混凝土結(jié)構(gòu)的綠色耐久性

[摘要] 從節(jié)約資源和能源, 與環(huán)境相容共生并實(shí)現(xiàn)建筑業(yè)可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略高度出發(fā), 提出了混凝土結(jié)構(gòu)的“綠色耐久性”概念?；诮Y(jié)構(gòu)生命周期成本理論與綠色設(shè)計(jì)理念, 探討了“綠色耐久性”的設(shè)計(jì)與施工方法, 并提出了“綠色耐久性”的實(shí)施策略。

[關(guān)鍵詞] 混凝土結(jié)構(gòu); 綠色耐久性; 結(jié)構(gòu)生命周期成本; 綠色設(shè)計(jì); 綠色施工

[中圖分類號] TU528.01 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼] A [文章編號] 1002- 3550-( 2006) 12- 0039- 03

0 前言

　　混凝土結(jié)構(gòu)是基本建設(shè)工程中最為常用的建筑形式之一,主要在于混凝土是一種相對于鋼材、木材等建筑材料來說, 適用范圍廣、價格便宜、易于澆筑成型、力學(xué)性能穩(wěn)定、比較耐久、有時還有效利用一些工業(yè)固體廢料的節(jié)能型建筑材料。但是,由于混凝土結(jié)構(gòu)材料自身和使用環(huán)境的特點(diǎn), 混凝土結(jié)構(gòu)存在著嚴(yán)重的耐久性問題[1, 2], 并且隨著環(huán)境的變遷和功能要求的提高, 耐久性問題愈來愈為突出, 對新世紀(jì)建筑業(yè)的可持續(xù)發(fā)展形成了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn), 嚴(yán)重威脅著人類的生存與發(fā)展。

　　首先, 混凝土結(jié)構(gòu)因耐久性不足而提前失效極大地打亂了國民經(jīng)濟(jì)有序發(fā)展的步伐, 造成了巨大的財(cái)政負(fù)擔(dān)。1991 年提交美國國會的報告《國家公路和橋梁現(xiàn)狀》中指出, 美國現(xiàn)存的全部混凝土工程價值約6 萬億美元, 而每年用于維修的費(fèi)用高達(dá)300 億美元, 今后混凝土工程維修和重建費(fèi)用高達(dá)3 000 億美元。英國1980 年的建筑維修費(fèi)用占建筑總費(fèi)用的2/3。許多發(fā)達(dá)國家每年用于建筑維修的費(fèi)用超過新建的費(fèi)用。美國聯(lián)邦政府現(xiàn)在每年撥款50 億~60 億美元用于公路和橋梁的維修,但1998 年ACI 估計(jì)僅僅更換目前已損壞的公路橋梁的混凝土橋面板就需800 億美元。我國也將大量的人力、物力和財(cái)力用于工程維修與重建, 其中不少是混凝土結(jié)構(gòu)耐久性不足的花費(fèi)。其次, 混凝土結(jié)構(gòu)提前劣化必然導(dǎo)致對混凝土與鋼筋的大量需求與浪費(fèi), 從而增大對砂石等資源和煤電等能源的消耗。據(jù)統(tǒng)計(jì)[1], 目前世界上每年混凝土用量約80 億t, 平均需水泥約15 億t, 粗細(xì)集料70 億t 左右。而15 億t 水泥大約要消耗16 億t的石灰石。開采、破碎、運(yùn)輸集料以及生產(chǎn)、加工、運(yùn)輸混凝土等過程都要耗能, 在這些過程中80 億t 混凝土共約需耗電力11×1012kW·h。考慮到鋼筋混凝土與預(yù)應(yīng)力混凝土中鋼筋的生產(chǎn),則此數(shù)值還將有較大幅度的增加。建筑業(yè)所消耗的資源與能源約占全球消耗總額的40%[1], 其中有多少消耗是由混凝土結(jié)構(gòu)耐久性不足引起的不得而知, 但從以上的簡單計(jì)算可以推測其數(shù)量之大。再次, 混凝土結(jié)構(gòu)耐久性不足對生態(tài)環(huán)境構(gòu)成極大的威脅。水泥生產(chǎn)每年所需的石灰石與粘土及用作混凝土集料的砂石的開采, 對植被破壞嚴(yán)重。計(jì)算表明[1], 每生產(chǎn)1t 水泥熟料, 將釋放出0.95t CO2。15 億t 水泥生產(chǎn)還將排放約300 萬tNOx 和大量粉塵。大量CO2 的排放不僅加劇溫室效應(yīng), 它還和SO2 與NOx 一道通過形成酸雨危害農(nóng)作物及植被。NOx 和粉塵還使環(huán)境惡化, 影響人類健康。同時, 混凝土結(jié)構(gòu)提前劣化必然造成大量建筑垃圾的堆置, 如美國每年大約有6 000 萬t 廢棄混凝土, 日本約為1 600 萬t, 中國約為4 000 萬t[1], 而建筑工地噪音占城市噪音約1/3, 這對日趨惡化、不堪重負(fù)的環(huán)境無疑于雪上加霜。這就是Mehta[2]為什么會用“5 倍定律”來形象地描述混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)的重要性之緣由, 即設(shè)計(jì)階段對鋼筋防護(hù)方面節(jié)省1 美元, 那么就意味著: 發(fā)現(xiàn)鋼筋銹蝕時采取措施將追加維修費(fèi)5 美元; 混凝土表面順筋開裂時采取措施將追加維修費(fèi)25 美元; 嚴(yán)重破壞時采取措施將追加維修費(fèi)125 美元。Mehta 指出“如果我們能夠生產(chǎn)出更耐久的產(chǎn)品, 就必定能大量地節(jié)省材料。例如今天建造的混凝土結(jié)構(gòu)物若不是現(xiàn)在的50 年壽命, 而是250 年壽命, 那么混凝土業(yè)的資源利用效率就能提高5 倍?！?/P>

