高性能混凝土与建筑工程材料的可持续发展

■陈颖杰 ■内蒙古交通职业技术学院，内蒙古 赤峰 024005

1 建筑工程材料的可持续发展

1.1 可持续发展

建筑工程可持续发展是要多考虑长远利益，满足当代的需求是一个方面，不损害后代的发展需求是另一个方面，这两个方面都要顾全，并且要实现经济建设与社会协调发展，这不仅需要实现经济的发展，也要达到保护自然资源和人类生存环境的目的，保证我们的子孙能够继续和谐生活。

1.2 建筑工程材料与可持续发展

可持续发展是社会经济发展的基本战略的需要，是解决经济发展与资源、环境、人口和社会之间矛盾的根本方针。因此，在工业建设领域的具体目标，主要集中在五个方面:其一，最大可能地提高生产效率，降低能耗和消耗;其二，保护环境，维持生态平衡，尽可能减少或消除环境污染;其三，要很大情况下使用自然的资源和能源，减少有可能出现的浪费，提高利用率;其四，最低限度地产生废弃物，包括废水，废气，废渣，废料等，争取实现无废生产，实现环境保护和废物循环利用，保证环境优美和工业生态化发展。

建筑业在我国国民经济中的五个部门占据第三位，是一个非常大的产业。建筑业的钢材、水泥和木材的消耗，约占总消费量的25%、70%和22%，而化学建材新型建材是第四大建筑材料。我国的发展正从农业向工业过渡，在城市化过程中，我们需要解决城市人口的住房问题，并且要致力于城镇建设，在城镇建设过程中我们将面临大量的交通建设等大型的城市公用设施建设，而这些重大项目的建设对建筑工程材料的需求量是不可估量的，因为市场的大量需求，直接推动者建筑工程材料行业的快速发展。水泥作为一种最传统的建材，其发展已经超过170 多年。不同工程项目中对水泥混凝土的广泛应用，也推动着以水泥混凝土为主要建筑材料的各类建筑物的设计不断翻新，反映着不同地域时代的文化背景、建筑风格和水平。

混凝土在建筑、市政等工程领域中发挥的作用和其他材料相比是不可替代的。多年来，它被认为是有一个比钢材、木材和其他建筑材料适用范围更为广泛，价格更加便宜、易于浇筑和力学性能稳定的，并且耐久性强，同时可以高效利用工业废料的节能建筑材料。相关资料显示，相同条件下，每吨混凝土能源消耗的能量是砖的16.7%，钢材的5%，玻璃的3.6%，铝材的0.6%。所以，混凝土作为节能材料，越来越受到人们的重视建筑。但由于水泥混凝土建筑物的不断出现，也给人类社会环境带来了前所未有的破坏，人们认识到毫无节制地滥用地球的资源和能源将会导致资源和社会发展的危机，在发展经济促使社会进步的同时必须将发展和环境的保护、发展和能源资源的节约进行综合、全面、长远地考虑，只有做到协调可持续发展才是人类社会真正的发展，才能保证人类社会的长久持续发展。与此同时，为了准求绿色可持续发展，混凝土材料科学界经过不断地反思试验，提出了关于高性能混凝土以及绿色高性能混凝土的理念。

2 高性能混凝土

2.1 高性能混凝土特征

2.1.1 耐久性

高性能混凝土应用是为了增加混凝土结构的耐久性，增加使用时间，配合使用减水剂和矿物质超细粉这样可以使其耐久性增强，还能够减少混凝土配比时候的用水量，同时减少混凝土的内部的气穴，这样能够有效控制混凝土结构的耐久性、可靠性，使其能够持续稳定工作很多年。

2.1.2 工作性

评价混凝土工作性的最主要的指标为坍落度，高性能混凝土的坍落度比较容易控制，高性能混凝土的振动粘度性比较大，粗骨料在下沉过程中，速度比较缓慢，在相同的时间内下降的距离短，稳定性和均匀性好。此外，在高性能混凝土中水灰比例较低，并且有超细粉的加入，因为高性能混凝土一般是不出现泌水现象的，这也造成高性能混凝土的水泥浆粘度大，基本不会出现离析的状况。

