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[摘要] 论述了绿色混凝土的概念，对几种节能环保新型混凝土做了研究与分析。混凝土绿色化是社会发展的必然趋势，对环境保护和减少碳排放起到不可估量的作用。
[关键词]绿色混凝土；节能；环境保护
Research and discussion on several new green concrete
Liu Ben Gang
(Tianyuan Construction Group Concrete Company, Linyi 276000)
Abstract: This article discusses the concept of green concrete, to do the research and analysis of several new energy saving and environmental protection concrete. green concrete is an inevitable trend of social development, to environmental protection and reduce carbon emissions play an immeasurable role.
Key words : Green concrete; energy saving; environmental protection
中图分类号：TU37文献标识码： A
1 前言
混凝土作为在工程中最主要的建筑材料之一，在今天的含义与十几年前的含义已经大不一样。十几年前我国的混凝土是水泥、砂石和水的简单拌合物，今天的混凝土已经是有机和无机、金属和非金属材料的组合产物。随着社会的发展，混凝土的方量飞速上涨，2012年我国商品混凝土年用量已达9亿立方米，但是在混凝土的制备和使用过程中，对资源过度开发、能源大量消耗以及造成的环境污染和生态破坏日益严重，其与地球资源、地球环境容量的有限性以及地球生态系统的安全性之间的矛盾也越发尖锐，因此迫切需要研制和使用具有可持续发展的绿色混凝土材料，以缓解和消除普通混凝土对环境所构成的严重障碍和威胁。笔者结合大量试验与工程应用的经验重点研究了无砂透水混凝土和种植混凝土，并对再生混凝土和机敏型混凝土做了简单的介绍。2 绿色混凝土的定义
绿色混凝土，指既能减少对地球环境的负荷，又能与自然生态系统协调共生，为人类构造舒适环境的混凝土材料。一般来说，绿色混凝土应实现非再生性资源的可循环使用和有害物质的最低排放，既能减少环境污染，又能与自然生态系统协调共生。
3 绿色混凝土的应用
3.1无砂透水混凝土
无砂透水混凝土是由骨料、水泥和水拌制而成的一种多孔轻质混凝土， 它不含细骨料， 由粗骨料表面包覆一薄层水泥浆相互粘结而形成孔穴均匀分布的蜂窝状结构，故具有透气、透水和重量轻的特点， 作为环境负荷减少型混凝土， 无砂透水混凝土的研究开发越来越受到重视。
传统透水混凝土采用无砂大孔方案，基本思路为空隙率越大，透水性越好，根据我们在试验室验证，透水混凝土实际透水系数与有效空隙率呈线性关系，而与总空隙率不是比例关系。总空隙率的增加导致浆体与骨料之间粘结面积小，界面结构缺陷多，混凝土强度大幅度降低，但透水系数增加并不明显。透水混凝土空隙类别如图1所示。
图1 空隙类别
根据无砂透水混凝土所要求的孔隙率和结构特征， 可以认为每立方混凝土的体积由骨料的堆积而成。因此， 配合比设计的原则是将骨料颗粒表面用一层薄水泥浆包裹， 并将骨料颗粒互相粘結起来， 形成一个整体， 具有一定的强度，而不需要将骨料之间的孔隙填充密实。无砂透水混凝土的容重应为骨料的紧密堆积密度和单方水泥用量及水用量之和，大约在1500kg～2000kg/m3 。原材料方面，粗骨料应选择单粒级或两种粒级碎石或卵石。水泥用量可根据粗骨料的情况通过试验确定，做到使粗骨料的表面覆盖一定厚度的水泥浆膜层而无多余浆体即可。水灰比的选择既影响混凝土强度又关系到透水系数的大小，一般来说应介于0.30～0.40之间。试配时应观察水泥浆在骨料颗粒表面包裹均匀并且没有水泥浆下滴现象即为合适水灰比。
