土木建筑材料中的高性能混凝土材料和綠色材料*

錢芳芳

（淮陰工學(xué)院審計(jì)處，江蘇淮安 223003）

在土木工程建設(shè)中，建筑材料是其中最為重要的組成部分之一，材料的使用對(duì)土木工程建設(shè)中的制造成本和工程質(zhì)量都有著決定性的作用。傳統(tǒng)使用的土木工程建筑材料的性能存在缺陷，并不夠強(qiáng)大，如果繼續(xù)使用不僅會(huì)出現(xiàn)浪費(fèi)資源的現(xiàn)象，還會(huì)在一定程度上對(duì)環(huán)境造成污染，對(duì)該領(lǐng)域可持續(xù)發(fā)展是非常不利的。在早期，人類最開始使用的建筑材料是木材或者石材，但是經(jīng)歷漫長(zhǎng)發(fā)展，傳統(tǒng)的建筑材料也隨著社會(huì)發(fā)展和科學(xué)進(jìn)步有了新的發(fā)展。后來人類使用人造材料、生鐵和熟鐵等作為建筑材料，且建筑材料的性能在不斷提高，土木工程的發(fā)展也越來越成熟［1］。直至18世紀(jì)，人類發(fā)明了水泥，后來又有了鋼筋混凝土材料［2］。如今，對(duì)土木工程的要求更高，建筑材料的使用要具備多方面性能，如高強(qiáng)度、高機(jī)械性能、環(huán)保等要求［3］。近年來，科學(xué)技術(shù)進(jìn)步飛快，老百姓對(duì)環(huán)保的意識(shí)也逐漸增強(qiáng)，傳統(tǒng)建筑材料己經(jīng)被替代，例如具有高機(jī)械性能的混凝土材料、綠色材料等，這些新型材料優(yōu)勢(shì)大，將其用于土木工程建筑中可以發(fā)揮出更加重要的作用，同時(shí)也利于土木工程的未來發(fā)展。因此，本文就土木建筑材料中的高性能混凝土和綠色建筑材料做出詳細(xì)的概述。

1 高性能混凝土概述

在土木工程建筑施工時(shí)，混凝土是基本材料之一。最近幾年經(jīng)過統(tǒng)計(jì)有越來越多建筑己經(jīng)達(dá)到額定的使用年限，但是拆除后就會(huì)產(chǎn)生大量的建筑垃圾——混凝土材料，不僅需要耗費(fèi)人力物力清理，更會(huì)影響自然環(huán)境。因此，需要增加對(duì)綠色材料的使用，加強(qiáng)環(huán)保意識(shí)。

目前普遍使用的混凝土按照適當(dāng)?shù)幕旌媳壤?，將水泥、水、砂石等材料進(jìn)行混合，在特殊情況下還需要增加一些化學(xué)試劑或者礦物質(zhì)，攪拌均勻后再將其密實(shí)成型，最后養(yǎng)護(hù)硬化形成人造石材。混凝土在使用過程中的階段和狀態(tài)為：①凝結(jié)硬化前為塑性狀態(tài)——新拌混凝土或混凝土拌合物；②硬化后為堅(jiān)硬狀態(tài)——硬化混凝土或混凝土。

混凝土的強(qiáng)度等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)是按照立方體的抗壓強(qiáng)度進(jìn)行劃分的，中國(guó)使用的較為普遍的混凝土按照強(qiáng)度等級(jí)分為14級(jí)。為了可以快速處理好建筑和生態(tài)之間的平衡關(guān)系，國(guó)內(nèi)和國(guó)外的技術(shù)人員己經(jīng)研發(fā)出了綠色高性能混凝土材料（Green High Performance Concrete Materials, GHPCT）。綠色、新型的混凝土材料和傳統(tǒng)的混凝土材料相比較具有更加優(yōu)異的性能，例如提高了材料的力學(xué)穩(wěn)定性、力學(xué)結(jié)構(gòu)增強(qiáng)，延長(zhǎng)使用壽命、減少建筑、施工垃圾等。

目前，制備高性能混凝土所采取的原材料均為工業(yè)廢料，也可以選用其他廢棄原料，這樣就可以有效降低資源浪費(fèi)。綠色、新型的混凝土材料己經(jīng)在土木工程建設(shè)中發(fā)揮了超強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，由于其具有強(qiáng)度高、滲透性高、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，己經(jīng)廣泛應(yīng)用在高層、地下礦井和地鐵等建筑項(xiàng)目中。

