绿色高性能混凝土材料及其应用研究

广州科技职业技术大学讲师 王利莉

　　摘要

　　随着城市化进程的不断加快，可持续发展的理念得到重视，各个行业逐步关注绿色发展方式。在高性能混凝土的基础上，绿色高性能混凝土材料被提出并成为了研究热点。相比传统混凝土，绿色高性能混凝土的矿物细掺料以工业废渣为主，节约了水泥和混凝土用量，对环境友好，同时兼具高强度、高耐久性以及高抗裂性，应用前景广阔。为更好地推动绿色高性能混凝土的发展，在介绍其基本概念和材料组成的基础上，总结了绿色高性能混凝土的特点，并阐述了植被混凝土、透水性混凝土以及水生物保护型混凝土等三种绿色高性能混凝土形式的应用情况。最后，针对绿色高性能混凝土存在的应用弊端与不足，提出了几点发展建议与研究思路。

　　关键词：绿色高性能混凝土;绿色材料;应用特点;发展综述

　　混凝土是工程建设中最为常见的人造材料，其在被广泛应用的同时，也加剧了环境污染，如主要原料水泥带来的污染与耗能问题、河砂开采带来的水土破坏及资源稀缺问题等，所以混凝土的生产及使用，对地球环境、资源消耗、人类生活空间状况等均有着显著的影响。

　　在当下城市中，多数建筑物及路面均以混凝土为材料，这将不可避免地进一步加剧热岛现象 [3]。同时，质地脆、硬的混凝土对地表植物的种植有不良影响，不利于构建海绵城市，且其表面观感粗糙，整体触觉不佳，颜色较为灰暗，环境营造效果差。基于上述背景，绿色高性能混凝土(Green HighPerformance Concrete，GHPC)应运而生。目前，关于高性能混凝土的研究并不鲜见，但针对绿色高性能混凝土的报道则相对较少。张平等所著的《绿色低碳型高性能混凝土的制备及其性能研究》中，通过对低品质的粉煤灰和矿粉进行活化作用，制备出了低碳型复合矿物掺合料，并研究了其对高性能混凝土性能的影响;陈剑毅等所著的《绿色高性能混凝土正交试验研究》中，以粉煤灰、矿渣、沸石和硅藻土为混凝土掺合料，在自然养护和复合盐冻融环境下分别进行了混凝土抗压强度的试验，并基于配合比的正交试验，分析了相关的影响因素，得出了绿色高性能混凝土的最优的配比组合;杨德胜所著的《新时代绿色高性能混凝土发展的必要性研究》中，则从新时代我国社会经济发展的特点出发，认为大力发展绿色高性能混凝土是建设行业转型升级的契机。上述文献大多侧重于性能试验或政策方面，为此，本文在前人研究的基础上，对绿色高性能混凝土的基本概念与组成、特点以及三种常见的应用类型等进行了总结论述，以期为同行提供参考。

　　绿色高性能混凝土概念与组成

　　1. 绿色高性能混凝土概念

　　绿色高性能混凝土这一概念是我国建筑材料专家吴中伟院士于 1997 年提出的，其在高性能混凝土(HPC)的基础上，强调要素“绿色“而形成，目的是加强人们对绿色环保的重视，减少环境破坏，实现混凝土和建筑工程的长期可持续发展，是今后混凝土的主要发展方向。作为新时期环保建筑类材料，绿色高性能混凝土的“绿色”主要体现为节约资源与能源、对环境友好及可持续发展，而“高性能”则主要体现在高强度与高耐久性、抗损害性能、稳定性以及高抗裂性等方面。绿色高性能混凝土代表了混凝土的发展方向，是一种有益于人体健康的新型混凝土。从实际应用角度看，人们所称的绿色高性能混凝土一般是指在生产配制时大量利用了废渣矿粉的高性能混凝土。

