生態(tài)混凝土的研究及應(yīng)用

　　摘要:生態(tài)混凝土是一種既不破壞環(huán)境,又能保護(hù)環(huán)境、實(shí)現(xiàn)人類與自然環(huán)境的協(xié)調(diào)具有積極作用的新型特種混凝土。生態(tài)混凝土可分為環(huán)境友好型和生物相容型兩類,主要應(yīng)用在減輕環(huán)境負(fù)荷、植生、凈化水質(zhì)等方面;智能化、規(guī)?；?、理論化、體系化和集成化是21世紀(jì)生態(tài)混凝
土的主要發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞:生態(tài);混凝土;應(yīng)用

1　引言

進(jìn)入21世紀(jì),人類社會面臨前所未有的三大嚴(yán)重問題,即人口急劇增長、資源和能源過度消耗、環(huán)境日益惡化,嚴(yán)重威脅著社會經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展和人類自身的生存。走可持續(xù)發(fā)展道路已成為全世界的共識?？沙掷m(xù)發(fā)展的主要方面是:在減少對環(huán)境污染的同時,通過保護(hù)和減少浪費(fèi)來更有效地利用能源和材料。

作為21世紀(jì)用量最大的建筑材料———混凝土,與上述的資源、環(huán)境問題密切相關(guān)[1]:(1)混凝土的生產(chǎn)要消耗大量能源和資源。據(jù)統(tǒng)計(jì)我國每年要開采50億t以上的礦物質(zhì)材料來生產(chǎn)水泥和混凝土,為此將破壞自然景觀,改變河床位置及形狀,造成水土流失或河流改道等嚴(yán)重后果。另外,生產(chǎn)水泥和砂石的開采、破碎及運(yùn)輸過程也都需要耗費(fèi)大量能量。(2)生產(chǎn)水泥時,會排放出CO2等有害物質(zhì)。目前全世界每年CO2的排放量大約為100億t,其中由于生產(chǎn)水泥而產(chǎn)生的CO2氣體約占10%,是產(chǎn)生溫室效應(yīng)的主要原因。(3)舊混凝土的循環(huán)利用難度大。與金屬材料、高分子材料相比,混凝土解體再循環(huán)利用難度大,循環(huán)利用成本較高。(4)傳統(tǒng)混凝土材料的密實(shí)性使各類混凝土結(jié)構(gòu)缺乏透氣性和透水性,調(diào)節(jié)空氣溫度和濕度的能力差,產(chǎn)生“熱島現(xiàn)象”,地溫升高等,使氣候惡化。降雨時不透水的混凝土道路表面容易積水,雨水長期不能下滲,使地下水位下降,土壤中水分不足、缺氧,影響植物生長,造成生態(tài)系統(tǒng)失調(diào)。

由上可見,混凝土工業(yè)要實(shí)現(xiàn)健康可持續(xù)發(fā)展必須節(jié)約資源、能源、減少對環(huán)境的污染,發(fā)展生態(tài)混凝土;也就是說,不僅要提高混凝土的使用壽命,使其具有優(yōu)良的環(huán)境協(xié)調(diào)性,降低對環(huán)境的負(fù)荷,還要考慮自然循環(huán)、生物保護(hù)和景觀保護(hù)等生態(tài)問題。

2　生態(tài)混凝土的概念

生態(tài)混凝土的概念[2]是日本混凝土工學(xué)協(xié)會于1995年提出的。所謂生態(tài)混凝土是通過材料研選、采用特殊工藝制造出來的具有特殊結(jié)構(gòu)與表面特性的混凝土,既能減少環(huán)境負(fù)荷,與生態(tài)環(huán)境相協(xié)調(diào),又能為環(huán)保作出貢獻(xiàn)。

生態(tài)混凝土實(shí)質(zhì)上就是把混凝土技術(shù)與自然環(huán)境相結(jié)合,使混凝土生態(tài)材料化。就是從過去對混凝土的強(qiáng)度和耐久性要求,進(jìn)一步與環(huán)境問題結(jié)合起來,降低環(huán)境負(fù)荷,與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào),提高與保存環(huán)境景觀。所以,生態(tài)混凝土的特征可歸納如下[3]:(1)具有比傳統(tǒng)混凝土更高的強(qiáng)度和耐久性,能滿足結(jié)構(gòu)物力學(xué)性能、使用功能以及使用年限的要求;(2)具有與自然環(huán)境的協(xié)調(diào)性,減輕對地球和生態(tài)環(huán)境的負(fù)荷,實(shí)現(xiàn)非再生型資源的循環(huán)利用;(3)具有良好的使用功能,能為人類構(gòu)筑溫和、舒適、便捷的生活環(huán)境。

