论混凝土在建筑施工中的可持续发展

　　摘要：混凝土原材料的开采、制造及使用方面的控制及对环境的影响，面对可持续发展的问题，我们应如何利用及注意哪些负面影响。
　　关键词：混凝土；原材料；可持续发展；环保
　　
　　在建筑结构的使用材料中，混凝土具有不可替代的优势。从原因材料开采、加工生产直到构件完成制作。100年来，混凝土在人类生产建设发展中起着重大的作用，随着人口的迅速增长、建筑业的进步和科学技术的发展，混凝土技术也在不断发展，用量不断地增加；但是当混凝土用量大大增加以后，生产混凝土所需的水泥、砂、石等原材料大量消耗自然资源、破坏植被与河床的抬高问题就日益显现。当前世界硅酸盐水泥工业每年向地球的大气排入CO2气体达15亿t，约占总排放量的7%，其中我国就占39%，从1998年至2003年，仅5年时间，水泥产量却增加了3亿t。照此速度，2015年水泥产量将接近12亿t，这将使用约22亿t天然矿物质原料，向大气排放约12亿tCO2；将这些水泥用于制备砂浆和混凝土，需消耗约59亿t水和约58亿t骨科，再加上生产、加工、运输将消耗的大量能源，对环境造成的巨大破坏。
　　上述论据都表明，当前的混凝土工业已面临是否可持续发展的挑战，钢结构在规模较大的建筑物中得到广泛的使用就是对混凝土主导地位的挑战。如何能使混凝土工业得到可持续发展，发挥混凝土材料的优势，这就是我们要关注的主题。
　　1、水泥工业可持续发展的出路
　　中国正处在大发展的阶段，大量兴建基础设施，混凝土仍然是最适合于大宗使用的结构材料，因此水泥产量的增长也随之而增长。古时人们使用火山灰和石灰混合物制作的混凝土建筑物的高耐久性告诉我们，减少硅酸盐熟料的用量（至少控制在现有用量）而大量掺用活性矿物混合材，既可满足建设对水泥的需求，又符合混凝土耐久性的需要，而且可以减少（至少不再增加）水泥工业向大气排放的CO2并大量利用工业废弃物，使水泥成为对环境友好的材料。
　　我国现行水泥标准中对6个品种的硅酸盐类通用水泥都分别规定了其中混合材的允许掺量范围。例如P.II为5%，普通硅酸盐水泥为6%~15%，矿渣硅酸盐水泥为20%~70%，火山灰质硅酸盐水泥为20%~50%；粉煤灰硅酸盐水泥为20%~40%，复合硅酸盐水泥为20%~50%；但是，除普通硅酸盐水泥和一部分矿渣硅酸盐水泥外，其他含混合材的水泥因需求量小而很少生产。按现行水泥标准，水泥强度检验时一律采用0.5的水胶比。在大水胶比条件下，水泥强度随着混合材掺量的增加而急剧下降；而用户长期以来一直是以强度作为水泥主要的、甚至是惟一的质量指标。传统观念认为，不能用低强度等级的水泥（含有较大量的混合材）配制高品质混凝土。实际上随着混凝土技术进步，低强度等级的水泥同样可配制出高强混凝土。
　　目前水泥强度等级的逐渐提高，反而使低强度等级的混凝土配制困难，往往导致混凝土拌合物泌水、离析严重；而大掺量粉煤灰（HVFA）混凝土特别适合配制低强度等级的混凝土。与传统混凝土拌合物相比，HVFA混凝土的拌和水用量小，水胶比（W/B）较低，使浆体总体积减少，从而使直接与水胶比和混凝土中浆体比例有关的干燥收缩大为减少。由于硅酸盐水泥用量大幅度减少，HVFA混凝土的早期水化放热量减少；用于大体积构件时，因温度应力开裂的倾向也大为减小，在几例施工中得到证实。
　　矿渣水泥更是如此。我国水泥标准虽然允许在矿渣水泥中矿渣最大掺量为70%，但极少生产如此高矿渣掺量的水泥。我国矿渣水泥销售情况不如普通水泥，用户宁愿购进普通水泥后在搅拌站掺加矿渣粉。原因之一在于，按传统矿渣水泥的生产是将矿渣和熟料及石膏混合粉磨，由于矿渣比熟料难磨，成品中矿渣颗粒较粗，水泥磨得越细，矿渣和熟料间的细度差别越大，不仅不能发挥矿渣的活性，而且所配制的混凝土易于泌水，影响抗渗性和抗冻性。近年已有工厂将矿渣和熟料分别粉磨再混合。大大改善了产品的性能。由混凝土供应商在配制混凝土掺入合料带来的问题是石膏含量不足以及增加工序可能造成的管理问题，若能将这道工序移到水泥厂，适应混凝土的规律来生产和检验粉煤灰硅酸盐水泥和矿渣水泥，或者分别控制熟料和混合材的性能及混合材的掺量，而由用户控制混凝土的强度，则可大大改善水泥工业的现状，实现水泥工业的绿色化，并促进混凝土的绿色化。