　　2.绿色高性能混凝土的材料组成

　　绿色高性能混凝土实际构成材料与普通混凝土并无大的差异，即为基本的水泥、水、粗集料、细集料，以及必要的矿物掺合料与外加剂等，但在每种材料的选用上突出了“绿色”的原则，主要是掺加更多的工业废渣，节约更多的水泥熟料，以及依靠高性能减少总体水泥与混凝土的用量。在实际应用中，为提升混凝土结构密实程度，增强混凝土结构耐久性，应结合工程不同特点，因地制宜，合理确定绿色高性能混凝土的施工配合比，如：

　　(1)在混凝土制作时加入硅灰、钢渣等磨细工业废料，既可提高经济性，又能保护环境;在有偏高岭土、火山灰、硅藻土等条件的项目中，将其加入到混凝土制作过程中，可获得较好的经济效益;在混凝土生产中针对煤矸石的应用进行试验，并在一定程度上推广尝试，对于环境保护意义重大。

　　(2)在混凝土生产中，绿色高性能混凝土的材料选用须以保证混凝土的可泵性、力学性能以及耐久性为前提，注重高效外加剂与矿物掺合料的应用，合理控制水胶比，使混凝土具有良好的工作性，提高环境适应性与经济学。

　　(3)实际工程应用证明，掺合料以及外加剂的掺量与性能以及水胶比等指标，对绿色高性能混凝土的主要性能具有主导影响，因此在材料选用时应加强相应的检测与试验，确定设备的精度与可靠性，在保证材料性能的条件下，更多地选用工业废料与废渣，减少水泥熟料的使用量。

　　绿色高性能混凝土特点

　　绿色高性能混凝土凭借自身优势，在建筑工程中得到了一定范围的应用，其区别于常规混凝土的特点，主要体现在以下几方面：

　　1.高强度。作为绿色高性能混凝土最为典型的特征，多数学者认为绿色高强度混凝土需具有高强的基本特征，其实际强度不应低于 50~60 MPa，实际项目中应用的混凝土强度超过 C100。

　　2.高耐久性。绿色高性能混凝土自身应拥有良好的抗渗透性、抗腐蚀性，混凝土结构需具备较强的致密性，使其呈现为低温度应变、低徐变特征，且实际硬化过程中整体体积不会发生较大的变化，水化热较低，温度升高波动较小，外观结构密实度优良，即便处于恶劣环境下其实际使用寿命也较长，不易产生宏观、微观裂缝，始终保证抗渗性满足相关要求。

　　3.高工作性。其实际运输过程中，具有较高的流动度，无需进行振捣，绿色高性能混凝土拌合物除高流动性之外，还需具有良好的填充和离析能力。

　　4.经济合理性。因高性能混凝土中含有大量的工业废弃渣料，在节省大量能源的基础上，实现环境保护目标。其单价成本高于普通混凝土，但因减少人工、机械费用等，其整体的建设成本还是低于普通混凝土，利用绿色高性能混凝土建设工程，可大幅度减轻建筑结构自身重量，减少材料实际用量及运输量，实现经济效益最大化。

　　绿色高性能混凝土应用

　　1.植被混凝土

　　植被混凝土主要是指满足绿色植物生长，且具有相应防护能力的混凝土，其主要是由植物、泥土等材料构成。我国北方区域内存在大量的沙漠侵蚀、水土流失较为严重的区域，需结合实际状况，选取大量的固沙、固土材料。城市混凝土化和高热环境需从本质得以有效治理，开发植被混凝土是最直接、最高效的方法，植被混凝土可显著增加整个城市绿色空间，大幅度吸收噪声及其尘土，对城市整体气候生态均衡具有较佳的作用。当下植被型混凝土不仅拥有混凝土自身材料基本功能，而且具备保护环境、改善生态环境优势。植被混凝土自身实际容重为 14~15 kN/m3，孔隙率为 30%~45%，自身性能较为优良、抗光照性能较佳，自身抗冲刷能力可进一步抵御 120mm/h 降雨。普通挂网客土喷播难以长期处于高陡岩石边坡上，作为一类新型防护技术，植被混凝土由多种混合料构成，机械化水平较高，选取干式喷锚机进行喷播，实际喷射距离较远，且具有较强的抗冲刷能力，用于陡峭的岩石边坡中优势十分凸显。

