循环经济—混凝土—绿色生态化技术

2010-04-14王宝民刘伟

商品混凝土 2010年3期

王宝民，刘伟

(大连理工大学土木工程学院建材研究所, 辽宁大连 116024)

现代混凝土的使用已有一百多年历史,是目前最大宗的建筑材料, 且仍将是未来主要的建筑材料。但传统的混凝土材料资源、能源的消耗量巨大, 所造成的环境问题也日益突出。在倡导循环经济的今天，要求混凝土材料除要考虑降低环境负荷，使其具有优良的环境协调性外，还要考虑自然循环、生物保护和景观保护等生态学问题，就此提出绿色生态混凝土。

一、循环经济

1. 循环经济的思想起源

早在环境保护兴起的20 世纪60 年代，开始产生了循环经济的思想萌芽。其中，以美国经济学家鲍尔丁提出的“宇宙飞船理论”为早期代表。当时鲍尔丁敏锐地认识到必须要进入经济过程思考环境问题产生的根源。他认为地球就像在太空中飞行的宇宙飞船，要靠不断消耗自身有限的资源而生存，如果资源和环境遭受持续的不合理开发和破坏，就会像宇宙飞船那样走向毁灭。因此，人类应以新的“循环式经济”代替旧的“单程式经济”。

随着时间的推移，人们在思想上和政治上都有所升华，由过去的末端治理方式（考虑污染产生后如何治理以减少其危害）转换到近些年的可持续发展战略，源头预防和全过程治理成为国家环境与发展政策的真正主流。此时学者和政府部门系统地认识到,当代资源环境问题日益严重的根源在于工业化运动以来高开采、低利用、高排放的线性经济模式及其末端治理的局限，如：不能从根本上避免污染发生，治理污染的成本较高，企业仅满足于遵守环境法规而不是去投资开发污染少的生产方式等。正是在这种发展背景下，英国环境经济学家D.Pearce和R.K.Turner 通过不断的探索和总结，提出了人类社会应建立一种以物质闭环流动为特征的循环经济模式，以此来实现环境与经济双赢的战略目标。

2. 循环经济的定义与内涵

2.1 定义及指导思想

《中华人民共和国循环经济促进法》（自2009 年1月1日起施行）规定循环经济是指在生产、流通和消费等过程中进行的减量化、再利用、资源化活动的总称。其中减量化是指在生产、流通和消费等过程中减少资源消耗和废物产生；再利用是指将废物直接作为产品或者经修复、翻新、再制造后继续作为产品使用，或者将废物的全部或者部分作为其他产品的部件予以使用；资源化是指将废物直接作为原料进行利用或者对废物进行再生利用。

国务院关于加快发展循环经济的若干意见（国发[2005]22号），提出发展循环经济的指导思想是：以邓小平理论和“三个代表”重要思想为指导，树立和落实科学发展观，以提高资源生产率和减少废物排放为目标，以技术创新和制度创新为动力，强化节约资源和保护环境意识，加强法制建设，完善政策措施，发挥市场机制作用，促进循环经济发展。

2.2 循环经济的基本特征

相比传统经济模式，循环经济具有新的系统观、经济观、价值观、生产观、以及消费观。循环经济的系统是由人、自然资源和科学技术等要素构成的大系统，将自己作为这个大系统的一部分来研究符合客观规律的经济原则；循环经济要求运用生态学规律，不仅要考虑工程承载能力，还要考虑生态承载能力；所有的经济活动都要在资源承载能力范围之内良性循环，使生态系统平衡地发展。从价值观上看，循环经济认为自然不仅仅是人类赖以生存的基础，也是需要维持良性循环的生态系统。任何对自然开发的科学技术，都要充分考虑到它是否会影响对生态系统的修复能力，使之成为有益于环境的技术。以充分考虑自然生态系统的承载能力，尽可能地节约自然资源，不断提高自然资源的利用效率，循环使用资源，创造良性的社会财富为主要生产观念。提倡物质的适度消费、层次消费，在消费的同时就考虑到废弃物的资源化，必要时通过税收和行政等手段，限制以不可再生资源为原料的一次性产品生产与消费，建立循环生产和消费的绿色消费观念。