　　可見, 混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性問題已成為建筑業(yè)可持續(xù)發(fā)展的瓶頸。而可持續(xù)發(fā)展是人類社會發(fā)展中的重要認(rèn)識成果, 其本質(zhì)是努力地應(yīng)用科學(xué)的、技術(shù)的、經(jīng)濟(jì)的知識, 去消除由于無節(jié)制的技術(shù)發(fā)展所造成的負(fù)面影響[4]?？沙掷m(xù)發(fā)展的主要方面是通過保護(hù)和必要的消耗來更有效地利用資源, 控制使用資源, 使其達(dá)到良性循環(huán), 或利用消耗材料的數(shù)量達(dá)到最小限度。實(shí)現(xiàn)混凝土結(jié)構(gòu)在其全壽命周期內(nèi)的成本最優(yōu)化, 與環(huán)境和諧共生, 是解決混凝土結(jié)構(gòu)耐久性瓶頸問題的唯一選擇, 更是混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究的發(fā)展方向。為此, 作者開展了混凝土結(jié)構(gòu)的綠色耐久性研究, 提出了混凝土結(jié)構(gòu)的“綠色耐久性”概念及“綠色耐久性”的設(shè)計(jì)與施工方法。

1 混凝土結(jié)構(gòu)的“綠色耐久性”

　　所謂混凝土結(jié)構(gòu)的“綠色耐久性”是指混凝土結(jié)構(gòu)及其構(gòu)件在可預(yù)見的工作環(huán)境及材料內(nèi)部因素的作用下, 在與其使用功能相匹配的全生命周期內(nèi)抵抗大氣影響、化學(xué)侵蝕和其它劣化過程, 既能保持其安全性和適用性, 又具有可檢修性、可維護(hù)性、構(gòu)件可替換性等環(huán)境屬性, 達(dá)到適應(yīng)環(huán)境變化、不增加環(huán)境負(fù)荷、不污染環(huán)境, 保護(hù)、治理與改善環(huán)境, 在結(jié)構(gòu)報廢時可拆卸和可重復(fù)利用等環(huán)境目標(biāo), 以及全生命周期成本最低的經(jīng)濟(jì)合理性等一系列的綜合功能。

　　其中的“ 綠色”著眼于環(huán)境保護(hù), 包括以下三個層次的內(nèi)容:( 1) 混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件由采用清潔的生產(chǎn)技術(shù), 少用天然資源和能源, 大量使用工農(nóng)業(yè)或城市固體廢棄物和農(nóng)作物秸稈, 生產(chǎn)無毒、無污染、無輻射性, 有利于環(huán)境保護(hù)與人體健康的“綠色建材”[5]構(gòu)成。也就是說,“綠色耐久性”從源頭上就注意消除污染。( 2) 結(jié)構(gòu)體系在服役期內(nèi)與環(huán)境相容共生, 既不增加環(huán)境負(fù)荷, 又能適應(yīng)環(huán)境的變化。( 3) 結(jié)構(gòu)體系在服役期滿后, 拆除后可重復(fù)利用, 不會產(chǎn)生建筑垃圾, 不會污染環(huán)境。這表明,“綠色耐久性”在結(jié)構(gòu)與環(huán)境之間構(gòu)建了一種和諧關(guān)系——相容共生性, 見圖1?；炷两Y(jié)構(gòu)“綠色耐久性”最核心的功能是其環(huán)境屬性功能, 其它功能必須建立在此功能的基礎(chǔ)之上。

