绿色混凝土的研究现状及应用前景

周思屹

(华北水利水电大学,河南 郑州 450045 )

0 前 言

混凝土是当今世界上最为普遍的土木工程材料之一,具有价格低廉、操作性简易、可塑性高等特点,硬化后混凝土具有可控制的力学性能及一定程度的耐久性[1-2]。混凝土的发展与工程应用对象的发展紧密相关,近年来我国随着工业的快速发展、一些新型建筑物的蓬勃出现,城市化的快速发展以及消费主义的生活方式,使得我们对混凝土的需求也越来越大。各城市也越来越多地进行大规模拆迁重建,由此形成大量的建筑垃圾[3],我国建筑垃圾的较小利用率使得越来越多的建筑垃圾被滞留,严重地影响到我国的生态环境,如增多了废弃垃圾填埋地[4],对土地、水资源产生了严重的污染。建筑砂石是混凝土的基本骨料,以往混凝土的砂石资源较为丰富,砂石均为自然风化形成的天然原材料,但随着混凝土需求量越来越大,砂石资源被大量的开采造成一些地区出现水土流失、山体滑坡等现象,严重破坏了自然山体的形态,传统意义上的混凝土对生态环境上的消耗是巨大的。因此,绿色环保型的混凝土成为了未来混凝土行业发展的目标之一。

1 绿色混凝土

近年来国家一直在倡导发展绿色混凝土。所谓的绿色混凝土，指的是在混凝土生产过程中,为了减少能源消耗、环境影响及自然资源的消耗,开始采用一些可替代或者可回收的废弃物[5]来代替部分混凝土原材料甚至是全部代替。绿色混凝土[5]是一种理念,主要是从整合环境方面进行考量,从寻找混凝土原材料的来源、配合比设计、建筑结构的设计、最终建筑物的建成及维护这几个主要方面考虑。绿色混凝土拥有很多优势,例如提升混凝土性能[6]、降低碳排放及资源再利用等[7]。对于绿色混凝土运用在实际的建筑上面的主要困难是系统性受困、可利用的废弃材料质量较差和技术障碍等。为了建造可持续性发展的绿色混凝土,在科技进步方面需要能源的效益化、低碳生产方式的运用和有创新性的对原材料进行试配,并且还需要科学的制度来生产和使用。

2 绿色混凝土的种类及应用

2.1 再生骨料混凝土

在混凝土骨料中掺加一定比例的再生骨料,降低了天然骨料的占比,再生骨料为建筑废弃骨料经过人工破碎之后,按照正常的混凝土骨料级配混合而成,可分为全再生粗骨料混凝土、半再生粗骨料混凝土、再生砂混凝土等,再生混凝土在一定程度上节省了天然骨料的使用量,使得混凝土在强度满足要求的情况下对建筑垃圾进行二次利用,缓解了国内砂石资源紧缺的问题。但是由于再生骨料经过人工破碎而成,质量较差,相比较天然砂石强度低、与胶凝材料的粘结能力较差,目前应用最多的是低掺量粗骨料再生混凝土,对于全再生混凝土的应用还有待进一步探讨。

2.2 大掺量矿物掺合料混凝土

混凝土胶凝材料中矿物掺合料的占比超过50%,常见的混凝土矿物掺和料有粉煤灰、矿渣、硅灰等,这类矿物掺合料具有火山灰活性,能够与混凝土中的氢氧化钙反应生成有一定强度的物质。其中粉煤灰混凝土最为常见,将粉煤灰运用到绿色混凝土中有很多优势,如提高混凝土工作性能、降低混凝土孔隙率、减少水泥水化热等特点。在现阶段,由于水泥的生产工艺得到提高,生产出来的水泥的细度、活性比原来都要高,在相同的配合比的情况下得到的混凝土强度高于以往混凝土强度,但与此同时带来的弊端是水泥水化热高、混凝土收缩变形增加等特点。水泥活性的提高意味着可以降低水泥用量,在混凝土强度达到要求的情况下加入一定掺量的矿物掺合料在现阶段是一种常见的方式。对于大掺量矿物掺和混凝土,一般需要添加激发剂来激活矿物活性,激发剂对于激发混凝土早期强度和加速矿物掺合料的火山灰反应是十分必要的。常见的化学激发剂有无水硫酸钠、硅酸钠、氢氧化钙、碳酸钠等。

2.3 功能型混凝土

2.3.1 碾压混凝土

用振动碾压混凝土,在混凝土未硬化的时候拌合物必须经受起碾压,在振捣的过程中混凝土必须足够的干，以阻止振动碾压下沉；同时又要足够的湿，使得砂浆在搅拌的过程中分散均匀。碾压混凝土相比较大体积混凝土有很多的优势,如水泥用量低,可以加入较多的矿物掺和料到混凝土中,使混凝土温升速率变慢；模板成本低,采用分层浇筑的方式；在混凝土运输、搅拌、振实费用较低；施工工期短。在整个施工方法上,碾压混凝土是连续性的,需要在同一时间浇筑完一个水平层,为此摊铺层的厚度是至关重要的,厚度太薄，会使浇筑强度低,失去了碾压混凝土的优势；摊铺厚度过厚，会导致水平间隙大,降低结构的强度及耐久性,正常情况下摊铺厚度一般为0.3 m,通常在新的一个面层摊铺前会使用特殊的高稠度垫层砂浆,可以有效地减少冷缝的生成。

2.3.2 透水混凝土

采用一种特殊的设计使得混凝土具有较大的孔隙体积,空隙体积在10%～35%。混凝土配合比设计中采用去除细骨料的方式使混凝土硬化后具有多孔结构,这种混凝土也称为多孔混凝土。由于具有较高的孔隙率，使得它对于一些流体是可以渗透的,但是整体强度较低。透水混凝土相比普通混凝土,使用透水混凝土作为路面材料的优势有三大类：安全性、环境友好性、经济优势。安全性,透水混凝土中含有较多的空隙具有高度的渗透性,能够将下雨天路面上的积水通过混凝土排出而不会使路面出现过度积水。由于透水混凝土的骨料主要由粗骨料构成,表面较为粗糙,增大路面的摩擦力,防止在雨雪天气车辆出现大规模的行驶滑移,降低了交通事故的风险。环境友好性是指透水混凝土用在路面有助于保持地下水位,它的渗透性及相对明亮的外观能够有效地减少城市的热岛效应,城市的灌溉水比重会因此下降,使得地表水及时的储存到土壤中,有利于周围植被的生长。近年来,透水混凝土也被用来降低路面噪音引起了人们广泛的关注。经济优势指透水混凝土有效地降低了各个城市的雨水管理费,它使城市路面的排水性能最大化,由于地表水及时的排走,提高了地下基础建筑物的耐久性,延长了建筑物的使用寿命，并且减少了相应的维护管理费用。

3 结论与展望

当前，我国建筑业提出了环境友好型的建设理念,越来越多的建筑设计及基础建设考虑到了居住与环境的关系。绿色混凝土作为一种新的发展趋势，正逐渐代替了传统混凝土成为新时代的主角,但同时又充满挑战。新型绿色材料的研发是一个漫长的过程,从传统混凝土向着绿色混凝土转变的过程中存在着许多不适应的地方,包括相关管理规范的变动、人们的传统观念以及绿色混凝土与环境的适应程度,是否能够达到人们的预期效果都是需要经过时间的考验。总而言之,绿色混凝土是当今发展的必经之路,机遇与挑战并存,大量的推广和普及应用是最主要的难题,但绿色混凝土发展又是建筑行业朝着绿色化转型的必要条件,终究会在未来的某一天实现建筑业的绿色革命。

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