可持续发展的混凝土
罗佩云，让艳艳
（1．烟台职业学院，山东烟台 264003；2．西安科技大学，陕西西安 710054 ） 摘要： 阐述了混凝上与环境之间的关系，说明了混凝土可持续发展的必要性，总结了可持续发展混凝土——绿色混凝土的现状。
关键词：混凝土，可持续发展，绿色混凝土， 12
Continuable development of Concrete structure
LUO Pei yun;Rang Yan yan12
(1．Yantai Vocational College, Shandong 264003, China; 2．x i ′an university science and technology) Abstract ：In this paper the relationship between the concrete and environment is expounded, the necessity to make concrete continuable is illustrated and the status in quo of continuable concrete----green concrete is summarized.
Keywords : concrete, continuable development, environment-friendship concrete
1824年波特兰水泥的发明，真正意义上的水泥混凝土材料进入人类社会。19世纪中叶出现的钢筋混凝土，以钢筋承受拉力、混凝土承受压力初步克服了混凝土抗拉强度低、用途受限的缺点。20世纪30年代预应力锚具的发明以及预应力混凝土的出现，使混凝土技术迅猛发展。20世纪60年代高效减水剂发明后，塑性、半干硬性、干硬性混凝土开始向流态、泵送方向发展。20世纪90年代由于混凝土耐久性问题日益突出，出现了免振自密实混凝土、高性能混凝土。混凝土现在广泛应用于土木、水利与建筑工程，海洋及港口建设工程，交通运输、公路与铁路工程、甚至航天工程等等，为人类的文明与发展做出了巨大的贡献，成为当今世界上应用最广泛的建筑材料，在21世纪水泥混凝土仍为主要的工程材料。吴中伟院
[1]士认为21世纪的水泥混凝土面临的两大问题之一是混凝土的可持续发展问题。
1 混凝土可持续发展的必要性
每生产1吨水泥熟料，要用1.4～1.5吨石灰质原料，0.2～0.3吨粘土质原料，还有一部分辅助原料。以我国为例，水泥产量约7亿吨/年，每年需要石灰质原料10亿吨，粘土质原料1.4～2.1亿吨。此外，还需要大量的电力和煤炭. 水泥生产消耗的能源约占我国工业生产能耗的10%。
我国混凝土年产量约占世界总产量的40%，亦即12亿立方米/年左右。每立方米混凝土约需要1吨粗骨料、0.7吨细骨料。每年需12亿吨粗骨料和8.4亿吨细骨料。如果粗骨料中有一半是用石灰石碎石，每年也需6亿吨石灰石。水泥、混凝土生产每年共需约16亿吨石灰石，细骨料(河砂)8.4亿吨，粘土3.0亿吨。
据调查，全国石灰石矿的工业储量约500亿吨。若水泥工业的可采量为250亿吨，仅够水泥生产使用40～50年。如果加上混凝土生产所需骨料，那么我国石灰石资源仅够水泥混凝土工业使用30～40年。而对于混凝土细骨料，如全部以河砂计算，每年8.4亿吨(对砌筑砂浆及抹灰用的河砂尚未考虑在内) ，长此以往，河砂会挖尽，河床两岸会由于掏挖河砂而崩塌及河床位置发生改变，自然景观遭到破坏，造成水土流失，给生态环境造成更大危害。 每生产1吨水泥熟料约排放1吨CO 2，世界水泥产量近20亿吨，每年就产生20亿吨的CO 2。此外，还排放大量的SO 2, NO2及含铬废水等。同时每年约有2%～3%的水泥产量以粉尘的形式排放于大气中。由于CO 2的大量排放，使地球产生了温室效应，全球气候变暖已引起人们的普遍关注。
混凝土浇筑使用的模板还有相当大一部分采用木模板，浪费大量的森林资源，间接影响
野生动物的生存环境和生态平衡。在混凝土的运输和施工过程中除了要消耗大量的能源外，还产生振动和噪声，是城市公害的主要来源。