　　可見, 混凝土結(jié)構(gòu)“綠色耐久性”, 著眼于最大限度地綜合利用自然資源和能源, 盡可能地提高生產(chǎn)效率, 降低能耗與各項(xiàng)消耗, 使混凝土結(jié)構(gòu)的全生命周期成本最低; 竭力保護(hù)環(huán)境,維護(hù)生態(tài)平衡, 消除或盡量減少環(huán)境污染, 消除或最低限度產(chǎn)生建筑垃圾。其意義不僅僅是對混凝土結(jié)構(gòu)自身的性能要求,不單單只是提高結(jié)構(gòu)的使用生命, 還包括了結(jié)構(gòu)對環(huán)境功能的影響、生產(chǎn)過程的資源、能源消耗與環(huán)境約束。這就是在現(xiàn)代人類文明意義下, 混凝土結(jié)構(gòu)“綠色耐久性”的深刻內(nèi)涵之所在,可持續(xù)發(fā)展為混凝土結(jié)構(gòu)綠色耐久性賦予了更科學(xué)、更人性化、更豐富的內(nèi)容。

2 基于SLCC 理論的混凝土結(jié)構(gòu)綠色設(shè)計(jì)( GDSLCC)

　　混凝土結(jié)構(gòu)“綠色耐久性”是混凝土結(jié)構(gòu)具有多項(xiàng)性能的完美屬性, 按照傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法是無法達(dá)到其綠色內(nèi)涵的。作者認(rèn)為, 基于結(jié)構(gòu)生命周期成本理論( Theory of StructuralLife-Cycle Cost, SLCC) 的綠色設(shè)計(jì)[6(] Green Design) , 是混凝土結(jié)構(gòu)“綠色耐久性”得以實(shí)現(xiàn)的最佳方法。這是因?yàn)? 綠色設(shè)計(jì)要求將降低結(jié)構(gòu)整個生命周期內(nèi)可能對環(huán)境帶來的負(fù)面效應(yīng),從設(shè)計(jì)初期就加以詳細(xì)研究與控制, 從根本上杜絕或盡可能減少。顯然, 綠色設(shè)計(jì)貫徹的是一種防患于未然的思想, 即從結(jié)構(gòu)的搖籃階段—設(shè)計(jì)與施工就考慮了如何從根本上防治環(huán)境污染, 節(jié)約資源能源, 力求從源頭上解決問題。而SLCC 理論著眼于結(jié)構(gòu)全生命周期的成本最優(yōu)化設(shè)計(jì)。因此, 基于SLCC 理論的混凝土結(jié)構(gòu)綠色設(shè)計(jì), 能夠?qū)崿F(xiàn)混凝土結(jié)構(gòu)“綠色耐久性”的預(yù)定目標(biāo)。為方便起見, 將此種設(shè)計(jì)方法命名為GDSLCC。

　　GDSLCC 的設(shè)計(jì)思路為: 以SLCC 理論為依據(jù), 以結(jié)構(gòu)的環(huán)境屬性( 可回收性、可拆卸性、可維護(hù)性、可重復(fù)利用性等) 為核心,將全生命周期成本最優(yōu)看作約束條件, 在此基礎(chǔ)上保證結(jié)構(gòu)應(yīng)有的功能、質(zhì)量、生命等不會因此而降低。其設(shè)計(jì)表達(dá)式如式( 1) 。

　　式中: V1, V2,……, Vn 分別為結(jié)構(gòu)的可回收性、可拆卸性、可維護(hù)性、可重復(fù)利用性等環(huán)境功能; ! 為結(jié)構(gòu)的可靠性即安全功能;W為結(jié)構(gòu)的適用性功能。

　　結(jié)構(gòu)生命周期成本由結(jié)構(gòu)在其生命周期內(nèi)的設(shè)計(jì)成本C1、建造成本C2、維護(hù)成本C3、維修加固成本C4、拆除成本C5 和可重復(fù)利用成本C6 等構(gòu)成。

　　建造成本C2 包括結(jié)構(gòu)施工成本, 因施工而引起的附加成本, 如環(huán)境污染費(fèi), 相關(guān)行業(yè)受施工影響產(chǎn)生的關(guān)聯(lián)損失費(fèi)等,按式( 2) 計(jì)算。

