混凝土低碳建筑论文
1引言
1.1普通混凝土的耐久性问题
普通混凝土的耐久性不良现象很多，尤其在较为恶劣的环境下，混凝土达不到设计使用年限的问题更为突出。对于桥梁调查中发现如下现象：(1)有些1982年建成，至今使用24年的桥梁开始出现耐久性劣化病害。(2)1993年建成的京九线63km+846m处及67km+866m处12n跨普通钢筋混凝土T形梁出现梁体侧面露筋现象。(3)京广线有些1898年建成的桥墩，京山线有些1896年建成的桥墩至今还在安全使用。(4)桥梁的墩台、人行道板、栏杆的主要病害为裂纹；梁的主要病害为露筋、钢筋锈蚀和混凝土裂纹。(5)次要构件往往比主要构件裂化严重、速度快。通过分析上面现象可知，构件耐久性与其受力特征有关。对混凝土耐久性起决定作用的因素是混凝土本身的性能和工艺质量。高质量的普通混凝土受压构件。耐久性也可超过100年。一般环境条件下，普通混凝土构件耐久性劣化速度较快，不同构件差距较大，容易造成结构达不到预期使用寿命。
1.2绿色混凝土的优越性
绿色材料的特点包括材料本身的先进性(优质的、生产能耗低的材料)；生产过程的安全性(低噪声、无污染)：材料使用的合理性(节省的、可以回收的)以及符合现代工程学的要求等。绿色材料的研究与应用目前还主要局限在材料的回收和重复利用技术、减少“三废"的材料技术与工艺、减少环境污染的代用材料、环境净化材料可降解材料等方面，但随着环境意识的加强，绿色产品时代将随之到来。绿色混凝土与普通混凝土相比，显示了强大的生命力和显著的优越性。
1.2.1降低混凝土制造时的环境负荷绿色混凝土大量使用工业废料和再生利用固体废物，既节约了资源，又降低了废物的排放量。
1.2.2降低混凝土使用过程中的环境负荷
大流动性免振捣绿色高性能混凝土的使用，减少了环境噪声。高性能、长寿命混凝土材料的研制，可以有效的降低材料的负荷／寿命比，从总体上也是降低材料环境负担的一个有效途径。目前研究较多的还有多孔混凝土、排水性铺装混凝土、吸音混凝土、吸收有害气体混凝土、调湿功能混凝土、储蓄热量混凝土制品等。
1.2.3保护生态、美化环境
绿色混凝土中的生态混凝土指能与动植物和谐共生的混凝土。这类混凝土可以保护生态环境。
1.2.4提高居住环境的舒适和安全性
绿色混凝土中的机敏混凝土融混凝土材料的多种功能于一体。利用电热效应可以对居住环境进行恒温控制；利用其自感知、自调节和自修复功能可有效地对结构进行健康监测、智能控制和修复，提高结构的安全性和使用寿命。我国目前混凝土生产基本实现了工厂化，预拌混凝土生产方式已经普及，为绿色高性能混凝土的发展奠定了物质基础。掺和料和高效减水剂的应用逐步发展，具备了发展和普及绿色高性能混凝土初步的技术条件。但是由于需求及工艺、技术等原因，掺和料应用种类较少，混凝土性能多数处于中低水平，急需绿色高性能混凝土理论和实用技术的指导。而我国目前的绿色高性能混凝土研究工作主要集中在实验室研究上，还没有颁布能够指导实际生产、符合我国混凝土生产企业特点的规范或权威技术文件。这种条件下，企业自身的生产经验犹显珍贵；贴近企业生产实际、充分利用企业现有生产及检验、试验条件的研究工作就是非常有效和必要的了。
2绿色混凝土发展研究
2.1绿色混凝土特点绿色混凝土的特点：(1)降低水泥用量，大量利用工业废料；(2)比传统混凝土具有更好的力学性能和耐久性；(3)具有与自然环境的协调性，减轻对环境的负荷，实现非再生性资源的可循环利用，节省能源，以及有害物质的“零排放"；(4)能够为人类提供温和、舒适、便捷和安全的生存环境。绿色混凝土的环境协调性是指对资源及能源消耗少、对环境污染少和循环再生利用率高。绿色混凝土的自适应性是指具有满意的使用性能，能够改善环境，具有感知、调节和修复等机敏特性。
2.2混凝土绿色化的技术路线
2.2.1大量利用工业废料，降低水泥用量