　　2、必须尽快改变砂石生产的现状
　　目前我国混凝土的质量差的主要原因是砂石的质量差，以石子为例，高质量的石子为大体等径粒形，级配良好，空隙率先不超过40%，而多年前砂石的空隙率一般都在40%~43%，现今最好的砂石空隙率也超过45%，大多接近或超过50%。我国制订有混凝土用砂国家标准，但是骨料的生产商几乎都不执行。绝大多数采石场仍使用成本低廉的颚式破碎机，材质越硬（强度高）的石料，破碎后针片关颗粒越多，粒径小于10mm的颗粒几乎都是针片状颗粒，因此目前市售标称粒径5mm以上的石子，实际上缺少5~10mm粒级的颗粒。即使针片状颗粒含量符合现行标准，其余石子的粒形也大多棱角的。砂子由于资源几近枯竭也无法讲究级配。因此这几年来混凝土的用水量居高不下，一般都超过170kg/m3，C30以下混凝土用水量更大，一般为200kg/m3，美国混凝土用水量一般不超过160kg/m3，用水量大时，胶凝材料用量必然也大，以保证水灰比（水胶比）不变。在一定胶凝材料总量下，水泥用量必然也大，对混凝土的温升，变形都会有影响；用水量小,意味着胶凝材料用量小，浆骨比低，混凝土结构开裂的倾向就小。
　　对石子的高强度的观念，也存在误区，其实粒形比强度重要。构件受力后，材质强度高的针状和片状颗粒会因应力集中、承受过大的弯曲应力而提前断裂，从而降低混凝土的强度；还会因颗粒粒形远离等状况，比表面积大，需水量就大，从而影响混凝土的施工性能。
　　目前砂石质量降低的原因，首先是人们对砂石的认识有误，认为砂厂级配不好不过是浪费点水泥而已，砂石价值很低而不珍惜。最近十年来我国建设规模快速增长，砂石需求量大，大量应运而生的小采石场盲目占山采石，不仅产品质量低劣，而且生产过程中排出大量石粉、石屑，导致环境污染和资源浪费；再加上使用时浪费也多，使天然砂石资源变得紧缺，形成供不应求的市场。对于乱开山、乱采石造成的安全事故频发和对环境的污染，我国有的地区已开始整顿砂石场，关停了一些规模小、设备落后、管理不善的采石场，加强了集中的大型采石场的技术抽入。尽管其初衷只是着眼于安全，毕竟有利于环境保护，并为提高石子质量创造了一个良好的开端。提高砂石质量，应从严格执行砂石标准开始。为生产出合格的以至优质的产品，现有落后的生产方式必经改造，并采取不同类型破碎机分级破碎的方式，以改善石子粒形。
　　即使在采石场进行了严格的级配，但在装料、卸料和运输过程中，骨料在自重作用下也会破坏原来良好的级配，使用过程中再次装料、上料，使混凝土生产过程中更无法保证骨料原有的级配。因此先进国家的骨料都根据用户要求分级供应，用户在生产混凝土时按优化级配的比例上料。目前我国有个别混凝土搅拌站已经或准备进行骨料的分粒级供应。实践证明，分级购进、级配后上料，可使掺用粉煤灰的混凝土用水量降低到95%~125%kg/m3，仍有良好的可泵性。当然，这种骨料的价格应当高于原来无序竞争所盲目生产的劣质产品。优质优价的结果可以让使用者加强用料管理，减少材料浪费，造成对环境不必要的压力。
　　3、减少混凝土的生产用水对生活用水的影响
