【摘 要】为克服传统混凝土的生态环保缺陷，本文重点介绍生态环保型混凝土的概念、种类及发展方向。
【关键词】混凝土 生态 环保
节能减排是我国可持续发展的重要课题之一，建筑是能耗和污染排放的一个大户。而混凝土则是建筑中体量很大、性能重要的组成部分，因此，必须高度重视混凝土的生态环保问题。笔者查阅了许多文献，结合本人长期工程实践的体验，从分析传统混凝土的生产、使用中的各种生态环境缺陷入手， 介绍生态环保型混凝土的概念、种类，指出生态环保型混凝土的问世、发展具有合理性和必然性，它将引领混凝土的未来发展， 希望引起业内人士予以关注。
1 混凝土带来的环保生态问题
2 0 世纪以来，随着科学技术的飞速发展，石油、化工、汽车以及土木建筑工程的蓬勃发展，人类的生活质量得到了极大的提高，同时也造成了各种严重的地球环境问题。人类面临着资源枯竭和能源危机，地球温暖化，臭氧层破坏，土漠化和石漠化，野生动物种类减少，热带雨林减少，酸雨范围扩大等环境问题日益严重，大气、水质与土壤污染，噪音、振动等公害给人类的生活带来了极大的危害。作为现代建筑物大宗采用的混凝土及其组成材料，其生产、施工、使用是造成这些环境问题与公害的原因之一。
据有关资料，全世界水泥年产量已达到12.5 亿吨，世界混凝土年使用量大约为7 0 亿立方米；我国预计“十一五”期间，水泥消费需求增长3%~3.5% ，可以说混凝土是人类与自然界进行物质与能量的交换活动中消费量较大的一种材料。所以混凝土的生产与使用，以及其本身的性能极大地影响着地球环境、资源、能源的消耗量及其所构筑的人类生活空间的质量。长期以来，人类仅仅注意到混凝土为人类所用，给人类带来了方便和财富的一面，却忽略了混凝土给人类和地球带来负影响的另一面。随着时代的进步，人类对生产效率、生活的方便性与舒适性的要求越来越高。为了满足人类日益增长的需求， 建筑业中从事混凝土理论科学与实际工程的研究人员，不断探索，从素混凝土到钢筋混凝土、预应力混凝土；从干硬性混凝土到塑性混凝土、高流态混凝土以及高性能混凝土；从手工搅拌、现场搅拌到机械搅拌的商品混凝土；从人工插捣、机械振捣，到泵送、自密实混凝土等，混凝土的理论与技术不断趋于成熟。然而，这些研究的目的仅是满足现代人类单方面的需求， 而忽略了保护自然环境因素的研究。
混凝土材料给环境带来的负荷主要表现在以下几个方面：首先，混凝土的主要组成材料之一是水泥，大约占混凝土重量的1 / 5 。在制造水泥时石灰石分解成生石灰（C a O ），同时排出具有温室效应的C O 2 气体（生产1 吨水泥大约要排出1吨C O 2 气体）。同时，水泥的烧成反应所需的能量在我国是由化石类燃料燃烧获得的（目前新型干法水泥１吨熟料耗标准煤1 1 0 公斤），同时还将产生C O 2 和S O X 等有害气体，以温室效应和酸雨的形式增加对地球环境的负荷。目前全世界每年C O 2 的排放量大约为1 0 0 亿吨，其中由于生产水泥而产生的C O 2 气体约占1 / 1 0 ，是产生温室效应气体的大户。在未来2 5 年里，全球的气温会上升1 ℃~ 2 ℃，而在1 0 0 年以内上升幅度可能会高达6 ℃（见图1 ）。
其次，混凝土体积的7 0 % ～8 0 % 为砂石骨料。为取得这些原材料，需要开山或掘取河床，破坏自然景观，改变河床位置及形状，造成水土流失或河流改道等严重后果；混凝土浇注使用的模板还有相当大部分采用木模板，消耗大量的森林资
源，造成热带雨林的破坏，间接地影响野生动物的生息环境和生态平衡；在混凝土的运输与施工过程中，除了要消耗大量的能量之外，还产生振动和噪音，是城市公害的主要来源。据调查，城市噪音的1 / 3 来自于建筑施工，其中混凝土的振捣占主要部分。再就混凝土本身的特性来看，质地脆硬，颜色灰暗，给人以粗、硬、冷的感觉；由混凝土所构成的生活空间色彩单调，缺乏透气性、透水性，对温度、湿度的调节性能差；城市大密度的混凝土建筑物和铺筑的道路，使城市的气温上升，因此有人把现代城市称为“灰色的热岛”或“都市沙漠”。因此，本世纪的混凝土不仅要满足作为结构材料的要求，还要尽量减少给地球环境带来的负荷和不良影响，能够与自然协调，与环境共生。这是实现土木建筑工程可持续发展的重要一环。