随着经济的高速发展，混凝土生产和使用过程中资源过度开发和废弃及其造成的环境污染和生态破坏，与地球资源、地球环境容量的有限性以及地球生态系统的安全性之间出现尖锐的矛盾，对社会经济的可持续发展和人类自身的生存构成严重的障碍和威胁。因此迫切需 要研究混凝土可持续发展问题。
2 可持续发展的混凝土——绿色混凝土（Environment-friendship Concrete）
混凝土能否长期作为最大宗的建筑结构材料，我们能否在利用自然的同时保护自然、节约能源和原材料，实现混凝土产业的可持续发展，关键在于混凝土能否成为绿色材料。绿色混凝土是混凝土的发展方向。吴中伟认为绿色的涵义可概括为:节约资源、能源；不破坏环境，更应有利于环境；可持续发展，既要满足当代人的需求，又不危害后代人满足其需要的能力。
绿色混凝土作为绿色建材的一个分支，自20世纪90年代以来，国内外科技工作者开展了广泛深入的研究。其涉及的研究范围包括绿色高性能混凝土、再生骨料混凝土、环保型混凝土和机敏混凝土等。
2.1 绿色高性能混凝土（Green High Performance Concrete，GHPC ）
吴中伟院士较早提出绿色高性能混凝土的概念。从高性能混凝土的涵义和组成材料看，其含有很多 “绿色”要素，本身就是绿色混凝土，具体特征如下：
（1） 能更多的节约水泥熟料，更有效地减少环境污染，同时也能大量降低料耗与能
耗。在绿色高性能混凝土的胶凝材料中，工业废渣为主的细掺料将节代大量熟
料，最多可达60％～80％。
（2） 能更多地掺加以工业废渣为主的细掺料，节代熟料，改善环境，减少二次污染。
（3） 能更大地发挥高性能混凝土的优势，尽量减少水泥与混凝土的用量，达到节省
资源、能源与改善环境的目的。
中国是世界的硅酸盐水泥生产大国，水泥年产量占世界一半以上，同时中国也是粉煤灰、高炉矿渣等工业废料排放量最大的国家。因此我们在推进混凝土材料和工程技术时，应该更加关注开发研究有效地利用工业废料，减少硅酸盐水泥熟料生产的技术；关注降低单位混凝土水泥用量，利用工业废料有效改善混凝土结构耐久性，延长基础设施使用寿命的技术，以减小地球自然资源的负荷、能源负荷和生态负荷，和经济可持续发展的方向相一致，和人类与大自然和谐发展的趋势相一致。
为扩大绿色高性能混凝土的应用范围，不断增加其用量，有必要将绿色高性能混凝土的强度下限从C50～C60降低到C30左右，以改变水泥与混凝土愈来愈沦为不可持续发展材料的可怕前景。
2.2 再生骨料混凝土（Recycled Aggregate Concrete）
再生骨料混凝土[3]是指用废混凝土、废砖块、废砂浆作骨料，与水泥砂浆拌合而制得的混凝土。
废弃混凝土的再利用最早开始于欧洲，国际材料与结构研究与测试实验所联合会RILEM 于1976年成立了“混凝土拆除和再利用技术委员会”TC-37-DRC ，开始研究废弃混凝土的消化和再生利用，并且将废弃混凝土再生骨料用于告诉道路等实际工程。后日本也相继开始了对废弃混凝土再生利用的研究。美国从20世纪80年代开始研究将混凝土废弃物作为混凝土的粗、细骨料。德国、荷兰、比利时等国废弃物再生率已达50%以上，日本2000年要求混凝土的资源再利用率达到90%以上，且对再生骨料混凝土的吸水性、强度、配合比、收缩、抗冻性等进行了系统的研究。由于我国混凝土结构物的废弃、解体的[2]
高峰期还没有到来，混凝土废弃物的再生利用起步较晚。
再生骨料混凝土的抗拉强度、抗弯强度、抗剪强度和弹性模量通常较低，而徐变和收缩率较高。各种性能的差异程度取决于再生骨料所占的比重、原混凝土特征、污染物质的数量和性质、细粒骨材料和附着砂浆的数量。再生骨料的混凝土耐久性也受上述各种因素的影响，最直接的因素就是污染物质的存在。
因价格费用的原因，由废弃物加工成人造骨料，往往要比天然骨料价格高，但这种状况很快将改变，因为天然骨料来源日趋短缺，而人造骨料的加工技术逐渐完善和高效。
2.3 环保型混凝土
环保型混凝土，是指能够改善、美化环境，对人类与自然的协调具有积极作用的混凝土材料。为了使混凝土与自然环境相协调，通过混凝土材料的性能、形状或构件等的设计，使其具有降低环境负荷的能力。例如公国控制混凝土的空隙特性和空隙率，可使混凝土具有良好的透水性、吸音性能、蓄热性能、吸附气体性能等。通过对混凝土性能和色彩的设计，降低混凝土碱性，使混凝土与植物和谐共生。
