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天津市市政工程质量检测中心

天津市交通科学研究院——天津市市政工程质量检测中心

 
 
 

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天津市市政工程质量检测中心隶属于天津市交通科学研究院(原天津市市政工程研究院,2015年4月起更名),为独立事业法人单位,是从事市政、公路、桥梁、房建工程材料和实体的质量检测、鉴定验收、法律仲裁、技术咨询的综合性第三方专业检测服务机构。

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生态混凝土研究概述  

2015-08-11 08:40:40|  分类: 混凝土外加剂 |  标签: |举报 |字号 订阅

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本文转载自独上高楼《生态混凝土研究概述》

引言

进入21世纪,人类社会面临前所未有的三大严重问题,即人口急剧增长、资源和能源过度消耗、环境日益恶化,严重威胁着社会经济 的可持续发展和人类自身的生存。走可持续发展道路已成为全世界的共识。可持续发展的主要方面是:在减少对环境污染的同时,通过保护和减少浪费来更有效地利 用能源和材料。作为21世纪用量最大的建筑材料----- 商品混凝土,与上述的资源、环境问题密切相关:

(1)商品混凝土的生产要消耗大量能源和资源。据统计我国每年要开采50亿t以上的矿物质材料来生产水泥和商品混凝土,为此将破坏自然景观,改变河床位置及形状,造成水土流失或河流改道等严重后果。另外,生产水泥和砂石的开采、破碎及运输过程也都需要耗费大量能量。

(2)生产水泥时,会排放出CO2等有害物质。目前全世界每年CO2的排放量大约为100亿吨,其中由于生产水泥而产生的CO2气体约占10%,是产生温室效应的主要原因。

(3) 为了达到高强度和耐久性的要求,传统的商品混凝土始终在追求其结构的密实性。目前城市表面80%以上的面积被建筑物和商品混凝土路面覆盖,这种密实结构的 商品混凝土缺乏透气性和透水性,对空气的温度、湿度的调节能力差,使城区的温度比郊区和乡村高2-3℃,产生所谓的“热岛效应”。雨水长期不能渗入地下, 造成城市地下水位下降,影响地表植物的生长,绿色面积减少,生态系统失调。

由上可见,商品混凝土工业要实现健康可持续发展必须节约资源、能源、减少对环境的污染,发展生态商品混凝土;也就是说,不仅要提高商品混凝土的使用寿命,使其具有优良的环境协调性,降低对环境的负荷,还要考虑自然循环、生物保护和景观保护等生态问题。

一 生态商品混凝土的概念及分类

生态商品混凝土是能够适应动、植物生长、对调节生态平衡、美化环境景观、实现人类与自然的协调具有积极作用的商品混凝土材料生态商品混凝土可分为环境友好型(减轻环境负荷型)生态商品混凝土和生物相容型(环境协调型)生态商品混凝土两大类。

所 谓环境友好型生态商品混凝土,是指在商品混凝土的生产、使用直至解体全过程中,能够降低环境负荷的商品混凝土:生物相容型生态商品混凝土是指能与动植物等 生物和谐共存、对调解生态平衡、美化环境景观、实现人类与自然协调具有积极作用的商品混凝土。根据用途,这类商品混凝土可分为植物相容型生态商品混凝土、 海洋生物相容型生态商品混凝土、淡水生物相容型生态商品混凝土以及净化水质型生态商品混凝土等。

二研究现状

(一)减轻环境负荷型生态商品混凝土

减 轻环境负荷型商品混凝土,是指在生产、使用直到解体过程中,能够降低环境负担或通过改善其性能来降低环境负担的商品混凝土。从利用高炉矿渣、粉煤灰等工业 废渣作为水泥的混合材料、商品混凝土的掺合料,到开发利用高流态、自密性、高强度、高性能商品混凝土,从再生骨料商品混凝土到具有吸音性、调温功能、能够 吸收有害气体以及能储蓄热量的商品混凝土,均属于减轻环境负荷型商品混凝土。下面仅介绍几种。

1)再生骨料商品混凝土

再 生商品混凝土(Recycled Concrete)或再生骨料商品混凝土(Recycled Aggregate Concrete,RAC ),是指将废弃的商品混凝土块破碎后清洗分级作骨料(称再生骨料Recycled Aggregate,RA),部分或全部代替天然骨料(砂、石),按一定配合比配置成的商品混凝土。相对于再生商品混凝土,用来生产再生骨料的商品混凝土 称原生商品混凝土或基体商品混凝土(Original Concreet )。

全世界每年商品混凝土使用量大约为20亿立方米,砂石用量 要在34亿吨以上,这个数字相当惊人,而同时,从1991年到2000年,全世界废弃的商品混凝土总量超过了10亿吨。开采天然骨料对自然环境造成了严重 的破坏,落后的废弃商品混凝土处理方法造成了资源的极大浪费。而再生商品混凝土技术既能解决废旧商品混凝土的处置问题,又能节省天然砂石,同时带来社会效 益、经济效益和环保效益,被认为是发展绿色商品混凝土,实现建筑资源环境可持续发展的主要措施之一,因此,许多国家都相继进行研究,并取得了很多的成果。

