混凝土低碳建筑論文

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1引言

1.1普通混凝土的耐久性問題

普通混凝土的耐久性不良現(xiàn)象很多，尤其在較為惡劣的環(huán)境下，混凝土達不到設(shè)計使用年限的問題更為突出。對于橋梁調(diào)查中發(fā)現(xiàn)如下現(xiàn)象：(1)有些1982年建成，至今使用24年的橋梁開始出現(xiàn)耐久性劣化病害。(2)1993年建成的京九線63km+846m處及67km+866m處12n跨普通鋼筋混凝土T形梁出現(xiàn)梁體側(cè)面露筋現(xiàn)象。(3)京廣線有些1898年建成的橋墩，京山線有些1896年建成的橋墩至今還在安全使用。(4)橋梁的墩臺、人行道板、欄桿的主要病害為裂紋；梁的主要病害為露筋、鋼筋銹蝕和混凝土裂紋。(5)次要構(gòu)件往往比主要構(gòu)件裂化嚴重、速度快。通過分析上面現(xiàn)象可知，構(gòu)件耐久性與其受力特征有關(guān)。對混凝土耐久性起決定作用的因素是混凝土本身的性能和工藝質(zhì)量。高質(zhì)量的普通混凝土受壓構(gòu)件。耐久性也可超過100年。一般環(huán)境條件下，普通混凝土構(gòu)件耐久性劣化速度較快，不同構(gòu)件差距較大，容易造成結(jié)構(gòu)達不到預(yù)期使用壽命。

1.2綠色混凝土的優(yōu)越性

綠色材料的特點包括材料本身的先進性(優(yōu)質(zhì)的、生產(chǎn)能耗低的材料)；生產(chǎn)過程的安全性(低噪聲、無污染)：材料使用的合理性(節(jié)省的、可以回收的)以及符合現(xiàn)代工程學的要求等。綠色材料的研究與應(yīng)用目前還主要局限在材料的回收和重復利用技術(shù)、減少“三廢"的材料技術(shù)與工藝、減少環(huán)境污染的代用材料、環(huán)境凈化材料可降解材料等方面，但隨著環(huán)境意識的加強，綠色產(chǎn)品時代將隨之到來。綠色混凝土與普通混凝土相比，顯示了強大的生命力和顯著的優(yōu)越性。

1.2.1降低混凝土制造時的環(huán)境負荷綠色混凝土大量使用工業(yè)廢料和再生利用固體廢物，既節(jié)約了資源，又降低了廢物的排放量。

1.2.2降低混凝土使用過程中的環(huán)境負荷

大流動性免振搗綠色高性能混凝土的使用，減少了環(huán)境噪聲。高性能、長壽命混凝土材料的研制，可以有效的降低材料的負荷／壽命比，從總體上也是降低材料環(huán)境負擔的一個有效途徑。目前研究較多的還有多孔混凝土、排水性鋪裝混凝土、吸音混凝土、吸收有害氣體混凝土、調(diào)濕功能混凝土、儲蓄熱量混凝土制品等。

1.2.3保護生態(tài)、美化環(huán)境

綠色混凝土中的生態(tài)混凝土指能與動植物和諧共生的混凝土。這類混凝土可以保護生態(tài)環(huán)境。

1.2.4提高居住環(huán)境的舒適和安全性

綠色混凝土中的機敏混凝土融混凝土材料的多種功能于一體。利用電熱效應(yīng)可以對居住環(huán)境進行恒溫控制；利用其自感知、自調(diào)節(jié)和自修復功能可有效地對結(jié)構(gòu)進行健康監(jiān)測、智能控制和修復，提高結(jié)構(gòu)的安全性和使用壽命。我國目前混凝土生產(chǎn)基本實現(xiàn)了工廠化，預(yù)拌混凝土生產(chǎn)方式已經(jīng)普及，為綠色高性能混凝土的發(fā)展奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)。摻和料和高效減水劑的應(yīng)用逐步發(fā)展，具備了發(fā)展和普及綠色高性能混凝土初步的技術(shù)條件。但是由于需求及工藝、技術(shù)等原因，摻和料應(yīng)用種類較少，混凝土性能多數(shù)處于中低水平，急需綠色高性能混凝土理論和實用技術(shù)的指導。而我國目前的綠色高性能混凝土研究工作主要集中在實驗室研究上，還沒有頒布能夠指導實際生產(chǎn)、符合我國混凝土生產(chǎn)企業(yè)特點的規(guī)范或權(quán)威技術(shù)文件。這種條件下，企業(yè)自身的生產(chǎn)經(jīng)驗猶顯珍貴；貼近企業(yè)生產(chǎn)實際、充分利用企業(yè)現(xiàn)有生產(chǎn)及檢驗、試驗條件的研究工作就是非常有效和必要的了。

