低碳混凝土新材料的研究进展*

2011-05-09周伟孙继成崔源声

商品混凝土 2011年4期

关键词：清水骨料水泥

周伟，孙继成，崔源声

（建筑材料工业技术情报研究所，北京 100024）

低碳混凝土新材料的研究进展*

周伟，孙继成，崔源声

（建筑材料工业技术情报研究所，北京 100024）

混凝土一直朝着高性能方向发展，随着全球碳减排的愈演愈烈，不仅要求混凝土的高性能化，还要求混凝土在碳减排方面也做出相应的贡献。为此，世界各国都在为混凝土行业减少碳排放而努力。本文介绍了降低混凝土碳排放的途径，并以此为基础，着重介绍了几种混凝土新材料，说明混凝土新材料的研究方向及进展。

碳排放；新材料；进展

0 前言

全世界除了水以外，使用量最大的材料是混凝土。据混凝土与水泥制品协会资料显示，2010年我国商品混凝土的产量预计是9.7亿m3，与2009年相比增长22.8%。混凝土的大量使用给碳减排带来很大的压力，特别是作为混凝土主要原材料的水泥，就是高耗能、高二氧化碳排放的产业。据报道（CIF，2003；Flower and Sanjayan，2007；Ulm，2007），每生产1t水泥大约产生0.9tCO2，生产水泥所排放的CO2占工业总排放的5%～8%。在倡导节能减排、发展低碳经济的今天，水泥混凝土工业应发展新技术、新装备，研发混凝土新材料，降低能耗，减少碳排放量。

降低混凝土行业的碳排放量可以通过以下几个途径达到：降低混凝土生产过程的CO2排放首先要减少水泥用量，合理使用矿物掺合料，在混凝土生产和应用中安全、有效地降低水泥熟料用量，实现节能减排、发展低碳经济的目标；其次应提高混凝土的耐久性，延长建筑物的使用寿命，降低维修重建的需要，减少混凝土的使用量；另外，还要充分利用建筑垃圾，发展再生骨料，特别是利用工业固体废弃物煤矸石等生产制造细骨料，积极利用拆除的旧建筑和构筑物的废弃混凝土、砖、瓦等代替天然砂石，减少对不可再生天然骨料的开采和利用。

据此，全世界混凝土行业积极研发混凝土新品种，实现混凝土的低碳化。本文就以低碳为背景，介绍混凝土新材料的研究进展。

1 减少水泥用量

矿物掺合料用于混凝土生产的时间已经很长了，最初，粉煤灰等工业废渣只是被作为节省水泥、降低成本的一种措施，在很长时间内人们对其应用都持一种消极的态度，甚至认为矿物掺合料的掺入是以牺牲混凝土性能为代价的。20世纪30年代，美国开始对粉煤灰掺入混凝土和砂浆进行完整的研究，直到20世纪70年代，能源危机、环境污染以及资源枯竭问题的出现，才又强烈激发人们对粉煤灰、矿渣等工业废弃渣进行再利用的研究，为工业废渣用作水泥混凝土掺合料开辟了新篇章。

现在经过一定的质量控制或制备技术获得的优质矿物掺合料，可明显改善硅酸盐水泥自身难以克服的组成和微结构等方面的缺陷，包括劣化的界面区、耐久性不良的晶相结构、高水化热造成的微裂纹等，赋予了混凝土优异的耐久性和工作性，超越了传统的降低成本和环境保护的意义，已成为混凝土材料不可或缺的组分。

在“低碳排放”的浪潮中，通过大掺量使用矿物掺合料，以此减少水泥熟料用量成为混凝土低碳化发展的主要趋势。此外，科研人员致力于新技术研究，通过改变混凝土生产技术来减少单方混凝土中水泥用量，以下为几种典型的低碳混凝土品种介绍。

1.1 低碳生态混凝土

低碳生态混凝土中水泥用量为150～200kg/m3，而普通混凝土水泥用量为300～400kg/m3。普通水泥制品（EN 197的CEM Ⅰ）CO2排放量为930kg/（吨水泥）（英国水泥协会，2009）：大约50%来自石灰石分解（过程排放），40%来自燃料消耗，10%来自生产过程中所用的电能。低碳生态水泥充分发挥粉煤灰、矿渣在混凝土中的作用，如每吨粒化高炉矿渣（GGBS）一般释放35kg CO2，混凝土制备中使用粒化高炉矿渣可以减少水泥用量，显著降低CO2排放。GGBS的使用减少了水泥的使用，也就减少了水泥生产过程中其他有害物质的排放，如能引起酸雨形成的氮氧化物和SO2，这些排放物不仅对环境造成污染，而且对人体健康也有影响。

