裝配式施工知識(shí)分享：生態(tài)水泥混凝土材料與技術(shù)

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1、前言

以水泥為膠凝材料生產(chǎn)的混凝土，今天已成為全世界各種各樣結(jié)構(gòu)工程建設(shè)首選的建筑材料，這主要是由它的經(jīng)濟(jì)性所決定：原材料來(lái)源廣泛、便宜，施工與維修費(fèi)用較低廉。使混凝土技術(shù)向前推進(jìn)的兩大驅(qū)動(dòng)力是加快施工速度和改善混凝土耐久性。除了加快施工速度和改善耐久性以外，第三種驅(qū)動(dòng)力，即對(duì)環(huán)境友好的工業(yè)化材料，這方面在未來(lái)技術(shù)評(píng)價(jià)中的重要性正在日益增大.隨著人類數(shù)量的迅速增長(zhǎng)和工業(yè)化進(jìn)程的加快，混凝土材料不再僅用于修建普通建筑和道路，而且大量用于修建基礎(chǔ)設(shè)施，如地下快速交通系統(tǒng)、污水處理設(shè)施、海洋建筑等。去年全世界每年共生產(chǎn)約16億噸水泥，排放出占全球總排放量5%的二氧化碳。混凝土工業(yè)每年消耗100億噸砂石和10億噸淡水[2].水泥混凝土對(duì)于地球的生態(tài)環(huán)境影響很大，探索循環(huán)經(jīng)濟(jì)理論，使水泥混凝土工業(yè)走向可持續(xù)發(fā)展的道路是我國(guó)建材工業(yè)面臨的重大的課題。

“環(huán)境材料”首先由日本通產(chǎn)省提出，之后又出現(xiàn)了許多類似的提法，如“生態(tài)材料”、“生態(tài)環(huán)境材料”、“綠色材料”、“保健環(huán)境材料”等，它們都是以保護(hù)地球環(huán)境和資源為出發(fā)點(diǎn)而提出的概念。綠色建筑材料是那些以對(duì)生態(tài)環(huán)境負(fù)責(zé)的方式使用地球資源、無(wú)毒、盡量利用再生資源并且本身是可以再生利用的材料. “綠色”的名詞來(lái)源于60年代，指天然、原始的環(huán)境，現(xiàn)在 “綠色”已經(jīng)成為無(wú)毒、無(wú)害、無(wú)污染的代名詞。

1993年前沿科學(xué)研究會(huì)提出生態(tài)材料(Environmentally Conscious Materials)的概念，日本混凝土協(xié)會(huì)與生態(tài)混凝土研究委員會(huì)于1995年首先提出“生態(tài)混凝土”的概念(eco-concrete/Environmentally Friendly Concrete)，其涵義是減輕地球環(huán)境負(fù)荷、與生態(tài)體系協(xié)調(diào)發(fā)展、 并創(chuàng)造舒適生活環(huán)境的混凝土材料。日本混凝土協(xié)會(huì)于1995年設(shè)立了生態(tài)混凝土研究委員會(huì)，發(fā)表的關(guān)于各種生態(tài)混凝土材料研究成果受到了社會(huì)的關(guān)注.

2、減輕環(huán)境負(fù)荷的生態(tài)混凝土(Environmentally Mitigatable Concrete)

減輕環(huán)境負(fù)荷型生態(tài)混凝土即指能減輕地球環(huán)境壓力的混凝土材料。這包括資源的消耗量以及資源的采伐、深加工、使用時(shí)的能耗各個(gè)環(huán)節(jié)對(duì)地球產(chǎn)生的壓力都比較小的混凝土材料，即混凝土制造時(shí)降低環(huán)境的負(fù)擔(dān)，混凝土在使用中降低環(huán)境負(fù)荷，使用后混凝土材料本身能夠循環(huán)利用以降低環(huán)境負(fù)擔(dān)。

2.1 生態(tài)水泥配制混凝土及水泥生產(chǎn)的生態(tài)化制造技術(shù)生態(tài)水泥是指用城市的垃圾灰、下水道或污水處理廠的污泥及其它的工業(yè)廢棄物等作為水泥的原料制造的水泥。用這種水泥制作混凝土可以有效解決廢棄物處理占地、石灰石資源和節(jié)省能源的問(wèn)題。

