綠色高性能混凝土材料及其應(yīng)用研究

王利莉

（廣州科技職業(yè)技術(shù)大學(xué)，廣東廣州 510550）

混凝土是工程建設(shè)中最為常見(jiàn)的人造材料，其在被廣泛應(yīng)用的同時(shí)，也加劇了環(huán)境污染，如主要原料水泥帶來(lái)的污染與耗能問(wèn)題、河砂開采帶來(lái)的水土破壞及資源稀缺問(wèn)題等［1］，所以混凝土的生產(chǎn)及使用，對(duì)地球環(huán)境、資源消耗、人類生活空間狀況等均有著顯著的影響［2］。在當(dāng)下城市中，多數(shù)建筑物及路面均以混凝土為材料，這將不可避免地進(jìn)一步加劇熱島現(xiàn)象［3］。同時(shí)，質(zhì)地脆、硬的混凝土對(duì)地表植物的種植有不良影響，不利于構(gòu)建海綿城市，且其表面觀感粗糙，整體觸覺(jué)不佳，顏色較為灰暗，環(huán)境營(yíng)造效果差［4］。

基于上述背景，綠色高性能混凝土（Green High Performance Concrete，GHPC）應(yīng)運(yùn)而生［5］。目前，關(guān)于高性能混凝土的研究并不鮮見(jiàn)，但針對(duì)綠色高性能混凝土的報(bào)道則相對(duì)較少。張平等［6］通過(guò)對(duì)低品質(zhì)的粉煤灰和礦粉進(jìn)行活化作用，制備出了低碳型復(fù)合礦物摻合料，并研究了其對(duì)高性能混凝土性能的影響；陳劍毅等［7］以粉煤灰、礦渣、沸石和硅藻土為混凝土摻合料，在自然養(yǎng)護(hù)和復(fù)合鹽凍融環(huán)境下分別進(jìn)行了混凝土抗壓強(qiáng)度的試驗(yàn)，并基于配合比的正交試驗(yàn)，分析了相關(guān)的影響因素，得出了綠色高性能混凝土的最優(yōu)的配比組合；楊德勝［8］則從新時(shí)代我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的特點(diǎn)出發(fā)，認(rèn)為大力發(fā)展綠色高性能混凝土是建設(shè)行業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的契機(jī)。上述文獻(xiàn)大多側(cè)重于性能試驗(yàn)或政策方面，為此，本文在前人研究的基礎(chǔ)上，對(duì)綠色高性能混凝土的基本概念與組成、特點(diǎn)以及三種常見(jiàn)的應(yīng)用類型等進(jìn)行了總結(jié)論述，以期為同行提供參考。

1 綠色高性能混凝土的概念與組成

1.1 綠色高性能混凝土的概念

綠色高性能混凝土這一概念是我國(guó)建筑材料專家吳中偉院士于1997年提出的，其在高性能混凝土（HPC）的基礎(chǔ)上，強(qiáng)調(diào)要素“綠色“而形成，目的是加強(qiáng)人們對(duì)綠色環(huán)保的重視，減少環(huán)境破壞，實(shí)現(xiàn)混凝土和建筑工程的長(zhǎng)期可持續(xù)發(fā)展［5］，是今后混凝土的主要發(fā)展方向。作為新時(shí)期環(huán)保建筑類材料，綠色高性能混凝土的“綠色”主要體現(xiàn)為節(jié)約資源與能源、對(duì)環(huán)境友好及可持續(xù)發(fā)展，而“高性能”則主要體現(xiàn)在高強(qiáng)度與高耐久性、抗損害性能、穩(wěn)定性以及高抗裂性等方面。綠色高性能混凝土代表了混凝土的發(fā)展方向，是一種有益于人體健康的新型混凝土。從實(shí)際應(yīng)用角度看，人們所稱的綠色高性能混凝土一般是指在生產(chǎn)配制時(shí)大量利用了廢渣礦粉的高性能混凝土。