2.1.3 力学性能

对于混凝土的强度的影响因素很多，水灰比是其中之一。很多时候，普通混凝土的强度是与水灰比成反比的，高性能混凝土可以利用增塑剂，使其分散能力加强，使其的减水率提高，这样可以减少水用量，增加效果。高性能混凝土中可以加入矿物超细粉，这样可使每个水泥颗粒之间的间隙被充分填充，减少气穴，增加强度，使混凝土的密实度得到很大提高，从可以有效提高混凝土的使用寿命。

2.1.4 体积稳定性

体积稳定性也是高性能混凝土的特性之一，高性能混凝土的体积稳定性是指混凝土在硬化初期具有较低的水化热，而在硬化后期其收缩变形比较小。

2.1.5 经济性

通过以上分析可知高性能混凝土具有强度高、耐久性好等特性，而这些特性都是高性能混凝土具有良好经济性的依据。首先，因为高性能混凝土具有高强度性，这可以缩减构件的尺寸和自重，从而节约使用空间;其次，因为高性能混凝土具有良好的耐久性，这可以使结构的维修费用显著降低，并且可以使结构的使用寿命延长;其三，因为高性能混凝土具有很好的工作性，这可降低工人的劳动强度，并且可以提高施工速度，加快施工进度，从使成本显著下降。简单的说，高性能混凝土更适合结构功能要求和施工工艺要求，能使混凝土的使用寿命最大化，从而取得良好的经济效益。

2.2 高性能混凝土的质量管理和施工使用控制技术

2.2.1 高性能混凝土的原材料选择及其适用情况

(1)细集料与粗集料选用。在进行细集料选择时，应选择质地坚硬、洁净、级配良好的天然中、粗河沙，质量符合《建筑用砂》GB/T14684的规定。混凝土的强度受到砂粗细程度的影响，较粗的砂，混凝土的强度越高。细度模数大于2.3 的中砂用于配制C50-C80 的混凝土，细度模数大于2.6 的中砂或粗砂用于配置C80-C100 的混凝土。此外，对于粗集料的选择，要求是强度高、吸水率低、级配良好。高性能混凝土要求强度高的骨料，粗集料强度一般需要是混凝土强度的115 到210倍，最大粒径必须小于25 毫米。粗集料一般采用连续级配，最好采用级配良好的石灰岩碎石。为了减小温度应力，必须选择线膨胀系数低的粗集料，这样可以保证混凝土的体积稳定性。

(2)细掺合料。在制备高性能混凝土的时候，掺活性掺合料的水泥浆流动性小，可以充分填充混凝土的空隙，从而大大提高硬化后的水泥石强度。此外，在配制高性能混凝土时，掺入活性细掺合料可以使混凝土中骨料和水泥石的界面结构得到很大改善，从而全面提高混凝土的强度、抗渗性和耐久性。因此，高性能混凝土调配时所必须使用的材料就是活性细掺合料。一般情况下，我们会将天然沸石粉、粉煤灰、磨细矿渣粉和硅粉用作为高性能混凝土的活性细掺合料。

(3)减水剂及缓凝剂。高性能混凝土在黏合过程中，有比较高的硬度且混凝土拌合物的坍落度一般较大，在低水胶比可以使混凝土具有较大的坍落度，并且要加入一定量的减水剂，减水率应该在百分之二十五左右。鉴于混凝土坍落度造成的损失，在与之适当的情况下，加入减水剂，缓凝剂等，除此之外，鉴于高性能的水泥，混凝土，溶液中离子数量也少，颗粒间距也小，所以水泥的适应性比较差。由于大多数高性能混凝土施工采用泵继续运输，因此，与加入减水剂的混凝土拌和时的坍落度损失必须要减小，否则泵输送比较困难。

2.2.2 配合比设计控制要点

(1)设计思路有很大区别。以混凝土的高性能配合比设计，应遵循下列要求:低水灰比的高性能混凝土质量是非常重要的，要加入增塑剂和矿物细粉，加强混凝土掺合料的低水胶比。不使用太多的胶凝材料，胶凝材料不仅成本高，而且对于大体积混凝土稳定性影响较大，对于需要的强度高，意义却不大。所以，应该通过调整骨料和砂的用量以便控制较低的孔隙率和易性。混凝土中应加入引发剂，控制含气量在3 至4百分点之内。尽可能让聚羧酸减水剂收缩，加强工作效率。