　　2. 透水性混凝土

　　相较于传统混凝土，透水性混凝土最为典型的特征为拥有 15%~30% 的连通孔隙，自身透水性十分优良，此种材料用于道路、广场等铺设过程中，可显著扩展城市透水面积，为行车、人员提供良好的舒适性及安全性，进一步调整城市空气温湿度，保证土壤自身水位及生态均衡性。伴随当下人类对生态环境保护的愈发重视，透水性混凝土使用较为广泛，其在城市公园、居民小区、工业园区等区域内的路面应用中成效优良。具体来说，透水性混凝土具备以下优点：一是可进一步增加城市可透水、透气面积，强化地表与空气自身热量、水分相互间的交换，对整个城市气候调节优化具有促进作用，可从本质层面缓解“热岛现象”;二是可最大限度使用雨雪降水，增大地表实际温湿度，改善城区内水资源匮乏现状;三是大幅度缓解雨季道路排水系统整体负担，减少不良天气对城市水资源产生的污染;四是可及时吸收车辆产生的较大噪声，为人们创设良好的生活环境，避免雨天路面积水和夜间反光。

　　3. 水生物保护型混凝土

　　水生物保护型混凝土具体是指，结合生物生长特征及其规律，创设良好的生物空间及其孔隙，为水生物营造良好的生长环境，主要依托共生或相互间作用形成完整的食物链，促使混凝土周围水质对生物生长不会产生较大的影响，为海洋生物和淡水生物的良好生长提供条件，实现保护生态环境目标。此类混凝土主要适用于江、河、湖等区域内。水生物保护型混凝土实际配制过程中，需充分以植被绿化型混凝土为基础。应用于海洋环境中时，混凝土受外界因素侵蚀较多，所以在保证低碱度多孔的基础上，应采取措施最大限度提高混凝土在海洋中的抗腐蚀性。此外，其还可用于淡水水域中河床、护岸等构件，将其构件表面形成凹凸不平的形状，保证其适应于自然状态的河床、河岸形态，可为各类植物提供生长场所，净化水质，保护生物多样及生态环境均衡性。

　　总结与展望

　　从初期环节的原材料至具体的工程应用，绿色高性能混凝土的研究包含多个环节，实现混凝土生产“绿色化”，需积极开展以下工作：

　　1.加强高性能混凝土的科研开发、标准制定，以及人们的环保节能意识，进一步加大宣传绿色概念，促使混凝土生产各环节予以重视。绿色混凝土已成为人们关注的焦点，逐步推广使用该材料，符合未来可持续发展的理念。

　　2.工程设计人员需不断更新混凝土设计方法，施工人员需遵循相应的原则，保证施工质量达标。实践数据显示，粉煤灰替代率为 35%~50% 的低强度等级混凝土，可大面积用于道路路基中，在大体积混凝土工程中应用加入了大量粉煤灰的混凝土，成效较佳。

　　3.对纸浆废液进行进一步加工处理，开发以纸浆为核心原材料的各类外加剂，并扩大其应用范围。长期以来，黑色纸浆废液是影响我国多个河道污染的主要因素，有效处理废浆具有重大意义，充分应用纸浆废液制作最终的减水剂，不仅可节省大量费用支出，还可避免造纸厂废弃液体对环境、工农业生产的不利影响。

　　4.研究和制定绿色高性能混凝土质量控制方法、验收标准等。沿用原有混凝土的质量控制方法，难以满足现下实际需求，一定程度影响绿色高性能混凝土生产者的积极性，不利于大面积推广及应用。绿色混凝土材料作为我国建筑产业健康发展基础，需积极加大其研究开发力度，对其存在问题及时解决，尤其在技术及资金方面予以支持。此外，绿色高性能混凝土要求具有良好的耐久性，但对其质量进行综合评定时，尚仅依靠现行的标准考量，未重视耐久性指标，因此，规范的质量控制方法与标准亟待制定。