綠色高性能混凝土材料的研究

王宏利

（安徽省亳州市泰合混凝土制品有限公司， 安徽 亳州 236800）

0 引言

混凝土材料是非常重要的建筑材料，傳統(tǒng)的混凝土材料不論是從生產(chǎn)環(huán)節(jié)還是從應(yīng)用階段，都會(huì)對生態(tài)環(huán)境造成破壞，而綠色高性能混凝土材料的研發(fā)和使用可以很好地規(guī)避這種環(huán)境破壞風(fēng)險(xiǎn)，通過科學(xué)有效的措施，將綠色高性能混凝土材料和建筑工程緊密結(jié)合，可以大幅度的減少建筑行業(yè)生產(chǎn)施工對于環(huán)境的污染，符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略要求，綠色高性能混凝土材料的研發(fā)和應(yīng)用對于我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展有著重要意義。

1 發(fā)展綠色建筑材料的重要作用

1.1 傳統(tǒng)建材對環(huán)境造成的影響

就能源及資源消耗來看，建材工業(yè)的能源消耗及資源消耗非常大，建筑材料的生產(chǎn)也是城市及區(qū)域環(huán)境的重要污染源。就環(huán)境污染而言，建材行業(yè)所產(chǎn)生的粉煤灰、氮化物、硫化物、二氧化碳、廢水、固體廢料等排放量均非常大。就人體健康的影響而言，建筑材料會(huì)在很大程度上對人體的健康帶來負(fù)面影響，例如花崗石板材中的放射性元素、化學(xué)建材中的甲醛、氟氯烴等，陶瓷中含有的鉛等。建筑裝飾材料中有很多材料都是易燃物品，燃燒過程會(huì)產(chǎn)生大量有害氣體；建筑裝飾材料如泡沫聚苯烯也是白色污染的重要來源。綠色建材需要滿足建材防火安全標(biāo)準(zhǔn)，監(jiān)控耐火等級及有毒有害氣體排放、放射性等，從而為人們的身體健康提供保障。就資源可持續(xù)利用方面，很多材料拆除后沒有充分利用而是隨意堆放、填埋，沒有充分利用混凝土廢棄物及石料，造成資源的浪費(fèi)。

以混凝土為例，砂石骨料是混凝土的主要部分，水泥作為膠凝材料，其原料為黏土及石灰石，大規(guī)模生產(chǎn)水泥及混凝土可引起河床的形狀及位置改變，可引起河流改道、水土流失等；原料的開采及運(yùn)輸也是重要的消耗能源的環(huán)節(jié)；水泥生產(chǎn)過程中可釋放大量二氧化碳；水泥的生產(chǎn)及施工過程中，可引起粉塵污染、噪音污染等。

1.2 綠色建筑材料的優(yōu)勢及意義

與傳統(tǒng)建材相比，綠色材料具有以下優(yōu)勢：（1）原料盡可能減少天然資源的使用，而是將廢液、廢渣、尾礦等廢棄物作為生產(chǎn)原料；（2）產(chǎn)品生產(chǎn)、配置過程中不使用或少使用對環(huán)境有害的顏料、添加劑；（3）生產(chǎn)工藝對環(huán)境造成污染小或無環(huán)境污染，制造工藝能耗低；（4）產(chǎn)品對人體健康無害；（5）產(chǎn)品可回收再利用。

因此，綠色建材可以滿足可持續(xù)發(fā)展的需要，兼顧眼下需求與長遠(yuǎn)發(fā)展，可實(shí)現(xiàn)發(fā)展與環(huán)境的統(tǒng)一，可以讓人們對健康、舒適、安全等的需求得到滿足，不會(huì)損害后代人對資源及環(huán)境的需求。

2 高性能混凝土的研究

2.1 高性能混凝土的定義

當(dāng)前對高性能混凝土還沒有統(tǒng)一的定義或解釋，按照人們對高性能混凝土的應(yīng)用范圍、要求、目的等，對高性能混凝土存在不同的定義。但無論定義如何，人們都強(qiáng)調(diào)的是高性能混凝土的耐久性，因此高性能混凝土并非指的是混凝土的具體品種，而是對混凝土的質(zhì)量、性能的要求、保證。

2.2 高性能混凝土的組成

混凝土是粗骨料、細(xì)骨料、水泥、水四種基本組分構(gòu)成的復(fù)合材料，根據(jù)需要可以加入礦物質(zhì)超細(xì)粉以及外加劑。

（1）水。滿足國家標(biāo)準(zhǔn)的生活飲用水可以應(yīng)用于直接拌制混凝土。其余的水源則對雜質(zhì)含量有一定要求，以鋼筋混凝土為例，要求，要求Cl-＜1200mg/L，要求可溶物＜5000mg/L，要求不溶物＜2000mg/L，要求PH值＞4。