2.3 循环经济的原则

循环经济遵循减量化（Reduce）、再利用（Reuse）、再循环（Recycle）的3R 原则，且每个原则都是成功实施循环经济所必需的。减量化原则旨在减少进入生产和消费过程的初始物质量，再利用原则旨在延长产品和服务的时间强度，再循环原则则旨在通过把废物再次变成资源，以减少最终处理量。

2.4 我国发展循环经济的意义

我国人口多，人均物质资源占有量与世界平均水平相比较低。同时，资源开采和利用方式粗放、综合利用水平低、浪费严重，靠过量消耗能源来发展经济。我国目前正处于加快发展的关键时期，资源的短缺已经成为经济持续增长的重大约束，因此资源约束矛盾需要发展循环经济；其次我国生态环境恶化，土地沙漠化、水土流失、森林和草地退化、江河断流、水生态系统失衡等生态问题仍没有得到有效控制，生态服务功能持续下降，生态灾害加重，生态问题复杂化。污染物排放已经超过了环境自净能力，许多地区环境污染已经处于极限状态，环境污染、生态失衡要求发展循环经济，同时发展循环经济是经济全球化的客观要求，

二、混凝土发展与循环经济

1. 混凝土现状

混凝土作为当今世界最大宗的人造建筑材料，目前世界的使用量约为28 ～30 亿m3，其中我国约为15 亿m3。然而在混凝土给人类带来巨大文明进步的同时，也带来了十分严峻的资源、能源及环境问题。主要问题有[1、6]：混凝土生产过程中会消耗大量的能源和资源。据估算，我国水泥生产的资源与能源消耗为：每生产1t 水泥熟料需石灰石约1.3t、黏土0.3t、煤0.2t，每生产1m3混凝土除水泥外，尚需砂石骨料约2.0t。水泥生产时，会排放CO2等有害物质，每生产1t 水泥熟料会排放CO2约l.0t、有害气体SO20.74 kg，NOx 1.51 kg 及大量粉尘等污染物。传统混凝土材料的密实性使混凝土结构缺乏透气和透水性，调节空气温度和湿度的能力差，产生“热岛效应”，地温升高等。

对于目前正处于经济建设的高速发展时期的我国，各种工程中水泥混凝土的用量都十分巨大，而且数量在不断增加。据统计，我国每年要开采50 亿吨包括黏土、石灰石和砂石等天然矿物资源用于生产水泥和混凝土。这样巨量地开山、采石与挖取河砂、卵石，不仅是能源的消耗，还将对环境及生态产生影响，造成破坏山体的自然景观与绿色植被，改变河床位置及形状，造成水土流失或河流改道等严重后果。

2. 混凝土发展与循环经济

混凝土生产对资源损耗，以及对环境、生态的影响逐渐受到了人们的重视。人们开始本着发展循环经济的原则，从原料、生产技术等方面寻求混凝土的可持续发展之路，且由此产生了绿色混凝土技术。

绿色生态混凝土技术从本质上讲，就是要实现混凝土产品从原材料获取、到产品生产、到施工、到使用、直到最终拆除废弃，整个过程的可持续发展。根据材料过程工程学理论，通过对单元过程进行优化重组，可以形成满足不同性能和使用要求的绿色生态混凝土的最佳生命循环周期。实现这一过程的具体途径，就是要把生态设计、资源和能源的减量化利用、清洁生产、循环使用等融为一体，在循环经济的思维框架内构建“绿色化”、“生态化”的混凝土产业体系。