此外，利用GGBS制备的混凝土有很高的太阳能反射率：美国的研究已表明，用GGBS制备的混凝土可增加20%的阳光反射。这就减少了城市发展中的“热岛”效应，同时还可起到减少对人工灯的需求、可视性提高、增加道路安全性的作用。

1.2 E-CreteTM

E-CreteTM是由澳大利亚一家名为Zeobond的公司生产的地聚合物混凝土产品。主要成份为粉煤灰和矿渣，还掺入钢纤维或有机纤维。由于减少了水泥用量，与普通水泥混凝土相比，至少可以减少60%的CO2排放，同时，通过使用工业废弃物，减少了原材料开采，节约了资源。

E-CreteTM可以用于多种预制件中，如挡土墙、人行道、车道、屋面板等，性能与普通水泥相似，抗盐腐蚀性及耐火性大于普通水泥。现已在澳大利亚得到广泛应用。

1.3 抛填骨料混凝土

近年来混凝土的研究和应用都朝着高强和高工作性发展，粗骨料在混凝土中的用量越来越低，含有大量浆体的自密实混凝土更是大行其道，过多的胶凝材料用量往往带来的是中高强混凝土的普遍早期开裂，在设计高强混凝土时，往往要增加胶集比来提高混凝土的流动性，混凝土中的粗集料用量变小，这样就带来了浆体的大量富余。

为了平衡混凝土工作性和服役性能的矛盾，沈卫国[1]发明了一种名为抛填骨料混凝土的施工工艺；在混凝土浇筑或摊铺过程中，通过分层撒布的方式外加体积分数为10%～30%（以成品混凝土体积为准）的骨料，振捣密实，形成一种“骨料嵌锁型混凝土”，不仅降低了混凝土的水泥用量，还能大幅度提高混凝土的服役性能。

利用抛填骨料技术仅用440kg/m3的水泥即可制备94MPa的高性能混凝土；利用360kg/m3粉煤灰即可制备82MPa的自密实抛填骨料混凝土，用大约400kg/m3胶凝材料即可制备出近70MPa的高强混凝土。采用抛填骨料工艺制备的混凝土中骨料分布均匀，达到了紧密堆积并有效嵌锁，改善了混凝土浆体集料界面过渡区，基本杜绝了浇筑和振捣过程中骨料沉降、浮浆和泌水等病害。骨料能充分发挥其优良的性能：降低混凝土水化热，大幅度提高混凝土强度和模量、体积稳定性、抗裂性和耐久性。采用这种技术可节约20%左右的水泥，克服了当前混凝土普遍存在的浆体富余系数过高的弊端，同时，由于水泥是混凝土中碳排放的主要成分，减少水泥用量就大幅度减少了碳排放。

抛填集料混凝土的施工可以保持原有的施工工艺不变，只是在混凝土摊铺或建筑过程中抛入一定量的粗集料即可，粗集料可以通过配置一台小型的集料撒布机械在混凝土浇筑过程中均匀投入，也可以通过人工撒布，非常易于推广应用。

2 提高混凝土的耐久性

2.1 超高性能混凝土

超高性能混凝土（Ultra High Performance Concrete，简称UHPC）又称活性粉末混凝土（Reactive Powder Concrete，简称RPC）是20世纪90年代末开发出的超高强度、高韧性、高耐久性、体积稳定性良好的新型材料。它是DSP（Densified System containing ultra-fine Particles）材料与纤维增强材料相复合的高技术混凝土。因其具有优异的力学性能和超高的耐久性，在国外引起了材料界和工程界的极大兴趣，其中法国和加拿大的一些学者已将这种新型水泥基材料产业化并用于建筑工程中。

20世纪90年代末，由法国Lafarge公司研发的Ductal®就是超高性能混凝土的一种，它将混凝土的强度、韧性、耐久性及美学完美地结合在一起了。因此，使用Ductal®在提高结构耐久性（包括抗侵蚀性、抗渗性、磨蚀及冲蚀性）的前提下，能够增加结构物的跨度、减小尺寸，从而使得结构物重量减轻，也更加美观。可以起到降低建筑成本、减少维护、快速施工、提高结构安全性、延长使用寿命等作用。