　　式中: Cj 為施工期第j 年的建造成本; m 為施工年限; i 為社會實(shí)際折現(xiàn)率。維護(hù)成本C3 指日常維護(hù)與保養(yǎng)所發(fā)生的費(fèi)用, 設(shè)結(jié)構(gòu)生命周期T 內(nèi)每年的維護(hù)成本為A, 則

　　維修加固成本C4 需考慮維修的次數(shù)nk 與發(fā)生的頻度fk,按式( 4) 計(jì)算。

　　式中: nk 按式( 5) 計(jì)算。

　　式中: Ck 為第k 次維修的費(fèi)用; nk, fk 為與第k 次維修的對應(yīng)次數(shù)與頻度。

　　拆除成本C5 和可重復(fù)利用成本C6 可按式( 2) 計(jì)算, C6 主要包括結(jié)構(gòu)可利用的構(gòu)件、聯(lián)結(jié)件、材料等的價值。

　　結(jié)構(gòu)生命周期成本C 為以上成本之和, 即:

C=C1+C2+C3+C4+C5+C6 ( 6)

　　為了便于比較各方案的優(yōu)劣, 可采用年值成本AV, 按式( 7) 計(jì)算。

AV=C×[i( 1+i) T]/[( 1+i) T- 1] ( 7)

　　于是, 結(jié)構(gòu)生命周期成本的目標(biāo)函數(shù)為

　　將式( 8) 作為( 1) 的約束條件, 或?qū)? 1) 作為( 8) 的約束條件, 可得到相同的解, 因?yàn)樗鼈兪腔轳詈系摹?/P>

　　從以上的分析中可以看出, 與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)相比, GDSLCC 有如下特點(diǎn):( 1) 拓寬了結(jié)構(gòu)的生命周期。在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法中, 一個結(jié)構(gòu)的生命周期局限于從設(shè)計(jì)到報廢的眾多階段; 而GDSLCC 將結(jié)構(gòu)生命周期延伸至再回收再利用以及處理。這就使得結(jié)構(gòu)的生命與利用率陡然上升。( 2) 實(shí)現(xiàn)了并行閉環(huán)設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法中結(jié)構(gòu)廢棄后無后續(xù)步驟, 而GDSLCC 實(shí)現(xiàn)了廢棄后的再回收利用。( 3) 維護(hù)了地球環(huán)境。這也是GDSLCC的最終目的。GDSLCC 將徹底扭轉(zhuǎn)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中排廢排污量較大, 對生態(tài)環(huán)境造成破壞的負(fù)面影響, 維護(hù)生態(tài)系統(tǒng)的平衡, 是一種自然和諧的方案。( 4) GDSLCC 采用的是功能設(shè)計(jì)方法, 而傳統(tǒng)設(shè)計(jì)采用的是強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法。( 5) 傳統(tǒng)設(shè)計(jì)往往注重于建造投資, 而　　　　GDSLCC 確保結(jié)構(gòu)在全生命周期內(nèi)的資源、能源消耗總額最低。

　　GDSLCC 的核心技術(shù)主要包括拆卸設(shè)計(jì)與回收設(shè)計(jì), 也就是與環(huán)境屬性相關(guān)的功能設(shè)計(jì)。

　　拆卸設(shè)計(jì)就是在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時, 考慮結(jié)構(gòu)報廢時能夠從結(jié)構(gòu)上有規(guī)律地拆下可用的構(gòu)件與聯(lián)結(jié)件, 同時保證不因拆卸過程造成構(gòu)件與聯(lián)結(jié)件的損傷。拆卸的目的大致可分為: 結(jié)構(gòu)構(gòu)件與聯(lián)結(jié)件的重復(fù)利用, 構(gòu)件的回收、材料的回收三類。有三種拆卸類型: 整體破壞型、部分破壞型和非破壞型。拆卸性主要從兩方面來評價: 一是結(jié)構(gòu)構(gòu)件的拆卸難易程度; 二是拆卸過程耗費(fèi)的時間、能量與費(fèi)用。

　　回收設(shè)計(jì)指在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時充分考慮結(jié)構(gòu)構(gòu)件、聯(lián)結(jié)件及材料的回收可能性、回收價值大小、回收處理方法、回收處理工藝等與可回收性有關(guān)的一系列問題, 以達(dá)到構(gòu)件、聯(lián)結(jié)件以及材料資源和能源的充分利用, 并在回收過程中對環(huán)境污染為最小。這里回收不僅考慮最基本的材料回收, 更要關(guān)心在新結(jié)構(gòu)中利用使用過的或廢棄結(jié)構(gòu)的構(gòu)件、聯(lián)結(jié)件及材料, 為廣義的回收, 可獲得良好的環(huán)境、社會以及經(jīng)濟(jì)效益。

