混凝土的生态性及其应用

钱觉时，尤 超

（重庆大学材料科学与工程学院，重庆400045）

1 问题的提出

混凝土是目前最大的人工材料，已广泛用于各种结构工程。International Cement Review最新发布的全球水泥报告中，对全球水泥行业分析和预测，覆盖了160多个国家，数据显示2010年全球水泥产量高达32.94亿t，中国2010水泥产量为18.51亿t（中国发展和改革委员会公布的数据是18.68亿t）。按每立方米混凝土水泥用量333kg计算，则1t水泥可制备3m3的混凝土，那么2010年全世界混凝土用量就接近100亿m3，我国混凝土超过50亿m3。

混凝土已经成为用量最大又不可缺少的构筑材料，是现代社会发展最为重要的材料，但混凝土在生产、使用过程中也对环境造成了巨大的影响。生产1t水泥熟料，大约需要1.3t石灰石、0.3t粘土和0.12t标煤，同时产生约1tCO2以及氮、硫化物和粉尘，按此推算2010年我国生产水泥熟料13.08亿t（熟料占水泥量70%计算，水泥以18.68亿t计算），大约消耗石灰石17.0亿t、粘土3.9亿t、标煤1.6亿t，同时约排放13亿t CO2；若每立方米混凝土所用砂、石集料按1 800kg计算，我国2010消耗集料约100亿t，很显然对资源和能源的消耗是惊人的，对环境的影响也是巨大的。长期以来，为了满足混凝土的高强度和耐久性要求，传统的混凝土始终在追求其结构密实性，使得混凝土缺乏透气性和透水性，对空气温度、湿度的调节能力差，影响地表植物的生长，城市绿化面积减少，出现明显的“热岛效应”，严重影响到城市生态系统以及滨水生态环境。另一方面，随着城市化进程的加快，构筑物的重建和拆除产生了大量的废弃混凝土，也加重了环境的负荷。

能源危机、资源危机和生态危机的出现，直接威胁到人类的生存，人类开始反思自己的行为对生态环境造成的影响，愈来愈注重保护和改善生态环境，观念上从以前消极被动逐步转变成积极主动。传统的水泥混凝土材料虽然生产过程面临高消耗、高污染的问题，但能否对混凝土进行积极主动的生态化改造，或者说是否可以赋予混凝土生态性质，以减轻混凝土材料对环境带来的负荷，并与生态环境积极协调、共生？

2 混凝土与生态的关系

混凝土是由胶凝材料（无机的、有机的或有机－无机复合）、颗粒状集料以及必要时加入化学外加剂和矿物掺合材等组分的混合料经硬化后形成具有堆聚结构的复合材料［1］。混凝土一词来源于拉丁语“concrescere”由“con－”（共同、协同）和“crescere”（生长）构成，则混凝土可以理解为胶凝材料、集料、外加剂、掺和料等组分在一起协同工作的复合材料。实际上早在古埃及金字塔和古罗马的建筑中就发现石膏、石灰等胶凝材料［2－3］，如果按照混凝土的普遍定义，混凝土还包括有机胶凝材料所得到的混凝土，如道路工程广泛使用的沥青混凝土，当然混凝土还可能包括采用其他胶凝材料或采用其他工艺得到混凝土。但相对而言，采用硅酸盐水泥作为胶凝材料制备的混凝土，无论是使用量还是应用范围都是其他类型混凝土所不能相比的，因此本文主要关注硅酸盐水泥作为胶凝材料的传统混凝土的生态化。

生态，顾名思义是指生物的状态，也有认为是生物在自然环境下的生存与发展状态，很显然从这个意义上来说，混凝土是不可能有生态属性的。生态学（Ecology）最早是由德国生物学家恩斯特·海克尔于1866年定义的一个概念，即研究生物有机体与其周围环境相互关系的科学［4］。英文“Ecology”一次来源于希腊词汇“oekologie”，由“oikos”和“logos”两部分组成，前者含义是“栖息地”，后者的含义“科学”［5］。环境包括生物环境和非生物环境，生物环境是指生物物种之间和物种内部各个体之间的关系，非生物环境包括自然环境：土壤、岩石、水、空气、温度、湿度等。

