生態(tài)混凝土的研究及應(yīng)用
2006-09-30 00:00
| 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(lèi)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(lèi),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)模化、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(shì)。 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(lèi)社會(huì)面臨前所未有的三大嚴(yán)重問(wèn)題,即人口急劇增長(zhǎng)、資源和能源過(guò)度消耗、環(huán)境日益惡化,嚴(yán)重威脅著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展和人類(lèi)自身的生存。走可持續(xù)發(fā)展道路已成為全世界的共識(shí)?？沙掷m(xù)發(fā)展的主要方面是:在減少對(duì)環(huán)境污染的同時(shí),通過(guò)保護(hù)和減少浪費(fèi)來(lái)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(wèn)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(guó)每年要開(kāi)采50億t以上的礦物質(zhì)材料來(lái)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(kāi)采、破碎及運(yùn)輸過(guò)程也都需要耗費(fèi)大量能量。(2)生產(chǎn)水泥時(shí),會(huì)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(lèi)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(shí)不透水的混凝土道路表面容易積水,雨水長(zhǎng)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(zhǎng),造成生態(tài)系統(tǒng)失調(diào)。 由上可見(jiàn),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(duì)環(huán)境的污染,發(fā)展生態(tài)混凝土;也就是說(shuō),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(duì)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(wèn)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(huì)于1995年提出的。所謂生態(tài)混凝土是通過(guò)材料研選、采用特殊工藝制造出來(lái)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(guò)去對(duì)混凝土的強(qiáng)度和耐久性要求,進(jìn)一步與環(huán)境問(wèn)題結(jié)合起來(lái),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(mǎn)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(duì)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(lèi)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(lèi)。環(huán)境友好型是指在生產(chǎn)和使用過(guò)程中可降低對(duì)環(huán)境負(fù)荷的混凝土;生物相容型是指能與動(dòng)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(guò)程中,能夠降低環(huán)境負(fù)擔(dān)或通過(guò)改善其性能來(lái)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(kāi)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(chǔ)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(guò)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(wèn)題。例如,生產(chǎn)1 t生態(tài)水泥熟料時(shí),需要垃圾焚燒灰0. 5 t (城市垃圾5. 5 t燒成后產(chǎn)品) 、脫水后的下水道污泥0. 3 t、補(bǔ)充石灰石等天然原料0. 3 t。最近,澳大利亞生態(tài)技術(shù)公司宣布開(kāi)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John Harrison開(kāi)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(chēng),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(huì)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(guò)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(bào)導(dǎo),日本每年有3 000萬(wàn)t舊混凝土,他們對(duì)其開(kāi)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50 a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(dòng)人類(lèi)進(jìn)步的同時(shí),也給人類(lèi)的生存環(huán)境帶來(lái)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(wèn)題。吸音混凝土就是為了減少交通噪音而開(kāi)發(fā)的,適用于機(jī)場(chǎng)、高速道路、高速鐵路兩側(cè)、地鐵等產(chǎn)生恒定噪音的場(chǎng)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?chē)木幼…h(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(duì)噪音源,入射的聲波一部分被反射,大部分則通過(guò)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(guò)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(guò)多孔混凝土向外部發(fā)散。在此過(guò)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(duì)減小噪音效果明顯。羅馬尼亞最近開(kāi)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(wú)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(jià)。 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(zhǎng)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(shí),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(zhǎng),從而可以大大改善周?chē)髿獾沫h(huán)境。