以C20无砂透水混凝土为例，选取16.0mm～19.0mm碎石和4.75mm～9.50mm与16.0～19.0mm两种级配碎石复合进行对比，采用P.O42.5普通硅酸盐水泥，外加剂选用环保高效的聚羧酸减水剂，设计如表1所示试验配合比。其中HP-01石子粒级为16.0mm～19.0mm碎石，HP-02所用石子粒级为两种粒级复配，其中426Kg为4.75mm～9.50mm级碎石，994Kg为16.0mm～19.0mm碎石。
表6试验配合比
序号水泥（Kg） 石子（Kg）水（Kg）聚羧酸（Kg）空隙率 透水系数28d强度
HP-01362 1420 1166.228% 3.8mm/s 19.4MPa
HP-02381426+994 1226.521% 3.6mm/s 26.9 MPa
通过试验可以看出，采用单粒级石子与两种粒级石子相比，混凝土空隙率大，透水系数相差不大，但28d强度明显降低。试块如图一、图二所示。
图一HP-01试块
图二HP-02试块
在施工方面，无砂透水混凝土与普通混凝土有很大区别。首先运输方式不同，普通混凝土一般采用专用搅拌车运输，而无砂透水混凝土因其塌落度小、流动性差，搅拌车无法进行装料，所以应采用工程翻斗车运输。运输途中应考虑气温、运输距离等环境因素的影响。其次，无砂透水混凝土在施工过程中无需振捣，只要压实即可，这样既减少了人力又降低了噪音污染，符合混凝土绿色环保的发展要求。
3.2 种植混凝土
种植混凝土即能生长花草的混凝土，是一种新型环保生态混凝土。种植混凝土主要用于城市的道路两侧及中央隔离带，水边护坡、楼顶、停车场等部位，可以增加城市的绿色空间，调节人们的生活情趣，同时又能吸收噪音和粉尘，对城市气候的生态平衡也起到了积极的作用。
种植混凝土可以参考无砂透水混凝土设计思路，首先确保连通孔隙率达到25 %以上，这样就可以满足植物良好生长的要求。其次，要满足植物生长的酸碱度要求。普通混凝土内部PH值高达13左右，不利于植物生长。混凝土的碱性主要是由Ca (OH) 2 引起的，因此可以采用一定浓度的FeSO4溶液对其进行中和处理。
原材料选择方面，胶凝材料可通过试验用粉煤灰、矿粉替代部分水泥，降低混凝土内部碱性。骨料可用19-26.5mm碎石。为了减少用水量提高强度，减少混凝土坍落度损失，添加一定量的聚羧酸高效减水剂。在混凝土施工过程中，通过在种植混凝土内部的孔隙加入各种有机、无机的养料来为植物提供营养，并且在浇水养护时加入FeSO4溶液，使混凝土内部的环境适合植物生长，另外还要在混凝土表面铺一层混有种子的客土，来提供种子早期的营养。种植混凝土因技术条件限制，应用过程中还有很多问题需要解决，但随着社会的发展进步，肯定会逐步推广和完善。
3.3 再生混凝土和机敏型混凝土
再生混凝土是指以废弃混凝土、废砖块、工业固体废弃物等建筑垃圾作骨料，加水泥砂浆拌制的混凝土。传统建筑工业的生产方式是一种高投入、高污染、低效益的粗放型生产方式。采用这种生产方式的生产过程，从资源的开采、原材料的加工、建筑物的施工，到建筑物的使用和维护，再到建筑物的拆除，整个过程除很少部分建筑废弃物被回收利用外，其余绝大部分建筑废弃物均被直接排向自然界，很少考虑对资源和环境产生不利影响。利用再生骨料配制再生混凝土是发展绿色混凝土的主要措施之一，不但可节省建筑原材料的消耗，而且能保护生态环境，有利于混凝土工业的可持续发展。但是，再生骨料与天然骨料相比，孔隙率大、吸水性强、强度低，因此再生骨料混凝土与天然骨料配置的混凝土的特性相差较大，这是应用再生混凝土时需要注意的问题。 因此，再生混凝土可用于工程中的垫层、管道铺装等对混凝土性能要求较低的部位。
经过研究发现，如果在混凝土中复合一些特殊材料,使之具有某些特殊功能,便能形成一种具有感知和修复性能的智能混凝土。机敏型混凝土便是在混凝土原有的组成基础上掺加复合智能型组分,使其具有一定的自感知,自适应和损伤自修复等智能特性的多功能材料。它能显著的提高混凝土结构的安全性和耐久性，延长混凝土使用寿命，符合可持续发展的原则。