用水泥回轉(zhuǎn)窯在生產(chǎn)水泥過(guò)程中處理城市危險(xiǎn)廢棄物和生活垃圾也已經(jīng)成為了水泥生態(tài)化制備的重要技術(shù)，在歐洲、日本和中國(guó)都實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)。北京水泥廠已經(jīng)利用水泥回轉(zhuǎn)窯在水泥生產(chǎn)過(guò)程中處理各種危險(xiǎn)廢棄物10000余噸，既節(jié)約了燃料，又利用了焚燒后廢棄物作為水泥的原料生產(chǎn)出合格的水泥熟料，取得了良好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。國(guó)外從70年代初就著手利用可燃性危險(xiǎn)廢棄物作為替代燃料應(yīng)用于水泥生產(chǎn)的研究。水泥回轉(zhuǎn)窯在處理危險(xiǎn)廢棄物方面較之用專用焚化爐具有以下優(yōu)越性：一是水泥窯內(nèi)溫度高，氣體溫度可達(dá)1350～1650℃(焚化爐溫度一般為850～1200℃)，對(duì)有害成分焚燒率可達(dá)99.999%;二是滯留時(shí)間長(zhǎng)，水泥回轉(zhuǎn)窯內(nèi)氣體通過(guò)時(shí)間一般為4～8秒(焚化爐一般為2秒);三是熱穩(wěn)定性好，水泥回轉(zhuǎn)窯內(nèi)容積大并有大量高溫熔體;四是利于廢氣的凈化處理，水泥回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的堿性物質(zhì)可以和廢棄物中的酸性物質(zhì)相化合形成穩(wěn)定的鹽類;五是水泥回轉(zhuǎn)窯可將廢棄物中的絕大部分重金屬元素固定在熟料中，避免再次擴(kuò)散之害。因此利用水泥回轉(zhuǎn)窯焚燒危險(xiǎn)廢棄物將具有重大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

2.2 再生骨料與再生骨料混凝土再生骨料混凝土(Recycled Aggregate Concrete)是指將使用過(guò)的混凝土或廢棄混凝土破碎后作為混凝土的集料，以代替天然集料制作混凝土。廢棄混凝土的膠結(jié)材、混合材或骨料也可用作制作水泥的原料，進(jìn)行多次重復(fù)使用。

2.2.1 廢棄混凝土排放現(xiàn)狀一方面，混凝土生產(chǎn)需要大量的天然砂石骨料，生產(chǎn)1m3的混凝土大約需要1700～2000kg的砂石骨料。目前，全世界每年混凝土的使用量大約為20億立方米，砂石骨料大約為34～40億噸，這個(gè)數(shù)字是非常驚人的。如此巨大的砂石骨料需求必然導(dǎo)致大量的開山采石，最終結(jié)果會(huì)導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境的破壞。另一方面，世界每年拆除的廢舊混凝土、新建建筑產(chǎn)生的廢棄混凝土以及混凝土工廠、預(yù)制構(gòu)件廠排放的廢舊混凝土的數(shù)量是巨大的。根據(jù)1996年在英國(guó)召開的混凝土?xí)h資料表明，全世界從1991～2000年的10年間，廢棄混凝土(包括從鋼筋混凝土工廠不合格的產(chǎn)品)總量超過(guò)10億噸。有關(guān)資料表明，歐洲共同體廢棄混凝土的排放量從1980年的5500萬(wàn)噸增加到目前的16200萬(wàn)噸左右;美國(guó)每年大約有6000萬(wàn)噸廢棄混凝土;日本每年約有1600萬(wàn)噸廢棄混凝土;在德國(guó)，每年拆除的廢棄混凝土約為0. 3噸/年/人，這一數(shù)字在今后還會(huì)繼續(xù)增長(zhǎng)。我國(guó)每年拆除建筑垃圾按4000萬(wàn)噸計(jì)算，其中34%是混凝土塊，則由此產(chǎn)生的廢棄混凝土就有1360萬(wàn)噸，除此之外還有新建房屋產(chǎn)生4000萬(wàn)噸的建筑垃圾所產(chǎn)生的廢棄混凝土.傳統(tǒng)的建筑垃圾處理方法主要是運(yùn)往郊外堆放或填埋，這不僅占有大量的耕地，而且造成環(huán)境污染。因此，對(duì)混凝土占用大量自然資源及對(duì)環(huán)境造成的負(fù)面影響，不可避免地需要從可持續(xù)發(fā)展問(wèn)題角度進(jìn)行思考與解決。

