国内外装配式建筑绿色新技术的研发及应用*

2021-04-10孙耀乾

工程技术研究 2021年12期

孙耀乾

济源职业技术学院，河南济源 459001

在国家政策的不断推进下，装配式建筑得以快速发展，在装配式结构上也形成了目前混凝土发展的新方向。同时，在研发绿色高性能混凝土结构以及新型养护技术方面也具有突出成就，为我国节能减排、绿色环保事业作出了突出贡献。文章简单介绍了目前装配式建筑的两项新技术。这两项新技术的研发与应用，可以较好地减少生产过程中二氧化碳的排放量以及能源的消耗量，积极响应国家节能减排的号召[1]。

1 装配式建筑无水混凝土技术

1.1 研究背景与发展前景

与其他建筑材料相比，混凝土价格低、制备简单，具有良好的力学特性，因此被建筑行业广泛接纳，并不断运用至实际生活生产中，成为主要的建筑材料之一。硅酸盐水泥是混凝土制备过程中常见的生产原料之一，但是，每年由于硅酸盐水泥的生产制造产生的温室气体高达13.5亿t，占世界温室气体排放总量的7%。与普通硅酸盐水泥相比，地质聚合物可以减少80%～90%的二氧化碳排放量。地质聚合物具有快硬早强、抗火、耐久性强、干缩小等优良特性，并适用于当前的建筑环境，因此广泛应用于建筑行业。

在当前国家大力倡导环境保护、可持续健康发展以及装配式混凝土结构的时代背景之下，合理利用地质聚合物材料可以实现工业废弃物的回收利用，符合当下可持续发展的时代趋势。粉煤灰是地质聚合物中的一种材料，是热电厂高炉燃煤产生的工业副产品，其生产量极高，达到每年7.8亿t，但是产率却仅为17%～20%。随着对地质聚合物的深入研究，其生产技术不断成熟，间接导致其生产成本的大幅度降低，从而能够得到更大范围的运用，减少对环境的污染。因此，地质聚合物混凝土将成为未来绿色凝胶材料发展的趋势。

1.2 国内外研究应用现状

国外对地质聚合物研究的起步时间相对较早，在20世纪30年代时，美国已经研制出基于矿渣的快凝高强新型胶凝材料，并且提出“碱催化”机理[2]。20世纪50年代，乌克兰基辅建工学院教授所研究的碱激发矿渣粉煤灰胶凝材料的强度已经达到120MPa。20世纪60年代，苏联开始大力发展这种新型胶凝材料，并应用于建筑工业，提出微观反应过程的固化机理[3]。

世界第一栋采用地质聚合物混凝土的建筑结构为澳大利亚昆士兰大学的全球变化研究所（the Global Change Institute）。该建筑高4层，由3层悬浮地质聚合物混凝土板组成，包含33块矿渣/粉煤灰基地质聚合物预制板[4]。

国内也有一定的理论研究成果。张云升等[5]研究发现地质聚合物材料从水化早期到水化末期，其孔隙是从较疏松到完全填满的过程。马鸿文等[6]研究发现地质聚合物材料反应机理是部分Si-0键和A1-0键首先断裂，又在Na+离子和0H-离子的作用下，重新组合形成中间产物，再经过脱水缩合形成最终产物。刘峥等[7]以硅藻土和粉煤灰为原料，研究了制备硅藻土地质聚合物胶凝材料的方法。李琴等[8]研究了废陶瓷为原料制备陶瓷地质聚合物的方法，同时提供了以废玻璃为原料制备地质聚合物的方法。

