良好的機(jī)會(huì)。

在混凝土預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)中，蒸汽養(yǎng)護(hù)技術(shù)可以使預(yù)制構(gòu)件在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到較高的早期強(qiáng)度，但該技術(shù)對(duì)養(yǎng)護(hù)環(huán)境的要求較高，消耗大量的能源，同時(shí)成本高，且將排放大量的溫室氣體（二氧化碳）。因此，發(fā)展新型、綠色裝配式混凝土養(yǎng)護(hù)技術(shù)是大規(guī)模實(shí)現(xiàn)建筑產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化的根本保障。二氧化碳養(yǎng)護(hù)技術(shù)指新拌和混凝土在水化尚未完成之前，由水泥熟料中的硅酸鈣、鋁酸鈣及部分水化產(chǎn)物氫氧化鈣與二氧化碳發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成碳化鈣和硅凝膠的現(xiàn)象。通過(guò)采用二氧化碳養(yǎng)護(hù)處理，可以改變混凝土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)，減小總體孔隙率，增大密實(shí)度，提高強(qiáng)度，在不用外加劑的情況下，從根本上改善混凝土的抗?jié)B和防水性能，增強(qiáng)耐久性。

同時(shí)，采用二氧化碳養(yǎng)護(hù)裝配式混凝土結(jié)構(gòu)，可以吸收大量的溫室氣體（二氧化碳），進(jìn)而減少建筑行業(yè)的二氧化碳凈排放量。綜上所述，在大力推行裝配式結(jié)構(gòu)的形勢(shì)下，研發(fā)和推廣二氧化碳養(yǎng)護(hù)技術(shù)，既能在短時(shí)間內(nèi)保證裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)良性能，也能實(shí)現(xiàn)二氧化碳的資源化利用，為建筑產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化、建筑節(jié)能、綠色建筑協(xié)同發(fā)展助力。

2.2 國(guó)內(nèi)外研究應(yīng)用現(xiàn)狀

二氧化碳在建材中的應(yīng)用最早可追溯至古羅馬時(shí)代，當(dāng)時(shí)人們發(fā)現(xiàn)石灰、砂和水混合的砂漿在大氣中經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后可以提升其黏結(jié)強(qiáng)度。20世紀(jì)60年代以來(lái)，大量國(guó)外學(xué)者對(duì)二氧化碳養(yǎng)護(hù)水泥基材料進(jìn)行了系統(tǒng)研究，涵蓋養(yǎng)護(hù)過(guò)程中化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、微觀結(jié)構(gòu)變化、養(yǎng)護(hù)程度的影響因素及應(yīng)用范圍等方面。（1）二氧化碳的養(yǎng)護(hù)可以在短期內(nèi)急劇增加混凝土抗壓強(qiáng)度，已報(bào)道的研究結(jié)果如下：養(yǎng)護(hù)5min的水泥時(shí)間強(qiáng)度達(dá)到19.7MPa；養(yǎng)護(hù)81min強(qiáng)度可達(dá)到50MPa。（2）基于化學(xué)反應(yīng)方程式的二氧化碳養(yǎng)護(hù)新拌混凝土材料的理論控制方程。（3）水灰比和試件的含濕量對(duì)二氧化碳的養(yǎng)護(hù)效果影響較大，即過(guò)多的水分會(huì)充滿(mǎn)試件的孔隙，并阻礙二氧化碳?xì)怏w的滲透和擴(kuò)散，影響?zhàn)B護(hù)過(guò)程中的化學(xué)反應(yīng)。（4）反應(yīng)生成后的碳酸鈣存在3種形式：方解石（Calcite）、球霰石（Vaterite）和文石（Aragonite），主要以方解石晶體形態(tài)存在。（5）壓強(qiáng)對(duì)二氧化碳養(yǎng)護(hù)的影響較小。（6）二氧化碳養(yǎng)護(hù)技術(shù)可以促進(jìn)工業(yè)廢棄物以及低熱波特蘭水泥（Low heat port land cement）的利用[7]。

在應(yīng)用方面，二氧化碳養(yǎng)護(hù)技術(shù)已經(jīng)得到商業(yè)化應(yīng)用，英國(guó)CDS Group公司與美國(guó)Solidia Technologies公司合作研究采用二氧化碳養(yǎng)護(hù)預(yù)制混凝土的新型養(yǎng)護(hù)箱技術(shù)，目前CDS Group公司已經(jīng)研發(fā)出相對(duì)成熟的大型混凝土養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)。深圳儲(chǔ)碳型水泥基材料工程實(shí)驗(yàn)室擬采購(gòu)該公司的CDS二氧化碳介質(zhì)試驗(yàn)窯，旨在引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)設(shè)備，與知名技術(shù)設(shè)備供應(yīng)商合作，促進(jìn)國(guó)內(nèi)相關(guān)技術(shù)的研發(fā)和推廣，推進(jìn)國(guó)內(nèi)基于二氧化碳再利用新型建材的研發(fā)[10]。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，通過(guò)分析國(guó)內(nèi)外裝配式建筑綠色新技術(shù)的研究應(yīng)用現(xiàn)狀可以發(fā)現(xiàn)，無(wú)水混凝土和二氧化碳技術(shù)的研究與應(yīng)用目前均有大幅度提升，大力推動(dòng)了國(guó)內(nèi)新型建材的創(chuàng)新和發(fā)展，符合我國(guó)綠色建筑目標(biāo)的發(fā)展方向。