（2）骨料。高性能混凝土對骨料的要求較高。要求骨料的級配良好，盡量降低骨料的空隙率，骨料的粗細(xì)大小要合適。骨料的物理性能要合適，堆積密度及表觀密度要合適，粒形要好，表面有一定粗糙度，吸水率要低；就力學(xué)性能方面，骨料的力學(xué)性能要滿足要求，不能使用風(fēng)化骨料或者是含有軟弱顆粒的骨料，要確保骨料的彈性模量較大以保證混凝土的彈性模量。在骨料的化學(xué)性能方面，骨料中不能含有硫酸鹽、硫化物及有機(jī)物等雜質(zhì)；不能含有泥塊，整體含泥量不高于1%；骨料宜采用沒有堿活性的骨料。

（3）水泥。水泥分為硅酸鹽水泥、特種水泥以及混合水泥。水泥熟料的礦物成分包括C4AF、C3S、C3A及C2S，制備高性能水泥時(shí)主要是通過對四種礦物含量進(jìn)行調(diào)整、增加摻合料如粉煤灰、加入外加劑制備?？沽蛩猁}水泥中C3A含量比較低以發(fā)揮抗硫酸鹽腐蝕的效果；低熱水泥、中熱水泥除了C4AF以外其余礦物的含量均較低以降低水化熱。針對混凝土的不同需求要選擇不同品種的水泥，一般而言，高性能混凝土主要選擇的是普通硅酸鹽水泥。

（4）外加劑?；炷镣饧觿┌p水劑、加氣劑、引氣劑、緩凝劑及早強(qiáng)劑等，其中高效減水劑是提高混凝土強(qiáng)度、耐久性以及流動(dòng)性的關(guān)鍵，會(huì)在很大程度上影響到高性能混凝土的性能。現(xiàn)對高性能減水劑的特性探討如下。

高效減水劑的分散機(jī)理方面，超細(xì)粉、水泥吸收高效減水劑分子后可在表面形成擴(kuò)散雙電層的粒子分布，靜電的斥力作用下分散水泥粒子，釋放水泥水化所形成的空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)中的束縛水，讓混凝土的流動(dòng)性得到提高。通過對摻量進(jìn)行調(diào)整，讓粒子表面的Zeta點(diǎn)位改變，從而實(shí)現(xiàn)完全分散。

高效減水劑在凝膠粒子表面吸附后，水化反應(yīng)過程中水泥漿體系的粒子持續(xù)分散、水花，超細(xì)粒子水化物進(jìn)一步吸收減水劑的分子，這時(shí)電性中和，立體排斥作用、靜電排斥作用都進(jìn)一步降低，平衡被破壞，這時(shí)范德華力成為主導(dǎo)，水泥漿凝集從而出現(xiàn)坍落度損失。

高效減水劑包括多羧酸系、氨基磺酸系、三聚氰胺系及萘系高效減水劑四種，萘系高效減水劑的減水效果理想，在我國應(yīng)用最多。使用高效減水劑時(shí)需要注意控制硫酸鈉的含量，以免對混凝土的耐久性造成負(fù)面影響。除此以外還要注意控制混凝土的坍落度，避免坍落度迅速損失影響混凝土施工。

2.3 高性能混凝土的技術(shù)路徑

混凝土的耐久性與其抗?jié)B性能直接相關(guān)，抗?jié)B性能則受到混凝土粗骨料與水泥石的界面結(jié)構(gòu)、密實(shí)度有關(guān)，因此高性能混凝土的技術(shù)路徑為調(diào)控水灰比、改善水泥石孔結(jié)構(gòu)以及改善骨料與水泥石界面結(jié)構(gòu)。合理控制混凝土的水灰比，為水泥顆粒的水化效果提供保障，避免出現(xiàn)未水化顆粒及毛細(xì)水，可以確?；炷恋目?jié)B性能良好，高效減水劑的應(yīng)用可以為混凝土的流動(dòng)性及保塑功能提供保障，讓混凝土的密實(shí)性得到提高，從而獲得高性能混凝土。

水泥石含有過多超過100nm的大孔，這會(huì)嚴(yán)重影響混凝土的耐久性、抗?jié)B性以及強(qiáng)度；粗骨料與水泥石之間界面過渡區(qū)的存在造成混凝土的耐久性及強(qiáng)度降低，采用超細(xì)粉來改善混凝土的孔結(jié)構(gòu)以及骨料與水泥石的界面結(jié)構(gòu)，從而提高混凝土的性能。

2.4 高性能混凝土成分的發(fā)展方向

就骨料而言，當(dāng)前我國主要使用花崗巖及石灰石骨料，尋找新的骨料來源是混凝土工業(yè)發(fā)展的重要方向。主要集中在開發(fā)人造輕骨料、利用再生骨料以及開發(fā)低品位骨料的利用技術(shù)。