1.1 高性能混凝土的特點(diǎn)

（1）高耐久性：高性能混凝土具有較高的密實(shí)性和抗?jié)B性，所以其耐腐蝕性也很高。

（2）自密實(shí)性：在制備新型高性能混凝黏土材料時(shí)，相比傳統(tǒng)材料使用更少的水，所用新型材料的流動(dòng)性較好，抗離析性能也較好。

（3）體積穩(wěn)定性：在制備高性能混凝土?xí)r，其彈性模量處于40～45 GPa，即彈性模量比較大，而且配置的混凝土干縮率小于 0.04%［4］。所以高性能混凝土的體積不容易發(fā)生變化。

（4）強(qiáng)度：根據(jù)規(guī)定，建筑工程混凝土材料的壓縮強(qiáng)度需要在200MPa以上。因?yàn)樾滦突炷敛牧暇哂休^高強(qiáng)度，在工程建筑中提高了使用性能，因此在施工建筑中更加具有優(yōu)勢(shì)［5］。

（5）高工藝性：高性能混凝土雖然性能較好，但是對(duì)比傳統(tǒng)材料，在制作工藝上則需要更高的技術(shù)要求。在制備過程中，需要對(duì)各個(gè)工序進(jìn)行嚴(yán)格把關(guān)，每個(gè)步驟都需要按照標(biāo)準(zhǔn)去進(jìn)行。

1.2 高性能混凝土的原料選擇與質(zhì)量控制

（1）粗細(xì)骨料的選擇與質(zhì)量控制方法

高性能混凝土材料的原材料中的主體為骨料，分粗、細(xì)兩種。粗骨料的直徑大于4.75mm，細(xì)骨料的直徑小于4.75mm。從整體配置看，骨料是其中最大的組成成分，因此骨料的特性會(huì)影響材料的最終效果，需要選用合適的骨料，并對(duì)其質(zhì)量進(jìn)行控制。

在選擇合適的粗骨料時(shí)，要注意幾點(diǎn)；如非活性、硬度、無(wú)針狀顆粒、球星顆粒、粗糙等。選擇骨料時(shí)要注意直徑的大小，直徑太大會(huì)使石子和砂漿發(fā)生離析，使硬度減小，后期成型時(shí)效果就會(huì)大打折扣；直徑太小，會(huì)增加砂漿的使用量，后期體積穩(wěn)定性會(huì)減弱，耐久性也會(huì)相應(yīng)降低。因此在施工過程中，應(yīng)該對(duì)材料進(jìn)行分級(jí)配比，減少材料含砂率才能確保建設(shè)工程達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。在選擇砂石時(shí)，需要選擇線長(zhǎng)系數(shù)較低而硬度高的材料，如果材料沒有數(shù)值要求也可以在材料中增加卵石。

（2）添加劑的選用與質(zhì)量控制方法

市場(chǎng)上普遍使用的綠色、新型高性能混凝土效果不錯(cuò)，是因?yàn)樵谥苽鋾r(shí)添加了適量融合劑，達(dá)到優(yōu)化混凝土性能的效果。增加添加劑后，混凝土的強(qiáng)度和硬度都會(huì)在一定程度上增加，添加比例需要在1：20左右。當(dāng)前市面上的添加劑種類繁雜，僅僅添加一種添加劑可能不能滿足高性能混凝土的建筑需求，因此就需要同時(shí)添加多種添加劑，也可以加入復(fù)合外加劑。施工人員需要嚴(yán)格按照要求加入添加劑，使用過量就會(huì)影響混凝土的堅(jiān)實(shí)度。

在建設(shè)過程中，使用較多的是減水劑，這種添加劑可以提高混凝土材料的性能，如抗壓強(qiáng)度和泌水性等。常用的減水劑為聚羧酸減水劑和荼系減水劑，在使用過程中，需要對(duì)減水劑取樣并且檢測(cè)，使添加效果優(yōu)異［6］。

（3）高性能混凝土中膠凝材料選用與質(zhì)量控制方法

為保證工程質(zhì)量，施工人員還會(huì)在新型混凝土材料中添加凝膠材料等。添加后可以發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，將漿體轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w，同時(shí)結(jié)合其他添加劑使其滿足強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)。目前最常使用的凝膠材料包括樹脂、瀝青和石膏等。在添加凝膠材料過程中需要嚴(yán)格控制凝膠質(zhì)量，要選擇含堿量低且含鋁量低的材料，不能只看其早期硬度就多加。同時(shí)在攪拌水泥時(shí)，還需要按時(shí)取樣檢測(cè)其堿含量，使含堿量數(shù)值在0.6%以內(nèi)。