2 混凝土前沿科学的哲学思考
混凝土的发展经过了三个阶段的质的飞跃，每次飞跃都意味着混凝土科学向前又迈出了重要的一步， 都极大地提高了混凝土科学和技术的发展。
第一阶段，波特兰水泥的问世。波特兰水泥的产生标志着真正意义的水泥混凝土的问世。
第二阶段，外加剂的出现。高效减水剂降低了混凝土中水泥的用量，提高了混凝土拌和物的工作性，提高了混凝土的强度、密实度及耐久性；引气剂通过在混凝土中引入均匀细小的密闭气泡，极大地提高了混凝土的抗冻性和耐久性；促凝剂和缓凝剂使混凝土的凝结时间更容易被我们所控制。自此，混凝土的强度、耐久性等性能有了极大的提高，标志着现代混凝土的出现。
第三阶段，第六组相的研究。第六组相指的就是掺合料作为辅助胶凝材料的使用。粉煤灰具有形态效应、火山灰效应和微集料填充效应，作为掺合料掺入混凝土中，能改善混凝土的性能；矿渣是玻璃体，自身就能发生水化反应，能提高混凝土的强度；硅粉能极大地提高混凝土的强度和耐久性。
这些矿物大多是工业废料，利用到混凝土中不仅降低了污染，降低了混凝土的水泥用料，而且提高了混凝土的性能。
上述三个阶段，反映了混凝土从无到有，从初级到高级，从单一功能到复合功能，从仅仅满足工程需要到兼顾与自然、与人类社会的和谐，它遵循着事物普遍的发展规律。生态环保问题，已成了混凝土发展到今天必须跨越的重大屏障，在这方面，第六组相混凝土已使之初露曙光。这标志着混凝土朝着生态环保型发展。正是基于以上前沿性哲学思考， 我们提出了生态环保型混凝土。
3 生态环保型混凝土
生态环保型混凝土是指既能减少对地球环境的负荷，同时又能与自然生态系统协调共生，为人类构造舒适环境的混凝土材料，包括减轻环境负荷型和生态型两大类。如上所述，混凝土的大量生产和使用一方面给人类提供了丰富多彩、便捷的生活设施，同时也给地球环境和生态平衡造成了不良的影响。为了实现可持续发展的目标，将混凝土对环境造成的负荷控制在最小限度之内，混凝土材料的研究、生产和应用必须考虑环境因素。
3.1 减轻环境负荷型混凝土
减轻环境负荷型混凝土被列入生态环保型混凝土行列，主要是因为在原材料方面利用工业废渣部分替代了水泥，从而减少了水泥的用量，节约了不可再生的粘土、石灰石等原材料，并减少了工业废渣排放。此外，还因为这类混凝土具有普通混凝土无法比拟的优良性能，如高强度、高耐久性等，使混凝土的体量减少，使用期延长，从而减轻了对环境的压力。
（1 ）高强混凝土
目前，各个国家对高强混凝土有着不同的概念。结合我国实际，中国土木工程学会与高性能混凝土委员会提出的《高强混凝土结构设计施工指南》将强度超过5 0 M P a 的混凝土称为高强混凝土。
目前高强混凝土已普遍应用于实际工程中，具有强度高、自重轻、建筑构件截面积小、增加建筑使用面积等优点。
脆性是高强混凝土的致命弱点，这是目前急需解决的问题。与普通混凝土相比，高强混凝土的弹性模量略高，应力—应变曲线的直线段比普通混凝土更长些，达到最大应力时的应变量稍有增大。由于高强混凝土中水泥石的强度较高，骨料的应力—应变曲线差别较小，因此高强混凝土中内应力分布较均匀，微裂纹的形成与发展也相应减少，因而混凝土内部应力重分配的能力也减弱，使高强混凝土在极限载荷作用下变形量较小，并发生脆性突然破坏。此外体积稳定性是高强混凝土存在的特殊问题，其原因主要是高强混凝土的胶凝材料用量比较大，拌合物中水泥浆出现悬浮状态使其初始收缩变大。
（2 ）高性能混凝土
2 0 世纪9 0 年代，美国首先提出H P C （高性能混凝土）的新概念，在国内吴中伟教授最早提出了H P C 并指出了它的意义：应具备高施工性、高抗渗性、高体积稳定性，并保持其强度持续增长，最终获得耐久性能。目前国际上普遍采用的配制H P C的技术途径是硅酸盐水泥+ 高效减水剂+ 活性矿物掺合料这一路线。H P C 的高耐久性不仅是对混凝土的一种要求，也是节约矿产、砂石，减少建筑垃圾的产生，保护自然环境的需要。大量掺用粉煤灰等工业废料，形成良好的循环。