水泥工业污染严重，不仅产出大量粉尘，还排放有害气体及其它有毒物质。我国是水泥生产大国，2003年全国水泥产量达到8．13亿吨，占全球水泥产量的43％。水泥产量高速增长加速人类生存环境的恶化。在满足工程需要的同时降低水泥用量，是目前的一个严峻而又有挑战性的课题。许多工业废渣，如：粉煤灰、粒化高炉矿渣、煤矸石、硅灰等具有潜在活性，可以部分替代水泥，并可以制备性能更优越的混凝土。利用工业废渣既可降低水泥用量，又可消除其自身对环境的污染，是实现混凝土绿色化的一个重要途径。我国工业废渣数量庞大，仅粉煤灰每年将产出近2亿吨，而煤矸石目前堆放总量已超过30亿吨，尽可能利用这些工业废渣将获得重大的经济效益和社会效益。
2.2.2提高混凝土综合性能
提高混凝土强度、工作性和耐久性也是混凝土绿色化的途径之一。混凝土强度提高，可以减少结构的截面积或结构体积，减少混凝土用量。工作性提高，一方面有助于提高混凝土密实性，另一方面可以减少振捣器的使用，降低环境噪声。提高混凝土耐久性，可以延长结构的使用寿命，节约维修和重建费用，减少对自然资源消耗。近年来，混凝土耐久性成为人们热门话题。人们逐渐认识了混凝土耐久性对节约能源资源、保护环境的意义。延长混凝土工程寿命还可以节约大量资金。根据美国统计，其混凝土基础工程(公路、桥梁、大坝、供水系统等)估计价值约60000亿美元，而每年用于维修和重建费用则高达3000亿美元。当前国内外许多学者都主张延长混凝土工程的设计寿命，如桥梁使用寿命按100~125年来设计，港口工程寿命按100年设计等。
2.2.3使用再生骨料和人造骨料
混凝土制备过程将消耗大量砂石。若以每吨水泥生产混凝土时消耗6~10吨砂石材料计，我国每年将消耗砂石材料48~80亿吨。全球已面临优质砂石材料短缺的问题，我国不少城市亦将远距离运送砂石材料。同时，我国每年拆除的建筑垃圾产生的废弃混凝土约为1360万吨，新建房屋产生的废弃混凝土约为4000万吨，大部分是送到废料堆积场堆埋。因此实现再生骨料的循环利用对保护环境，节约能源、资源意义十分显著。因价格费用原因，用废弃物加工成人造骨料，往往比天然骨料价格贵，但这种情况将很快改变，因为天然骨料日益短缺，而人造骨料的加工技术逐渐完善和高效。德国、荷兰、比利时等国废弃物再生率已达50％以上。德国钢筋混凝土委员会1998年8月提出了“在混凝土中采用再生骨料的应用指南"。日本制定了《再生骨料和再生混凝土使用规范》，并相继在各地建立了以处理混凝土废弃物为主的再生加工厂。2000年要求混凝土的资源再利用率达到90％以上。日本对再生混凝土的吸水性、强度、配合比、收缩、抗冻性等进行了系统研究。近年来，日本开发利用城市下水道污泥生产骨料的技术，这种骨料强度达到了普通河砂的90％，很有利用前景。因为海砂资源丰富，用海砂取代山砂和河砂作混凝土的细骨料，也是解决混凝土细骨料资源问题的有效方法。海砂中含有盐分、氯离子，容易使钢筋锈蚀，硫酸根离子对混凝土也有很强的侵蚀作用。此外海砂颗粒较细，切粒度分布均一，很难形成级配，因此必须先进行适当处理才能使用。目前已经开发出一些对海砂中盐分的处理方法，如：洒水自然清洗法、机械清洗法、自然放置法等。对海砂的级配问题，主要采取掺入粗碎砂的办法进行调整，使之满足级配要求。日本在海砂方面的利用已经达到了工业化生产的阶段，1995年产量达到5000万吨以上。
2.2.4与自然环境协调
为了使混凝土与自然环境相协调，通过混凝土材料的性能、形状或构造等的设计，使其具有降低环境负荷的能力。例如通过控制混凝土的空隙特征和空隙率，可使混凝土具有良好的透水性、吸音性、蓄热性、吸附气体性能等。通过对混凝土性能和色彩的设计，使混凝土与植物和谐共生，这类混凝土包括植物适应型生态混凝土、海洋生物适应型生态混凝土和淡水生物适应型混凝土，以及净化水质生态混凝土等。利用建筑废砖石等材料制成的环保型绿色混凝土护砌材料的研制成功，则实现了在混凝土上长草的愿望，较好的解决了堤防安全护砌与保护自然环境的矛盾。