多孔混凝土也称无砂混凝土，只有粗骨料，没有细骨料，直接用水泥作为粘结剂连接粗骨料，具有连续空隙结构的特征，其透气性和透水性良好，连续空隙可以作为生物栖息繁衍的地方，可以净化、保护地下水资源、吸收环境噪声等，降低环境负荷，是一种新型的环保材料[4]。
净化水质生态混凝土的研究最早起源于日本，由于存在连续空隙，水、气自由通过，在多孔质内部和表面，易于附着细菌和藻类等，形成可栖息的生物膜，，使其中的好气性细菌对有机物具有净化的可能。生物的附着因水域条件而异，一般在三个月内即可加以区别。
将光催化技术应用于水泥混凝土材料中而制得的光催化混凝土可以起到净化城市大气的作用。随着经济的发展，城市大气污染状况日益严重，汽车和工业排放的氮氧化物和硫化物等已经形成公害。通过在建筑物表面使用掺有TiO 2的混凝土，可以通过光的催化作用，氧化大多数的有机无机的污染物，使污染物氧化成碳酸、硝酸和硫酸等随雨水排掉，从而净化空气、美化环境。
2.4 机敏混凝土
机敏混凝土的特点是具有自适应性，能够感知外界环境的变化，并根据外界环境的变化实现自适应控制、调整和修复材料。它是通过在传统的混凝土组分中复合特殊的功能组分而制备的具有本征机敏特性的混凝土，注重混凝土与自然的融合和适应性。
自感知机敏混凝土材料对诸如热、电和磁等外部信号刺激具有监测、感知和反馈的能力，是未来智能建筑的必需组件。它与其他土木工程材料具有很好的兼容性，在材料处理过程中能够抵制外部相对复杂的温度变化，能反应激励过程的信息等。在非破损的情况下可以感知并获得被测结构物全部的物理、力学参数。
自调节机敏混凝土对由于外力、温度、电场或磁场等变化具有产生形状、刚度、湿度或其他机械特性影响的能力，如在建筑物遭受台风、地震等自然灾害期间能调整承载能力和减缓结构震动。目前人们研制的自动调节环境湿度的混凝土自身能够完成对环境湿度的探测，并根据需求对其进行调控。这种材料已成功应用于多家美术馆的室内墙壁，取得了非常好的效果。
自修复机敏混凝土是模仿动物的骨组织结构和受创伤后的再生、修复机理，采用粘结材料和水泥基材料相复合的方法，对材料损伤破坏具有自行愈合和再生功能，恢复甚至提高材料性能的新型复合材料。
3 结语
传统混凝土材料为人类的物质文明做出了巨大贡献，同时也给人类带来了生态环境和资
源、能源短缺等严重问题。随着时代的进步，人类要寻求与自然和谐相处，促进混凝土产业的可持续发展，发展绿色混凝土是必然选择。
参考文献
[1] 吴中伟. 高性能混凝土——绿色混凝土. 水泥工程，2000（2）
[2] 吴中伟. 绿色高性能混凝土与科技创新. 建筑材料学报，1998，1（1）
[3] Hasen T C. Recycled aggregate and recycled aggregate concrete.Material and Structures, 1986, 19 (5):201~206
[4] 朱航征. 多孔混凝土的特性与生态环保技术. 建筑技术开发，2002，（2）
可持续发展的混凝土
罗佩云，让艳艳
（1．烟台职业学院，山东烟台 264003；2．西安科技大学，陕西西安 710054 ） 摘要： 阐述了混凝上与环境之间的关系，说明了混凝土可持续发展的必要性，总结了可持续发展混凝土——绿色混凝土的现状。
关键词：混凝土，可持续发展，绿色混凝土， 12
Continuable development of Concrete structure
LUO Pei yun;Rang Yan yan12
(1．Yantai Vocational College, Shandong 264003, China; 2．x i ′an university science and technology) Abstract ：In this paper the relationship between the concrete and environment is expounded, the necessity to make concrete continuable is illustrated and the status in quo of continuable concrete----green concrete is summarized.