很显然，混凝土材料作为目前最大用量的人工材料，其使用过程必然对环境产生影响，而混凝土本身可以作为非生物环境的一种，可成为生态系统一个部分，参与生态系统的运行，从这个意义上讲，混凝土可以被赋予生态性质。当混凝土被赋予生态性质时，就可以称其为生态混凝土。日本混凝土工学协会于1995年给出了类似的生态混凝土（Environmentally Friendly Concrete）概念，认为生态混凝土为具有特殊的结构与表面特性，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一种材料。生态混凝土甚至可以用另一个更为贴切的词汇“eco－concrete”表示，理解为能与生态相协调共生的混凝土。

“生态混凝土”和“绿色高性能混凝土 （GHPC）”是比较类似的概念，两者范畴有所不同。“绿色高性能混凝土”最早是由吴中伟院士于1998年提出的，强调的是混凝土的“绿色性”，这种“绿色性”特征主要包括［6］：

（1）更多地节约熟料水泥，减少环境污染；

（2）更多地掺加工业废渣为主的细掺料；

（3）更大地发挥高性能的优势，减少水泥与混凝土用量；

（4）扩大GHPC的应用范围。

而“生态混凝土”强调的是“生态性”，这种“生态性”可以体现在2个方面：

（1）混凝土本身的生态性。一方面混凝土在使用过程中能直接减轻对生态环境的影响和吸纳生态环境中各种污染源；另一方面混凝土与生物共容共生，促进生态系统的平衡或有利于生态系统的改善和重建，这种两种层面上的生态性可以称为“相容性”。

（2）减少消耗甚至消纳废弃物。包括减少原材料、能源消耗，减少或消除污染物的排放，更大限度消纳工业废渣，增加混凝土可循环性能，延长使用年限，以此减轻对环境的负荷，从而以间接方式体现“生态性”。

很显然，“生态性”包含了“绿色性”，但“生态性”更强调与环境的“相容性”。

生态混凝土作为人工材料，其目的是为人类服务，除了具有生态性质外，还需具备构筑物所需的结构功能和使用功能。从人类自身和生态环境2个方面考虑，生态混凝土应该具有2方面的属性：（1）更高的耐久性、优良的使用性以及较好的经济性，能够满足结构物的力学性能及使用年限的要求，能够为人类构筑温和、舒适、便捷的生活环境。（2）良好的生态性，能减轻对地球和生态系统的负荷，与生态环境相协调，有利于保护和改善生态环境。生态性应是所有混凝土的发展目标。

3 生态混凝土的分类

生态混凝土可根据生态性体现方式（直接和间接两种方式）进行分类。生态混凝土应有广义和狭义之分，可以将体现“绿色性”（间接体现生态性）的混凝土称为减轻生态环境负荷型混凝土，而将体现“相容性”（直接体现生态性）的混凝土称为生态环境相容型混凝土。广义的生态混凝土则包括减轻生态环境负荷型和生态环境相容型2类，狭义的生态混凝土则是指生态环境相容型混凝土。广义的生态混凝土又被称为“环保型混凝土”［7］、“绿色生态混凝土”［8－9］、“生态环境友好型混凝土”［10］等。综合生态混凝土已有分类［7，11］，本文提出以下更为广泛的分类（如图1所示）。

图1 生态混凝土的分类

必须指出，生态混凝土的绿色特征和相容特征并不是相互独立的，真正意义上的生态混凝土具有生态环境相容的特征同时，还应包含绿色特征，这样才能最大限度地体现生态性，成为名副其实的生态混凝土。

