生態(tài)水泥混凝土材料與技術(shù)

　　摘要：生態(tài)混凝土是減輕地球環(huán)境負(fù)荷、與生態(tài)體系協(xié)調(diào)發(fā)展、創(chuàng)造舒適生活環(huán)境的混凝土材料。第二次世界大戰(zhàn)后，前蘇聯(lián)、德國、日本等國對廢棄混凝土進(jìn)行了開發(fā)研究和再生利用，提混凝土必須生態(tài)化、綠色化，同時開始利用廢棄混凝土做骨料生產(chǎn)再生混凝土，并對其強(qiáng)度、耐久性、經(jīng)濟(jì)性等進(jìn)行了研究。我國也已經(jīng)意識到生態(tài)水泥混凝土材料和技術(shù)是今后水泥混凝土行業(yè)發(fā)展的大趨勢，這樣才能使水泥混凝土行業(yè)走向可持續(xù)發(fā)展的道路。

　　1、前言

　　以水泥為膠凝材料生產(chǎn)的混凝土，今天已成為全世界各種各樣結(jié)構(gòu)工程建設(shè)首選的建筑材料，這主要是由它的經(jīng)濟(jì)性所決定：原材料來源廣泛、便宜，施工與維修費用較低廉。使混凝土技術(shù)向前推進(jìn)的兩大驅(qū)動力是加快施工速度和改善混凝土耐久性。除了加快施工速度和改善耐久性以外，第三種驅(qū)動力，即對環(huán)境友好的工業(yè)化材料，這方面在未來技術(shù)評價中的重要性正在日益增大[1].隨著人類數(shù)量的迅速增長和工業(yè)化進(jìn)程的加快，混凝土材料不再僅用于修建普通建筑和道路，而且大量用于修建基礎(chǔ)設(shè)施，如地下快速交通系統(tǒng)、污水處理設(shè)施、海洋建筑等。去年全世界每年共生產(chǎn)約16億噸水泥，排放出占全球總排放量5％的二氧化碳?；炷凉I(yè)每年消耗100億噸砂石和10億噸淡水[2].水泥混凝土對于地球的生態(tài)環(huán)境影響很大，探索循環(huán)經(jīng)濟(jì)理論，使水泥混凝土工業(yè)走向可持續(xù)發(fā)展的道路是我國建材工業(yè)面臨的重大的課題。

　　“環(huán)境材料”首先由日本通產(chǎn)省提出，之后又出現(xiàn)了許多類似的提法，如“生態(tài)材料”、“生態(tài)環(huán)境材料”、“綠色材料”、“保健環(huán)境材料”等，它們都是以保護(hù)地球環(huán)境和資源為出發(fā)點而提出的概念。綠色建筑材料是那些以對生態(tài)環(huán)境負(fù)責(zé)的方式使用地球資源、無毒、盡量利用再生資源并且本身是可以再生利用的材料[3].“綠色”的名詞來源于60年代，指天然、原始的環(huán)境，現(xiàn)在“綠色”已經(jīng)成為無毒、無害、無污染的代名詞。

　　1993年前沿科學(xué)研究會提出生態(tài)材料的概念，日本混凝土協(xié)會與生態(tài)混凝土研究委員會于1995年首先提出“生態(tài)混凝土”的概念，其涵義是減輕地球環(huán)境負(fù)荷、與生態(tài)體系協(xié)調(diào)發(fā)展、并創(chuàng)造舒適生活環(huán)境的混凝土材料。日本混凝土協(xié)會于1995年設(shè)立了生態(tài)混凝土研究委員會，發(fā)表的關(guān)于各種生態(tài)混凝土材料研究成果受到了社會的關(guān)注[4].

