綠色高性能混凝土技術(shù)研究淺析

  混凝土技術(shù)的優(yōu)劣是以強(qiáng)度作為主要依據(jù)的。特別是上世紀(jì)70年代末，由于減水劑和高活性混凝土摻合料的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，使高強(qiáng)混凝土的制備進(jìn)入了一個(gè)新階段，采用普通混凝土施工工藝，已能較容易配制出80～100MPa的高強(qiáng)混凝土。但是，隨著破壞造成的結(jié)構(gòu)崩塌事故在各地接連發(fā)生，使人們意識(shí)到混凝土強(qiáng)度增加帶來(lái)的脆性問(wèn)題已影響到高強(qiáng)混凝土的使用安全。特別是諸如海洋、核電站、高層、大跨度建筑工程領(lǐng)域提出的各種苛刻的要求，迫使混凝土朝著高性能化方向發(fā)展。目前，混凝土的高性能化已引起各國(guó)土木建筑與材料工程界的高度重視。據(jù)預(yù)測(cè)，今后的100～200a內(nèi)，混凝土將成為最主要的工程結(jié)構(gòu)材料，而高性能混凝土將占主導(dǎo)地位。長(zhǎng)期以來(lái)，混凝土一直被認(rèn)為是堅(jiān)固耐久的材料，但實(shí)踐證明普通混凝土并不總是耐久的。許多國(guó)家當(dāng)初修建的一些基礎(chǔ)設(shè)施工程已進(jìn)入老化期，其維修和更新不僅耗資巨大而且影響社會(huì)生產(chǎn)和生活秩序。如何改善混凝土的耐久性和解決混凝土的脆性問(wèn)題，配制出工作性能優(yōu)良、使用壽命長(zhǎng)于100a甚至達(dá)到200～300a的高性能混凝土，成為非常迫切的重要課題。

  一、高性能混凝土的定義與特征

  1990年5月，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）與美國(guó)混凝土協(xié)會(huì)（CAI）召開(kāi)會(huì)議，首次提出高性能混凝土（HPC）這個(gè)名詞。對(duì)高性能混凝土至今國(guó)際上沒(méi)有一個(gè)公認(rèn)的定義，美國(guó)和加拿大的學(xué)者強(qiáng)調(diào)并側(cè)重的是硬化后混凝土的性能，特別是耐久性；而日本學(xué)者則重視混凝土在新拌狀態(tài)的高流動(dòng)性與自密實(shí)性。綜合各國(guó)學(xué)者的意見(jiàn)，高性能混凝土既然名之為“高性能”，就意味著能體現(xiàn)工程設(shè)計(jì)和施工所要求的綜合的優(yōu)異的技術(shù)特性。具體體現(xiàn)在：1、具有高抗?jié)B性（高耐久性的關(guān)鍵性能）。2、具有高體積穩(wěn)定性（低干縮、低徐變、低溫度應(yīng)變率和高彈性模量）。3、具有適當(dāng)?shù)母呖箟簭?qiáng)度。4、具有良好的施工性能（高流動(dòng)性、高粘聚性、達(dá)到自密實(shí)）。

  二、混凝土材料發(fā)展帶來(lái)的問(wèn)題

  資料表明，從公元前2世紀(jì)采用天然火山灰、石灰、碎石拌制天然混凝土開(kāi)始，用于一般的民用建筑，到1824年，英國(guó)人JAspdin發(fā)明了波特蘭水泥，即燒制硅酸鹽水泥、1861年，法國(guó)花匠J.Manier發(fā)明了制造鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的方法，1867年出現(xiàn)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件，1940年開(kāi)始采用了預(yù)應(yīng)力混凝土技術(shù)，從此混凝土技術(shù)有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，為建造高層建筑和大跨度橋梁提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。這個(gè)時(shí)期的混凝土性能，大多以滿足強(qiáng)度要求和如何獲得較高強(qiáng)度的混凝土，作為科研和生產(chǎn)的主要工作目標(biāo)。

  進(jìn)一步的研究成果表明，如今，尚且沒(méi)有能夠完全取代混凝土作為結(jié)構(gòu)材料的其它材料，混凝土材料在今后50年內(nèi)還將是應(yīng)用最廣、用量最大的建筑材料。目前，全世界水泥年產(chǎn)量達(dá)15億噸以上，我國(guó)水泥年產(chǎn)量達(dá)5.1億噸，占世界產(chǎn)量的三分之一。

  由水泥作為主要膠凝材料的混凝土，其特殊的性能及施工工藝的簡(jiǎn)單易行，已成為現(xiàn)代工程建設(shè)、影響人們生活方式的主要建筑材料。然而，工業(yè)技術(shù)的發(fā)展源于它的發(fā)展基礎(chǔ)、且由于同時(shí)存在著它自身發(fā)展過(guò)程的缺欠，存在著人們認(rèn)識(shí)能力的原因等，使得混凝土材料在給我們帶來(lái)現(xiàn)代文明的同時(shí)，也造成許多問(wèn)題。如資源的無(wú)節(jié)制的消耗和生產(chǎn)帶來(lái)的環(huán)境污染問(wèn)題。不能不引起各方面的極大關(guān)注和重視。