減水劑是高性能混凝土的重要構(gòu)成部分，減水劑的發(fā)展方向是需更加適用于商品混凝土泵送，進(jìn)一步提高其性能。

對礦物超微粉而言，粉磨技術(shù)不斷發(fā)展，礦物超微粉將更加精細(xì)，其活性將進(jìn)一步提高，從而進(jìn)一步提高混凝土的耐久性、工作性、強(qiáng)度及密實(shí)度；需要超微粉的種類更加豐富，超微粉的應(yīng)用走向綠色化發(fā)展方向。

3 綠色混凝土的研究

3.1 綠色混凝土的特點(diǎn)

綠色混凝土具有以下特點(diǎn)：（1）可減少水泥的使用量，采用工業(yè)廢料代替；（2）與自然環(huán)境協(xié)調(diào)性良好，有害物質(zhì)排放少，可以提高非再生性資源的利用率，這有助于減少能源的消耗，對環(huán)境造成的負(fù)荷??；（3）可以為人們提供安全、舒適、溫和的生存環(huán)境；（4）與傳統(tǒng)混凝土相比，其耐久性、力學(xué)性能更好。

3.2 綠色混凝土實(shí)現(xiàn)路徑

3.2.1 減少水泥用量，充分利用工業(yè)廢料

水泥的生產(chǎn)除了產(chǎn)生粉塵污染以外，還會(huì)排放大量有害氣體，因此水泥工業(yè)對環(huán)境造成的污染非常嚴(yán)重。如何在滿足工程需要的前提下減少水泥的使用量非常重要，充分利用工業(yè)廢料可以很好地解決這一問題。硅灰、煤矸石、?；郀t礦渣、粉煤灰等工業(yè)廢渣具有較高的應(yīng)用價(jià)值，應(yīng)用這些工業(yè)廢渣來代替一定量的水泥，還可以應(yīng)用于制備高性能混凝土，工業(yè)廢渣回收利用可以減少水泥的使用量，也能減少工業(yè)廢渣對環(huán)境造成的影響，其經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益重大。

3.2.2 使用人造骨料、再生骨料

混凝土的制備對砂石的需求量非常高，與此同時(shí)拆除建筑垃圾、新建房屋都會(huì)產(chǎn)生大量廢棄混凝土，這些廢棄混凝土主要是被堆埋，而將其循環(huán)利用為再生骨料，這對節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境及節(jié)約資源都具有非常重要的作用。

海砂資源豐富，可以考慮采用海砂代替河砂、山砂作為細(xì)骨料，這能有效解決細(xì)骨料資源缺乏的問題。海砂的缺陷主要有：（1）海砂含有大量氯離子，這會(huì)對鋼筋造成腐蝕，硫酸根離子可對混凝土造成侵蝕；（2）海砂難以形成級配，需要進(jìn)行一定處理。針對海砂中的鹽分的處理，可以采用自然放置、機(jī)械清洗及灑水清洗等方法進(jìn)行處理。針對級配問題則可以將粗碎砂摻入海砂從而滿足級配要求。因此使用海砂是具有可行性的。

3.2.3 重視與環(huán)境協(xié)調(diào)

為了實(shí)現(xiàn)混凝土與自然環(huán)境的協(xié)調(diào)，可通過混凝土構(gòu)造、形狀及性能的設(shè)計(jì)來降低對環(huán)境造成的影響。例如通過設(shè)計(jì)混凝土的色彩及性能來實(shí)現(xiàn)混凝土與植物的協(xié)調(diào)，如生態(tài)混凝土、生物適應(yīng)型混凝土。除此之外通過控制混凝土的空隙率、空隙特征來提高混凝土吸附氣體的性能、蓄熱性能、吸音性能以及透水性。

3.2.4 提高混凝土綜合性能

提高混凝土的強(qiáng)度可減少結(jié)構(gòu)體積或截面積，這對減少混凝土使用量有利。提高混凝土的耐久性有助于延長建筑物使用壽命，節(jié)省重建、維修的費(fèi)用，這能在一定程度上減少資源消耗。

4 結(jié)束語

綠色高性能混凝土材料是一種綠色、生態(tài)、可持續(xù)發(fā)展的建筑材料，這種材料的使用可以較大程度保護(hù)生態(tài)環(huán)境，但是在材料研究以及推廣過程中，必須要重視材料的配制，最大限度地提升混凝土的性能，而在實(shí)際的運(yùn)用過程中，如何更好地提升減水劑的減水率、提升混凝土的密實(shí)性和抗凍融性能是建筑行業(yè)需要不斷創(chuàng)新的方向。