（4）粉煤灰摻合料選用與質(zhì)量控制方法

在制備綠色、新型高性能混凝土?xí)r還需要加入適量礦物質(zhì)材料，從而達(dá)到調(diào)整混凝土硬度的作用。最為常見的添加材料為粉煤灰，因?yàn)樗膩碓捶浅Ｆ毡?，如鍋爐廠的鍋爐灰粉末即可。粉煤灰的直徑很小，而且表面光滑延展性也較好，可以提高建筑工程的質(zhì)量，增強(qiáng)其完整性，同時(shí)達(dá)到延長(zhǎng)工程壽命的作用。

（5）高性能混凝土材料拌和水選用與質(zhì)量控制方法

在制備高性能混凝土材料時(shí)的拌和水一般使用的是自來水、地表水或者是經(jīng)過處理的工業(yè)水等。但是當(dāng)工程位置附近沒有自來水時(shí)，施工人員就需要選用酸堿比例和自來水相似的水。油脂過高或者硫酸鹽含量較高的水源都不能使用，因?yàn)闀?huì)與混凝土中的成分反應(yīng)，從而產(chǎn)生安全隱患。在使用拌和水時(shí)需要對(duì)它的pH值進(jìn)行測(cè)定，同時(shí)也需要測(cè)定硫酸和氯酸的含量，保證材料的耐用度。

1.3 高性能混凝土的發(fā)展趨勢(shì)

高性能混凝土經(jīng)過二十幾年時(shí)間的發(fā)展，人們對(duì)其從剛開始的不接受、不認(rèn)可，甚至是阻礙高性能混凝土的發(fā)展，到現(xiàn)在中、低強(qiáng)度的高性能混凝土，漸漸地得到建筑工程和工程人員的普遍認(rèn)可。當(dāng)今社會(huì)，人們?cè)絹碓揭庾R(shí)到“高質(zhì)量的工程必須要配套使用高性能混凝土”。

在國(guó)家和人民對(duì)環(huán)境保護(hù)越來越重視的今天，混凝土是否能夠依然堅(jiān)挺地作為建筑材料中最主要的工程結(jié)構(gòu)材料，重點(diǎn)在于它是否能夠成為綠色建筑材料，于是綠色高性能混凝土應(yīng)運(yùn)而生，它將擔(dān)負(fù)起歷史的重任，為建筑材料的歷史進(jìn)程作出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。綠色高性能混凝土能夠節(jié)約更多的原輔材料，更加有效地減少了環(huán)境污染問題，相應(yīng)地也可以大幅度降低材料和能源的消耗；同時(shí)還可以摻加一般工業(yè)固廢的廢渣廢料為主要成分的細(xì)摻料，可以代替部分熟料，改善施工和作業(yè)環(huán)境，充分利用部分工業(yè)固廢，減少甚至是避免環(huán)境二次污染；能夠最大限度地體現(xiàn)高性能混凝土的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，充分減少普通水泥與一般混凝土的用量，從而達(dá)到節(jié)約自身資源、能源和間接改善自然環(huán)境的目的。

2 土木建筑材料中的綠色材料

土木建筑材料中的綠色材料，因其有一定的優(yōu)勢(shì)，特別是其力學(xué)性能尤為突出，使其在土木工程建筑材料的尖端設(shè)計(jì)中被頻繁地使用。但是，需要我們注意的是，在其運(yùn)用的過程中，必須遵循相關(guān)的科學(xué)標(biāo)準(zhǔn)，堅(jiān)決不盲目地使用，在與現(xiàn)實(shí)規(guī)律相吻合的前提下，才能更好地發(fā)揮綠色材料固有的作用和價(jià)值。

2.1 土木建筑材料中綠色材料分類

在土木建筑材料中提出使用綠色材料的時(shí)間并不是很長(zhǎng)，所以其應(yīng)用體系還不夠完善，在綠色材料的分類上沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。本文根據(jù)土木建筑材料中的綠色材料特點(diǎn)和定義作為分類依據(jù)，將其分為安全型、可循環(huán)型、節(jié)能型和健康型。安全型表示的是材料的性質(zhì)非常穩(wěn)定，在生產(chǎn)環(huán)節(jié)和使用環(huán)節(jié)都能夠?qū)崿F(xiàn)安全控制；可循環(huán)型主要指的是該類型的綠色材料能夠進(jìn)行重復(fù)使用，可以達(dá)到節(jié)約資源的目的；節(jié)能型表示的是該類型的綠色材料具有節(jié)能環(huán)保作用，在使用過程中能夠減低建筑資源的浪費(fèi)，能夠提高材料的使用效果，不會(huì)存在浪費(fèi)現(xiàn)象；健康型表示的是該類型材料沒有毒性、不會(huì)造成二次污染，對(duì)人類的身體健康不會(huì)造成任何傷害。