Keywords : concrete, continuable development, environment-friendship concrete
1824年波特兰水泥的发明，真正意义上的水泥混凝土材料进入人类社会。19世纪中叶出现的钢筋混凝土，以钢筋承受拉力、混凝土承受压力初步克服了混凝土抗拉强度低、用途受限的缺点。20世纪30年代预应力锚具的发明以及预应力混凝土的出现，使混凝土技术迅猛发展。20世纪60年代高效减水剂发明后，塑性、半干硬性、干硬性混凝土开始向流态、泵送方向发展。20世纪90年代由于混凝土耐久性问题日益突出，出现了免振自密实混凝土、高性能混凝土。混凝土现在广泛应用于土木、水利与建筑工程，海洋及港口建设工程，交通运输、公路与铁路工程、甚至航天工程等等，为人类的文明与发展做出了巨大的贡献，成为当今世界上应用最广泛的建筑材料，在21世纪水泥混凝土仍为主要的工程材料。吴中伟院
[1]士认为21世纪的水泥混凝土面临的两大问题之一是混凝土的可持续发展问题。
1 混凝土可持续发展的必要性
每生产1吨水泥熟料，要用1.4～1.5吨石灰质原料，0.2～0.3吨粘土质原料，还有一部分辅助原料。以我国为例，水泥产量约7亿吨/年，每年需要石灰质原料10亿吨，粘土质原料1.4～2.1亿吨。此外，还需要大量的电力和煤炭. 水泥生产消耗的能源约占我国工业生产能耗的10%。
我国混凝土年产量约占世界总产量的40%，亦即12亿立方米/年左右。每立方米混凝土约需要1吨粗骨料、0.7吨细骨料。每年需12亿吨粗骨料和8.4亿吨细骨料。如果粗骨料中有一半是用石灰石碎石，每年也需6亿吨石灰石。水泥、混凝土生产每年共需约16亿吨石灰石，细骨料(河砂)8.4亿吨，粘土3.0亿吨。
据调查，全国石灰石矿的工业储量约500亿吨。若水泥工业的可采量为250亿吨，仅够水泥生产使用40～50年。如果加上混凝土生产所需骨料，那么我国石灰石资源仅够水泥混凝土工业使用30～40年。而对于混凝土细骨料，如全部以河砂计算，每年8.4亿吨(对砌筑砂浆及抹灰用的河砂尚未考虑在内) ，长此以往，河砂会挖尽，河床两岸会由于掏挖河砂而崩塌及河床位置发生改变，自然景观遭到破坏，造成水土流失，给生态环境造成更大危害。 每生产1吨水泥熟料约排放1吨CO 2，世界水泥产量近20亿吨，每年就产生20亿吨的CO 2。此外，还排放大量的SO 2, NO2及含铬废水等。同时每年约有2%～3%的水泥产量以粉尘的形式排放于大气中。由于CO 2的大量排放，使地球产生了温室效应，全球气候变暖已引起人们的普遍关注。
混凝土浇筑使用的模板还有相当大一部分采用木模板，浪费大量的森林资源，间接影响
野生动物的生存环境和生态平衡。在混凝土的运输和施工过程中除了要消耗大量的能源外，还产生振动和噪声，是城市公害的主要来源。
随着经济的高速发展，混凝土生产和使用过程中资源过度开发和废弃及其造成的环境污染和生态破坏，与地球资源、地球环境容量的有限性以及地球生态系统的安全性之间出现尖锐的矛盾，对社会经济的可持续发展和人类自身的生存构成严重的障碍和威胁。因此迫切需 要研究混凝土可持续发展问题。
2 可持续发展的混凝土——绿色混凝土（Environment-friendship Concrete）