　　2、減輕環(huán)境負(fù)荷的生態(tài)混凝土

　　減輕環(huán)境負(fù)荷型生態(tài)混凝土即指能減輕地球環(huán)境壓力的混凝土材料。這包括資源的消耗量以及資源的采伐、深加工、使用時的能耗各個環(huán)節(jié)對地球產(chǎn)生的壓力都比較小的混凝土材料，即混凝土制造時降低環(huán)境的負(fù)擔(dān)，混凝土在使用中降低環(huán)境負(fù)荷，使用后混凝土材料本身能夠循環(huán)利用以降低環(huán)境負(fù)擔(dān)。

　　2.1生態(tài)水泥配制混凝土及水泥生產(chǎn)的生態(tài)化制造技術(shù)生態(tài)水泥是指用城市的垃圾灰、下水道或污水處理廠的污泥及其它的工業(yè)廢棄物等作為水泥的原料制造的水泥。用這種水泥制作混凝土可以有效解決廢棄物處理占地、石灰石資源和節(jié)省能源的問題。

　　用水泥回轉(zhuǎn)窯在生產(chǎn)水泥過程中處理城市危險廢棄物和生活垃圾也已經(jīng)成為了水泥生態(tài)化制備的重要技術(shù)，在歐洲、日本和中國都實現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)。北京水泥廠已經(jīng)利用水泥回轉(zhuǎn)窯在水泥生產(chǎn)過程中處理各種危險廢棄物10000余噸，既節(jié)約了燃料，又利用了焚燒后廢棄物作為水泥的原料生產(chǎn)出合格的水泥熟料，取得了良好的社會經(jīng)濟(jì)效益。國外從70年代初就著手利用可燃性危險廢棄物作為替代燃料應(yīng)用于水泥生產(chǎn)的研究。水泥回轉(zhuǎn)窯在處理危險廢棄物方面較之用專用焚化爐具有以下優(yōu)越性：一是水泥窯內(nèi)溫度高，氣體溫度可達(dá)1350～1650℃，對有害成分焚燒率可達(dá)99.999%；二是滯留時間長，水泥回轉(zhuǎn)窯內(nèi)氣體通過時間一般為4～8秒；三是熱穩(wěn)定性好，水泥回轉(zhuǎn)窯內(nèi)容積大并有大量高溫熔體；四是利于廢氣的凈化處理，水泥回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的堿性物質(zhì)可以和廢棄物中的酸性物質(zhì)相化合形成穩(wěn)定的鹽類；五是水泥回轉(zhuǎn)窯可將廢棄物中的絕大部分重金屬元素固定在熟料中，避免再次擴(kuò)散之害。因此利用水泥回轉(zhuǎn)窯焚燒危險廢棄物將具有重大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

　　2.2再生骨料與再生骨料混凝土再生骨料混凝土是指將使用過的混凝土或廢棄混凝土破碎后作為混凝土的集料，以代替天然集料制作混凝土。廢棄混凝土的膠結(jié)材、混合材或骨料也可用作制作水泥的原料，進(jìn)行多次重復(fù)使用。

　　2.2.1廢棄混凝土排放現(xiàn)狀一方面，混凝土生產(chǎn)需要大量的天然砂石骨料，生產(chǎn)1m3的混凝土大約需要1700～2000kg的砂石骨料。目前，全世界每年混凝土的使用量大約為20億立方米，砂石骨料大約為34～40億噸，這個數(shù)字是非常驚人的。如此巨大的砂石骨料需求必然導(dǎo)致大量的開山采石，最終結(jié)果會導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境的破壞。另一方面，世界每年拆除的廢舊混凝土、新建建筑產(chǎn)生的廢棄混凝土以及混凝土工廠、預(yù)制構(gòu)件廠排放的廢舊混凝土的數(shù)量是巨大的。根據(jù)1996年在英國召開的混凝土?xí)h資料表明，全世界從1991～2000年的10年間，廢棄混凝土總量超過10億噸。有關(guān)資料表明，歐洲共同體廢棄混凝土的排放量從1980年的5500萬噸增加到目前的16200萬噸左右；美國每年大約有6000萬噸廢棄混凝土；日本每年約有1600萬噸廢棄混凝土；在德國，每年拆除的廢棄混凝土約為0.3噸/年/人，這一數(shù)字在今后還會繼續(xù)增長。我國每年拆除建筑垃圾按4000萬噸計算，其中34%是混凝土塊，則由此產(chǎn)生的廢棄混凝土就有1360萬噸，除此之外還有新建房屋產(chǎn)生4000萬噸的建筑垃圾所產(chǎn)生的廢棄混凝土[7][8].傳統(tǒng)的建筑垃圾處理方法主要是運往郊外堆放或填埋，這不僅占有大量的耕地，而且造成環(huán)境污染。[5]因此，對混凝土占用大量自然資源及對環(huán)境造成的負(fù)面影響，不可避免地需要從可持續(xù)發(fā)展問題角度進(jìn)行思考與解決。