還有一種分類方式，即按照土木建筑材料的性能特點(diǎn)，可以將綠色材料分為功能型綠色材料、裝飾型綠色材料和結(jié)構(gòu)型綠色材料。其中功能型綠色材料必然是具備一定功能性質(zhì)，在土木工程中進(jìn)行使用時(shí)能夠有比較明顯的指標(biāo)優(yōu)勢(shì)，比如高分子復(fù)合材料就是一種功能型綠色材料；裝飾型綠色材料就是在土木建筑中能夠具備一定的裝飾作用，比如各種涂料、納米除臭除菌材料和保溫材料等；結(jié)構(gòu)型綠色材料主要指的是防水木材、輕型鋼材和環(huán)保水泥等材料。

2.2 土木建筑材料中綠色材料運(yùn)用原則

在現(xiàn)場(chǎng)施工過程中，我們還應(yīng)注意以下要求：必須對(duì)所需要建設(shè)建筑的各項(xiàng)指標(biāo)做到胸有成竹，了解各個(gè)指標(biāo)的具體設(shè)計(jì)要求，選用最適用的技術(shù)，進(jìn)行綠色材料的選取工作，保證能夠充分發(fā)揮所使用的綠色材料的各項(xiàng)性能，充分發(fā)揮環(huán)境保護(hù)作用。針對(duì)現(xiàn)階段超高層建筑的設(shè)計(jì)要求，按照我國(guó)傳統(tǒng)建筑材料的承重效果，己經(jīng)很難滿足，然而綠色建筑材料卻能使超高層建筑的設(shè)計(jì)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，將綠色材料運(yùn)用到建筑的頂端，不僅提高了建筑的內(nèi)涵，而且使建筑更具獨(dú)特的環(huán)保和美感。

在我國(guó)，土木建筑工程的施工周期長(zhǎng)，特別是建筑的外貌施工。相對(duì)來說，綠色材料在外貌施工中的主要作用是保溫、防水和隔熱功能。通過使用綠色建筑材料，不僅可以減少大型空調(diào)設(shè)備的使用，減少了能源的消耗，降低了建設(shè)成本。而且綠色建筑材料具有較好的防水功能，巖棉板就是綠色建筑材料里的一匹黑馬，是綠色建筑材料和高科技結(jié)合而生的，其憎水功能特別強(qiáng)大，可以最大限度地保護(hù)建筑本體不受外來水體的傷害，可以避免建筑材料的風(fēng)化現(xiàn)象。特別是在空氣濕度較大的地方，如沿海城市浙江臺(tái)州，空氣濕度大、雨天多，然而運(yùn)用綠色建筑材料后［7］，可以保證建筑的安全性能，提高人們的居住條件。特別重要的是，綠色建筑材料中的大多數(shù)材料都能夠有效地屏蔽輻射，有利于人們的身體健康。另外對(duì)于建設(shè)在地震帶附近的工程，憑借綠色建筑材料具有的良好的抗震性能，可以直接地減少地震帶來的危害，降低經(jīng)濟(jì)損失。

3 總結(jié)與展望

在土木建筑材料中大力推進(jìn)高性能混凝土材料和綠色材料的研究和運(yùn)用具有重要的意義，不但有利于社會(huì)現(xiàn)代化的高速發(fā)展，而且有利于生態(tài)環(huán)境保護(hù)。在改革開放新時(shí)期，人們不僅注重建筑的質(zhì)量，也不斷追求綠色生活，所以在土木建筑材料的運(yùn)用過程中，不僅需要使用相應(yīng)的高性能混凝土，也要合理選擇綠色建筑材料，并科學(xué)地運(yùn)用，滿足人們對(duì)環(huán)保的需求。雖然如今的建筑材料種類非常豐富，性能相比以前也有了很大提高，但是土木建筑材料還處于不斷發(fā)展的階段，性能和環(huán)保節(jié)能更好的建筑材料將會(huì)不斷開發(fā)，推動(dòng)著土木工程向前不斷發(fā)展。