从当前的研究工作和应用情况来看，H P C 在性能上还存在一些问题：①自缩引起裂缝；②“湿张”引起表面裂缝；③其应力、应变曲线与普通混凝土不同。研究表明，在H P C 中掺入一定体积的钢纤维后，不管是自缩产生的裂缝还是“湿胀”产生的裂缝都能得到一定程度的缓解，且钢纤维还能起到增强的作用使混凝土达到更高的性能，德国科学家称之为超高性能混凝土（S H P C ）。在巴西办公大厦中还首次使用一种叫HPCC（High PerfomanceColored Concrete）的混凝土，这种混凝土将含铁氧化物的矿物干粉掺入拌合料，使混凝土呈现出红色，不仅解决了以往混凝土建筑视觉效果差的缺点，还得到了更高的早期强度和耐久性。另外，H P C 的生产需要高素质的操作人员、完善的施工设施和高水平的质量管理与控制，故将计算机技术引入H P C 的配合比设计、生产控制管理是H P C技术的发展方向。
（3 ）再生混凝土
再生混凝土又称再生骨料混凝土（R e c y c l e dAggregate Concrete），是用废弃混凝土块作粗骨料，加入水泥砂浆拌制的混凝土。二战后，苏联、德国、日本等发达国家就开始研究和再生利用，特别是美国政府专门制定了《超基金法》给再生混凝土的开发提供了法律保障。我国对再生混凝土的研究晚于工业发达国家，但也进行了立项研究，并取得了一些成果。目前对再生混凝土的研究都是围绕再生混凝土的基本性能进行的，且均只局限于中、低强度等级。再生混凝土的应用面也较窄，大多用于道路面层和垫层，用于建筑物承重结构的几乎没有报道。所以再生混凝土的高强化甚至开发高性能再生混凝土应该是以后的研究重点。
目前再生混凝土主要存在强度问题、造价成本问题和收缩问题。由于再生骨料一般都有不同程度裂缝、抗压强度低等缺陷，故再生混凝土的强度一般都比较低，要想提高其强度除了用传统的掺高效减水剂+ 活性矿物外，还应该从提高再生骨料的强度着手，这两方面是获得再生高性能混凝土（R H P C ）的突破口。再生混凝土的收缩问题也是源于再生骨料的缺陷，再生骨料的吸水率和吸水速度比普通骨料大得多，吸水率高则必然导致失水后干缩增大、徐变增大。再生混凝土特别是再生高性能混凝土的造价问题比较突出，一方面再生骨料的获得要经过清洗、破碎、分级等工序，另一方面高效减水剂、硅粉的成本较高，因此在再生混凝土的应用方面一定要进行工程效益、质量控制成本、质量可靠性评价等综合技术经济分析。
3.2 生态型混凝土
开发研究减轻环境负荷型混凝土的出发点，是人类承认最大宗的建筑材料——混凝土的生产和使用给环境带来负担是不可避免的。面对大量产生的工业垃圾和混凝土给地球环境带来的负面影响，以尽量减轻这种危害的程度为目标所进行的种种努力和尝试，在对待混凝土与环境的关系上应该说是一种被动的行为。而生态型混凝土的提出，是人类在处理混凝土材料与环境的关系中更加积极的、主动的态度。它的目标是混凝土不仅仅作为建筑材料，为人类构筑所需要的结构物和建筑物，而且它是与自然融合的，对自然环境和生态平衡具有积极的保护作用。
生态型混凝土即能够适应生物生长、对调节生态平衡、美化环境景观、实现人类与自然的协调具有积极作用的混凝土材料。有关这类混凝土的研究和开发还刚刚起步，它标志着人类在从事土木工程活动，生产和使用混凝土材料的过程中，要保护地球环境，维护生态平衡的意识更加强烈了，对自已在建筑材料方面的开发研究工作提出了更高的要求。
（1 ）绿色植被混凝土