　　水是生命之源，水资源的严重不足已对人类造成威胁。混凝土生产消耗大量的水，目前我国每年有4亿t以上的水用于混凝土的拌和、养护和清洗。在保证混凝土各项性能的前提下尽量减少拌和水[2]，不仅可以节省用水，而且能减小开裂的倾向，提高混凝土的质量。国内外均有实例表明，掺粉煤灰的混凝土，坍落度为105~125mm时仍有良好的可泵性。假定每年7亿t的水泥全部用于混凝土，按水泥用量为302kg/m3计，则可生产23亿m3混凝土；如果每立方米混凝土少用95kg水，则每年可节省2.2亿t水。我国目前绝大多数混凝土拌和与养护用水都是可饮用水，其实并不需用饮用水进行养护。在国外鼓励使用污水处理所得的中水作为混凝土拌和水，出于生产成本考虑，已经有不少预拌混凝土厂循环使用设备清洗水的有效途径。地球上最丰富的水是海水，当海水中所含可溶性盐不超过3。5*10-2时，呆以用于拌和素混凝土[1]土，尤其是掺大量矿物掺合料的混凝土。与普通混凝土相比，用海水拌和的混凝土早期强度会较高，但28天后的强度会较低，在配制时可用降低水灰比进行补偿[2]。
　　混凝土养护的目的是保持混凝土处于潮湿环境，洒水是最简便的方法；但是为减少养护用水和工作量，已有人开发出若干有效的养护方法，例如蓄水性好的复合养护膜片、蓄水性模板、能蓄合成树脂毡片加塑料薄膜等。这些方法都能节省养护用水，但还必须同时注意混凝土的温控问题，以免早期产生过大温度应力。
　　4、提高耐久性是混凝土工业可持续发展的战略要求
　　混凝土结构的耐久性已成为困扰当今世界各国的普遍问题。美国现存的全部混凝土工程价值约6万亿美元，而每年用于维修的费用高达300亿美元。英国1980年的建筑维修费用占建筑总费用的2/3。我国目前也开始进入需要大规模修补或更换已建混凝土结构的时期，混凝土结构的提前下降必然造成大量建筑垃圾和对混凝土原材料的大量需求与浪费。
　　必须从可持续发展的高度对混凝土结构的耐久性给予足够的重视。“如果我们能够生产出更耐久的产品，就必定能大量地节省材料，例如今天建造的混凝土结构物若不是现在的50年寿命，而是150年寿命，那么混凝土业的资源利用效率就能提高3倍。”混凝土结构提前劣化的原因很复杂，发生早期开裂是重要原因之一。从根本上来说，混凝土属于多孔性的材料，精心制作并施工的混凝土可以有很好的水密性。例如C30以上的混凝土，抗渗等级达到P8是很容易的事；但是在干湿、冷热、冻融等环境因素作用下，混凝土内部微裂缝会逐渐连通和开放，成为环境中的水、CO2及其他有害介质侵入的通道，使钢筋混凝土开始劣化，若混凝土结构在交付使用前甚至在浇筑初期就出现裂缝，则会成为进一步开裂的源头，使劣化进程加速。早期裂缝产生的原因很复杂，单纯地追求高早期强度，追求工期短，以方便使用单位提前使用及生产是很不科学的做法。
　　对于建筑垃圾我们应综合利用。据报道，全球每年要产生超过10亿t的建造和拆除废弃物[2]。大多数建筑废弃物作为混凝土部分骨料的替代物是可行的，且在经济上也划算；二次世界大战未西方国家就已开始利用废弃的旧混凝土做混凝土的再生骨料。我国近年来由于混凝土耐久性问题突出以及旧建筑使用寿命终结，拆除的混凝土大为增加，但仍然对废弃混凝土的综合利用率很低，大量建筑垃圾只能填埋，既占用了土地又浪费了资源，对此应引起充分注意。
　　还有节约能源的问题。减少熟料用量不仅可减少CO2排放量，而且也可节省煅烧熟料的能源。用于混凝土的磨细矿渣等掺合料在磨细时能源消耗很大，分磨时矿渣只要比表面积超过350m2kg，即可提高其活性而没有副作用。目前矿渣比表面积居高不下是单纯追求强度的传统观念造成的市场需求所致。近年来出现的粉煤灰的磨细也是从强度尤其是早期强度出发的，尽管粉煤灰的磨细后利大于蔽，但却增加了粉磨的能耗。从混凝土工业对可持续发展的角度考虑；应按整体规划混凝土的制作及使用过程。
　　
　　参考文献
　　1 廉慧珍，阮庆革，李玉琳.FK系列高性能水泥的性能及其检测.混凝土，1999（1）
　　2 廉慧珍，吴中伟.混凝土的可持续发展和高性能胶凝材料.混凝土，1998（6）