生態(tài)混凝土可分為環(huán)境友好型和生物相容型兩類。環(huán)境友好型是指在生產(chǎn)和使用過程中可降低對環(huán)境負(fù)荷的混凝土;生物相容型是指能與動物、植物等生物和諧共存的混凝土。

3　生態(tài)混凝土的應(yīng)用

3.1　減輕環(huán)境負(fù)荷型生態(tài)混凝土[1,4～7]
減輕環(huán)境負(fù)荷型混凝土,是指在生產(chǎn)、使用直到解體過程中,能夠降低環(huán)境負(fù)擔(dān)或通過改善其性能來降低環(huán)境負(fù)擔(dān)的混凝土。從利用高爐礦渣、粉煤灰等工業(yè)廢渣作為水泥的混合材料、混凝土的摻合料,到開發(fā)利用高流態(tài)、自密性、高強(qiáng)度、高性能混凝土,從生態(tài)水泥、再生骨料混凝土到具有吸音性、調(diào)溫功能、能夠吸收有害氣體以及能儲蓄熱量的混凝土,均屬于減輕環(huán)境負(fù)荷型混凝土。下面僅介紹幾種。

3.1.1　生態(tài)水泥
生態(tài)水泥(ECO2Cement)是指采用城市垃圾焚燒灰、下水道污泥和工業(yè)廢棄物作原料,經(jīng)過處理、配料、燒成、粉磨等工藝,制成的一種新型水泥。這種水泥有利于解決廢棄物處理、石灰石資源和減少CO2排放量等問題。例如,生產(chǎn)1t生態(tài)水泥熟料時,需要垃圾焚燒灰0.5t(城市垃圾5.5t燒成后產(chǎn)品)、脫水后的下水道污泥0.3t、補(bǔ)充石灰石等天然原料0.3t。最近,澳大利亞生態(tài)技術(shù)公司宣布開發(fā)成功一種能夠吸收二氧化碳的新一代生態(tài)水泥。該產(chǎn)品由JohnHarrison開發(fā)研制,其主要成分為廢料、粉煤灰、普通水泥等。該公司聲稱,如果生態(tài)水泥能代替世界所產(chǎn)165億t普通水泥的80%,將會有15億t的二氧化碳被吸收。

3.1.2　再生骨料混凝土
再生骨料混凝土是將廢混凝土經(jīng)過特殊處理工藝制成再生骨料,用其部分或全部代替天然骨料(砂石)配制成的。據(jù)報導(dǎo),日本每年有3000萬t舊混凝土,他們對其開發(fā)利用以生產(chǎn)砂子和水泥。此舉可謂高瞻遠(yuǎn)矚,能避免50a后砂石資源枯竭的困境。但全部用再生細(xì)骨料和再生粗骨料配制的混凝土的強(qiáng)度要低于基準(zhǔn)混凝土。日本向井毅的試驗(yàn)證明,以30%的粗細(xì)再生骨料等量取代天然骨料,配制的混凝土強(qiáng)度與基準(zhǔn)混凝土相同。

3.1.3　吸音混凝土
公路交通的建設(shè)和發(fā)展在極大的推動人類進(jìn)步的同時,也給人類的生存環(huán)境帶來了許多負(fù)面影響,其中交通噪音已列入交通部“公路水路交通科技發(fā)展戰(zhàn)略”需要解決的問題。吸音混凝土就是為了減少交通噪音而開發(fā)的,適用于機(jī)場、高速道路、高速鐵路兩側(cè)、地鐵等產(chǎn)生恒定噪音的場所,能明顯地減低交通噪音,改善出行環(huán)境以及公共交通設(shè)施周圍的居住環(huán)境。