1.2 綠色高性能混凝土的材料組成

綠色高性能混凝土實(shí)際構(gòu)成材料與普通混凝土并無(wú)大的差異，即為基本的水泥、水、粗集料、細(xì)集料，以及必要的礦物摻合料與外加劑等，但在每種材料的選用上突出了“綠色”的原則，主要是摻加更多的工業(yè)廢渣，節(jié)約更多的水泥熟料，以及依靠高性能減少總體水泥與混凝土的用量。在實(shí)際應(yīng)用中，為提升混凝土結(jié)構(gòu)密實(shí)程度，增強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)耐久性，應(yīng)結(jié)合工程不同特點(diǎn)，因地制宜，合理確定綠色高性能混凝土的施工配合比，如：

（1）在混凝土制作時(shí)加入硅灰、鋼渣等磨細(xì)工業(yè)廢料，既可提高經(jīng)濟(jì)性，又能保護(hù)環(huán)境；在有偏高嶺土、火山灰、硅藻土等條件的項(xiàng)目中，將其加入到混凝土制作過(guò)程中，可獲得較好的經(jīng)濟(jì)效益；在混凝土生產(chǎn)中針對(duì)煤矸石的應(yīng)用進(jìn)行試驗(yàn)，并在一定程度上推廣嘗試，對(duì)于環(huán)境保護(hù)意義重大。

（2）在混凝土生產(chǎn)中，綠色高性能混凝土的材料選用須以保證混凝土的可泵性、力學(xué)性能以及耐久性為前提，注重高效外加劑與礦物摻合料的應(yīng)用，合理控制水膠比，使混凝土具有良好的工作性，提高環(huán)境適應(yīng)性與經(jīng)濟(jì)學(xué)。

（3）實(shí)際工程應(yīng)用證明，摻合料以及外加劑的摻量與性能以及水膠比等指標(biāo)，對(duì)綠色高性能混凝土的主要性能具有主導(dǎo)影響，因此在材料選用時(shí)應(yīng)加強(qiáng)相應(yīng)的檢測(cè)與試驗(yàn)，確定設(shè)備的精度與可靠性，在保證材料性能的條件下，更多地選用工業(yè)廢料與廢渣，減少水泥熟料的使用量。

2 綠色高性能混凝土的特點(diǎn)

綠色高性能混凝土憑借自身優(yōu)勢(shì)，在建筑工程中得到了一定范圍的應(yīng)用，其區(qū)別于常規(guī)混凝土的特點(diǎn)，主要體現(xiàn)在以下幾方面：

（1）高強(qiáng)度。作為綠色高性能混凝土最為典型的特征，多數(shù)學(xué)者認(rèn)為綠色高強(qiáng)度混凝土需具有高強(qiáng)的基本特征，其實(shí)際強(qiáng)度不應(yīng)低于50~60 MPa，實(shí)際項(xiàng)目中應(yīng)用的混凝土強(qiáng)度超過(guò)C100。

（2）高耐久性。綠色高性能混凝土自身應(yīng)擁有良好的抗?jié)B透性、抗腐蝕性，混凝土結(jié)構(gòu)需具備較強(qiáng)的致密性，使其呈現(xiàn)為低溫度應(yīng)變、低徐變特征，且實(shí)際硬化過(guò)程中整體體積不會(huì)發(fā)生較大的變化，水化熱較低，溫度升高波動(dòng)較小，外觀結(jié)構(gòu)密實(shí)度優(yōu)良，即便處于惡劣環(huán)境下其實(shí)際使用壽命也較長(zhǎng)，不易產(chǎn)生宏觀、微觀裂縫，始終保證抗?jié)B性滿足相關(guān)要求［10］。

（3）高工作性。其實(shí)際運(yùn)輸過(guò)程中，具有較高的流動(dòng)度，無(wú)需進(jìn)行振搗，綠色高性能混凝土拌合物除高流動(dòng)性之外，還需具有良好的填充和離析能力。