2綠色混凝土發(fā)展研究

2.1綠色混凝土特點綠色混凝土的特點：(1)降低水泥用量，大量利用工業(yè)廢料；(2)比傳統(tǒng)混凝土具有更好的力學性能和耐久性；(3)具有與自然環(huán)境的協(xié)調(diào)性，減輕對環(huán)境的負荷，實現(xiàn)非再生性資源的可循環(huán)利用，節(jié)省能源，以及有害物質(zhì)的“零排放"；(4)能夠為人類提供溫和、舒適、便捷和安全的生存環(huán)境。綠色混凝土的環(huán)境協(xié)調(diào)性是指對資源及能源消耗少、對環(huán)境污染少和循環(huán)再生利用率高。綠色混凝土的自適應(yīng)性是指具有滿意的使用性能，能夠改善環(huán)境，具有感知、調(diào)節(jié)和修復等機敏特性。

2.2混凝土綠色化的技術(shù)路線

2.2.1大量利用工業(yè)廢料，降低水泥用量

水泥工業(yè)污染嚴重，不僅產(chǎn)出大量粉塵，還排放有害氣體及其它有毒物質(zhì)。我國是水泥生產(chǎn)大國，2003年全國水泥產(chǎn)量達到8．13億噸，占全球水泥產(chǎn)量的43％。水泥產(chǎn)量高速增長加速人類生存環(huán)境的惡化。在滿足工程需要的同時降低水泥用量，是目前的一個嚴峻而又有挑戰(zhàn)性的課題。許多工業(yè)廢渣，如：粉煤灰、?；郀t礦渣、煤矸石、硅灰等具有潛在活性，可以部分替代水泥，并可以制備性能更優(yōu)越的混凝土。利用工業(yè)廢渣既可降低水泥用量，又可消除其自身對環(huán)境的污染，是實現(xiàn)混凝土綠色化的一個重要途徑。我國工業(yè)廢渣數(shù)量龐大，僅粉煤灰每年將產(chǎn)出近2億噸，而煤矸石目前堆放總量已超過30億噸，盡可能利用這些工業(yè)廢渣將獲得重大的經(jīng)濟效益和社會效益。

2.2.2提高混凝土綜合性能

提高混凝土強度、工作性和耐久性也是混凝土綠色化的途徑之一。混凝土強度提高，可以減少結(jié)構(gòu)的截面積或結(jié)構(gòu)體積，減少混凝土用量。工作性提高，一方面有助于提高混凝土密實性，另一方面可以減少振搗器的使用，降低環(huán)境噪聲。提高混凝土耐久性，可以延長結(jié)構(gòu)的使用壽命，節(jié)約維修和重建費用，減少對自然資源消耗。近年來，混凝土耐久性成為人們熱門話題。人們逐漸認識了混凝土耐久性對節(jié)約能源資源、保護環(huán)境的意義。延長混凝土工程壽命還可以節(jié)約大量資金。根據(jù)美國統(tǒng)計，其混凝土基礎(chǔ)工程(公路、橋梁、大壩、供水系統(tǒng)等)估計價值約60000億美元，而每年用于維修和重建費用則高達3000億美元。當前國內(nèi)外許多學者都主張延長混凝土工程的設(shè)計壽命，如橋梁使用壽命按100~125年來設(shè)計，港口工程壽命按100年設(shè)計等。