机敏型混凝土大体有三个最显著的特性，既自感应、自调节和自修复。首先自感应是在混凝土基材中掺入部分导电组分。目前常用的导电组分可分为3类：聚合物类、碳类和金属类，而最常用的是碳类和金属类。碳类导电组分包括石墨、碳纤维及碳黑；金属类材料则有金属微粉末、金属纤维、金属片及金属网等。 其次，自调节是在混凝土中复合具有驱动功能的组件材料，如：形状记忆合金（SMA）和电流变体（ER）等。形状记忆合金具有形状记忆效应（SME），若在室温下给以超过弹性范围的拉伸塑性变形，当加热至少许超过相变温度，即可使原先出现的残余变形消失，并恢复到原来的尺寸。在混凝土中埋入形狀记忆合金，利用形状记忆合金对温度的敏感性和不同温度下恢复相应形状的功能，在混凝土结构受到异常荷载于扰时，通过记忆合金形状的变化，使混凝土结构内部应力重分布并产生一定的预应力，从而提高混凝土结构的承载力。机敏混凝土的力电效应、电力效应是基于电化学理论的可逆效应，因此将电力效应应用于混凝土结构的传感和驱动时，可以在一定范围内对它们实施变形调节。最后，自修复就是模仿生物组织，对受创伤部位自动分泌某种物质，而使创伤部位得到愈合的机能，在混凝土传统组分中复合特性组分（如含有粘结剂的液芯纤维或胶囊）在混凝土内部形成智能型仿生自愈合神经网络系统，模仿动物的这种骨组织结构和受创伤后的再生、恢复机理。采用粘结材料和基材相复合的方法，使材料损伤破坏后，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，对工程中经常出现而又难以解决的混凝土裂缝问题开辟了新的研究方向。
4结束语
我国建材行业在混凝土这一领域滞后国外先进国家几十年， 混凝土的产量愈大对资源的需求与浪费也愈大，因此对绿色混凝土的研究与推广已极为迫切。绿色混凝土作为建筑材料的高新领域，对传统建材的发展注入了新的内容和活力，提供了全新的机遇，其发展与应用将具有广阔的前景并产生巨大的社会经济效益。
参考文献
[1]中国建筑材料科学研究院.绿色建材与建材绿色化[J].化学工业出版社，2003.
[2]周宏敏，柴俊，郭迪.绿色生态混凝土技术及其研究现状[J].混凝土，2008.
[3]李庆刚.生态混凝土的研究现状与发展趋势[J].山西建筑，2007.
[作者简介]刘本刚（1975-），男，高级工程师，天元混凝土公司副经理，主要从事混凝土技术工作。
[关键词]绿色混凝土；节能；环境保护
Research and discussion on several new green concrete
Liu Ben Gang
(Tianyuan Construction Group Concrete Company, Linyi 276000)
Abstract: This article discusses the concept of green concrete, to do the research and analysis of several new energy saving and environmental protection concrete. green concrete is an inevitable trend of social development, to environmental protection and reduce carbon emissions play an immeasurable role.
Key words : Green concrete; energy saving; environmental protection
中图分类号：TU37文献标识码： A
1 前言
混凝土作为在工程中最主要的建筑材料之一，在今天的含义与十几年前的含义已经大不一样。十几年前我国的混凝土是水泥、砂石和水的简单拌合物，今天的混凝土已经是有机和无机、金属和非金属材料的组合产物。随着社会的发展，混凝土的方量飞速上涨，2012年我国商品混凝土年用量已达9亿立方米，但是在混凝土的制备和使用过程中，对资源过度开发、能源大量消耗以及造成的环境污染和生态破坏日益严重，其与地球资源、地球环境容量的有限性以及地球生态系统的安全性之间的矛盾也越发尖锐，因此迫切需要研制和使用具有可持续发展的绿色混凝土材料，以缓解和消除普通混凝土对环境所构成的严重障碍和威胁。笔者结合大量试验与工程应用的经验重点研究了无砂透水混凝土和种植混凝土，并对再生混凝土和机敏型混凝土做了简单的介绍。2 绿色混凝土的定义