Ductal®的抗压强度是普通混凝土的6～8倍，抗折强度是普通混凝土的10倍，耐久性是标准指标的100倍，能在过载情况下，变形但不断裂。同时具有高质量表面，尤其是在桥梁上使用，更能比普通钢筋混凝土桥梁节约35%的原材料，降低53%的CO2排放。

图1 同等抗弯能力的几种混凝土构件的尺寸比较（从左到右依次是UHPC、钢筋、预应力混凝土、钢筋增强混凝土）

Ductal®已在美国、加拿大、法国、西班牙、韩国等国家得到了应用。如2002年由法国著名设计师设计的和平桥（图2），主跨部分全部使用Ductal®，具有轻巧、自重小、建设速度快的特点，且除基础和桥墩外，全为预制装配、后张预应力施工。

图2 2002年由法国著名设计师设计的韩国首尔的和平桥

加拿大卡尔加里（Calgary）的Glenmore/Legsby步行桥（图3）也是使用的Ductal®，桥梁跨距53m，横跨8条城市道路，跨中厚度1.1m，梁重约100t。该桥结构强度大、重量轻、施工快速，设计部分去掉了中心柱子，增加了能见度，改善了交通安全性；抗氯离子渗透性增强，表面光滑，满足了美观要求，耐久性高，减少了维护工作。

图3 加拿大卡尔加里的步行桥

我国最早对RPC开展比较系统研究的是湖南大学的黄政宇教授，其课题组应用国产材料成功配制出了RPC200，完成了RPC200基本力学性能的测试，并制成了RPC钢管混凝土以及预应力RPC组合梁。东南大学的孙伟教授也进行了RPC配合比的试验研究，并对RPC的冲击力学性能进行了初步研究[3]。但总的来说，我国在RPC方面的研究相对较少，且缺乏具有说服力的工程实践。

2.2 CEMROC®

Holcim公司研制了一种名为CEMROC®的混凝土，它是通过在矿渣水泥中添加其他成分生产而成的，其寿命长，具有特殊的抗化学侵蚀性，耐久性好，生产过程中CO2排放量少。

3 再生骨料混凝土

城市改造拆除的混凝土结构经破碎和加工，可以制成生产新鲜混凝土所需的骨料用于各种强度等级的混凝土结构中，其性能与天然骨料没有显著区别。它可有效减少建筑垃圾造成的污染，减少由于开采砂石造成的自然环境的破坏，对保护自然环境、发展循环经济和可持续发展具有积极意义。

将废弃混凝土再生利用的研究工作最早开始于欧洲，在二次世界大战后，美国、日本、欧洲等国家重建家园，就注意到了废弃混凝土的问题并开始了相关的研究，到现在已召开了数次有关废弃混凝土再生利用的国际会议。因此，废弃混凝土再生利用已成为国内外工程界和学术界共同关注的热点和前沿问题之一。

拉法基公司和GRS公司合资组建的公司正在推动一个来自于利用拆旧、工地及可用垃圾制造更多可持续的建筑工业产品的再循环的项目，将废弃的混凝土、石头、砖石进行处理，将其回收再利用加工成有价值的、颗粒均匀的可再用材料。

由于国土面积小、资源相对匮乏，日本的构造原料价格比欧洲都要高。因此日本人将建筑垃圾视为“建筑副产品”，十分重视将其作为可再生资源而重新开发利用。比如港埠设施，以及其他改造工程的基础设施配件，都可以利用再循环的石料，代替相当数量的自然采石场砾石材料。并且制定了相关规范和法规。

由于过去，我国对建筑垃圾的再利用没有充分认识，因此，没有引起重视。但是随着建筑垃圾引发的环境问题、经济问题和社会问题日益突出，我国政府已开始重视节能和资源的回收利用问题，并大力提倡和发展建筑垃圾的再生利用[3]。由于我国对建筑垃圾再利用的研究起步较晚，目前，一些学者和科研人员做了相关的研究和探索，但仍处于研究的初级阶段，缺乏完善的技术、规程和标准，对再生骨料的研究也是局限于一些零散的试验研究，缺乏系统的整理。因此，对再生骨料的研究已成为建筑材料领域的一个热点课题。

4 特殊性能混凝土

4.1 绿化混凝土

通过混凝土结构和配合比优化设计，采用特殊制备技术，现场浇筑成混凝土地面（坡面），使该混凝土满足植物种植和生长要求。种植混凝土的绿化率可达到80%～100%，主要用于堤岸保护、护坡和水库绿化，也可用于庭院、公园、停车场、花园的地面。通过种植植物吸收CO2，相当于间接降低CO2排放。