作为整个国民经济和工业领域的一个组成部分，混凝土产业不仅与矿产资源产业、建材生产产业和建筑产业的循环发展密切相关，同时，由于燃料、电力及其他重要原料的供应关系，又与煤炭、电力、冶金和化工等基础工业相关联。此外，混凝土产业还在整个社会这个大循环中扮演着重要角色，支撑和协同共生产业的发展。因此，混凝土产业发展循环经济是一个同时涉及自身、相关产业和社会大系统的复杂体系，对其他许多相关产业发展循环经济，起着非常重要的互补、互动的“链接”作用。离开混凝土产业的支持，国家发展循环经济的大格局必然存在严重的欠缺。混凝土产业可以充分利用自己的广泛耦合优势，为发展循环经济和加快建设节约型社会做出更多的贡献。

3. 混凝土在循环经济中的作用

一方面，作为工程建设中最常用的建筑材料，混凝土是资源、能源消耗大户，其生产和应用伴随着巨大的资源、能源消耗以及对环境的污染。

另一方面，混凝土也是废弃物回收利用的最大用户。绿色生态混凝土技术的广泛应用，使在自身节约资源、能源的同时，还可以从能源和材料两个方面大量吸纳和减少其它工业排放的废料，实现垃圾资源化，缓解能源制约和环境压力。

三、绿色生态混凝土技术

1. 绿色生态混凝土的提出

1995 年日本在生态材料概念的基础上，提出了绿色生态混凝土的概念，并设立了“绿色生态混凝土研究委员会 ”。绿色生态混凝土是一类特种混凝土，具有特殊的结构与表面特征，它能减小环境负荷，与生态环境相协调，并能为环保做出贡献。通常又称其为环保型混凝土，即能够适应生物生长、对调节生态平衡、美化环境景观、实现人类与自然的协调具有积极作用的混凝土材料[1]。绿色混凝土应具有比传统混凝土更高的强度和耐久性，可以实现非再生性资源的可循环使用和有害物质的最低排放，既能减少环境污染，又能与自然生态系统协调共生。“绿色”的涵义可理解为:节约资源、能源；不破坏环境，更有利于环境;可持续发展，既满足当代人的需求，又不危害子孙后代，且能满足其需要[2]。

绿色生态混凝土具有以下特点[3]:(1)具有一定的强度和耐久性，能满足结构物的力学性能、使用功能以及使用年限的要求；(2)具有与自然环境的协调性，减轻对地球和生态环境的负荷，实现非再生型资源可循环性使用；(3)具有良好的使用功能，能为人类构筑温和、舒适、便捷的生活环境。

2. 绿色生态混凝土的意义

(1)解决地球环境、资源和能源问题

固体废弃物的资源化是实现环境减负型混凝土的主要途径。固体废弃物的综合化利用消除了对环境的不利影响，“解放了”大量土地，同时节省了大量的原生矿产资源。

(2)人类发展观的转变

人类文明自始至终演绎着人和自然的关系史，人类的发展观历经了认识自然、改造自然、修复自然的过程。人类在改造自然的同时也遭到了自然的惩罚，在觉醒之后开始修复自然，实现人和自然的和谐相处。

(3)改善人居环境

绿色生态混凝土作为中介来联系人与自然的生态混凝土为丰富人居环境的内容创造了更多的自然空间，另外，生态混凝土的出现也标志着人类自然观的根本改变。

3. 绿色生态混凝土技术及应用发展

绿色生态混凝土分为环境减负型混凝土和生物相容型生态混凝土两种。

3.1 环境减负型混凝土

顾名思义，环境减负型混凝土是指在混凝土的生产、使用直至解体的全过程中，可以降低对环境负荷的混凝土。其特征主要有:

(1)更多的节约熟料水泥、减少环境污染；

(2)更多的掺加以工业废渣为主的细掺料，不仅节约熟料，而且改善环境，减少二次污染；

(3)更大的发挥高性能的优势，减少水泥与混凝土用量，达到节约资源、能源与改善环境的目的。

环境减负型混凝土的技术途径主要有以下三种[4]：

(1)降低混凝土生产过程中的环境负担

这种技术途径主要通过固体废弃物的再生利用来实现。如生态水泥、废弃混凝土粉碎作为再生骨料使用、固体资源在混凝土中利用等。

日本小野田公司利用城市垃圾焚烧灰和下水道污泥为主要原料(原料中70%为废弃物，其中城市垃圾灰占40%～50%，另补充石灰石原料20%～30%)生产出高强度水泥，并利用再生水泥制备混凝土。德国对再生骨料的分类处理见图2 所示。