1.3 技术理论现状

国内外大多数文献在叙述地质聚合物材料的结构及其反应机理时，大多参照Davidovits[9]教授的观点。矿物聚合材料的形成过程分为4个阶段。（1）溶解阶段。偏高岭土、粉煤灰等含活性硅铝酸盐的矿物粉体在碱激发剂溶液（A10H、KOH、Na2SiO3按照一定模数配合）中溶解。（2）解聚阶段。硅铝酸盐矿物粉体中Si-0键和A1-0键断裂，解聚成单硅酸根和铝酸根。（3）硅酸铝盐聚合反应是放热脱水的反应，反应中水为传质，聚合后大部分的水将排除。由聚合材料块体分子式可知，地质聚合物以铝氧四面体和硅氧四面体为基本结构单元，具有不同的聚合程度，并形成近有序远程无序的三维网状结构。（4）当反应在较为稳定的环境，其水化产物将会往沸石晶体方向发展。

2 装配式建筑二氧化碳养护技术

2.1 研究背景及发展前景

2011年以来，国内建筑产业现代化受到前所未有的关注，各地的政府部门，设计、科研单位以及施工企业都在积极筹措和实施。建筑现代化的实施依赖于建筑工业化水平的提高，尤其是装配式混凝土构件制造能力和技术水平的提高。这一发展趋势为我国预制构件新型技术研发提供了良好的机会。

在混凝土预制构件生产中，蒸汽养护技术可以使预制构件在短时间内达到较高的早期强度，但该技术对养护环境的要求较高，消耗大量的能源，同时成本高，且将排放大量的温室气体（二氧化碳）。因此，发展新型、绿色装配式混凝土养护技术是大规模实现建筑产业现代化的根本保障。二氧化碳养护技术指新拌和混凝土在水化尚未完成之前，由水泥熟料中的硅酸钙、铝酸钙及部分水化产物氢氧化钙与二氧化碳发生化学反应，生成碳化钙和硅凝胶的现象。通过采用二氧化碳养护处理，可以改变混凝土内部孔隙结构，减小总体孔隙率，增大密实度，提高强度，在不用外加剂的情况下，从根本上改善混凝土的抗渗和防水性能，增强耐久性。

同时，采用二氧化碳养护装配式混凝土结构，可以吸收大量的温室气体（二氧化碳），进而减少建筑行业的二氧化碳净排放量。综上所述，在大力推行装配式结构的形势下，研发和推广二氧化碳养护技术，既能在短时间内保证装配式混凝土结构的优良性能，也能实现二氧化碳的资源化利用，为建筑产业现代化、建筑节能、绿色建筑协同发展助力。

2.2 国内外研究应用现状

二氧化碳在建材中的应用最早可追溯至古罗马时代，当时人们发现石灰、砂和水混合的砂浆在大气中经过一段时间后可以提升其黏结强度。20世纪60年代以来，大量国外学者对二氧化碳养护水泥基材料进行了系统研究，涵盖养护过程中化学反应动力学、微观结构变化、养护程度的影响因素及应用范围等方面。（1）二氧化碳的养护可以在短期内急剧增加混凝土抗压强度，已报道的研究结果如下：养护5min的水泥时间强度达到19.7MPa；养护81min强度可达到50MPa。（2）基于化学反应方程式的二氧化碳养护新拌混凝土材料的理论控制方程。（3）水灰比和试件的含湿量对二氧化碳的养护效果影响较大，即过多的水分会充满试件的孔隙，并阻碍二氧化碳气体的渗透和扩散，影响养护过程中的化学反应。（4）反应生成后的碳酸钙存在3种形式：方解石（Calcite）、球霰石（Vaterite）和文石（Aragonite），主要以方解石晶体形态存在。（5）压强对二氧化碳养护的影响较小。（6）二氧化碳养护技术可以促进工业废弃物以及低热波特兰水泥（Low heat port land cement）的利用[7]。

在应用方面，二氧化碳养护技术已经得到商业化应用，英国CDS Group公司与美国Solidia Technologies公司合作研究采用二氧化碳养护预制混凝土的新型养护箱技术，目前CDS Group公司已经研发出相对成熟的大型混凝土养护系统。深圳储碳型水泥基材料工程实验室拟采购该公司的CDS二氧化碳介质试验窑，旨在引进国外先进设备，与知名技术设备供应商合作，促进国内相关技术的研发和推广，推进国内基于二氧化碳再利用新型建材的研发[10]。