同時(shí),利用其多孔,透水透氣性,不僅可使微生物及小動(dòng)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(wú)呼吸、雨水聚積成澇等問(wèn)題. 可以減輕市政排水設(shè)施負(fù)擔(dān),使地下水得到及時(shí)補(bǔ)充,避免造成地下水位明顯下降等嚴(yán)重問(wèn)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(chē)場(chǎng)、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(lái),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(lái),我國(guó)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(zhǎng)的復(fù)合植生多孔混凝土,取得了較好的效果;奚新國(guó)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(mǎn)足了混凝土低堿、多孔適應(yīng)植物生長(zhǎng)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(zhǎng)滿(mǎn)郁郁蔥蔥的嫩草,既可滿(mǎn)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(wèn)題。應(yīng)用于污水處理的生態(tài)混凝土是一種多孔混凝土( Porous Concrete) , 利用多孔混凝土外表面對(duì)各種微生物的吸附,通過(guò)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(yíng)養(yǎng)化的湖河內(nèi)凈化水質(zhì),使草類(lèi)、藻類(lèi)生長(zhǎng)更加繁茂,通過(guò)定期采割,利用生物循環(huán)過(guò)程消耗污水的富營(yíng)養(yǎng)成分,從而保護(hù)生態(tài)環(huán)境。關(guān)于這一課題,國(guó)外的研究相當(dāng)活躍:文獻(xiàn)報(bào)道日本長(zhǎng)崎大學(xué)于1994年起進(jìn)行實(shí)?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),將直徑lm高0. 5 m的有孔試塊l0個(gè)一組地投入海中,并于1995年2月至1996年2月每月實(shí)測(cè)一次水質(zhì)變化,發(fā)現(xiàn)生態(tài)混凝土有富集營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的功能。另有文獻(xiàn)報(bào)道,使用生態(tài)混凝土在公園內(nèi)小河上建造凈水渠(15 m ×2 m ×0. 4 m) ,水在其中停留1～3 h可去除水中的BOD40%～50% ,長(zhǎng)時(shí)間停留可去除80% ～90%。近來(lái),受?chē)?guó)外科技成果啟發(fā),我國(guó)同濟(jì)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院從1997年起開(kāi)始研究生態(tài)混凝土材料,并成功研究開(kāi)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(guò)濾、曝氣三合一的預(yù)處理裝置,在沉淀的同時(shí)進(jìn)行過(guò)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(kāi)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(yíng)造出適合于生物生息的空間或空隙,能夠?yàn)楹Ｔ孱?lèi)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?chē)乃|(zhì)對(duì)生物的生長(zhǎng)沒(méi)有不良反應(yīng)。目前已開(kāi)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(lèi)數(shù)量是普通混凝土塊的2～3倍,且海藻生長(zhǎng)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(lèi)、植物提供根部附著的場(chǎng)所,為魚(yú)類(lèi)提供水中生息和避難的場(chǎng)所。目前,在日本已有大量的這種人工漁礁。我國(guó)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(shì) 隨著時(shí)代的進(jìn)步,人類(lèi)要尋求自然和諧、可持續(xù)發(fā)展之路,對(duì)混凝土的要求不僅僅作為建筑材料,為人類(lèi)構(gòu)筑所需要的結(jié)構(gòu)物建筑物,而是進(jìn)一步開(kāi)發(fā)對(duì)保護(hù)環(huán)境,對(duì)人類(lèi)與自然協(xié)調(diào)能積極作用的生態(tài)混凝土。這是時(shí)代的要求,也是混凝土材料發(fā)展的必然趨勢(shì)。有關(guān)生態(tài)混凝土的研究和開(kāi)發(fā)在我國(guó)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(guó)是今后生態(tài)混凝土研究和開(kāi)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(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?jìng)鹘y(tǒng)混凝土的理論無(wú)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(shì);集成化是指生態(tài)混凝土研究應(yīng)以集成化和多元化來(lái)達(dá)到復(fù)合多功能的效果。 參考文獻(xiàn) [ 1 ] 蔡麗朋,趙麗君. 環(huán)保型混凝土的特性及開(kāi)發(fā)應(yīng)用[ J ]. 福建建材, 2004, 83 (1) : 26～28 [ 2 ]日本JCK株式會(huì)社. 長(zhǎng)江護(hù)岸工程的設(shè)計(jì)一護(hù)堤技法的提案、探討報(bào)告書(shū)[R ]. 上海: 2004 [ 3 ] 李化建,孫恒虎,肖雪軍. 生態(tài)混凝土研究進(jìn)展[ J ]. 材料導(dǎo)報(bào), 2005, 19 (3) : 17～20 [ 4 ]李湘洲. 走向可持續(xù)發(fā)展的生態(tài)混凝土技術(shù)[ J ]. 中國(guó)建材, 2003, 25 (1) : 34～35 [ 5 ]馮乃謙,張智峰,馬驍. 生態(tài)環(huán)境與混凝土技術(shù)[ J ]. 混凝土, 2005, 185 (3) : 3～8 [ 6 ]蔣冬青. 新型生態(tài)混凝土材料及其應(yīng)用[ J ]. 建材發(fā)展導(dǎo)向, 2004, 15 (3) : 35～37 [ 7 ]生態(tài)混凝土[N ]. 建筑時(shí)報(bào), 2004206204 [ 8 ]史美東. 綠色混凝土的發(fā)展與應(yīng)用[ J ]. 上海建材. 2005, 23 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| 原作者： 胡瑞珍 田秀淑 任書(shū)霞 |
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