环保型绿色植被混凝土，是利用多孔混凝土的空隙部位吸水、透气，能够渗透植物所需营养，利于生长植物根系的特点来种植绿草、矮小灌木等植物。绿色植被混凝土适用于保护和绿化河道堤防、江湖堤坡；防止道路两侧坡面塌落；建筑物墙壁和屋顶绿化。它能起到保护生态环境的作用，达到与大自然和谐的美观效果。有关资料表明，绿色植被混凝土抗压强度可达到1 5 ~ 1 8 M P a ，重量减轻了约3 0 % ；（据新华社报道，日本鹿岛建设公司开发出表面可生长植物的混凝土）。 这种吸水混凝土内混有植物纤维，吸水量最多可达自身重量的3 5 % ，具有高度的浸透性；可根据需要做成任意形状，施工简单、绿化方便，不脱落、开裂、变形。
（2） 透水混凝土
透水混凝土是由粗骨料、水泥和水拌制而成的一种多孔轻质混凝土。它不含细骨料，由粗骨料表面包覆一薄层水泥浆相互粘结而形成孔穴均匀分布的蜂窝状结构， 故具有透水和重量轻的特点。透水混凝土的研究开发已经越来越受到重视。
传统的结构用混凝土都要求其不透水，以满足强度和抗渗、抗冻等耐久性的要求。所以城市地表面的大约8 0 % 被不透水、不透气的混凝土建筑物和道路所覆盖。这种状况带来的不良影响有以下几点：第一，在集中降雨季节加重了城市排水系统的负担，容易造成内涝和道路积水，影响正常的交通和城市居民的生活；第二，市区的地下土壤水分得不到应有的补充， 地下水位降低，使地表植物的生长受到影响；第三，由于地表面缺乏透气性和透水性，调节空气温度、湿度的能力降低，城市尤其是市区的局部气候恶化，生态平衡失调。
排水性、透水性混凝土与传统的混凝土相比，最大的特点是具有1 5 % ～3 0 % 的连通孔隙，具有透气性和透水性。将这种混凝土用于铺筑道路、广场、人行道路等， 能够扩大城市的透水、透气面积，增加行人、行车的舒适性和安全性，减小交通噪音，对调节城市空间的气温和湿度， 维持地下土壤的水位和生态平衡具有重要作用。
（3 ）生物适应型混凝土
普通的混凝土由于其组成材料之一的水泥在水化时将产生占水泥石体积20%～25% 的Ca(OH)2，使得混凝土呈强碱性，P H 值高达1 2 ～1 3 。这种碱性对用于结构物的钢筋混凝土来说是有利的，具有保护钢筋不被腐蚀的作用；但对于道路、港湾、护岸用混凝土构件等，这种碱性不利于植物和水中生物的生长。所以开发低碱性、内部具有一定的空隙，能够提供植物根部或水中生物生长所必须的养分存在的空间的混凝土，能使这一问题得到解决。因此，适应生物生长的混凝土是生态混凝土的一个重要研究方向。
（4 ）绿化、景观混凝土
传统的混凝土色彩灰暗，表情呆滞，给人以生硬、粗糙、灰冷的视觉效果。人们生活在被钢筋混凝土填充的城市中，感到远离自然，缺少生活情趣。所以开发能够植被的绿化景观混凝土，用于城市的道路两侧及中央隔离带、水边护坡、楼顶、停车场等部位，可以增加城市的绿色空间，调节人们的生活情趣， 同时能够吸收噪音和粉尘，对城市气候的生态平衡也起到积极作用。此外，各种造型及色彩的混凝土构件，用于路旁栏杆、园林结构物等，可起到美化城市，丰富景观的作用。
4 混凝土未来研究方向
现代混凝土研究及应用技术正向“八高”——高强度、高抵抗变形能力、高韧性、高耐久、高阻裂（是重中之重）、高服役寿命、高体积稳定性、高性价化；“八化”——绿色化、高与超高性能化、生态化、高科技化、智能化、微料细丝复合化、多功能化、商品化等方向发展。其中，生态化、绿色化、高耐久、高服役寿命等特性反映了生态环保要求，是混凝土未来研究的主攻方向。
5 结 语
生态环保型混凝土的研究及使用，是一项关系到建筑工程可持续健康发展的重要工作，是混凝土不可逆转的必然发展方向，目前世界上许多国家都开始并继续在这一领域积极研究、探索和实践。中国在这方面的工作才刚刚起步，虽然已经取得了一些成绩，但离广泛的实际应用还很远，还有待于技术、材料、观念与市场的进一步成熟，还有待于各相关领域专家对绿色生态建筑概念与我国实际条件、具体问题与需求进行更加系统和深入的研究与掌握，推进绿色环保建筑技术的标准化、系列化、工业化、工程化与集约化。虽然任重道远，但我们欣喜地看到，它已悄然向我们走来。
参考文献
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