绿色混凝土，指既能减少对地球环境的负荷，又能与自然生态系统协调共生，为人类构造舒适环境的混凝土材料。一般来说，绿色混凝土应实现非再生性资源的可循环使用和有害物质的最低排放，既能减少环境污染，又能与自然生态系统协调共生。
3 绿色混凝土的应用
3.1无砂透水混凝土
无砂透水混凝土是由骨料、水泥和水拌制而成的一种多孔轻质混凝土， 它不含细骨料， 由粗骨料表面包覆一薄层水泥浆相互粘结而形成孔穴均匀分布的蜂窝状结构，故具有透气、透水和重量轻的特点， 作为环境负荷减少型混凝土， 无砂透水混凝土的研究开发越来越受到重视。
传统透水混凝土采用无砂大孔方案，基本思路为空隙率越大，透水性越好，根据我们在试验室验证，透水混凝土实际透水系数与有效空隙率呈线性关系，而与总空隙率不是比例关系。总空隙率的增加导致浆体与骨料之间粘结面积小，界面结构缺陷多，混凝土强度大幅度降低，但透水系数增加并不明显。透水混凝土空隙类别如图1所示。
图1 空隙类别
根据无砂透水混凝土所要求的孔隙率和结构特征， 可以认为每立方混凝土的体积由骨料的堆积而成。因此， 配合比设计的原则是将骨料颗粒表面用一层薄水泥浆包裹， 并将骨料颗粒互相粘結起来， 形成一个整体， 具有一定的强度，而不需要将骨料之间的孔隙填充密实。无砂透水混凝土的容重应为骨料的紧密堆积密度和单方水泥用量及水用量之和，大约在1500kg～2000kg/m3 。原材料方面，粗骨料应选择单粒级或两种粒级碎石或卵石。水泥用量可根据粗骨料的情况通过试验确定，做到使粗骨料的表面覆盖一定厚度的水泥浆膜层而无多余浆体即可。水灰比的选择既影响混凝土强度又关系到透水系数的大小，一般来说应介于0.30～0.40之间。试配时应观察水泥浆在骨料颗粒表面包裹均匀并且没有水泥浆下滴现象即为合适水灰比。
以C20无砂透水混凝土为例，选取16.0mm～19.0mm碎石和4.75mm～9.50mm与16.0～19.0mm两种级配碎石复合进行对比，采用P.O42.5普通硅酸盐水泥，外加剂选用环保高效的聚羧酸减水剂，设计如表1所示试验配合比。其中HP-01石子粒级为16.0mm～19.0mm碎石，HP-02所用石子粒级为两种粒级复配，其中426Kg为4.75mm～9.50mm级碎石，994Kg为16.0mm～19.0mm碎石。
表6试验配合比
序号水泥（Kg） 石子（Kg）水（Kg）聚羧酸（Kg）空隙率 透水系数28d强度
HP-01362 1420 1166.228% 3.8mm/s 19.4MPa
HP-02381426+994 1226.521% 3.6mm/s 26.9 MPa
通过试验可以看出，采用单粒级石子与两种粒级石子相比，混凝土空隙率大，透水系数相差不大，但28d强度明显降低。试块如图一、图二所示。
图一HP-01试块
图二HP-02试块
在施工方面，无砂透水混凝土与普通混凝土有很大区别。首先运输方式不同，普通混凝土一般采用专用搅拌车运输，而无砂透水混凝土因其塌落度小、流动性差，搅拌车无法进行装料，所以应采用工程翻斗车运输。运输途中应考虑气温、运输距离等环境因素的影响。其次，无砂透水混凝土在施工过程中无需振捣，只要压实即可，这样既减少了人力又降低了噪音污染，符合混凝土绿色环保的发展要求。
3.2 种植混凝土
种植混凝土即能生长花草的混凝土，是一种新型环保生态混凝土。种植混凝土主要用于城市的道路两侧及中央隔离带，水边护坡、楼顶、停车场等部位，可以增加城市的绿色空间，调节人们的生活情趣，同时又能吸收噪音和粉尘，对城市气候的生态平衡也起到了积极的作用。
种植混凝土可以参考无砂透水混凝土设计思路，首先确保连通孔隙率达到25 %以上，这样就可以满足植物良好生长的要求。其次，要满足植物生长的酸碱度要求。普通混凝土内部PH值高达13左右，不利于植物生长。混凝土的碱性主要是由Ca (OH) 2 引起的，因此可以采用一定浓度的FeSO4溶液对其进行中和处理。