吸音混凝土具有連續(xù)、多孔的內(nèi)部結(jié)構(gòu),具有較大的內(nèi)表面積,與普通的密實(shí)混凝土組成復(fù)合構(gòu)造。多孔的吸音混凝土直接暴露面對噪音源,入射的聲波一部分被反射,大部分則通過連通孔隙被吸收到混凝土內(nèi)部。其中有一小部分聲波由于混凝土內(nèi)部的摩擦作用轉(zhuǎn)換成熱能,而大部分聲波透過多孔混凝土層,到達(dá)多孔混凝土背后的空氣層和密實(shí)混凝土板表面再被反射,而這部分被反射的聲波從反方向再次通過多孔混凝土向外部發(fā)散。在此過程中,與入射的聲波具有一定的相位差,由于干涉作用互相抵消一部分,對減小噪音效果明顯。羅馬尼亞最近開發(fā)出2種與普通混凝土相比有更強(qiáng)拉力、抗震力和更隔聲隔熱的生態(tài)混凝土,而且這種生態(tài)混凝土還能讓墻壁“呼吸”,能避免混凝土縮合而排放的有毒氣體。由于這種生態(tài)混凝土無須抹灰泥、刷漆和放置隔熱材料,采用它進(jìn)行房屋建設(shè)可大大降低造價。

3.2　植生混凝土[4,8～12]
植生混凝土是指能夠適應(yīng)綠色植物生長的多孔混凝土。混凝土內(nèi)部存在許多連續(xù)的空隙,使其具有良好的透水、透氣特性,施工時,只要在混凝土塊的孔隙中充填腐植土、種子、緩釋肥料、保水劑等混合材料,草籽就可生根、發(fā)芽,并穿透到土壤中生長,從而可以大大改善周圍大氣的環(huán)境。同時,利用其多孔,透水透氣性,不僅可使微生物及小動物在其凹凸不平的表面或連續(xù)空隙內(nèi)生息,保持了生物的多樣性,具有顯著的生態(tài)效應(yīng);還可成功地解決常規(guī)硬化路面存在的散熱少、無呼吸、雨水聚積成澇等問題.可以減輕市政排水設(shè)施負(fù)擔(dān),使地下水得到及時補(bǔ)充,避免造成地下水位明顯下降等嚴(yán)重問題。此外,植生型多孔混凝土具有較好的力學(xué)性能,若加入特殊的合成纖維,其抗壓強(qiáng)度可達(dá)到15～18MPa。

植生混凝土可以作為固沙、固土、固堤護(hù)岸材料,用于保護(hù)和綠化城鎮(zhèn)人行路面、停車場、建筑物墻壁、河道堤防和屋頂?shù)?使綠化與硬化完美地結(jié)合起來,增加城市的綠色空間,還能夠吸收粉塵、保護(hù)環(huán)境,維持生態(tài)平衡,是一種與自然協(xié)調(diào)、生態(tài)效應(yīng)顯著的混凝土材料。關(guān)于植生混凝土的研究,最早發(fā)生于20世紀(jì)90年代初期的日本,近年來,我國的梅道亮等人研究成了既能與巖石坡面粘合、防止表面沖蝕,又能適宜植物發(fā)芽和生長的復(fù)合植生多孔混凝土,取得了較好的效果;奚新國等人以粉煤灰為主要原料配制了低堿度生態(tài)混凝土也滿足了混凝土低堿、多孔適應(yīng)植物生長的要求。前不久,上海引進(jìn)的一種新型植生混凝土,也首次在嘉定西虬江護(hù)坡上亮相,河道護(hù)堤的混凝土上長滿郁郁蔥蔥的嫩草,既可滿足河道護(hù)坡的硬度要求,又能夠?yàn)楹拥谰坝^添綠。