  混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性能與其工作環(huán)境有關(guān)，工程實(shí)踐表明，在長(zhǎng)期環(huán)境因素作用下，混凝土構(gòu)件遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)壽命，這不僅是原設(shè)計(jì)理論估計(jì)的不足，也反映了環(huán)境變化的復(fù)雜性。因此，混凝土構(gòu)建過(guò)早的出現(xiàn)裂縫甚至倒塌?；炷聊途眯赃_(dá)不到要求，要花費(fèi)大量財(cái)力用于工程維修和重建，如在美國(guó)，今后混凝土工程維修和重建費(fèi)用高達(dá)3000億美元。配制新的混凝土和拆除建筑廢棄的混凝土，都將增加能源消耗和環(huán)境負(fù)擔(dān)。僅美國(guó)每年大約有6000萬(wàn)噸廢棄混凝土，日本每年約有1600萬(wàn)噸廢棄混凝土，我國(guó)的情況也未必樂(lè)觀?？梢?jiàn)廢舊建筑材料的數(shù)量之大，令人驚嘆。

  綜上所述，發(fā)展高性能混凝土，必須綜合評(píng)價(jià)和協(xié)調(diào)混凝土對(duì)原材料、土地、水和勞動(dòng)力等資源消耗、能源消耗和環(huán)境付出的代價(jià)與經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益和人類生存的長(zhǎng)遠(yuǎn)利益，走可持續(xù)發(fā)展道路。

  三、有關(guān)可持續(xù)高性能混凝土技術(shù)的探討

  可持續(xù)發(fā)展是人類社會(huì)發(fā)展中的重要認(rèn)識(shí)成果，其本質(zhì)是努力應(yīng)用科學(xué)的、技術(shù)的和經(jīng)濟(jì)的知識(shí)，去消除由于無(wú)節(jié)制的技術(shù)發(fā)展所造成的負(fù)面影響?？沙掷m(xù)發(fā)展的主要方面是通過(guò)保護(hù)和不必要的消耗來(lái)更有效地利用資源，控制使用資源，使其可達(dá)到良性循環(huán)，或利用消耗材料的數(shù)量達(dá)到最小限度。因此，高性能混凝土材料的可持續(xù)發(fā)展，其出路在于應(yīng)用現(xiàn)代混凝土的科學(xué)技術(shù)來(lái)增加混凝土的使用壽命，同時(shí)提高材料和構(gòu)件的耐久性，盡量減少造成修補(bǔ)或拆除的浪費(fèi)，盡可能的利用工業(yè)副產(chǎn)品和廢棄物，盡量減少自然資源和能源消耗，減少對(duì)環(huán)境的污染。

  可見(jiàn)，高性能混凝土技術(shù)的核心，是在獲得混凝土高性能的同時(shí)，必須堅(jiān)持其可持續(xù)發(fā)展的發(fā)展原則，無(wú)論是科研還是生產(chǎn)都必須遵守這一原則。如何求得高性能混凝土技術(shù)的科學(xué)發(fā)展，保持其旺盛的生命力，使我們科研工作者要回答的問(wèn)題。

  首先，保持和加強(qiáng)環(huán)境系統(tǒng)的生產(chǎn)和更新能力才有可能可持續(xù)發(fā)展。發(fā)展高性能混凝土必然要消耗一定的資源，包括原材料如水、礦藏和能源，盡管有些資源是不可再生的，但是應(yīng)該能夠通過(guò)技術(shù)研究，提高混凝土的使用性能，使其重復(fù)再消耗的周期延長(zhǎng)，即使是消耗也應(yīng)該在人類能夠接受的水平以內(nèi)。我們不奢望完全不消耗，這也不是可持續(xù)發(fā)展的本意。但是有了這樣一個(gè)原則，至少對(duì)人類的未來(lái)展示了較樂(lè)觀的前景。

  其次，人們只能在生存于不超出維持生態(tài)涵容能力的情況下改善自身的生活品質(zhì)。如果不改造粗放型的水泥生產(chǎn)企業(yè)，不改造混凝土的傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝，那么高性能混凝土技術(shù)的發(fā)展，必將帶來(lái)它的負(fù)面效應(yīng)，嚴(yán)重的資源浪費(fèi)和環(huán)境的破壞，終有一天會(huì)出現(xiàn)超出維持生態(tài)涵容能力的情況，這將嚴(yán)重的危害人類的生存！教訓(xùn)是深刻的。

  再次，“在保持自然資源的質(zhì)量及其所提供服務(wù)的前提下，使經(jīng)濟(jì)發(fā)展的凈利益增加到最大限度。今天的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，不是傳統(tǒng)意義上的以犧牲資源和環(huán)境為代價(jià)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，而是不降低環(huán)境質(zhì)量和不破壞自然資源基礎(chǔ)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展?！币簿褪?，如果說(shuō)歷史上混凝土的發(fā)展是簡(jiǎn)單的求得保證使用性能“能夠”的話，那么高性能混凝土則是要求得某一使用方面的“最佳”，這是一個(gè)系統(tǒng)優(yōu)化，是包含著整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程及其產(chǎn)品本身性能的“最佳”。

  最后，“可持續(xù)發(fā)展就是轉(zhuǎn)向更清潔更高效的技術(shù)——盡可能的做到‘零排放’或‘密閉式’的工藝方法?！币簿褪钦f(shuō)高性能混凝土是綠色高性能混凝土。它應(yīng)滿足（1）混凝土所用的水泥應(yīng)該是綠色水泥。即是指生產(chǎn)水泥的企業(yè)是綠色型的企業(yè)。（2）最大限度的節(jié)約水泥，減少水泥生產(chǎn)中的廢氣、粉塵的污染排放。（3）更多的摻入工業(yè)廢料，節(jié)約水泥，改善環(huán)境、保護(hù)環(huán)境。（4）改善混凝土施工手段，建立混凝土集中攪拌站，發(fā)展商品混凝土，減少由于施工帶來(lái)的機(jī)械噪聲和環(huán)境污染。（5）對(duì)大量廢舊混凝土采取回收利用措施，最大限度的處理廢舊建筑材料。