混凝土能否长期作为最大宗的建筑结构材料，我们能否在利用自然的同时保护自然、节约能源和原材料，实现混凝土产业的可持续发展，关键在于混凝土能否成为绿色材料。绿色混凝土是混凝土的发展方向。吴中伟认为绿色的涵义可概括为:节约资源、能源；不破坏环境，更应有利于环境；可持续发展，既要满足当代人的需求，又不危害后代人满足其需要的能力。
绿色混凝土作为绿色建材的一个分支，自20世纪90年代以来，国内外科技工作者开展了广泛深入的研究。其涉及的研究范围包括绿色高性能混凝土、再生骨料混凝土、环保型混凝土和机敏混凝土等。
2.1 绿色高性能混凝土（Green High Performance Concrete，GHPC ）
吴中伟院士较早提出绿色高性能混凝土的概念。从高性能混凝土的涵义和组成材料看，其含有很多 “绿色”要素，本身就是绿色混凝土，具体特征如下：
（1） 能更多的节约水泥熟料，更有效地减少环境污染，同时也能大量降低料耗与能
耗。在绿色高性能混凝土的胶凝材料中，工业废渣为主的细掺料将节代大量熟
料，最多可达60％～80％。
（2） 能更多地掺加以工业废渣为主的细掺料，节代熟料，改善环境，减少二次污染。
（3） 能更大地发挥高性能混凝土的优势，尽量减少水泥与混凝土的用量，达到节省
资源、能源与改善环境的目的。
中国是世界的硅酸盐水泥生产大国，水泥年产量占世界一半以上，同时中国也是粉煤灰、高炉矿渣等工业废料排放量最大的国家。因此我们在推进混凝土材料和工程技术时，应该更加关注开发研究有效地利用工业废料，减少硅酸盐水泥熟料生产的技术；关注降低单位混凝土水泥用量，利用工业废料有效改善混凝土结构耐久性，延长基础设施使用寿命的技术，以减小地球自然资源的负荷、能源负荷和生态负荷，和经济可持续发展的方向相一致，和人类与大自然和谐发展的趋势相一致。
为扩大绿色高性能混凝土的应用范围，不断增加其用量，有必要将绿色高性能混凝土的强度下限从C50～C60降低到C30左右，以改变水泥与混凝土愈来愈沦为不可持续发展材料的可怕前景。
2.2 再生骨料混凝土（Recycled Aggregate Concrete）
再生骨料混凝土[3]是指用废混凝土、废砖块、废砂浆作骨料，与水泥砂浆拌合而制得的混凝土。
废弃混凝土的再利用最早开始于欧洲，国际材料与结构研究与测试实验所联合会RILEM 于1976年成立了“混凝土拆除和再利用技术委员会”TC-37-DRC ，开始研究废弃混凝土的消化和再生利用，并且将废弃混凝土再生骨料用于告诉道路等实际工程。后日本也相继开始了对废弃混凝土再生利用的研究。美国从20世纪80年代开始研究将混凝土废弃物作为混凝土的粗、细骨料。德国、荷兰、比利时等国废弃物再生率已达50%以上，日本2000年要求混凝土的资源再利用率达到90%以上，且对再生骨料混凝土的吸水性、强度、配合比、收缩、抗冻性等进行了系统的研究。由于我国混凝土结构物的废弃、解体的[2]
高峰期还没有到来，混凝土废弃物的再生利用起步较晚。
再生骨料混凝土的抗拉强度、抗弯强度、抗剪强度和弹性模量通常较低，而徐变和收缩率较高。各种性能的差异程度取决于再生骨料所占的比重、原混凝土特征、污染物质的数量和性质、细粒骨材料和附着砂浆的数量。再生骨料的混凝土耐久性也受上述各种因素的影响，最直接的因素就是污染物质的存在。
因价格费用的原因，由废弃物加工成人造骨料，往往要比天然骨料价格高，但这种状况很快将改变，因为天然骨料来源日趋短缺，而人造骨料的加工技术逐渐完善和高效。
2.3 环保型混凝土
