绿色建材和绿色高性能混凝土的开发


[摘 要] 本文分析了建筑材料工业对我国国民经济的重要性，讨论了建筑材料和混凝土对人类生态环境造成的巨大破坏。提出研究和发展绿色建材和绿色混凝土是实现建材工业可持续化发展的正确途径。

[关键词] 绿色建材；高性能混凝土；绿色高性能混凝土；可持续发展

1 绿色建材在国内外的发展[3][4][7][8]

1．1 绿色建材在国外的发展
　　绿色建材在一些发达国家早已得到研制开发。近20年来，国际上主要工业发达国家和地区对绿色建材发展非常重视，如美国、加拿大、日本、西欧、北欧、北美国家，已就建筑材料对室内空气的影响进行了全面、系统的基础研究工作，并制订了严格的法规。1992年联合国召开了环境与发展大会，1994年联合国又增设了"可持续产品开发"工作组。国际标准化机构ISO也讨论制订了环境协调和制品的标准，大大推动着国外绿色建材的发展。

　　美国是较早提出环境标志的国家，如美国环保局(EPA)设置了室内空气部，正在开展应用于室内的空气质量控制的研究计划。加州大学设置了室内空气系，研究和制订了评价建筑材料释放挥发性有机化合物(VOC)的理论基础；确定了测试建筑材料释放挥发性有机化合物的体系和方法；提出了预测建筑材料影响室内空气质量的数学模型。在一些州，规定了一些环境保护标准。如洛杉矶市早在1966年就提出了限制有机溶剂排放量的"历法规"，并于1967年开始实施。另外华盛顿州、加利福尼亚州、明尼苏达和斯康星州都对有关污染物质规定了环保标准。美国比bile公司还建造了一栋绿色办公大楼，其建筑面积为6．2万m2。加拿大是积极推动和发展绿色建材的北美国家。加拿大的环境标志计划开始于1988年，至今已经有14个类别的800多种产品被授予环境标志。

　　 丹麦、挪威为了促进绿色建材的发展，推出了"健康建材"(NMB)标准。国家法律规定，对于出售的涂料等建材产品，在使用说明书上除了标出产品质量标准外，还必须标出健康指标。瑞典也积极推动和发展绿色建材。瑞典已正式实施新的建筑法规，规定用于室内的建筑材料必须实行安全标签制。制订了有机化合物室内空气浓度指标限值。德国是世界上最早推行环境标志的国家。1978年发布了第一个环境标志--"蓝天使"后，至今实施"蓝天使"的产品已达7500多种，占全国商品的30％。英国也是研究开发绿色建材．较早的欧洲国家之一。另外，芬兰、冰岛等国家于1989年实施了统一的北欧环境标志。

　　 日本对绿色建材的发展非常重视。日本于1988年开展环境标志工作，至今已经有2500多种环保产品。

1．2 我国的绿色建材发展情况
　　近年来，绿色建材在国内得到了大力开发，从国内一些室内装饰产品所展示的一批新型装饰产品看，"绿色"概念在一些厂家已经有了深化和发展，一些国际产品90％以上都具有绿色标准，国内产品也悄然投入"绿色"行列，并有了一些长足的进步。但从总体上看，发展还不平衡，在推广应用上还没有得到广大消费者足够的重视，因此，出现了发达地区与发展地区在开发、应用上的差距。

　　 我国的环境标志是于1993年10月公布的。1994年在6类18种产品中首先实行环境标志。1994年5月17日中国环境标志产品认证委员会在北京宣告成立。水性涂料是建材第一批首先实行环境标志的产品。近几年，绿色建材开始受到建筑装饰业的重视。我国先后从美国、加拿大、澳大利亚等国家引进了"绿色建材"中的乳胶漆，这是对过去使用的油漆等传统的墙体装饰的变革。在引进和借鉴的基础上，先后开发出环保型、健康型的壁纸、涂料、地毯、复合地板、管道、纤维增强石膏板等装饰建材。如"防霉壁纸"是对传统壁纸的革命性改变，经过化学处理，排除了壁纸在空气潮湿或室内外温差较大时出现发霉、起泡、滋生霉菌等现象。目前，上海已经成立了绿色建材展示促销中心3同济大学材料科学与工程学院已经将绿色建材列入重点建设发展的学科领域之一，正在系统、深入地开展绿色建材的研究。