2.2.5提高混凝土的机敏性，使居住环境更安全
混凝土材料作为各项建筑的基础，其智能化的研究和开发自然成为人们关注的热点。自诊断混凝土、自调节混凝土、仿生自愈合混凝土等一系列机敏混凝土的相继出现，为智能混凝土的研究和发展打下了坚实的基础。机敏混凝土的特点是具有自适应性，能够感知外界环境的变化，并根据外界环境的变化实现自适应控制、调整和修复材料。机敏混凝土材料与智能建筑相结合无疑将为人们提供一个安全、舒适的生活、学习与工作的环境空间。机敏混凝土是智能化时代的产物，它在对重大土木基础设施应变的实时监测、损伤的无损评估、及时修复和减轻台风、地震的冲击等诸多方面有很大的潜力，对确保建筑物的安全和长期的耐久性都极具重要性。
2.3几种已经进入生产领域的绿色混凝土
绿色混凝土作为绿色建材的一个分支，自20世纪90年代以来，国内外科技工作者开展了广泛深入的研究。涉及的研究范围包括：绿色高性能混凝土、再生骨料混凝土、环保型混凝土和机敏混凝土等。再生骨料混凝土，是指用废混凝土、废砖块、废砂浆作为骨料，与水泥砂浆拌和而制得的混凝土。环保型混凝土则是指能够改善、美化环境，对人类与自然的协调具有积极作用的混凝土材料。这类混凝土的研究和开发刚起步，它标志着人类在处理混凝土材料与环境的关系过程中采取了更加积极、主动的态度。目前所研究和开发的品种主要有透水、排水性混凝土、绿化植被混凝土和净水混凝土等。机敏混凝土是指具有感知、调节和修复等功能的混凝土，它是通过在传统的混凝土组分中复合特殊的功能组分而制备的具有本征机敏特性的混凝土。机敏混凝土是信息科学与材料科学相结合的产物，其目标不仅仅是将混凝土作为具有优良力学性能的建筑材料，而且更注重混凝土与自然的融合和适应性。绿色高性能混凝土是混凝土绿色化与高性能化共同发展的产物，它的日益增加的应用能更多地节约熟料水泥；更多地掺加以工业废渣为主的活性细掺料；更大地发挥高性能优势，减少环境污染。
2.4绿色混凝土发展的展望
水泥和混凝土工业别无选择，必须成为绿色工业。未来的混凝土将会以最低的环境影响满足社会经济的需要。至少在2l世纪前半阶段，水泥和混凝土会继续作为世界范围广泛使用的建筑材料，只不过未来混凝土会与现在有所不同。混凝土不在只是简单的使短期利益最大化，而要保持生态平衡，成为长远有利于于人类的材料。未来的掺和料会越来越多，会越来越纯，越来越专业化，所起的作用会越来越明确。绿色混凝土的种类将不断增加，功能不断完善，以适应工程实际的需要。
3绿色高性能混凝土的综合发展及应用
3.1混凝土绿色化与高性能化的综合发展
20世纪90年代吴中伟院士较早提出绿色高性能混凝土的概念。绿色高性能混凝土(GHPC)具有的特征主要包括：(1)更多地节约熟料水泥，减少环境污染；(2)更多地掺加以工业废渣为主的活性细掺料；(3)更大地发挥高性能优势，减少水泥和混凝土的用量。作者认为所谓“绿色高性能混凝土"就是既具有在环境影响上的绿色性特征，又具有生产、应用上的高性能特征的混凝土。国际上尚统称高性能混凝土。就实际应用来看，目前绿色高性能混凝土主要指那些大量利用废渣微粉的高性能混凝土。
3.2绿色高性能混凝土主要生产工艺及其对性能的影响
生产绿色高性能混凝土的一般技术途径是：在常规材料和生产设备、生产工艺的基础上，优化骨料级配，减小孔隙率，采用合理的水胶比和水灰比：采用新型高效减水剂减少混凝土的单方用水量。增大坍落度和控制坍落度的经时损失：采用适当掺量的超细矿物粉料，或超细复合矿物粉掺和料。
3.2.1影响混凝土搅拌质量的因素
混凝土搅拌机的形式和其旋转速度；混凝土搅拌机的加料容量与拌筒几何容积的比率；搅拌叶片和衬板的磨损状况；各种组合材料的加料程序。
3.2.2材料计量