2.2.2 廢棄混凝土研究利用情況第二次世界大戰(zhàn)后，蘇聯(lián)、德國(guó)、日本等國(guó)對(duì)廢棄混凝土進(jìn)行了開發(fā)研究和再生利用，已召開過(guò)三次有關(guān)廢混凝土再利用的專題國(guó)際會(huì)議，提出混凝土必須綠色化。再生混凝土的利用已成為發(fā)達(dá)國(guó)家所共同研究的課題，有些國(guó)家還采用立法形式來(lái)保證此項(xiàng)研究和應(yīng)用的發(fā)展。德國(guó)、荷蘭、比利時(shí)等國(guó)家廢棄物資再生率已達(dá)50%以上。德國(guó)鋼筋混凝土委員會(huì)1998年8月提出了“在混凝土中采用再生骨料的應(yīng)用指南”，要求采用再生骨料配置的混凝土必須完全符合天然骨料混凝土的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn).1977年日本政府制定了《再生骨料和再生混凝土使用規(guī)范》，并相繼在各地建立了以處理混凝土廢棄物為主的再生加工廠，生產(chǎn)再生骨料和再生混凝土。根據(jù)日本建設(shè)省的統(tǒng)計(jì)，1995年混凝土的利用率為65%，要求到2000年混凝土塊的資源再利用率達(dá)到90%.日本對(duì)再生混凝土的吸水性、強(qiáng)度、配合比、收縮、耐凍性等進(jìn)行了系統(tǒng)性的研究。德國(guó)有望將80%的再生骨料用于10%～15%的混凝土工程中。比利時(shí)和荷蘭，利用廢棄的混凝土做骨料生產(chǎn)再生混凝土，并對(duì)其強(qiáng)度、吸水性、收縮等特性進(jìn)行了研究。我國(guó)政府制定的中長(zhǎng)期科教興國(guó)戰(zhàn)略和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，也鼓勵(lì)廢棄物的研究和應(yīng)用。

2.2.3 再生骨料混凝土性能再生骨料的性質(zhì)同天然砂石骨料相比含有30%左右的硬化水泥砂漿，從而導(dǎo)致其吸水性能、表觀密度等物理性質(zhì)與天然骨料不同。再生骨料表面粗糙、棱角較多，并且骨料表面還包裹著相當(dāng)數(shù)量的水泥砂漿(水泥砂漿孔隙率大、吸水率高)，再加上混凝土塊在解體、破碎過(guò)程中由于損傷積累使再生骨料內(nèi)部存在大量微裂紋，這些因素都使再生骨料的吸水率和吸水速率增大，這對(duì)配制再生混凝土是不利的。同樣由于骨料表現(xiàn)的水泥砂漿的存在，使再生骨料的密度和表觀密度比普通骨料低 . 用再生骨料制備的混凝土同用天然骨料拌制的混凝土相比較，其力學(xué)性能是不同的。對(duì)于再生骨科混凝土來(lái)說(shuō)，我們感興趣的其他性能，例如抗拉強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度和彈性模量等，通常都是較低的，而徐變和收縮率卻是較高的。各種性能的差異程度取決于再生骨料所占的比重、原混凝土特征、污染物質(zhì)的數(shù)量和性質(zhì)，細(xì)粒材料和附著砂漿的數(shù)量、研究之目的在于測(cè)定這些因素的最佳組合，以便較經(jīng)濟(jì)地生產(chǎn)適合于某種用途的再生骨料混凝土。含有再生骨料的混凝土之耐久性，也受上述各種因素的影響。然而最明顯的因素就是污染物質(zhì)的存在。

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