2 绿色高性能混凝土的开发及应用

2．1 高性能混凝土
　　高性能混凝土(High Performance Concrete)的研究是当今土木工程界最热门的课题之一。1990年5月美国国家标准与技术研究院(NIST)与美国混凝土协会(ACl)召开会议，首先提出高性能混凝土(HPC)这个名词，认为HPC是同时具有某些性能的匀质混凝土，必须采用严格的施工工艺与优质原材料，配制成便于浇捣、不离析、力学性能稳定、早期强度高，并具有韧性和体积稳定性的混凝土; 特别适合于高层建筑、桥梁以及暴露在严格环境下的建筑物。

　　自"高性能混凝土(HPC)"一词提出以来，已近10年历史，但至今对它没有统一的解释或定义。以美国的P．K．Mehta和加拿大的P．C．Aitcin为代表的学者们认为高性能混凝土应该是高耐久性[14]，而不仅仅是高

绿色建材和绿色高性能混凝土的开发 （续）


2．2 绿色高性能混凝土

　　 最早提出绿色高性能混凝土概念的是吴中伟教授。绿色高性能混凝土的提出在于加强人们对绿色的重视，加强绿色意识，要求混凝土工作者更加自觉地提高HPC的绿色含量，或者加大其绿色度，节约更多的资源、能源，将对环境的破坏减到最少，这不仅为了混凝土和建筑工程的继续健康发展，更是人类的生存和发展所必需的。根据孙振平等人的研究[13]，认为符合以下条件的才能称得上是真正得绿色高性能混凝土：

　　(1)所使用的水泥必须为绿色水泥; 砂石料的开采应该以十分有序且不过分破坏环境为前提。此处的"绿色水泥"是针对"绿色型"水泥工业来说的。绿色型水泥工业是指将资源利用率和二次能源回收率均提高到最高水平，并能够循环利用其它工业的废渣和废料; 技术装备上更加强化了环境保护的技术和措施; 产品除了全面实行质量管理体系外，还真正实行全面环境保护的保证体系；粉层、废渣和废气等的排放几乎接近于零，真正做到不仅自身实现零污染、无公害，又因循环利用其它工业的废料、废渣，而帮助其它工业进行三废消化，最大限度地改善环境。

　　(2)最大限度地节约水泥用量，从而减少水泥生产中的"副产品"--二氧化碳、二氧化硫、氧化氮等气体，以保护环境。

　　(3)更多地掺加经过加工处理的工业废渣，如磨细矿渣、优质粉煤灰、硅灰和稻壳灰等作为活性掺合料，以节约水泥，保护环境，并改善混凝土耐久性。

　　 (4)大量应用以工业废液，尤其是黑色纸浆废液为原料改性制造的减水剂，以及在此基础上研制的其它复合外加剂，帮助其它工业消化处理难以处治的液体排放物。

　　(5)集中搅拌混凝土和大力发展预拌商品混凝土，消除现场搅拌混凝土所产生的废料、粉层和废水，并加强对废料和废水的循环使用。

　　 (6)发挥HPC的优势，通过提高强度，减小结构截面积或结构体积，减少混凝土用量，从而节约水泥、砂、石的用量；通过改善施工性来减少浇注密实性能，降低噪音；通过大幅度提高混凝土耐久性，延长结构物的使用寿命，进一步节约维修和重建费用，减少对自然资源无节制的使用。

　　 (7)对大量拆除废弃的混凝土进行循环利用，发展再生混凝土。

　　2．3 大力开展绿色高性能混凝土的研究和应用高性能混凝土具有普通混凝土无法比拟的优良性能，对混凝土的发展将起重要作用，许多学者将其称为混凝土的又一次革命，是2l世纪的混凝土。如果将高性能混凝土与环境保护、生态保护和可持续发展结合起来考虑，加入更多的绿色成分，则成为绿色高性能混凝土。为使混凝土及其制品能适应经济发展的需要，而不制约经济快速、健康地发展，必须坚持走可持续化并能与环境协调发展的集约化道路。目前，许多学者就如何发展高性能混凝土及绿色高性能混凝土，从混凝土原材料选择、配比设计、试验标准、施工规程、政策法律、技术进步、研究方法、设备改造、宣传指导等方面，提出了许多中肯的意见和建议[2][11][12][13][15][18][19][20]，现归纳为如下14条，供参考：