3 基于GDSLCC 的綠色施工

　　與GDSLCC 相應(yīng)的是綠色施工。包括以下幾個方面:( 1)提高綠色建材的利用率。根據(jù)不同地方的資源配置情況, 使用相應(yīng)的綠色建材尤其是綠色高性能混凝土GHPC。充分利用GHPC 高強(qiáng)、耐久且能大量利用工業(yè)廢料、減少維修、改善和保護(hù)環(huán)境、節(jié)省資源等優(yōu)良性能, 一方面力于混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的綠色化, 另一方面減少對水泥總量的需求, 從而減少向大氣排放CO2, 減小對環(huán)境的壓力。針對目前工程中大部分采用C60以下水泥混凝土的現(xiàn)狀, 對C60 以下尤其是C30~C50 這樣中等強(qiáng)度等級的混凝土進(jìn)行綠色高性能化, 通過控制水灰比、含氣量、氣泡參數(shù)等措施開發(fā)出更多的高抗凍性, 抑制堿集料反應(yīng), 防止鋼筋銹蝕, 低溫、早強(qiáng)、免振自密實(shí)等等類型的GHPC。就鋼筋來說, 要提高不銹鋼鋼筋、塑料鋼筋等耐久性高的新型鋼筋的使用率。( 2) 改進(jìn)混凝土與鋼筋的生產(chǎn)工藝。在加大對免振自密實(shí)混凝土開發(fā)力度的同時, 充分挖掘商品混凝土的發(fā)展?jié)摿? 利用商品混凝土攪拌集中、價格相對便宜、質(zhì)量易控制、便于集中消除現(xiàn)場產(chǎn)生的廢料、污水、粉塵, 有利于加強(qiáng)廢水的循環(huán)利用等優(yōu)點(diǎn), 把施工過程的各項(xiàng)污染指標(biāo)控制在合理范圍內(nèi)。( 3) 報廢混凝土結(jié)構(gòu)的拆卸、回收與再生利用。美國愛達(dá)荷州一家房產(chǎn)公司利用回收的廢物建造了一幢330m2 能夠利用太陽能的住宅“資源保護(hù)屋”, 它不僅利用了垃圾, 而且解決了住房緊張和節(jié)省資源、保護(hù)環(huán)境之間的矛盾, 這種創(chuàng)新值得借鑒。研制先進(jìn)的混凝土結(jié)構(gòu)的拆卸技術(shù)與再生混凝土技術(shù), 實(shí)現(xiàn)對廢棄混凝土的再加工, 使其恢復(fù)原有的性能, 形成新的建材結(jié)構(gòu), 從而既能使有限的資源得以再利用, 又能解決部分環(huán)保問題。這是發(fā)展混凝土結(jié)構(gòu)的“綠色耐久性”, 實(shí)現(xiàn)建筑業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要舉措。

　　根據(jù)以上分析, 可繪出了混凝土結(jié)構(gòu)“綠色耐久性”實(shí)施策略圖, 見圖2。

4 結(jié)語

　　混凝土結(jié)構(gòu)“綠色耐久性”是一個十分復(fù)雜的系統(tǒng)工程, 只有真正融入社會日常生活行為的規(guī)范, 才能策動真正意義上的“可持續(xù)”的發(fā)展策略。面對全球范圍內(nèi)綠色思潮的風(fēng)起云涌,我國混凝土結(jié)構(gòu)耐久性必須領(lǐng)悟“可持續(xù)發(fā)展”設(shè)計(jì)的新觀念。只有用“綠色耐久性”的全新理念指導(dǎo)混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、施工與維修等各個環(huán)節(jié), 才能合理地延長混凝土結(jié)構(gòu)的使用生命,從根本上緩解修補(bǔ)和重建對資金的巨大需求, 最大限度地減少經(jīng)濟(jì)損失, 充分提高資源和能源的利用率, 緩解人類對原本就緊張的資源和能源需求所形成的巨大壓力, 從而保護(hù)環(huán)境, 造福人類。實(shí)施混凝土結(jié)構(gòu)“綠色耐久性”戰(zhàn)略, 提高混凝土結(jié)構(gòu)的綠色含量, 或加大其綠色度, 節(jié)約更多的資源、能源, 將對環(huán)境的破壞減到最少, 這不僅是為了混凝土結(jié)構(gòu)工程的繼續(xù)健康發(fā)展, 更是人類的生存和發(fā)展所必需, 是大有可為的。

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