2.2.3使用再生骨料和人造骨料

混凝土制備過程將消耗大量砂石。若以每噸水泥生產(chǎn)混凝土時消耗6~10噸砂石材料計，我國每年將消耗砂石材料48~80億噸。全球已面臨優(yōu)質(zhì)砂石材料短缺的問題，我國不少城市亦將遠距離運送砂石材料。同時，我國每年拆除的建筑垃圾產(chǎn)生的廢棄混凝土約為1360萬噸，新建房屋產(chǎn)生的廢棄混凝土約為4000萬噸，大部分是送到廢料堆積場堆埋。因此實現(xiàn)再生骨料的循環(huán)利用對保護環(huán)境，節(jié)約能源、資源意義十分顯著。因價格費用原因，用廢棄物加工成人造骨料，往往比天然骨料價格貴，但這種情況將很快改變，因為天然骨料日益短缺，而人造骨料的加工技術(shù)逐漸完善和高效。德國、荷蘭、比利時等國廢棄物再生率已達50％以上。德國鋼筋混凝土委員會1998年8月提出了“在混凝土中采用再生骨料的應(yīng)用指南"。日本制定了《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。2000年要求混凝土的資源再利用率達到90％以上。日本對再生混凝土的吸水性、強度、配合比、收縮、抗凍性等進行了系統(tǒng)研究。近年來，日本開發(fā)利用城市下水道污泥生產(chǎn)骨料的技術(shù)，這種骨料強度達到了普通河砂的90％，很有利用前景。因為海砂資源豐富，用海砂取代山砂和河砂作混凝土的細骨料，也是解決混凝土細骨料資源問題的有效方法。海砂中含有鹽分、氯離子，容易使鋼筋銹蝕，硫酸根離子對混凝土也有很強的侵蝕作用。此外海砂顆粒較細，切粒度分布均一，很難形成級配，因此必須先進行適當處理才能使用。目前已經(jīng)開發(fā)出一些對海砂中鹽分的處理方法，如：灑水自然清洗法、機械清洗法、自然放置法等。對海砂的級配問題，主要采取摻入粗碎砂的辦法進行調(diào)整，使之滿足級配要求。日本在海砂方面的利用已經(jīng)達到了工業(yè)化生產(chǎn)的階段，1995年產(chǎn)量達到5000萬噸以上。

2.2.4與自然環(huán)境協(xié)調(diào)

為了使混凝土與自然環(huán)境相協(xié)調(diào)，通過混凝土材料的性能、形狀或構(gòu)造等的設(shè)計，使其具有降低環(huán)境負荷的能力。例如通過控制混凝土的空隙特征和空隙率，可使混凝土具有良好的透水性、吸音性、蓄熱性、吸附氣體性能等。通過對混凝土性能和色彩的設(shè)計，使混凝土與植物和諧共生，這類混凝土包括植物適應(yīng)型生態(tài)混凝土、海洋生物適應(yīng)型生態(tài)混凝土和淡水生物適應(yīng)型混凝土，以及凈化水質(zhì)生態(tài)混凝土等。利用建筑廢磚石等材料制成的環(huán)保型綠色混凝土護砌材料的研制成功，則實現(xiàn)了在混凝土上長草的愿望，較好的解決了堤防安全護砌與保護自然環(huán)境的矛盾。

2.2.5提高混凝土的機敏性，使居住環(huán)境更安全

混凝土材料作為各項建筑的基礎(chǔ)，其智能化的研究和開發(fā)自然成為人們關(guān)注的熱點。自診斷混凝土、自調(diào)節(jié)混凝土、仿生自愈合混凝土等一系列機敏混凝土的相繼出現(xiàn)，為智能混凝土的研究和發(fā)展打下了堅實的基礎(chǔ)。機敏混凝土的特點是具有自適應(yīng)性，能夠感知外界環(huán)境的變化，并根據(jù)外界環(huán)境的變化實現(xiàn)自適應(yīng)控制、調(diào)整和修復材料。機敏混凝土材料與智能建筑相結(jié)合無疑將為人們提供一個安全、舒適的生活、學習與工作的環(huán)境空間。機敏混凝土是智能化時代的產(chǎn)物，它在對重大土木基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)變的實時監(jiān)測、損傷的無損評估、及時修復和減輕臺風、地震的沖擊等諸多方面有很大的潛力，對確保建筑物的安全和長期的耐久性都極具重要性。

2.3幾種已經(jīng)進入生產(chǎn)領(lǐng)域的綠色混凝土

綠色混凝土作為綠色建材的一個分支，自20世紀90年代以來，國內(nèi)外科技工作者開展了廣泛深入的研究。涉及的研究范圍包括：綠色高性能混凝土、再生骨料混凝土、環(huán)保型混凝土和機敏混凝土等。再生骨料混凝土，是指用廢混凝土、廢磚塊、廢砂漿作為骨料，與水泥砂漿拌和而制得的混凝土。環(huán)保型混凝土則是指能夠改善、美化環(huán)境，對人類與自然的協(xié)調(diào)具有積極作用的混凝土材料。這類混凝土的研究和開發(fā)剛起步，它標志著人類在處理混凝土材料與環(huán)境的關(guān)系過程中采取了更加積極、主動的態(tài)度。目前所研究和開發(fā)的品種主要有透水、排水性混凝土、綠化植被混凝土和凈水混凝土等。機敏混凝土是指具有感知、調(diào)節(jié)和修復等功能的混凝土，它是通過在傳統(tǒng)的混凝土組分中復合特殊的功能組分而制備的具有本征機敏特性的混凝土。機敏混凝土是信息科學與材料科學相結(jié)合的產(chǎn)物，其目標不僅僅是將混凝土作為具有優(yōu)良力學性能的建筑材料，而且更注重混凝土與自然的融合和適應(yīng)性。綠色高性能混凝土是混凝土綠色化與高性能化共同發(fā)展的產(chǎn)物，它的日益增加的應(yīng)用能更多地節(jié)約熟料水泥；更多地摻加以工業(yè)廢渣為主的活性細摻料；更大地發(fā)揮高性能優(yōu)勢，減少環(huán)境污染。