　　 (1)加强混凝土科研开发、标准制定、工程设计和施工人员等环保意识，加大绿色概念的宣传力度，以引起混凝土工程领域各个环节的高度重视。

　　 (2)大力发展高标号熟料水泥生产，提高高标号熟料在整个熟料生产中的比重；研究改进熟料矿物组分，对传统的熟料矿物、水泥进行改性、改型，发展生产能耗低的新品种，调整水泥产品结构，及发展满足配制高性能混凝土和绿色高性能混凝土要求的水泥，并在满足这一要求的前提下，尽量减少混凝土中的水泥用量；研究开发、改进、提高和发展水泥生产工艺及技术装备，采用新技术、新工艺、新装备改造淘汰落后技术和装备，以提高水泥质量，达到节能、节约资源的目的。

　　 (3)大力发展人造骨料，特别是利用工业固体废弃物粉煤灰、煤矸石生产制造轻骨料；积极利用城市固体垃圾，特别是拆除的旧建筑物和构筑物的废弃物混凝土、砖、瓦及废物，以其代替天然砂石料，减少砂石料的消耗。

　　 (4)工程设计人员应该更新传统的混凝土设计方法，敢于在重大工程中掺用活性掺合料和加大掺合料的掺量；施工人员要提高施工质量意识，严格施工，以保证混凝土的施工质量。

　　 (5)研究工业废渣行之有效的加工方法、加工设备，以充分利用工业废渣的活性；在工业废渣利用中贯彻优质优用的原则。

　　 (6)大力发展用于调节水泥水化特性、混凝土拌合物工作特性、提高硬化混凝土各项性能的有机或无机的化学外加剂及矿物掺合料，以及它们的复合外加剂和复合掺合料，以发挥它们的超迭效应。

　　 (7)对纸浆黑色废液或其它废液进行加工处理，开发以纸浆浆液为主要原料的各种外加剂，并扩大其使用范围。

　　 (8)研究和制定绿色高性能混凝土的设计规程、质量控制方法、验收标准、

废渣变为优质“水泥” 我科学家发明“凝石”技术


我国科学家发明了一种仿地成岩的新型建筑胶凝材料——“凝石”。这种将冶金渣、粉煤灰、煤矸石等各种工业废弃物磨细后再“凝聚”而成的“石头”，与寻常水泥相比，在强度、密度、耐腐蚀性、生产成本和清洁生产等许多方面表现十分突出。

“凝石”技术是国家高新技术研究发展计划（即863计划）的一项研究成果。由清华大学孙恒虎教授发明的这一具有完全自主知识产权的高新技术，已获得多项国家专利。这一技术已于12日通过了教育部主持的项目鉴定，下一步将提请国家863计划的主管部门进行验收。

地质学研究表明，天然火山灰等物质在常温常压条件下通过沉积、变质过程，可以转变为长期稳定存在的铝硅酸岩石。而“凝石”技术正是依据大地成岩原理，以各种工业废弃物（如冶金渣、粉煤灰、煤矸石、赤泥以及其他工业固体废弃物等）为主体原料，配以少量成岩剂，在常温常压条件下生产出高性能的新型建材——硅铝基类水泥产品。

专家认为，“凝石”与普通水泥相比，具有多种优点，比如：生产过程实现“冷操作”，节省能源，不排放二氧化碳；生产过程大量减少烟尘，不破坏天然资源，不污染环境；“凝石”混凝土的强度、密度、耐腐蚀、抗冻融等方面的性能优良；以各种废渣为原料，“吃渣量”可达90%以上，是处理废渣的最有效方法；生产成本低、工艺简单，等等。

目前，这一技术已走出了实验室，进入了中试阶段，在吉林、河北等地分别建立了生产线。产品在道路工程、厂房建设、基础工程、矿业工程及混凝土制品方面得到规模化应用，得到用户好评。

多位专家认为，“凝石”技术对破解我国一些产业的环境和资源瓶颈难题，具有重要意义。目前，全国有数十亿吨的固体废弃物，仅煤矸石一种就高达34亿吨。这些固体排放物还以每年10亿吨的速度增加，造成巨大的环境压力。仅粉煤灰一项，全国每年的处理费用就达60亿元。此外，我国适宜烧制水泥的石灰石可开采储量为250亿吨，以2003年的水泥产量计算，仅够用30余年。而一旦采用“凝石”技术，这些数量巨大的固体废弃物将变成生产优质类“水泥”胶凝材料——“凝石”的上佳原材料。