3.1 减轻生态环境负荷型

减轻生态环境负荷型混凝土，应在混凝土全生命周期（生产、运输、使用、解体、回收利用等环节）中有利于节约能源和资源、减少污染物排放、吸收工业废弃物，降低对生态环境影响。实现减轻生态环境负荷不仅在生产过程中减轻环境负荷，而且使用过程中也能减轻环境负荷。一些城市对于绿色生态建筑的认定就将是否采用减轻生态环境负荷型混凝土作为一个比较重要的建筑材料指标。

3.1.1 生产过程中减轻环境负荷

（1）使用生态水泥、无熟料水泥配制的混凝土

生态水泥通常指以城市垃圾焚烧后的灰渣和城市下水道污泥以及生活污水污泥，添加一些校正原料，再经配料烧制得到的水泥。日本最早开始研究垃圾焚烧灰渣和下水道污泥为作为主要原料生产生态水泥，废弃物达到60%，垃圾焚烧灰渣占20%～30%，并已建成世界第1个生态水泥生产线［12－13］。利用废弃物生产生态水泥，有利于解决废弃物处理问题，节约天然原材料，因为污泥中含有一定热值的有机物，因此也同时节约能源，此外由于大幅度减少石灰石用量，大大降低了CO2排放。

无熟料水泥混凝土即不采用硅酸盐水泥熟料，如采用工业废渣作为主要胶凝材料组分，通过化学激发来配制混凝土，可将传统硅酸盐水泥“两磨一烧”工艺简化成“一磨”工艺；甚至有采用几种不同类型工业废渣的组合［14］，完全不采用水泥熟料或者化学激发剂制备的混凝土能满足一些要求不高的工程。

很显然，只要是大掺量使用废渣而减少水泥熟料用量的混凝土，也都具有节约能源和资源、减少环境污染的特征。

（2）再生骨料混凝土（Recycled Aggregate Concrete，RAC）

简称再生混凝土（Recycled Concrete），它是指将废弃混凝土块经过破碎、清洗与分级后，按一定的比例与级配混合形成再生混凝土骨料，部分或全部代替砂石等天然骨料配制而成新的混凝土。需要指出，生产再生骨料除了废弃混凝土外，还包括其他建筑废弃物，如废弃砖瓦、陶瓷等［15－16］。欧洲共同体废弃混凝土2002年就达到16 200万t左右，而废砖排放量约为5 200万t，美国每年大约有6 000万t废弃混凝土［17］，因此再生骨料混凝土不仅解决废弃建筑材料的处理，而且实现建筑材料资源的循环利用。

（3）可再生混凝土（Reproducible Concrete）

这种混凝土从设计阶段开始就有意识选用能够循环使用的原材料，在混凝土达到使用寿命后，能够以较低的能源和环境代价，将混凝土中的主要原材料部分、甚至全部转化为原有形态［8］。最为常用的方法就是按照水泥生料的化学组成确定混凝土中各组分的用量，废弃后直接作为水泥生料，添加少量的校正原料磨细后烧制成水泥，从理论上可以实现“水泥－混凝土－水泥”完全循环。

（4）其他

一些工业废液是非常好的混凝土外加剂，如利用造纸废液制造的混凝土减水剂。为了减少传统混凝土施工过程中的噪声污染以及减轻劳动强度，现已得到较为广泛应用的自密实混凝土，该种混凝土具有高的流动性，可以不需要外力振捣就能密实成型，也是一种较为典型的减轻生态环境负荷型混凝土。

3.1.2 使用过程中减轻环境负荷

在使用过程中减小对环境的负荷，主要通过减少混凝土用量和延长混凝土结构使用寿命，可通过提高混凝土的强度和耐久性来实现。节约混凝土用量和延长混凝土结构使用寿命，也是节约资源和能源、减少环境负荷和保护环境最直接最有效的途径。

提高混凝土强度可以减少混凝土结构截面面积，从而减少混凝土用量。

通过掺加减水剂、减缩剂或者加入纤维等增强组分，可显著提高混凝土耐久性。混凝土耐久性重要性甚至高于其强度和其他性能，混凝土耐久性不好将会使混凝土结构服务年限大大缩短，同时带来巨大的经济损失。另一方面，如果混凝土服务年限提高1倍，则可以节约1倍的资源、能源，并避免混凝土生产过程中对环境产生的各种污染。