2.4綠色混凝土發(fā)展的展望

水泥和混凝土工業(yè)別無選擇，必須成為綠色工業(yè)。未來的混凝土將會以最低的環(huán)境影響滿足社會經(jīng)濟的需要。至少在2l世紀前半階段，水泥和混凝土會繼續(xù)作為世界范圍廣泛使用的建筑材料，只不過未來混凝土會與現(xiàn)在有所不同?；炷敛辉谥皇呛唵蔚氖苟唐诶孀畲蠡３稚鷳B(tài)平衡，成為長遠有利于于人類的材料。未來的摻和料會越來越多，會越來越純，越來越專業(yè)化，所起的作用會越來越明確。綠色混凝土的種類將不斷增加，功能不斷完善，以適應(yīng)工程實際的需要。

3綠色高性能混凝土的綜合發(fā)展及應(yīng)用

3.1混凝土綠色化與高性能化的綜合發(fā)展

20世紀90年代吳中偉院士較早提出綠色高性能混凝土的概念。綠色高性能混凝土(GHPC)具有的特征主要包括：(1)更多地節(jié)約熟料水泥，減少環(huán)境污染；(2)更多地摻加以工業(yè)廢渣為主的活性細摻料；(3)更大地發(fā)揮高性能優(yōu)勢，減少水泥和混凝土的用量。作者認為所謂“綠色高性能混凝土"就是既具有在環(huán)境影響上的綠色性特征，又具有生產(chǎn)、應(yīng)用上的高性能特征的混凝土。國際上尚統(tǒng)稱高性能混凝土。就實際應(yīng)用來看，目前綠色高性能混凝土主要指那些大量利用廢渣微粉的高性能混凝土。

3.2綠色高性能混凝土主要生產(chǎn)工藝及其對性能的影響

生產(chǎn)綠色高性能混凝土的一般技術(shù)途徑是：在常規(guī)材料和生產(chǎn)設(shè)備、生產(chǎn)工藝的基礎(chǔ)上，優(yōu)化骨料級配，減小孔隙率，采用合理的水膠比和水灰比：采用新型高效減水劑減少混凝土的單方用水量。增大坍落度和控制坍落度的經(jīng)時損失：采用適當摻量的超細礦物粉料，或超細復合礦物粉摻和料。

3.2.1影響混凝土攪拌質(zhì)量的因素

混凝土攪拌機的形式和其旋轉(zhuǎn)速度；混凝土攪拌機的加料容量與拌筒幾何容積的比率；攪拌葉片和襯板的磨損狀況；各種組合材料的加料程序。

3.2.2材料計量

一般計量器自身的精度都能達到0．1％～O．5％，但由于物料下落時的沖擊，計量達不到這樣的精確度。按照《混凝土攪拌站(樓)技術(shù)條件GBl0172-88》的規(guī)定。計量誤差對混凝土強度影響很大，特別是水灰比計量精度，因為強度與水灰比是線性關(guān)系。

3.2.3單階式攪拌樓工藝流程

單階式攪拌樓中，材料經(jīng)一次提升進入貯料斗，然后靠自重下落經(jīng)過各個工序。砂、石骨料裝在地面上的大型貯筒內(nèi)，經(jīng)水平、傾斜皮帶輸送機運送到攪拌樓最高點的回轉(zhuǎn)漏斗中，由回轉(zhuǎn)漏斗分配到預(yù)定的骨料貯存斗內(nèi)。水泥由水泥筒倉經(jīng)過一條由螺旋輸送機和斗式提升機組成的封閉通道進入水泥貯料斗。添加劑和攪拌用水通過泵送入攪拌樓頂部的水箱和添加劑箱。計量開始后，砂、石、水泥、水、添加劑經(jīng)各自的稱量斗按預(yù)定的比例稱量后進入攪拌機進行攪拌，攪拌好的混凝土被卸入攪拌樓底層的混凝土貯料斗，最后由混凝土貯料斗將攪拌好的混凝土卸入混凝土運輸機械中。單階式工藝流程合理，生產(chǎn)率高，但設(shè)備高，因而投資大，一般攪拌樓多采用這種形式。