（4）經(jīng)濟(jì)合理性。因高性能混凝土中含有大量的工業(yè)廢棄渣料，在節(jié)省大量能源的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)環(huán)境保護(hù)目標(biāo)。其單價(jià)成本高于普通混凝土，但因減少人工、機(jī)械費(fèi)用等，其整體的建設(shè)成本還是低于普通混凝土，利用綠色高性能混凝土建設(shè)工程，可大幅度減輕建筑結(jié)構(gòu)自身重量，減少材料實(shí)際用量及運(yùn)輸量，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益最大化。

3 綠色高性能混凝土的應(yīng)用

3.1 植被混凝土

植被混凝土主要是指滿足綠色植物生長(zhǎng)，且具有相應(yīng)防護(hù)能力的混凝土，其主要是由植物、泥土等材料構(gòu)成。我國(guó)北方區(qū)域內(nèi)存在大量的沙漠侵蝕、水土流失較為嚴(yán)重的區(qū)域，需結(jié)合實(shí)際狀況，選取大量的固沙、固土材料。城市混凝土化和高熱環(huán)境需從本質(zhì)得以有效治理，開發(fā)植被混凝土是最直接、最高效的方法，植被混凝土可顯著增加整個(gè)城市綠色空間，大幅度吸收噪聲及其塵土，對(duì)城市整體氣候生態(tài)均衡具有較佳的作用。

當(dāng)下植被型混凝土不僅擁有混凝土自身材料基本功能，而且具備保護(hù)環(huán)境、改善生態(tài)環(huán)境優(yōu)勢(shì)。植被混凝土自身實(shí)際容重為14~15 kN/m3，孔隙率為30%~45%，自身性能較為優(yōu)良、抗光照性能較佳，自身抗沖刷能力可進(jìn)一步抵御120mm/h降雨。普通掛網(wǎng)客土噴播難以長(zhǎng)期處于高陡巖石邊坡上，作為一類新型防護(hù)技術(shù)，植被混凝土由多種混合料構(gòu)成，機(jī)械化水平較高，選取干式噴錨機(jī)進(jìn)行噴播，實(shí)際噴射距離較遠(yuǎn)，且具有較強(qiáng)的抗沖刷能力，用于陡峭的巖石邊坡中優(yōu)勢(shì)十分凸顯［11］。

3.2 透水性混凝土

相較于傳統(tǒng)混凝土，透水性混凝土最為典型的特征為擁有15%~30%的連通孔隙，自身透水性十分優(yōu)良，此種材料用于道路、廣場(chǎng)等鋪設(shè)過(guò)程中，可顯著擴(kuò)展城市透水面積，為行車、人員提供良好的舒適性及安全性，進(jìn)一步調(diào)整城市空氣溫濕度，保證土壤自身水位及生態(tài)均衡性。伴隨當(dāng)下人類對(duì)生態(tài)環(huán)境保護(hù)的愈發(fā)重視，透水性混凝土使用較為廣泛，其在城市公園、居民小區(qū)、工業(yè)園區(qū)等區(qū)域內(nèi)的路面應(yīng)用中成效優(yōu)良［12］。具體來(lái)說(shuō)，透水性混凝土具備以下優(yōu)點(diǎn)：一是可進(jìn)一步增加城市可透水、透氣面積，強(qiáng)化地表與空氣自身熱量、水分相互間的交換，對(duì)整個(gè)城市氣候調(diào)節(jié)優(yōu)化具有促進(jìn)作用，可從本質(zhì)層面緩解“熱島現(xiàn)象”；二是可最大限度使用雨雪降水，增大地表實(shí)際溫濕度，改善城區(qū)內(nèi)水資源匱乏現(xiàn)狀；三是大幅度緩解雨季道路排水系統(tǒng)整體負(fù)擔(dān)，減少不良天氣對(duì)城市水資源產(chǎn)生的污染；四是可及時(shí)吸收車輛產(chǎn)生的較大噪聲，為人們創(chuàng)設(shè)良好的生活環(huán)境，避免雨天路面積水和夜間反光。