3.2 生态环境相容型混凝土

生态环境相容型混凝土能够直接与生态环境相作用，可减轻对生态环境的影响和吸纳生态环境中各种污染源，与动植物等生物和谐共容共生、调解生态平衡、改善生态环境、美化景观，促进人类与自然积极协调发展。

生态环境相容型混凝土又可分为非生物环境相容型混凝土和生物环境相容型混凝土。

3.2.1 非生物环境相容型混凝土

顾名思义，非生物环境相容型混凝土是指其能与非生物环境积极相容，即能够直接与非生态环境相作用，减轻对生态环境影响和吸纳生态环境中各种污染源，具有一定的调节功能。

（1）透水型生态混凝土是一种经过特殊工艺制成的具有连通孔隙的多孔混凝土，具有较高的连通孔隙率和较好的力学性能，具有很好的透水性和透气性的混凝土。

（2）吸音混凝土也是一种具有多孔结构的混凝土，声波在吸音混凝土内部传播，由于黏滞作用和摩擦力、以及在孔壁不断发生反射，以及声波相位差发生干涉而消耗掉，而达到很好的吸声效果。

（3）空气净化混凝土是以混凝土为基材复合能催化分解空气中有害成分的催化剂制成的具有净化空气作用的混凝土。如将锐钛矿型TiO2与混凝土复合就可制得具有净化汽车尾气中NOx功能的混凝土材料。

（4）相变混凝土是以混凝土为基材复合相变材料制成的具有储能作用的混凝土。相变时吸收或释放能量，可用于具有需要温度控制的地方。在建筑节能方面，相变混凝土做墙体材料，可起到控制或稳定室内温度，构造热舒适的环境，同时起到节能的作用。

此外，还有隔热混凝土、调节湿度混凝土、电磁屏蔽混凝土等，都能直接减轻对生态环境的影响或吸纳生态环境中各种污染源，改善生态环境。

3.2.2 生物环境相容型混凝土

生物环境相容型混凝土是指其能与生物环境积极相容，即能与动植物等生物共容共生。

（1）植物相容性混凝土

植物相容型混凝土又称为植被混凝土，由多孔混凝土和植生材料2部分组成。多孔混凝土由粗骨料表面包覆一层胶结材料浆体相互粘结成的含有大量孔隙（特别是连通孔隙）的蜂窝状结构的混凝土；植生基材主要由土壤、粉煤灰、肥料、保水剂、植物种子等组成［18］。植物相容型混凝土同时具有较高强度和可植生2个优点，因此植物相容型凝土具有工程防护性能的同时，还具有适合植物生长和改善生态环境的性能，可应用于河道整治、护坡工程、城市小区绿化和屋顶花园等。

（2）水域生物相容型混凝土

水域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，多孔混凝土凹凸不平的表面和内部大量连通的孔隙给陆生和水生小动物提供栖息地，通过生物间相互作用或共生作用形成食物链，并能在混凝土表面或内部进行繁殖，有利于维持水域生物的多样性，保护生态环境。

（3）水质净化处理型混凝土

用于城市污水处理的生态混凝土是利用多孔混凝土特殊的孔隙和表面结构，以及对各种微生物的吸附形成的生物膜层，达到净化水质目的。净水机理［19］包括生化净化、物理净化、化学净化，主要靠生物膜层的生化净化起到间接起到净化水质的作用。用于湖泊水域水质净化的生态混凝土是利用超轻骨料制备的多孔水生植被混凝土，这种超轻植被混凝土可漂浮在水面，利用水生植物消纳水中富营养组分起到净化水体的作用，还可为水生动物提供栖息地［20］。