20世纪90年代初期，日本最早开始研究绿化混凝土，从混凝土结构物的绿化施工方法、评价指标等多方面进行了系统的研究和开发。绿化混凝土在日本得到了广泛的应用，从城市建筑局部绿化、沿岸、护岸工程到道路、机场建设等大型土木工程，均考虑了绿化措施。近年来，我国也开始混凝土结构物的绿化问题，2004年上海市嘉定区江河道综合治理工程中进行了一段绿化混凝土生态护坡的建设，应用效果良好。因此，积极开发、研究和应用绿化混凝土是将混凝土向环保型材料发展的一个重要方面。

4.2 ThermediaTM

ThermediaTM是拉法基联手布伊格建筑协会，共同推出的新一代建筑节能系列混凝土。其中Thermedia 0.6B是ThermediaTM系列中的第一款产品，在提高建筑物的能源效率领域带来了初步满意的结果，主要表现在：能够通过建筑外壁减少建筑物内热量的散失；通过外墙保温来改进建筑方法。采用此种混凝土可以减少建筑物内采暖以及空调使用的成本，更能减少对大气中CO2排放量的影响。

4.3 清水混凝土

清水混凝土又称装饰混凝土，产生于20世纪20年代，因其极具装饰效果而得名。20世纪60年代，越来越多地出现在欧洲、北美等发达国家。在亚洲，日本最早开始使用清水混凝土，到今天，日本的清水混凝土已经得到了很大的发展。在我国，清水混凝土是随着混凝土结构的发展不断发展的。20世纪70年代，在内浇外挂体系的施工中，清水混凝土主要应用在预制混凝土外墙板反打施工中，取得了进展。后来，由于人们对外装饰的目光都投诸于面砖和玻璃幕墙中，清水混凝土的应用和实践几乎处于停滞状态。直到1997年，北京设立了 “结构长城杯工程”奖，推广清水混凝土，使清水混凝土重获发展。

清水混凝土属于一次浇筑成型，不做任何外装饰，直接采用现浇混凝土的自然表面效果作为饰面，因此不同于普通混凝土，表面平整光滑、色泽均匀、棱角分明、无碰损和污染，只是在表面涂一层或两层透明的保护剂，显得十分天然、庄重。

清水混凝土是名副其实的绿色混凝土：混凝土结构不需要装饰，舍去了涂料、饰面等化工产品；有利于环保：清水混凝土结构一次成型，不剔凿修补、不抹灰，减少了大量建筑垃圾，有利于保护环境；消除了诸多质量通病：清水装饰混凝土避免了抹灰开裂、空鼓甚至脱落的质量隐患，减轻了结构施工的漏浆、楼板裂缝等质量通病；促使工程建设的质量管理进一步提升：清水混凝土的施工，不可能有剔凿修补的空间，每一道工序都至关重要，迫使施工单位加强施工过程的控制，使结构施工的质量管理工作得到全面提升；降低工程总造价：清水混凝土的施工需要投入大量的人力物力，势必会延长工期，但因其最终不用抹灰、吊顶、装饰面层，从而减少了维护费用，最终降低了工程总造价。

由于清水混凝土具有前期设计精细、施工管理要求高、后期维护成本低等特点，再加上其耐酸碱的特性，使建筑即使在恶劣环境下仍能有效抵抗表面风化和内部钢筋被腐蚀的过程，而混凝土自然的颜色、机理及质感及其与生俱来的厚重、清雅，还能充分体现建筑物设计中自然、质朴、沉稳的独特韵味，因此，清水混凝土被广泛用于国内外知名建筑，如悉尼歌剧院、日本国家大剧院、巴黎史前博物馆，以及我国的海南三亚机场、首都机场、上海浦东国际机场航站楼、东方明珠电视塔等都采用了清水混凝土。

4.4 泡沫混凝土

泡沫混凝土是一种具有节能、保温、轻质、隔热、耐火等性能的多功能材料，在建筑节能领域将发挥越来越重要的作用，国家政策也为泡沫混凝土的发展创造了良好的条件。与有机泡沫材料相比，泡沫混凝土有防火、隔声、耐久、绿色环保等优势；与加气混凝土、泡沫玻璃、玻化微珠等其他无机保温材料相比，有造价低、可现浇自保温墙体、制品密度低、易于成型、工艺简单、投资小、原料来源广、易于推广等优势。

目前，影响泡沫混凝土得到广泛应用的主要原因是无标准可依、无示范工程引领市场等，这些问题突破后，泡沫混凝土将会很快普及应用。