绿色高性能混凝土材料的研究

王宏利

（安徽省亳州市泰合混凝土制品有限公司， 安徽 亳州 236800）

0 引言

混凝土材料是非常重要的建筑材料，传统的混凝土材料不论是从生产环节还是从应用阶段，都会对生态环境造成破坏，而绿色高性能混凝土材料的研发和使用可以很好地规避这种环境破坏风险，通过科学有效的措施，将绿色高性能混凝土材料和建筑工程紧密结合，可以大幅度的减少建筑行业生产施工对于环境的污染，符合可持续发展战略要求，绿色高性能混凝土材料的研发和应用对于我国社会经济发展有着重要意义。

1 发展绿色建筑材料的重要作用

1.1 传统建材对环境造成的影响

就能源及资源消耗来看，建材工业的能源消耗及资源消耗非常大，建筑材料的生产也是城市及区域环境的重要污染源。就环境污染而言，建材行业所产生的粉煤灰、氮化物、硫化物、二氧化碳、废水、固体废料等排放量均非常大。就人体健康的影响而言，建筑材料会在很大程度上对人体的健康带来负面影响，例如花岗石板材中的放射性元素、化学建材中的甲醛、氟氯烃等，陶瓷中含有的铅等。建筑装饰材料中有很多材料都是易燃物品，燃烧过程会产生大量有害气体；建筑装饰材料如泡沫聚苯烯也是白色污染的重要来源。绿色建材需要满足建材防火安全标准，监控耐火等级及有毒有害气体排放、放射性等，从而为人们的身体健康提供保障。就资源可持续利用方面，很多材料拆除后没有充分利用而是随意堆放、填埋，没有充分利用混凝土废弃物及石料，造成资源的浪费。

以混凝土为例，砂石骨料是混凝土的主要部分，水泥作为胶凝材料，其原料为黏土及石灰石，大规模生产水泥及混凝土可引起河床的形状及位置改变，可引起河流改道、水土流失等；原料的开采及运输也是重要的消耗能源的环节；水泥生产过程中可释放大量二氧化碳；水泥的生产及施工过程中，可引起粉尘污染、噪音污染等。

1.2 绿色建筑材料的优势及意义

与传统建材相比，绿色材料具有以下优势：（1）原料尽可能减少天然资源的使用，而是将废液、废渣、尾矿等废弃物作为生产原料；（2）产品生产、配置过程中不使用或少使用对环境有害的颜料、添加剂；（3）生产工艺对环境造成污染小或无环境污染，制造工艺能耗低；（4）产品对人体健康无害；（5）产品可回收再利用。

因此，绿色建材可以满足可持续发展的需要，兼顾眼下需求与长远发展，可实现发展与环境的统一，可以让人们对健康、舒适、安全等的需求得到满足，不会损害后代人对资源及环境的需求。

2 高性能混凝土的研究

2.1 高性能混凝土的定义

当前对高性能混凝土还没有统一的定义或解释，按照人们对高性能混凝土的应用范围、要求、目的等，对高性能混凝土存在不同的定义。但无论定义如何，人们都强调的是高性能混凝土的耐久性，因此高性能混凝土并非指的是混凝土的具体品种，而是对混凝土的质量、性能的要求、保证。

2.2 高性能混凝土的组成

混凝土是粗骨料、细骨料、水泥、水四种基本组分构成的复合材料，根据需要可以加入矿物质超细粉以及外加剂。

（1）水。满足国家标准的生活饮用水可以应用于直接拌制混凝土。其余的水源则对杂质含量有一定要求，以钢筋混凝土为例，要求，要求Cl-＜1200mg/L，要求可溶物＜5000mg/L，要求不溶物＜2000mg/L，要求PH值＞4。

（2）骨料。高性能混凝土对骨料的要求较高。要求骨料的级配良好，尽量降低骨料的空隙率，骨料的粗细大小要合适。骨料的物理性能要合适，堆积密度及表观密度要合适，粒形要好，表面有一定粗糙度，吸水率要低；就力学性能方面，骨料的力学性能要满足要求，不能使用风化骨料或者是含有软弱颗粒的骨料，要确保骨料的弹性模量较大以保证混凝土的弹性模量。在骨料的化学性能方面，骨料中不能含有硫酸盐、硫化物及有机物等杂质；不能含有泥块，整体含泥量不高于1%；骨料宜采用没有碱活性的骨料。

（3）水泥。水泥分为硅酸盐水泥、特种水泥以及混合水泥。水泥熟料的矿物成分包括C4AF、C3S、C3A及C2S，制备高性能水泥时主要是通过对四种矿物含量进行调整、增加掺合料如粉煤灰、加入外加剂制备。抗硫酸盐水泥中C3A含量比较低以发挥抗硫酸盐腐蚀的效果；低热水泥、中热水泥除了C4AF以外其余矿物的含量均较低以降低水化热。针对混凝土的不同需求要选择不同品种的水泥，一般而言，高性能混凝土主要选择的是普通硅酸盐水泥。

（4）外加剂。混凝土外加剂包括减水剂、加气剂、引气剂、缓凝剂及早强剂等，其中高效减水剂是提高混凝土强度、耐久性以及流动性的关键，会在很大程度上影响到高性能混凝土的性能。现对高性能减水剂的特性探讨如下。

高效减水剂的分散机理方面，超细粉、水泥吸收高效减水剂分子后可在表面形成扩散双电层的粒子分布，静电的斥力作用下分散水泥粒子，释放水泥水化所形成的空间网架结构中的束缚水，让混凝土的流动性得到提高。通过对掺量进行调整，让粒子表面的Zeta点位改变，从而实现完全分散。