4 生态混凝土的应用

4.1 城市建设中的应用

传统的路面多采用普通混凝土、沥青、花岗石、大理石以及水泥砖等铺设而成的“硬质地面”，其路面致密、不透水、不透气，阻碍了城市地下水体与大气的水循环，且极易形成地面积水和暴雨地表径流污染，并且易于吸收、存储阳光的热量，加重“城市热岛效应”。

透水型生态混凝土具有良好的透水性和透气性，赋予其“呼吸功能”，在城市建设中特别是路面中的应用，可缓解城市排水压力、补充地下水、减小地表径流污染、缓解城市“热岛效应”、吸收噪声和防止尘扬等。

透水混凝土可适用于人行道、景观硬地、停车场、广场、非机动车道以及轻型荷载道路等。欧洲、美国、日本等发达国家早在50年前，到2010年，德国城市90%的路面将改造为透水性路面［18］。我国也开始关注透水混凝土的应用，在为2008年北京奥运会的场馆、公园广场以及停车场建设中就采用透水混凝土进行铺装［21－22］。

4.2 空气净化工程的应用

汽车大量普及，给人们带来便捷的交通的同时，汽车尾气对环境的污染也愈来愈严重，危害到人类的身体健康，NOx是大气主要污染源之一。将具有光催化分解NOx的混凝土材料用于路面铺装是控制NOx污染新的途径，受到越来越多人的关注。在意大利的赛格拉特和比利时的安特卫普市先后进行了6 000m2和10 000m2的光催化混凝土路面材料的工程试验［23－24］，我国在南京长江三桥北桥也进行5 000m2工程试验［25］。

4.3 护坡工程中的应用

传统的河道护坡为了防止水土流失以及保证护坡安全，主要采用封闭式的普通混凝土以及浆砌块石护坡，隔绝了土壤与水体之间的物质交换，无法提供陆、水动植物生长所需的生态环境，因此，生物种群减少、水体缺乏自净功能。

生态混凝土用于河道护坡工程，一方面能满足堤坝、边坡加固修复要求，还能满足植物生长和生态环境恢复，特别适用于水土流失比较严重和高陡的边坡。我国很多城市的河道改造都采用了生态混凝土，以达到生态护坡形成优美的生态景观［26－27］。

4.4 水质净化程中的应用

日本早在1994年发现投入海中的将生态混凝土具有富集营养物质的功能，开始了生态混凝土用于湖泊等水域水质净化方面的研究。我国有研究者采用普通水泥和砂石等材料制作用于水质净化的生态混凝土，根据侧滤原理，通过一种沉淀、过滤、曝气三合一的预处理装置，较好地解决了固体物质在生态混凝土上的堆积问题，对于实际生活污水处理结果显示，除悬浮物数据处于指标上限外，均优于城市污水处理厂二级处理后的排放水质标准［19，28－29］。还有研究者［30－31］以水泥、砂石、粉煤灰和活性材料等廉价材料制成了透水混凝土膜体，通过循环挂膜，使膜体表面粘挂多种微生物，形成具有物理过滤、生物吸附、化学吸附等多种功能的透水混凝土生态膜，经处理的水质可达到一级排放标准的要求，因为可以节省沉淀池和污泥回流及处置系统，建设成本和运行成本可降低到传统方法的1／3。

此外，生态混凝土还能应用于滨海以及水域生态工程，保护水域生态环境，恢复生物多样性，滨海地区绿化带土壤的盐分控制，也可应用于工程防护伪装等。

5 结 语

谈到混凝土，人们通常不会将其与生态联系在一起，也不会想到混凝土可以具有生态性。当然，混凝土具有生态性，不是混凝土本身是一种生物体，而是指以更小甚至无生态环境负荷而获得混凝土材料和其能与生态环境积极相容。生态混凝土虽然目前更多为一种理念，但人们在混凝土材料的研究、制备和使用过程中，应与保护和改善生态环境相联系，实现人与自然的和谐共处，发挥混凝土材料更大的作用和实现混凝土材料的可持续发展。

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