(2)在使用过程中的降低环境负荷

通过技术手段提高混凝土的耐久性，使混凝土结构的使用寿命得到延长而维修费用得到减少；加强“绿色”施工管理提倡以节约能源、降低消耗、减少污染的产生量和排放量为基本宗旨的“绿色生产”。

例：吸声混凝土，特定的多孔混凝土具有吸收声波的特性，目前，这方面的应用技术已较为成熟。国外，例如，日本、德国等在这方面的应用都已经实现产品化，在高速公路、铁路的两旁，由多孔混凝土制成的隔声屏障，减轻了公路、铁路沿线居民的噪音。

(3)通过提高性能来改善混凝土的环境影响

这种技术途径是通过改善混凝土的性能来降低其环境负担。目前研究较多的是多孔混凝土。也称为无砂混凝土，它只有粗骨料而没有细骨料，直接用水泥作为黏结剂连接粗骨料，这种混凝土内部有大量连续的孔隙。其孔隙特性不同，混凝土的特性就有很大差别。通过控制不同的孔隙特性和不同的孔隙率，可赋予混凝土不同的性能，如良好的透水性、吸音隔音性、蓄热性、吸附气体，种植植物，水质净化以及生物的生息。

例：有害气体吸附混凝土，由于具有比普通混凝土更大的比表面积和表面能，多孔混凝土会吸附微小的物质以减少其系统能量，维持其自身的稳定。在胶凝材料或人工集料中掺人某些特定气体(CO2, SO2等)的吸附剂，就能吸收此类气体。例如，在公路表面的多孔混凝土里添加诸如CO2, SO2等气体的吸附剂，就能减轻汽车尾气向大气中的排放量。

例：气候混凝土，利用其比普通混凝土更大的比表面积和表面能，在具有吸湿和解湿性能的溶液(如CaC12溶液)中浸泡且干燥之后，多孔混凝土能够在环境湿度大于某一数值时吸湿，而在环境湿度小于该数值时解湿。温永玲等人的研究认为吸湿量与吸附层面积、吸附时间、环境湿度和温度等因素有关，且当环境湿度较高时，材料表现为吸湿，湿度较低时则解湿;冯乃谦在混凝土中加人天然浮石等具有载体效应的物质，研究发现这种混凝土具有良好的调湿等性能。

3.2. 生物相容型生态混凝土

生物相容型生态混凝土是指能与动植物等生物和谐共存、对调节生态平衡、美化环境景观、实现人类与自然协调具有积极作用的混凝土。主要有以下几种：

（1）植物相容型生态混凝土

植物相容型生态混凝土利用多孔混凝土的透气、透水等性能，渗透植物所需营养，生长植物根系这一特点来种植小草、低灌木等植物，用于河川护堤的绿化，美化环境。

（2）微生物相容型混凝土

海洋生物、淡水生物相容型混凝土是将多孔混凝土设置在河、湖和海滨等水域，让陆生和水生小动物附着柄息在其凹凸不平的表面或连续孔隙内，通过相互作用或共生作用，形成食物链，为海洋生物和淡水生物生长提供良好条件，以保护生态环境。

（3）净化水质用生态混凝土

净化水质用生态混凝土是利用多孔混凝土外表面对各种微生物的吸附，通过生物层的作用产生间接净化功能，将其制成浮体结构或浮岛设置在富营养化的湖河内净化水质，使草类、藻类生长更加繁茂，通过定期采割，利用生物循环过程消耗污水的富营养成分，从而保护生态环境。

3.3 绿色生态混凝土的应用类别[3、4]