3.3 水生物保護(hù)型混凝土

水生物保護(hù)型混凝土具體是指，結(jié)合生物生長(zhǎng)特征及其規(guī)律，創(chuàng)設(shè)良好的生物空間及其孔隙，為水生物營(yíng)造良好的生長(zhǎng)環(huán)境，主要依托共生或相互間作用形成完整的食物鏈，促使混凝土周圍水質(zhì)對(duì)生物生長(zhǎng)不會(huì)產(chǎn)生較大的影響，為海洋生物和淡水生物的良好生長(zhǎng)提供條件，實(shí)現(xiàn)保護(hù)生態(tài)環(huán)境目標(biāo)。此類混凝土主要適用于江、河、湖等區(qū)域內(nèi)。水生物保護(hù)型混凝土實(shí)際配制過(guò)程中，需充分以植被綠化型混凝土為基礎(chǔ)。應(yīng)用于海洋環(huán)境中時(shí)，混凝土受外界因素侵蝕較多，所以在保證低堿度多孔的基礎(chǔ)上，應(yīng)采取措施最大限度提高混凝土在海洋中的抗腐蝕性。此外，其還可用于淡水水域中河床、護(hù)岸等構(gòu)件，將其構(gòu)件表面形成凹凸不平的形狀，保證其適應(yīng)于自然狀態(tài)的河床、河岸形態(tài)，可為各類植物提供生長(zhǎng)場(chǎng)所，凈化水質(zhì)，保護(hù)生物多樣及生態(tài)環(huán)境均衡性［13］。

4 總結(jié)與展望

從初期環(huán)節(jié)的原材料至具體的工程應(yīng)用，綠色高性能混凝土的研究包含多個(gè)環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)混凝土生產(chǎn)“綠色化”，需積極開展以下工作：

（1）加強(qiáng)高性能混凝土的科研開發(fā)、標(biāo)準(zhǔn)制定，以及人們的環(huán)保節(jié)能意識(shí)，進(jìn)一步加大宣傳綠色概念，促使混凝土生產(chǎn)各環(huán)節(jié)予以重視。綠色混凝土已成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)，逐步推廣使用該材料，符合未來(lái)可持續(xù)發(fā)展的理念。

（2）工程設(shè)計(jì)人員需不斷更新混凝土設(shè)計(jì)方法，施工人員需遵循相應(yīng)的原則，保證施工質(zhì)量達(dá)標(biāo)。實(shí)踐數(shù)據(jù)顯示，粉煤灰替代率為35%~50%的低強(qiáng)度等級(jí)混凝土，可大面積用于道路路基中，在大體積混凝土工程中應(yīng)用加入了大量粉煤灰的混凝土，成效較佳。

（3）對(duì)紙漿廢液進(jìn)行進(jìn)一步加工處理，開發(fā)以紙漿為核心原材料的各類外加劑，并擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。長(zhǎng)期以來(lái)，黑色紙漿廢液是影響我國(guó)多個(gè)河道污染的主要因素，有效處理廢漿具有重大意義，充分應(yīng)用紙漿廢液制作最終的減水劑，不僅可節(jié)省大量費(fèi)用支出，還可避免造紙廠廢棄液體對(duì)環(huán)境、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的不利影響。

（4）研究和制定綠色高性能混凝土質(zhì)量控制方法、驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)等。沿用原有混凝土的質(zhì)量控制方法，難以滿足現(xiàn)下實(shí)際需求，一定程度影響綠色高性能混凝土生產(chǎn)者的積極性，不利于大面積推廣及應(yīng)用。綠色混凝土材料作為我國(guó)建筑產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展基礎(chǔ)，需積極加大其研究開發(fā)力度，對(duì)其存在問(wèn)題及時(shí)解決，尤其在技術(shù)及資金方面予以支持。此外，綠色高性能混凝土要求具有良好的耐久性，但對(duì)其質(zhì)量進(jìn)行綜合評(píng)定時(shí)，尚僅依靠現(xiàn)行的標(biāo)準(zhǔn)考量，未重視耐久性指標(biāo)，因此，規(guī)范的質(zhì)量控制方法與標(biāo)準(zhǔn)亟待制定。