　　2.2.2廢棄混凝土研究利用情況第二次世界大戰(zhàn)后，蘇聯(lián)、德國、日本等國對廢棄混凝土進(jìn)行了開發(fā)研究和再生利用，已召開過三次有關(guān)廢混凝土再利用的專題國際會議，提出混凝土必須綠色化。再生混凝土的利用已成為發(fā)達(dá)國家所共同研究的課題，有些國家還采用立法形式來保證此項研究和應(yīng)用的發(fā)展。德國、荷蘭、比利時等國家廢棄物資再生率已達(dá)50%以上。德國鋼筋混凝土委員會1998年8月提出了“在混凝土中采用再生骨料的應(yīng)用指南”，要求采用再生骨料配置的混凝土必須完全符合天然骨料混凝土的國家標(biāo)準(zhǔn)[9].1977年日本政府制定了《再生骨料和再生混凝土使用規(guī)范》，并相繼在各地建立了以處理混凝土廢棄物為主的再生加工廠，生產(chǎn)再生骨料和再生混凝土。根據(jù)日本建設(shè)省的統(tǒng)計，1995年混凝土的利用率為65%，要求到2000年混凝土塊的資源再利用率達(dá)到90%.日本對再生混凝土的吸水性、強(qiáng)度、配合比、收縮、耐凍性等進(jìn)行了系統(tǒng)性的研究。德國有望將80%的再生骨料用于10%～15%的混凝土工程中。比利時和荷蘭，利用廢棄的混凝土做骨料生產(chǎn)再生混凝土，并對其強(qiáng)度、吸水性、收縮等特性進(jìn)行了研究。我國政府制定的中長期科教興國戰(zhàn)略和社會可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，也鼓勵廢棄物的研究和應(yīng)用。

　　2.2.3再生骨料混凝土性能再生骨料的性質(zhì)同天然砂石骨料相比含有30%左右的硬化水泥砂漿，從而導(dǎo)致其吸水性能、表觀密度等物理性質(zhì)與天然骨料不同。再生骨料表面粗糙、棱角較多，并且骨料表面還包裹著相當(dāng)數(shù)量的水泥砂漿，再加上混凝土塊在解體、破碎過程中由于損傷積累使再生骨料內(nèi)部存在大量微裂紋，這些因素都使再生骨料的吸水率和吸水速率增大，這對配制再生混凝土是不利的。同樣由于骨料表現(xiàn)的水泥砂漿的存在，使再生骨料的密度和表觀密度比普通骨料低[10][11].用再生骨料制備的混凝土同用天然骨料拌制的混凝土相比較，其力學(xué)性能是不同的。對于再生骨科混凝土來說，我們感興趣的其他性能，例如抗拉強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度和彈性模量等，通常都是較低的，而徐變和收縮率卻是較高的。各種性能的差異程度取決于再生骨料所占的比重、原混凝土特征、污染物質(zhì)的數(shù)量和性質(zhì)，細(xì)粒材料和附著砂漿的數(shù)量、研究之目的在于測定這些因素的最佳組合，以便較經(jīng)濟(jì)地生產(chǎn)適合于某種用途的再生骨料混凝土。含有再生骨料的混凝土之耐久性，也受上述各種因素的影響。然而最明顯的因素就是污染物質(zhì)的存在。