（1）透水性混凝土

与传统混凝土相比，透水性混凝土的最大特点是具有15%～30%的连通孔隙，具有很好的透水、透气性。

刘连新等[5]结合了高原特殊环境，研究出不仅可以用于工程护坡，还可以在其上植生的透水性混凝土，试验证实这种混凝土具有良好工程特性、生态亲和性和植生性。

（2）绿化混凝土

绿化混凝土是指能够适应绿色植物生长、进行绿色植被的混凝土及其制品。绿化混凝土用于城市的道路两侧及中央隔离带、水边护坡、楼顶、停车厂等部位，可以增加城市绿色空间，调节人们的生活情绪，同时能够吸收噪音和粉尘，对城市的生态平衡也起到了积极作用，是与自然协调、具有环保意义的混凝土材料。

20 世纪90 年代初期，日本最早开始研究植被混凝土，并于2001 年发布了关于护岸用植被混凝土的专利公报。我国吉林省水利科学研究院，水土保持研究院，水利实业公司等研究单位于1998 年开始，根据水利防护工程的特点，提出了复合随机多孔型绿化混凝土结构。

（3）吸音混凝土

吸音混凝土是针对所产生的噪音采取的隔音、吸音措施。吸音混凝土具有连续、多孔的内部结构，具有较大的内表面积，与普通的、密实混凝土组成复合构造。多孔的吸音混凝土直接暴露面对噪音源，入射的声波一部分被反射，大部分则通过连通孔隙被吸收到混凝土内部。

（4）海洋及水域生物适应型混凝土

所谓海洋生物适应型混凝土，即能够营造出适合生物生长生息的空间或空隙，能够为海藻类生物提供合适的附着表面，并能在混凝土表面增殖，使混凝土周围的水质对生物生长没有不良影响。目前开发并已经实际应用的海洋生物适应型混凝土主要有人工礁石。

国内清华大学材料系提出了自适应植被混凝土，即集智能混凝土和植被混凝土双重特性的新型生态混凝土。该混凝土结构本身具备自适应、自供给特征，能适于植物生长的植被混凝土，属于生态混凝土的一种。自适应植被混凝土是具有自适应(自动适合植物生长的酸碱度和湿度)和自供给(结构内部提供植物生长所需的营养元素)特征，并具有工程所需强度的多孔混凝土。

（5）再生混凝土

将废旧混凝土经过特殊处理工艺制成再生骨料，部分取代或全部取代天然骨料制成再生混凝土，是绿色混凝土的种类之一。这种技术减少了混凝土生产过程中的天然原料的消耗，使材料被循环使用，满足可持续发展的要求，是目前的研究热点之一。

3.4 绿色生态混凝土发展方向

绿色生态混凝土的开发，充分适应了循环经济理论，改善了混凝土这种目前应用范围较大的建筑材料对环境的影响，将会成为未来混凝土发展的方向。其发展方向有[7、8]：

(1)进一步加强基础理论研究促进技术化：绿色生态混凝土不同于传统混凝土，要先对其基础理论进行深入研究，以促进其技术应用。

(2)生态化和智能化混凝土研究：混凝土具有生态化和智能化双重特征，能够在多种领域显示出其优越性能，是绿色混凝土发展中具广大前景的方向之一。

(3)绿色生态混凝土技术集成化研究

生态混凝土研究的趋势应以集成化和多元化来达到复合多功能的效果，如研制一种净水植被混凝土，集植被混凝土和净水混凝土双重功能，其目的是用净水混凝土所吸附的菌类或富营养元素来满足植被混凝土中植物的生长，而植被混凝土中所生长的植物是通过某种反应来增加净水混凝土的净水效果。

(4)绿色生态混凝土规范标准研究

目前，绿色生态混凝土在我国刚刚起步，得到了一定的发展，有关部门应加快研究制定绿色混凝土的设计规程、施工工艺、质量控制方法、验收标准等，并加大在广大工程技术人员中的宣传力度，鼓励使用绿色混凝土。

(5)学科交叉

绿色混凝土的发展应用涉及多学科领域知识，广泛涉及结构（结构设计、构造设计）、材料（配合比设计、材料选择）、施工建设、使用维护以及环境保护等多方面及多学科交叉。