高效减水剂在凝胶粒子表面吸附后，水化反应过程中水泥浆体系的粒子持续分散、水花，超细粒子水化物进一步吸收减水剂的分子，这时电性中和，立体排斥作用、静电排斥作用都进一步降低，平衡被破坏，这时范德华力成为主导，水泥浆凝集从而出现坍落度损失。

高效减水剂包括多羧酸系、氨基磺酸系、三聚氰胺系及萘系高效减水剂四种，萘系高效减水剂的减水效果理想，在我国应用最多。使用高效减水剂时需要注意控制硫酸钠的含量，以免对混凝土的耐久性造成负面影响。除此以外还要注意控制混凝土的坍落度，避免坍落度迅速损失影响混凝土施工。

2.3 高性能混凝土的技术路径

混凝土的耐久性与其抗渗性能直接相关，抗渗性能则受到混凝土粗骨料与水泥石的界面结构、密实度有关，因此高性能混凝土的技术路径为调控水灰比、改善水泥石孔结构以及改善骨料与水泥石界面结构。合理控制混凝土的水灰比，为水泥颗粒的水化效果提供保障，避免出现未水化颗粒及毛细水，可以确保混凝土的抗渗性能良好，高效减水剂的应用可以为混凝土的流动性及保塑功能提供保障，让混凝土的密实性得到提高，从而获得高性能混凝土。

水泥石含有过多超过100nm的大孔，这会严重影响混凝土的耐久性、抗渗性以及强度；粗骨料与水泥石之间界面过渡区的存在造成混凝土的耐久性及强度降低，采用超细粉来改善混凝土的孔结构以及骨料与水泥石的界面结构，从而提高混凝土的性能。

2.4 高性能混凝土成分的发展方向

就骨料而言，当前我国主要使用花岗岩及石灰石骨料，寻找新的骨料来源是混凝土工业发展的重要方向。主要集中在开发人造轻骨料、利用再生骨料以及开发低品位骨料的利用技术。

减水剂是高性能混凝土的重要构成部分，减水剂的发展方向是需更加适用于商品混凝土泵送，进一步提高其性能。

对矿物超微粉而言，粉磨技术不断发展，矿物超微粉将更加精细，其活性将进一步提高，从而进一步提高混凝土的耐久性、工作性、强度及密实度；需要超微粉的种类更加丰富，超微粉的应用走向绿色化发展方向。

3 绿色混凝土的研究

3.1 绿色混凝土的特点

绿色混凝土具有以下特点：（1）可减少水泥的使用量，采用工业废料代替；（2）与自然环境协调性良好，有害物质排放少，可以提高非再生性资源的利用率，这有助于减少能源的消耗，对环境造成的负荷小；（3）可以为人们提供安全、舒适、温和的生存环境；（4）与传统混凝土相比，其耐久性、力学性能更好。

3.2 绿色混凝土实现路径

3.2.1 减少水泥用量，充分利用工业废料

水泥的生产除了产生粉尘污染以外，还会排放大量有害气体，因此水泥工业对环境造成的污染非常严重。如何在满足工程需要的前提下减少水泥的使用量非常重要，充分利用工业废料可以很好地解决这一问题。硅灰、煤矸石、粒化高炉矿渣、粉煤灰等工业废渣具有较高的应用价值，应用这些工业废渣来代替一定量的水泥，还可以应用于制备高性能混凝土，工业废渣回收利用可以减少水泥的使用量，也能减少工业废渣对环境造成的影响，其经济效益、社会效益重大。

3.2.2 使用人造骨料、再生骨料

混凝土的制备对砂石的需求量非常高，与此同时拆除建筑垃圾、新建房屋都会产生大量废弃混凝土，这些废弃混凝土主要是被堆埋，而将其循环利用为再生骨料，这对节约能源、保护环境及节约资源都具有非常重要的作用。

海砂资源丰富，可以考虑采用海砂代替河砂、山砂作为细骨料，这能有效解决细骨料资源缺乏的问题。海砂的缺陷主要有：（1）海砂含有大量氯离子，这会对钢筋造成腐蚀，硫酸根离子可对混凝土造成侵蚀；（2）海砂难以形成级配，需要进行一定处理。针对海砂中的盐分的处理，可以采用自然放置、机械清洗及洒水清洗等方法进行处理。针对级配问题则可以将粗碎砂掺入海砂从而满足级配要求。因此使用海砂是具有可行性的。

3.2.3 重视与环境协调

为了实现混凝土与自然环境的协调，可通过混凝土构造、形状及性能的设计来降低对环境造成的影响。例如通过设计混凝土的色彩及性能来实现混凝土与植物的协调，如生态混凝土、生物适应型混凝土。除此之外通过控制混凝土的空隙率、空隙特征来提高混凝土吸附气体的性能、蓄热性能、吸音性能以及透水性。

3.2.4 提高混凝土综合性能

提高混凝土的强度可减少结构体积或截面积，这对减少混凝土使用量有利。提高混凝土的耐久性有助于延长建筑物使用寿命，节省重建、维修的费用，这能在一定程度上减少资源消耗。

4 结束语

绿色高性能混凝土材料是一种绿色、生态、可持续发展的建筑材料，这种材料的使用可以较大程度保护生态环境，但是在材料研究以及推广过程中，必须要重视材料的配制，最大限度地提升混凝土的性能，而在实际的运用过程中，如何更好地提升减水剂的减水率、提升混凝土的密实性和抗冻融性能是建筑行业需要不断创新的方向。