原材料选择方面，胶凝材料可通过试验用粉煤灰、矿粉替代部分水泥，降低混凝土内部碱性。骨料可用19-26.5mm碎石。为了减少用水量提高强度，减少混凝土坍落度损失，添加一定量的聚羧酸高效减水剂。在混凝土施工过程中，通过在种植混凝土内部的孔隙加入各种有机、无机的养料来为植物提供营养，并且在浇水养护时加入FeSO4溶液，使混凝土内部的环境适合植物生长，另外还要在混凝土表面铺一层混有种子的客土，来提供种子早期的营养。种植混凝土因技术条件限制，应用过程中还有很多问题需要解决，但随着社会的发展进步，肯定会逐步推广和完善。
3.3 再生混凝土和机敏型混凝土
再生混凝土是指以废弃混凝土、废砖块、工业固体废弃物等建筑垃圾作骨料，加水泥砂浆拌制的混凝土。传统建筑工业的生产方式是一种高投入、高污染、低效益的粗放型生产方式。采用这种生产方式的生产过程，从资源的开采、原材料的加工、建筑物的施工，到建筑物的使用和维护，再到建筑物的拆除，整个过程除很少部分建筑废弃物被回收利用外，其余绝大部分建筑废弃物均被直接排向自然界，很少考虑对资源和环境产生不利影响。利用再生骨料配制再生混凝土是发展绿色混凝土的主要措施之一，不但可节省建筑原材料的消耗，而且能保护生态环境，有利于混凝土工业的可持续发展。但是，再生骨料与天然骨料相比，孔隙率大、吸水性强、强度低，因此再生骨料混凝土与天然骨料配置的混凝土的特性相差较大，这是应用再生混凝土时需要注意的问题。 因此，再生混凝土可用于工程中的垫层、管道铺装等对混凝土性能要求较低的部位。
经过研究发现，如果在混凝土中复合一些特殊材料,使之具有某些特殊功能,便能形成一种具有感知和修复性能的智能混凝土。机敏型混凝土便是在混凝土原有的组成基础上掺加复合智能型组分,使其具有一定的自感知,自适应和损伤自修复等智能特性的多功能材料。它能显著的提高混凝土结构的安全性和耐久性，延长混凝土使用寿命，符合可持续发展的原则。
机敏型混凝土大体有三个最显著的特性，既自感应、自调节和自修复。首先自感应是在混凝土基材中掺入部分导电组分。目前常用的导电组分可分为3类：聚合物类、碳类和金属类，而最常用的是碳类和金属类。碳类导电组分包括石墨、碳纤维及碳黑；金属类材料则有金属微粉末、金属纤维、金属片及金属网等。 其次，自调节是在混凝土中复合具有驱动功能的组件材料，如：形状记忆合金（SMA）和电流变体（ER）等。形状记忆合金具有形状记忆效应（SME），若在室温下给以超过弹性范围的拉伸塑性变形，当加热至少许超过相变温度，即可使原先出现的残余变形消失，并恢复到原来的尺寸。在混凝土中埋入形狀记忆合金，利用形状记忆合金对温度的敏感性和不同温度下恢复相应形状的功能，在混凝土结构受到异常荷载于扰时，通过记忆合金形状的变化，使混凝土结构内部应力重分布并产生一定的预应力，从而提高混凝土结构的承载力。机敏混凝土的力电效应、电力效应是基于电化学理论的可逆效应，因此将电力效应应用于混凝土结构的传感和驱动时，可以在一定范围内对它们实施变形调节。最后，自修复就是模仿生物组织，对受创伤部位自动分泌某种物质，而使创伤部位得到愈合的机能，在混凝土传统组分中复合特性组分（如含有粘结剂的液芯纤维或胶囊）在混凝土内部形成智能型仿生自愈合神经网络系统，模仿动物的这种骨组织结构和受创伤后的再生、恢复机理。采用粘结材料和基材相复合的方法，使材料损伤破坏后，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，对工程中经常出现而又难以解决的混凝土裂缝问题开辟了新的研究方向。
4结束语
我国建材行业在混凝土这一领域滞后国外先进国家几十年， 混凝土的产量愈大对资源的需求与浪费也愈大，因此对绿色混凝土的研究与推广已极为迫切。绿色混凝土作为建筑材料的高新领域，对传统建材的发展注入了新的内容和活力，提供了全新的机遇，其发展与应用将具有广阔的前景并产生巨大的社会经济效益。
参考文献
[1]中国建筑材料科学研究院.绿色建材与建材绿色化[J].化学工业出版社，2003.
[2]周宏敏，柴俊，郭迪.绿色生态混凝土技术及其研究现状[J].混凝土，2008.
[3]李庆刚.生态混凝土的研究现状与发展趋势[J].山西建筑，2007.
[作者简介]刘本刚（1975-），男，高级工程师，天元混凝土公司副经理，主要从事混凝土技术工作。