一般计量器自身的精度都能达到0．1％～O．5％，但由于物料下落时的冲击，计量达不到这样的精确度。按照《混凝土搅拌站(楼)技术条件GBl0172-88》的规定。计量误差对混凝土强度影响很大，特别是水灰比计量精度，因为强度与水灰比是线性关系。
3.2.3单阶式搅拌楼工艺流程
单阶式搅拌楼中，材料经一次提升进入贮料斗，然后靠自重下落经过各个工序。砂、石骨料装在地面上的大型贮筒内，经水平、倾斜皮带输送机运送到搅拌楼最高点的回转漏斗中，由回转漏斗分配到预定的骨料贮存斗内。水泥由水泥筒仓经过一条由螺旋输送机和斗式提升机组成的封闭通道进入水泥贮料斗。添加剂和搅拌用水通过泵送入搅拌楼顶部的水箱和添加剂箱。计量开始后，砂、石、水泥、水、添加剂经各自的称量斗按预定的比例称量后进入搅拌机进行搅拌，搅拌好的混凝土被卸入搅拌楼底层的混凝土贮料斗，最后由混凝土贮料斗将搅拌好的混凝土卸入混凝土运输机械中。单阶式工艺流程合理，生产率高，但设备高，因而投资大，一般搅拌楼多采用这种形式。
3.2.4双阶式搅拌站工艺流程
双阶式搅拌站中，物料须经二次提升，骨料、水泥等分别一次提升进入贮料斗，靠重力下落分别进行称量，经二次提升进入搅拌机进行搅拌，搅拌好的混凝土被卸入搅拌站底层的混凝土贮料斗，最后由混凝土贮料斗将搅拌好的混凝土卸入混凝土运输机械中。双阶式物料经两次提升，生产效率低，但设备高度低，投资少，一般搅拌站多采用这种形式。
3.2.5搅拌站(楼)的控制系统
由上位管理计算机、下位控制计算机及通信连接部分组成。上位机系统包括工控微机、键盘、显示器和打印机；下位系统包括可编程序控制器及其扩展模块。上位机主要实现工作过程的实时动态数据监测，使操作人员及时了解整个系统的状态，保存工作参数，统计混凝土产量和物料消耗量，实时提供生产过程中的声光报警和画面，以及各种数据的输入修改等。除屏幕显示外，．还可打印各种表格数据。下位机的主要功能为：对生产流程实现全自动控制。各秤设有调零输入，能自动去除皮重，自动修正落差(落差是指仓门关闭瞬间称量斗中料量和最后稳定时称量斗中料重的差值)。可任意设定仓门开门顺序及选用输送机。具备完整的自锁、互锁功能和报警、停机功能。
3.2.6影响混凝土质量的有关因素
骨料粒径必须在搅拌机许可范围内；控制器室温应保持在25℃以下，以免电子元件因温度而影响灵敏度和精确度。停机前先卸载，将物料全部输送出来，不可残留任何物料；作业后应清洁、冲洗相关系统。称量系统的刀座、刀口应清洗干净，确保称量精度。
3.2.7泵送混凝土的性能要求
胶凝材料含量是影响管道内输送阻力的主要因素，含量不宜过少，一般不宜少于300kg／m3。水灰比或水胶比对混凝土和易性影响较大，而和易性不仅影响混凝土的流动阻力，也影响泵送效率。水胶比小，和易性差，流动阻力大；水胶比过大，泵送时容易造成离析和堵管。砂率过大，骨料的总面积及空隙率增大，使混凝土流动性差，泵送性能差。反之砂浆量不足，影响混凝土的粘聚性和保水性，产生脱水现象，导致堵管。坍落度对混凝土的可泵性影响极大。坍落度低，泵送阻力大，容易堵管；坍落度过高，也容易离析堵管。加气剂、减水剂等外加剂可有效改善混凝土可泵性，但必须注意其合理的掺量。
4结束语
目前高性能混凝土技术的主要发展趋势为高耐久化、高强化、绿色化、高技术化和复合化。绿色混凝土是指对资源和能源消耗少，对环境污染少，有利于维护生态平衡的混凝土。目前已得到实际应用的有：绿色高性能混凝土、再生骨料混凝土、环保型混凝土和机敏混凝土等。其中以绿色高性能混凝土应用最广，产生效益最大。绿色高性能混凝土能更多的节约水泥，更多的掺用工业废料，减少环境污染。目前实际应用的绿色高性能混凝土主要是较多利用硅灰、粉煤灰、矿渣、钢渣等工业废渣生产的高性能混凝土，已经产生了巨大经济效益和环境效益，且有很大的发展潜力。
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