生态混凝土技术的应用研究

位建召

(石家庄市公路桥梁投资开发管理中心)

1 生态混凝土的特点

(1)具有比传统混凝土更高的强度和耐久性,能满足结构物力学性能、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,实现非再生型资源的循环利用;

(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 生态混凝土和普通混凝土的对比

(1)我国水泥产量最多,应用面也很广泛,为我国的发展和建设做出了重大的贡献;

(2)普通混凝土结构的承载力不足,耐久性差,寿命短。结构过早的破坏造成资源的重大浪费并对环境带来了严重污染;

(3)水泥混凝土材料面临着资源和能源缺乏的新形势;(4)水泥和混凝土生产给生态环境带来了严重的污染。

图 1 生态混凝土和普通混凝土的比较

表 1 生态水泥和普通水泥的化学成分比较

表 2 生态水泥和普通水泥的矿物组成比较

表 3 生态水泥和其他水泥的物理力学性能比较

3 生态混凝土的应用

3.1 环境友好型生态混凝土

(1)生态水泥。

生态水泥(EC02Cement)是指采用城市垃圾焚烧灰、下水道污泥和工业废弃物作原料,经过处理、配料、烧成、粉磨等工艺,制成的一种新型水泥。这种水泥有利于解决废弃物处理、石灰石资源节约和减少 CO2排放量等问题。例如,生产 1 t生态水泥熟料时,需要垃圾焚烧灰 0.5 t(城市垃圾5.5 t烧成后产品)、脱水后的下水道污泥 0.3 t、补充石灰石等天然原料 0.3 t。生产 1 t生态水泥的工艺及原料见图 2。

(2)再生骨料混凝土。

再生骨料混凝土是废混凝土经过特殊处理工艺制成再生骨料,用其部分或全部代替天然骨料(砂石)配制成。其工艺为先将混凝土建筑结构物解体后的混凝土块运进工厂,经一次破碎之后,剔除铁块及粗大杂物;初碎的混凝土块再经二级破碎,湿式分级,分离成粗、细骨料及砂浆,同时排放污水。据报道,日本每年有 3 000万t旧混凝土,他们对其开发利用以生产砂子和水泥。这样能避免50年后砂石资源枯竭的困境。但全部用再生细骨料和再生粗骨料配制的混凝土强度要低于基准混凝土。经试验证明,以30%的粗细再生骨料等量取代天然骨料,配制成的混凝土强度与基准混凝土相同。

(3)吸音混凝土。

公路交通建设和发展在极大的推动人类进步的同时,也给人类的生存环境带来了许多负面的影响,其中交通噪音是急需解决的问题之一。吸音混凝土就是为了减少交通噪音而开发的,适用于机场,高速公路、高速铁路两侧、地铁等产生恒定噪音的场所,能明显地减低交通噪音,改善出行环境以及交通设施周围的居住环境。

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,大部分则通过联通孔隙被吸收到混凝土内部。其中有一小部分声波由于混凝土内部的摩擦作用转换成热能,而大部分声波透过多孔混凝土层,到达多孔混凝土背后的空气层和密实混凝土板表面再被反射,而这部分被反射的声波从反方向再次通过多孔混凝土向外部发散。在此过程中,与入射的声波具有一定的相位差,由于干涉作用相互抵消一部分,对减小噪音效果明显。

3.2 生物相容型生态混凝土

(1)植物相容型生态混凝土。

植物相容型生态混凝土是指能够适应绿色植物生长的多孔混凝土。利用多孔混凝土空隙部位的透气透水等性能,渗透植物所需要营养,生长植物根系的特点来种植小草、低灌木等植物,用于河川护堤的绿化、美化环境。

施工时,只要在混凝土块的孔隙中填充腐殖土、种子、缓释肥料、保水剂等混合料,草籽就可生根、发芽,并穿透到土壤中生长,从而可以大大改善周围大气的环境。同时,利用其多孔、透水透气性,不仅可使微生物及小动物在其凹凸不平的表面或连续空隙内生息,保持了生物的多样性,具有显著的生态效应;还可以成功地解决常规硬化路面存在的散热少、无呼吸、雨水聚积成涝等问题。可以减轻市政排水设施负担,使地下水得到及时补充,避免造成地下水位明显下降等严重问题。此外,植生型多孔混凝土具有较好的力学性能,若加入特殊的合成纤维,其抗压强度可达到 15～18 MPa。植生混凝土可以作为固沙、固土、固堤护岸材料,用于保护和绿化城镇人行路面、停车场、建筑物墙壁、河道堤防和屋顶等,使绿化与硬化完美地结合起来,增加城市的绿色空间,还能够吸收粉尘、保护环境、维持生态平衡,是一种与自然协调、生态效应显著的混凝土材料。

(2)海洋生物、淡水生物相容型混凝土。

随着沿岸及近海工程建设量日益加大,大量的、单一性质的钢筋混凝土结构物取代自然海岸,使得海岸生物的生存空间日益减少,因此近海岸生态系统生物多样化逐渐减退,水质的自然净化能力逐渐下降,使沿海及近海环境日益恶化。因此,开发海洋生物适应型混凝土是一项重要工作。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栖息在其凹凸不平的表面或连续空隙内,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,并能在混凝土表面繁殖,且混凝土周围的水质对生物的生长没有不良反应,很好地保护了生态环境。

目前已开发应用的海洋生物适应型混凝土有多孔混凝土人工礁石。这种多孔混凝土礁石放在海洋之中,附着在表面的海藻类数量是普通混凝土块的 2～3倍,且海藻生长茂盛。另外还有用于淡水域的河床、湖岸的混凝土构件,构件的表面做成凹凸不平的形状,使之尽量接近自然状态的河床、湖岸的状态,为水中的藻类、植物提供根部附着的场所,为鱼类提供水中生息和避难的场所。

(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。

使用生态混凝土在公园内小河上建造净水渠(15 m×2m×0.4m),水在其中停留 1～3 h可去除水中的有害物质40%～50%,长时间停留可去除 80%～90%。我国同济大学材料与工程学院从 1997年起开始研究生态混凝土材料,并成功研究开发了实用性很强的小型生活污水处理装置,其是一种沉淀、过滤、曝气三合一的预处理装置,在沉淀的同时进行过滤和曝气,污水中的固体物质可去除 90%以上。

4 结束语

生态混凝土对调节生态平衡、美化环境景观、实现人类与自然的协调具有积极的作用,在解决地球环境问题、转变人类发展观念,改善人居环境、净化水污染以及废物利用等方面,比普通混凝土更具有优越性,因此,生态水泥混凝土材料和技术无疑是今后水泥混凝土行业发展的大趋势,研究和开发新型生态混凝土具有很大的现实意义。混凝土材料的生态化是人类对混凝土这一传统建筑材料的迫切需求,也是未来混凝土材料可持续发展的目标。生态混凝土是传统混凝土材料走可持续发展之路,保护生态环境与可持续发展观在建筑材料方面的具体体现和必然选择。因此,生态混凝土正向着智能化、规模化、理论化、体系化和集成化方向发展。

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