3.3　凈化水質(zhì)生態(tài)混凝土[3～15]
凈化水質(zhì),不讓污水污染環(huán)境是急待解決的全球性環(huán)保問題。應(yīng)用于污水處理的生態(tài)混凝土是一種多孔混凝土(PorousConcrete),利用多孔混凝土外表面對各種微生物的吸附,通過生物層的作用產(chǎn)生間接凈化功能,將其制成浮體結(jié)構(gòu)或浮島設(shè)置在富營養(yǎng)化的湖河內(nèi)凈化水質(zhì),使草類、藻類生長更加繁茂,通過定期采割,利用生物循環(huán)過程消耗污水的富營養(yǎng)成分,從而保護(hù)生態(tài)環(huán)境。關(guān)于這一課題,國外的研究相當(dāng)活躍:文獻(xiàn)報道日本長崎大學(xué)于1994年起進(jìn)行實(shí)海現(xiàn)場試驗(yàn),將直徑lm高0.5m的有孔試塊l0個一組地投入海中,并于1995年2月至1996年2月每月實(shí)測一次水質(zhì)變化,發(fā)現(xiàn)生態(tài)混凝土有富集營養(yǎng)物質(zhì)的功能。另有文獻(xiàn)報道,使用生態(tài)混凝土在公園內(nèi)小河上建造凈水渠(15m×2m×0.4m),水在其中停留1～3h可去除水中的BOD40%～50%,長時間停留可去除80%～90%。近來,受國外科技成果啟發(fā),我國同濟(jì)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院從1997年起開始研究生態(tài)混凝土材料,并成功研究開發(fā)了實(shí)用性很強(qiáng)的小型生活污水處理裝置,其是一種沉淀、過濾、曝氣三合一的預(yù)處理裝置,在沉淀的同時進(jìn)行過濾和曝氣,污水中的固體物質(zhì)可去除90%以上。

3.4　海洋生物適應(yīng)型混凝土[4,6]
隨著沿岸及近海工程建設(shè)量日益加大,大量的、單一性質(zhì)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)物取代自然海岸.使海洋生物的生存空間日益減少,因此近海生態(tài)系統(tǒng)生物多樣化逐漸減退,水質(zhì)的自然凈化能力逐漸下降,使沿海及近海環(huán)境日益惡化。因此,開發(fā)海洋生物適應(yīng)型混凝土是一項(xiàng)重要的工作。海洋生物適應(yīng)型混凝土,是指能夠營造出適合于生物生息的空間或空隙,能夠?yàn)楹Ｔ孱惿锾峁┖线m的附著表面,并能在混凝土表面繁殖,且混凝土周圍的水質(zhì)對生物的生長沒有不良反應(yīng)。目前已開發(fā)應(yīng)用的海洋生物適應(yīng)型混凝土有多孔混凝土人工礁石。這種多孔混凝土礁石放在海洋之中,附著在表面的海藻類數(shù)量是普通混凝土塊的2～3倍,且海藻生長茂盛。此外還有用于淡水域的河床、護(hù)岸等混凝土構(gòu)件,構(gòu)件的表面做成凹凸不的形狀,使之盡量接近自然狀態(tài)的河床、河岸的狀態(tài),為水中的藻類、植物提供根部附著的場所,為魚類提供水中生息和避難的場所。目前,在日本已有大量的這種人工漁礁。我國科學(xué)家也已在遼寧省沿海進(jìn)行了人工礁石的研究。

4　生態(tài)混凝土的發(fā)展趨勢

隨著時代的進(jìn)步,人類要尋求自然和諧、可持續(xù)發(fā)展之路,對混凝土的要求不僅僅作為建筑材料,為人類構(gòu)筑所需要的結(jié)構(gòu)物建筑物,而是進(jìn)一步開發(fā)對保護(hù)環(huán)境,對人類與自然協(xié)調(diào)能積極作用的生態(tài)混凝土。這是時代的要求,也是混凝土材料發(fā)展的必然趨勢。有關(guān)生態(tài)混凝土的研究和開發(fā)在我國還剛剛起步,生態(tài)混凝土智能化、規(guī)?；?、理論化、體系化和集成化應(yīng)我國是今后生態(tài)混凝土研究和開發(fā)的主要方向[3],其中智能化是指集生態(tài)混凝土和智能混凝土的雙重特性;規(guī)?；侵干鷳B(tài)混凝土規(guī)?；a(chǎn)的經(jīng)濟(jì)化,是促進(jìn)生態(tài)混凝土推廣的有效途徑;理論化是指傳統(tǒng)混凝土的理論無法指導(dǎo)生態(tài)混凝土的研究,其理論尚待進(jìn)一步研究;體系化是指生態(tài)型混凝土是集巖石工程力學(xué)、生物學(xué)、土壤學(xué)、肥料學(xué)、硅酸鹽化學(xué)、園藝學(xué)、環(huán)境生態(tài)和水土保持學(xué)等學(xué)科于一體的綜合交叉學(xué)科,體系化是生態(tài)混凝土發(fā)展的必然趨勢;集成化是指生態(tài)混凝土研究應(yīng)以集成化和多元化來達(dá)到復(fù)合多功能的效果。

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原作者：胡瑞珍田秀淑任書霞