(2)胶凝的材料的用法用量以及使用过程中粉煤灰所占比例。配合比设计参数要确保混凝土的耐久性，混凝土中的水泥用量应在适当的范围内，对于C40 混凝土，胶凝材料不应大于400kg/m3，C40、C50 的总量不应超过450kg/m3。在外加粉煤灰时，不仅在具体的成本上考虑，也要注意其目的主要是为需要提高混凝土的强度，特别是混凝土的耐化学腐蚀性(包括氯化物，硫酸盐的腐蚀和侵蚀等)的研究表明，粉煤灰的掺量大于20%以上，对改善混凝土耐久性更好。在《技术规范建筑》(JTG/tf50-2011)明确规定，矿物掺合料用量不少于总胶凝材料的百分之二十，当用量大于30%时，水灰比不大于0.45。

3 绿色高性能混凝土

随着高性能混凝土的应用不断扩展，现在对高性能混凝土提出了新的内涵，即是绿色高性能混凝土，主要增加了三个方面的含义:其一，保护环境，益于环境;其二，节约能源和资源;其三，高性能混凝土要满足可持续发展的要求。

3.1 绿色高性能混凝土对水泥的要求

3.1.1 开拓原材料，节约水泥生产消耗

首先需要加大对原材料资源的地质勘查力度，拓宽原材料资源，确定原材料资源的储量及分布，并且开拓粘土、石灰石之外的同类原材料，避免现有水泥原料矿山遭到破坏。所有的技术措施都要为节省水泥在生产中的应用服务，在如今的技术下，每吨水泥熟料平均消耗约152 公斤标准煤，远远低于世界先进水平，这要求我们必须研发先进技术，从技术上实现节约资源的目标，提高煤炭等资源的利用率。

3.1.2 加大工业废物的循环利用

(1)用可燃废物作燃料。垃圾焚烧不仅污染环境，而且使可燃废物的热能得不到有效利用。在水泥熟料的制作过程中，如果将可燃垃圾作为燃料使用，将会在很大程度使资源得到有效利用，从而达到节约能源的目的。

(2)将多种材料作为混合材料。作为水泥混合材料的工业和农业废物，除了已知的粉煤灰、粒化高炉矿渣等，还有其他的材料比如磷渣，炉渣，钢渣，沸石等也经常作为掺合料。1995 年，中国从不同的工业废料600，000，000 吨产生在水泥工业中作为掺合料，得到约85，000，000吨可用材料，用作其他原料和其他用途约20，000，000 吨，占总排放量的16%至18%。废弃的炉渣作为水泥混合的可能性更大，但由于掺量大时，可能不会达到水泥早期强度的标准，所以在未来的进一步发展，必须研究和大批量生产一种水泥外加剂，解决水泥早期强度问题，当然也可以控制标准进行必要的修改，以促进水泥工业“化灰烬为宝藏”。

3.1.3 大力推广散装水泥

散装的建设运输和储备是水泥行业的发展趋势，散装水泥尽量不要使用纸袋或塑料袋进行包装，避免在拆卸过程中，袋装水泥的废物对环境的污染，还有水泥、混凝土等材料要注意机械化生产、自动进料和称重的过程中浪费和污染，也保证了散装水泥的质量。目前散装水泥只占水泥总的生产的量的15%左右，生产水泥的水泥工业企业对于这方面并不重视，而在发达国家高达90%。所以，我国的公司应尽快在现代水泥生产的理念基础上加快发展，加速现有立窑除尘改造，燃料节约，废料、废品回收，要突破现有格局，加强绿色内容，制造多样性和高质量的水泥，这是生产绿色高性能混凝土的重要保证。

4 结束语

综上所述，本文探讨了可持续发展的内涵和建筑工程材料走可持续发展道路的必要性，其中对高性能混凝土从其特性、材料和配比设计着手进行了深入详细地阐述，并且对绿色高性能混凝土进行了研究和对其未来发展方向进行了展望。当前社会，高性能混凝土在建筑工程中得到广泛应用，要想提高高性能混凝土在建筑工程中的作用必须将高性能混凝土进一步绿色化。在社会不断发展和资源不断减少的过程中，绿色高性能混凝土必将成为建筑工程的重要材料，也是建筑工程材料实现可持续发展的必然选择。

［1］元成方.高性能混凝土发展及若干关键技术问题［D］.郑州:郑州大学土木工程学院，2010.

［2］俞瑞堂.高性能混凝土的发展与展望.水利水电工程设计，1997.

［3］吴中伟.绿色高性能混凝土——混凝土的发展方向.混凝土与水泥制品，1998(1):3-7.