有专家表示，人类在建筑胶凝材料方面，已经历了千年的石灰“三合土”时代，百年的水泥“混凝土”时代。“凝石”技术的出现，很可能意味着人类即将迎来新的“凝石”时代。

混凝土结构工程施工质量验收规范GB 50204—2002:

混凝土泵送施工技术规程（JGJ10-95）:

混凝土超远距离泵送施工技术及经济分析




混凝土是一种综合性能优良的传统建筑材料，其经济性，可塑性和耐久性尤为突出。随着社会的发展，无论是原材较，配合比，生产运输，施工技术和质量控制等方面都发生着深刻的变化。泵送混凝土已逐渐成为混凝土施工中一个常用的品种。它具有施工速度快，质量好，节省人工，施工方便等特点。因此广泛应用于一般工业与民用建筑结构混凝土、桥梁道路混凝土、大体积混凝土、高层建筑结构混凝土等工程。它既可以作水平及垂直输送也可用布料直接浇注。它要求混凝土不但要满足设计强度、耐久性等，还要满足管道输送对混凝土拌合物的要求，即要求混凝土拌合物有良好的可泵性。本文就以深圳市与东莞市交界处的某大型住宅小区工程为例，就混凝土超远距离泵送施工进行初步技术探讨和经济分析。
一、工程实例简介
该大型住宅小区占地面积达18万平方米，建筑面积达29.65平方米。混凝土总体积达9.6万立方米。小区背山环水，环境优雅，远离市区，有如世外桃源。但同时离现有的商品混凝土搅拌站也较远，而且路上经常严重堵车，商品混凝土无法满足施工及进度要求。在此情况下，建设方经报请行政主管机关同意后，在施工区内设置了现代化混凝土搅拌站，采用韶关建机厂1m3强制式搅拌主机、中晟建机公司整套电脑全自动套配料设备。并配套设置了一个三级实验室，进行混凝土配合比的设计与常规质量检验。
由于施工场地宽阔，边长为397×453米，幢数达26幢之多。由多层（6层），小高层（12层）和高层（18层）组成。故此采用了中联建机HBT60 16 110S（A）型和盛隆建机HBT60 S16 110（A）型共两台高压拖挂式混凝土泵，在搅拌站直接泵送至浇筑现场。平均折算水平距离达757米，最远折算水平距离达1350米。
二、材料的选用
1、水泥：
A、水泥用量：在泵送混凝土中，水泥砂浆起着润滑管壁和传递压力的作用，当水泥用量过少时，混凝土和易性差，阻力大，容易发生堵管。水泥用量过大，造价提高，而且不利于大体积混凝土施工，容易产生温度裂缝。同时，水泥过多，混凝土粘性增强，泵送阻力随之增大。《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ55-2000）规定：在泵送混凝土中，水泥和矿物掺合料的总用量不宜少于300公斤/立方米。
B、水泥品种：水泥品种对混凝土的可泵性有一定的影响。由于矿渣水泥的保水性差，泌水大，本工程泵送距离远，故不于采用。拟采用一般的普通硅酸盐水泥。经过公司采购部门的市场性价比调查，最后决定选用红水河42.5R散装水泥。
2、砂：采用在附近河道开采的中砂，含泥量不大于3%，氯离子含量不大于0.02%。0.315%毫米筛余不低于16%。
3、碎石：采用附近城建集团石场开采的公称粒级为16-31.5mm石子，含泥量不大于1%。
4、粉煤灰：采用黄埔电厂风选二级粉煤灰，细度（0.045mm方孔筛筛余）不大于20%，烧失量不大于8%。
5、泵送剂：采用建筑宝JZB-3型高效超塑化剂。含固量为40%，Na2SO4＜3.0%，减水率≥18，并与红水河42.5R水泥有良好的兼容性.
6、水：采用自来水。
三、混凝土配合比设计
1、混凝土的要求：强度标号多样，从C20-C40；耐久性，保证建设物使用寿命达70年以上；高流动性，即可适应超远距离泵送；高工作性，即施工方便，易操作，经过机械振捣后达到较高的密实度。
2、混凝土实验室配合设计
由以往施工经验得出混凝土在输送管道中行进时，塌落度损失根据管道的长短可达10%-30%；依据混凝土配合比设计的基本原理与强度标准控制值，出厂塌落度初定为200-220mm，输送管道出口塌落度初定为140-160mm，试配的每立方米混凝土材料用量如下表：
强度 等级 水胶比 水泥（KG） 水（KG） 砂（KG） 碎石（KG） 粉煤灰（KG） 泵送剂（KG）
C20 0.54 222 165 787 1125 83 3.64 C25 0.52 248 172 774 1106 81 4.61
C30 0.48 286 172 742 1104 76 5.07 C35 0.43 346 173 710 1094 57 5.64
C40 0.38 379 165 686 1100 50 5.15
按此配合比各做3组试块，经28天标准养护后，试压得其强度值如下表：
强度等级 强度（Mpa）
C20 25.2
C25 28.9
C30 34.5
C35 40.3
C40 46.1
3、混凝土施工配合比设计根据实验室配合比进行现场浇筑，调整后得出如下施工配合比：
强度 等级 水胶比 水泥（KG） 水（KG） 砂（KG） 碎石（KG） 粉煤灰（KG） 泵送剂（KG）
C20 0.52 225 158.6 780 1130 80 3.83
C25 0.50 251 164.5 770 1112 78 4.81
C30 0.47 289 171.1 740 1115 75 5.30
C35 0.42 350 169.0 710 1110 52 5.87
C40 0.38 383 162.0 682 1108 43 5.89
经再次试浇筑，该施工配合比在管道出口处塌落度基本保持在140—160mm之间，能较好地满足施工的要求。现场留置的试块