3.2.4雙階式攪拌站工藝流程

雙階式攪拌站中，物料須經(jīng)二次提升，骨料、水泥等分別一次提升進入貯料斗，靠重力下落分別進行稱量，經(jīng)二次提升進入攪拌機進行攪拌，攪拌好的混凝土被卸入攪拌站底層的混凝土貯料斗，最后由混凝土貯料斗將攪拌好的混凝土卸入混凝土運輸機械中。雙階式物料經(jīng)兩次提升，生產(chǎn)效率低，但設(shè)備高度低，投資少，一般攪拌站多采用這種形式。

3.2.5攪拌站(樓)的控制系統(tǒng)

由上位管理計算機、下位控制計算機及通信連接部分組成。上位機系統(tǒng)包括工控微機、鍵盤、顯示器和打印機；下位系統(tǒng)包括可編程序控制器及其擴展模塊。上位機主要實現(xiàn)工作過程的實時動態(tài)數(shù)據(jù)監(jiān)測，使操作人員及時了解整個系統(tǒng)的狀態(tài)，保存工作參數(shù)，統(tǒng)計混凝土產(chǎn)量和物料消耗量，實時提供生產(chǎn)過程中的聲光報警和畫面，以及各種數(shù)據(jù)的輸入修改等。除屏幕顯示外，．還可打印各種表格數(shù)據(jù)。下位機的主要功能為：對生產(chǎn)流程實現(xiàn)全自動控制。各秤設(shè)有調(diào)零輸入，能自動去除皮重，自動修正落差(落差是指倉門關(guān)閉瞬間稱量斗中料量和最后穩(wěn)定時稱量斗中料重的差值)。可任意設(shè)定倉門開門順序及選用輸送機。具備完整的自鎖、互鎖功能和報警、停機功能。

3.2.6影響混凝土質(zhì)量的有關(guān)因素

骨料粒徑必須在攪拌機許可范圍內(nèi)；控制器室溫應(yīng)保持在25℃以下，以免電子元件因溫度而影響靈敏度和精確度。停機前先卸載，將物料全部輸送出來，不可殘留任何物料；作業(yè)后應(yīng)清潔、沖洗相關(guān)系統(tǒng)。稱量系統(tǒng)的刀座、刀口應(yīng)清洗干凈，確保稱量精度。

3.2.7泵送混凝土的性能要求

膠凝材料含量是影響管道內(nèi)輸送阻力的主要因素，含量不宜過少，一般不宜少于300kg／m3。水灰比或水膠比對混凝土和易性影響較大，而和易性不僅影響混凝土的流動阻力，也影響泵送效率。水膠比小，和易性差，流動阻力大；水膠比過大，泵送時容易造成離析和堵管。砂率過大，骨料的總面積及空隙率增大，使混凝土流動性差，泵送性能差。反之砂漿量不足，影響混凝土的粘聚性和保水性，產(chǎn)生脫水現(xiàn)象，導致堵管。坍落度對混凝土的可泵性影響極大。坍落度低，泵送阻力大，容易堵管；坍落度過高，也容易離析堵管。加氣劑、減水劑等外加劑可有效改善混凝土可泵性，但必須注意其合理的摻量。

4結(jié)束語

目前高性能混凝土技術(shù)的主要發(fā)展趨勢為高耐久化、高強化、綠色化、高技術(shù)化和復合化。綠色混凝土是指對資源和能源消耗少，對環(huán)境污染少，有利于維護生態(tài)平衡的混凝土。目前已得到實際應(yīng)用的有：綠色高性能混凝土、再生骨料混凝土、環(huán)保型混凝土和機敏混凝土等。其中以綠色高性能混凝土應(yīng)用最廣，產(chǎn)生效益最大。綠色高性能混凝土能更多的節(jié)約水泥，更多的摻用工業(yè)廢料，減少環(huán)境污染。目前實際應(yīng)用的綠色高性能混凝土主要是較多利用硅灰、粉煤灰、礦渣、鋼渣等工業(yè)廢渣生產(chǎn)的高性能混凝土，已經(jīng)產(chǎn)生了巨大經(jīng)濟效益和環(huán)境效益，且有很大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>