生態(tài)混凝土的研究及應用

　　摘要:生態(tài)混凝土是一種既不破壞環(huán)境,又能保護環(huán)境、實現人類與自然環(huán)境的協(xié)調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,主要應用在減輕環(huán)境負荷、植生、凈化水質等方面;智能化、規(guī)?；?、理論化、體系化和集成化是21世紀生態(tài)混凝
土的主要發(fā)展趨勢。

關鍵詞:生態(tài);混凝土;應用

1　引言

進入21世紀,人類社會面臨前所未有的三大嚴重問題,即人口急劇增長、資源和能源過度消耗、環(huán)境日益惡化,嚴重威脅著社會經濟的可持續(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。可持續(xù)發(fā)展的主要方面是:在減少對環(huán)境污染的同時,通過保護和減少浪費來更有效地利用能源和材料。

作為21世紀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[1]:(1)混凝土的生產要消耗大量能源和資源。據統(tǒng)計我國每年要開采50億t以上的礦物質材料來生產水泥和混凝土,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重后果。另外,生產水泥和砂石的開采、破碎及運輸過程也都需要耗費大量能量。(2)生產水泥時,會排放出CO2等有害物質。目前全世界每年CO2的排放量大約為100億t,其中由于生產水泥而產生的CO2氣體約占10%,是產生溫室效應的主要原因。(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)混凝土材料的密實性使各類混凝土結構缺乏透氣性和透水性,調節(jié)空氣溫度和濕度的能力差,產生“熱島現象”,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。

由上可見,混凝土工業(yè)要實現健康可持續(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)調性,降低對環(huán)境的負荷,還要考慮自然循環(huán)、生物保護和景觀保護等生態(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構與表面特性的混凝土,既能減少環(huán)境負荷,與生態(tài)環(huán)境相協(xié)調,又能為環(huán)保作出貢獻。

生態(tài)混凝土實質上就是把混凝土技術與自然環(huán)境相結合,使混凝土生態(tài)材料化。就是從過去對混凝土的強度和耐久性要求,進一步與環(huán)境問題結合起來,降低環(huán)境負荷,與生態(tài)環(huán)境協(xié)調,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)混凝土更高的強度和耐久性,能滿足結構物力學性能、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)調性,減輕對地球和生態(tài)環(huán)境的負荷,實現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和使用過程中可降低對環(huán)境負荷的混凝土;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)混凝土的應用

3.1　減輕環(huán)境負荷型生態(tài)混凝土[1,4～7]
減輕環(huán)境負荷型混凝土,是指在生產、使用直到解體過程中,能夠降低環(huán)境負擔或通過改善其性能來降低環(huán)境負擔的混凝土。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燒成后產品)、脫水后的下水道污泥0.3t、補充石灰石等天然原料0.3t。最近,澳大利亞生態(tài)技術公司宣布開發(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。據報導,日本每年有3000萬t舊混凝土,他們對其開發(fā)利用以生產砂子和水泥。此舉可謂高瞻遠矚,能避免50a后砂石資源枯竭的困境。但全部用再生細骨料和再生粗骨料配制的混凝土的強度要低于基準混凝土。日本向井毅的試驗證明,以30%的粗細再生骨料等量取代天然骨料,配制的混凝土強度與基準混凝土相同。

3.1.3　吸音混凝土
公路交通的建設和發(fā)展在極大的推動人類進步的同時,也給人類的生存環(huán)境帶來了許多負面影響,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,適用于機場、高速道路、高速鐵路兩側、地鐵等產生恒定噪音的場所,能明顯地減低交通噪音,改善出行環(huán)境以及公共交通設施周圍的居住環(huán)境。

吸音混凝土具有連續(xù)、多孔的內部結構,具有較大的內表面積,與普通的密實混凝土組成復合構造。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部。其中有一小部分聲波由于混凝土內部的摩擦作用轉換成熱能,而大部分聲波透過多孔混凝土層,到達多孔混凝土背后的空氣層和密實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,采用它進行房屋建設可大大降低造價。

3.2　植生混凝土[4,8～12]
植生混凝土是指能夠適應綠色植物生長的多孔混凝土。混凝土內部存在許多連續(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)空隙內生息,保持了生物的多樣性,具有顯著的生態(tài)效應;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施負擔,使地下水得到及時補充,避免造成地下水位明顯下降等嚴重問題。此外,植生型多孔混凝土具有較好的力學性能,若加入特殊的合成纖維,其抗壓強度可達到15～18MPa。

植生混凝土可以作為固沙、固土、固堤護岸材料,用于保護和綠化城鎮(zhèn)人行路面、停車場、建筑物墻壁、河道堤防和屋頂等,使綠化與硬化完美地結合起來,增加城市的綠色空間,還能夠吸收粉塵、保護環(huán)境,維持生態(tài)平衡,是一種與自然協(xié)調、生態(tài)效應顯著的混凝土材料。關于植生混凝土的研究,最早發(fā)生于20世紀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、多孔適應植物生長的要求。前不久,上海引進的一種新型植生混凝土,也首次在嘉定西虬江護坡上亮相,河道護堤的混凝土上長滿郁郁蔥蔥的嫩草,既可滿足河道護坡的硬度要求,又能夠為河道景觀添綠。

3.3　凈化水質生態(tài)混凝土[3～15]
凈化水質,不讓污水污染環(huán)境是急待解決的全球性環(huán)保問題。應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生間接凈化功能,將其制成浮體結構或浮島設置在富營養(yǎng)化的湖河內凈化水質,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,從而保護生態(tài)環(huán)境。關于這一課題,國外的研究相當活躍:文獻報道日本長崎大學于1994年起進行實?，F場試驗,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月每月實測一次水質變化,發(fā)現生態(tài)混凝土有富集營養(yǎng)物質的功能。另有文獻報道,使用生態(tài)混凝土在公園內小河上建造凈水渠(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),我國同濟大學材料科學與工程學院從1997年起開始研究生態(tài)混凝土材料,并成功研究開發(fā)了實用性很強的小型生活污水處理裝置,其是一種沉淀、過濾、曝氣三合一的預處理裝置,在沉淀的同時進行過濾和曝氣,污水中的固體物質可去除90%以上。

3.4　海洋生物適應型混凝土[4,6]
隨著沿岸及近海工程建設量日益加大,大量的、單一性質的鋼筋混凝土結構物取代自然海岸.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)海洋生物適應型混凝土是一項重要的工作。海洋生物適應型混凝土,是指能夠營造出適合于生物生息的空間或空隙,能夠為海藻類生物提供合適的附著表面,并能在混凝土表面繁殖,且混凝土周圍的水質對生物的生長沒有不良反應。目前已開發(fā)應用的海洋生物適應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、護岸等混凝土構件,構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。我國科學家也已在遼寧省沿海進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,為人類構筑所需要的結構物建筑物,而是進一步開發(fā)對保護環(huán)境,對人類與自然協(xié)調能積極作用的生態(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)模化、理論化、體系化和集成化應我國是今后生態(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)模化生產的經濟化,是促進生態(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生態(tài)混凝土的研究,其理論尚待進一步研究;體系化是指生態(tài)型混凝土是集巖石工程力學、生物學、土壤學、肥料學、硅酸鹽化學、園藝學、環(huán)境生態(tài)和水土保持學等學科于一體的綜合交叉學科,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)混凝土研究應以集成化和多元化來達到復合多功能的效果。

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原作者：胡瑞珍田秀淑任書霞