混凝土超远距离泵送施工技术及经济分析 （续）




五、质量保证措施
（1）准确计量：
在混凝土质量控制的过程中，准确计量是重中之重。特别是水的用量，一定要扣除砂、石的含水量，水胶比的误差值低于是%。
（2）清除梁、柱、基础、坑槽内积水：
在施工前，冲洗钢筋，润湿模板等作业或下雨过后，在上述部位通常容易积水，当混凝土流动至该部位时，就会因局部水胶比过大而出现强度骤降，不深过大时更可能出现离析水洗现象，而导致夹砂层、夹石层，所以积水必须清除干净。
（3）防止漏浆：
由于混凝土流动性大，当模板有大于2cm2后的孔洞时，极易造成漏浆。漏浆将使混凝土产生蜂窝、麻面，严得者引起局部疏松，造成强度丧失，必须打掉重新浇筑。
（4）防止浮浆过厚：
机械振捣的方式与时间应按施工手册具体规定执行，当浇柱子、大体积基础及梁体时，在施工末阶段应洒布碎石（清洗干净的），以均衡骨科含量。当浮浆析水时，还应适当加入适量同品牌同批号的水泥，改善水胶比。当浮浆过厚，应在下道工序前清除浮浆。
（5）加强养护
由于掺入粉煤灰和塑化剂，故必须加强养护。特别是浇筑成型后14天内应保持湿润状态，使粉煤灰与Ca(OH)2产生化学反应，形成胶凝组分，从而提高混凝土强度。
六、经济分析
经过公司采购部门的市场调查，处购商品混凝土的造价（元/m3）如下表：
单价 运费 泵费 合计 备注
C20 233 40 12 285
商品混凝土五公里以外的运费每立方为3元，混凝土厂距工地约18.5公里。
C25 248 40 12 300
C30 264 40 12 316
C35 278 40 12 330
C40 306 40 12 358
自设搅拌站混凝土的造价（元/m3）：
材料费 机械费 人工费 电费 合计 备注
C20 196 12.5 3.8 3.7 216 材料费为当地实际采购价。
C25 211 12.5 3.8 3.7 231
C30 227.5 12.5 3.8 3.7 247.5
C35 239 12.5 3.8 3.7 259
C40 263 12.5 3.8 3.7 283
七、结论
混凝土的质量是由多方面构成的，从生产、运输、浇筑、振捣、养护，每个过程都将对其造成直接影响。故此应加强控制。而输送工艺的改进与革新，例如混凝土超远距离泵送施工工艺，技术上是可行的，而从经济上分析，能降低能耗，减少人工与机械投入，从而节约成本，提高功率。

混凝土工程施工质量验收规范(word版):

混凝土工程施工质量验收规范(PDF版):

高层建筑砼结构技术规程