环保型混凝土，是指能够改善、美化环境，对人类与自然的协调具有积极作用的混凝土材料。为了使混凝土与自然环境相协调，通过混凝土材料的性能、形状或构件等的设计，使其具有降低环境负荷的能力。例如公国控制混凝土的空隙特性和空隙率，可使混凝土具有良好的透水性、吸音性能、蓄热性能、吸附气体性能等。通过对混凝土性能和色彩的设计，降低混凝土碱性，使混凝土与植物和谐共生。
多孔混凝土也称无砂混凝土，只有粗骨料，没有细骨料，直接用水泥作为粘结剂连接粗骨料，具有连续空隙结构的特征，其透气性和透水性良好，连续空隙可以作为生物栖息繁衍的地方，可以净化、保护地下水资源、吸收环境噪声等，降低环境负荷，是一种新型的环保材料[4]。
净化水质生态混凝土的研究最早起源于日本，由于存在连续空隙，水、气自由通过，在多孔质内部和表面，易于附着细菌和藻类等，形成可栖息的生物膜，，使其中的好气性细菌对有机物具有净化的可能。生物的附着因水域条件而异，一般在三个月内即可加以区别。
将光催化技术应用于水泥混凝土材料中而制得的光催化混凝土可以起到净化城市大气的作用。随着经济的发展，城市大气污染状况日益严重，汽车和工业排放的氮氧化物和硫化物等已经形成公害。通过在建筑物表面使用掺有TiO 2的混凝土，可以通过光的催化作用，氧化大多数的有机无机的污染物，使污染物氧化成碳酸、硝酸和硫酸等随雨水排掉，从而净化空气、美化环境。
2.4 机敏混凝土
机敏混凝土的特点是具有自适应性，能够感知外界环境的变化，并根据外界环境的变化实现自适应控制、调整和修复材料。它是通过在传统的混凝土组分中复合特殊的功能组分而制备的具有本征机敏特性的混凝土，注重混凝土与自然的融合和适应性。
自感知机敏混凝土材料对诸如热、电和磁等外部信号刺激具有监测、感知和反馈的能力，是未来智能建筑的必需组件。它与其他土木工程材料具有很好的兼容性，在材料处理过程中能够抵制外部相对复杂的温度变化，能反应激励过程的信息等。在非破损的情况下可以感知并获得被测结构物全部的物理、力学参数。
自调节机敏混凝土对由于外力、温度、电场或磁场等变化具有产生形状、刚度、湿度或其他机械特性影响的能力，如在建筑物遭受台风、地震等自然灾害期间能调整承载能力和减缓结构震动。目前人们研制的自动调节环境湿度的混凝土自身能够完成对环境湿度的探测，并根据需求对其进行调控。这种材料已成功应用于多家美术馆的室内墙壁，取得了非常好的效果。
自修复机敏混凝土是模仿动物的骨组织结构和受创伤后的再生、修复机理，采用粘结材料和水泥基材料相复合的方法，对材料损伤破坏具有自行愈合和再生功能，恢复甚至提高材料性能的新型复合材料。
3 结语
传统混凝土材料为人类的物质文明做出了巨大贡献，同时也给人类带来了生态环境和资
源、能源短缺等严重问题。随着时代的进步，人类要寻求与自然和谐相处，促进混凝土产业的可持续发展，发展绿色混凝土是必然选择。
参考文献
[1] 吴中伟. 高性能混凝土——绿色混凝土. 水泥工程，2000（2）
[2] 吴中伟. 绿色高性能混凝土与科技创新. 建筑材料学报，1998，1（1）
[3] Hasen T C. Recycled aggregate and recycled aggregate concrete.Material and Structures, 1986, 19 (5):201~206
[4] 朱航征. 多孔混凝土的特性与生态环保技术. 建筑技术开发，2002，（2）