2)透水性商品混凝土

与普通的水泥商品混凝土路面相比,透水性道路能够使雨水迅速地渗入地表,还原成地下水,使地下水资 源得到及时补充,保持土壤湿度,改善城市地表植物和土壤微生物的生存条件;同时透水性路面具有较大的孔隙率,与土壤相通,能蓄积较多的热量,有利于调节城 市空间的温度和湿度,消除热岛现象;当集中降雨时,能够减轻排水设施的负担,防止路面积水和夜间反光,提高车辆、行人的通行舒适性与安全性;大量的孔隙能 够吸收车辆行驶时产生的噪声,创造安静舒适的交通环境。

(二)生物相容型生态商品混凝土

1) 植生商品混凝土

植 生商品混凝土是指能够适应绿色植物生长的多孔商品混凝土。商品混凝土内部存在许多连续的空隙,使其具有良好的透水、透气特性,施工时,只要在商品混凝土块 的孔隙中充填腐植土、种子、缓释肥料、保水剂等混合材料,草籽就可生根、发芽,并穿透到土壤中生长,从而可以大大改善周围大气的环境。同时,利用其多孔, 透水透气性,不仅可使微生物及小动物在其凹凸不平的表面或连续空隙内生息,保持了生物的多样性,具有显著的生态效应;还可成功地解决常规硬化路面存在的散 热少、无呼吸、雨水聚积成涝等问题.可以减轻市政排水设施负担,使地下水得到及时补充,避免造成地下水位明显下降等严重问题。其结构原理如下图1-2所 示:

关于植生商品混凝土的研究,最早发生于20世纪90年代初期的日本,近年来,我国的梅道亮等人研究成了既能与岩石坡 面粘合、防止表面冲蚀,又能适宜植物发芽和生长的复合植生多孔商品混凝土,取得了较好的效果;奚新国等人以粉煤灰为主要原料配制了低碱度生态商品混凝土也 满足了商品混凝土低碱、多孔适应植物生长的要求。前不久,上海引进的一种新型植生长型商品混凝土,也首次在嘉定西虬江护坡上亮相,河道护堤的商品混凝土上 长满郁郁葱葱的嫩草,既可满足河道护坡的硬度要求,又能够为河道景观添绿。

由于环境保护的需要,水土保持、水质净化和退化生态环境的修复 和重建得到了世界各国的重视。为了恢复生物的多样性,日本、德国等国家采用植生型多孔商品混凝土对破坏了的生态环境进行修复和重建,如用于河道护岸、沟渠 驳岸等的修建和恢复中。国内对植生型多孔商品混凝土的研究还处于起步阶段,除了吉林省水利实业公司与三峡大学合作做了一些研究,并配置出利用建筑废砖石作 骨料,抗压强度为5-20MPa以及利用选定粒径的碎砖石作骨料,抗压强度为1.6-2.7MPa的植生型多孔商品混凝土之外,国内对这方面的研究几乎是 一片空白。与此类似的是,最近江苏省盐城工学院开展了对生态友好型多孔陶粒植被商品混凝土的研究工作,并取得了一定的进展。

2)净化水质生态商品混凝土

净 化水质,不让污水污染环境是急待解决的全球性环保问题。应用于污水处理的生态商品混凝土是一种多孔商品混凝土(Porous Concrete),利用多孔商品混凝土外表面对各种微生物的吸附,通过生物层的作用产生间接净化功能,将其制成浮体结构或浮岛设置在富营养化的湖河内净 化水质,使草类、藻类生长更加繁茂,通过定期采割,利用生物循环过程消耗污水的富营养成分,从而保护生态环境。关于这一课题,国外的研究相当活跃:文献报 道日本长崎大学于1994年起进行实海现场试验,将直径lm高0.5m的有孔试块l0个一组地投入海中,并于1995年2月至1996年2月每月实测一次 水质变化,发现生态商品混凝土有富集营养物质的功能。近来,受国外科技成果启发,我国同济大学材料科学与工程学院从1997年起开始研究生态商品混凝土材 料,并成功研究开发了实用性很强的小型生活污水处理装置,其是一种沉淀、过滤、曝气三合一的预处理装置,在沉淀的同时进行过滤和曝气,污水中的固体物质可 去除90%以上。

3) 海洋生物适应型商品混凝土

所 谓海洋生物适应型商品混凝土,即能够营造出适合于生物生长生息的空间或空隙,能够为海藻类生物提供合适的附着表面,并能在商品混凝土表面增殖,商品混凝土 周围的水质对生物的生长没有不良影响。同时还需考虑商品混凝土的组成、溶解性、颜色、PH值、表面粗糙度、附着性、透光性等因素。此外,商品混凝土结构物 周边的水流、波浪、遮光性等环境条件对生物的生息以及聚合物的生息以及聚集等均有影响。

目前开发并已经实际应用的海洋生物适应型商品混凝 土有人工礁石,这种多孔商品混凝土礁石放置在海洋之中,附着在表面的海藻类数量是普通商品混凝土块的2-3倍,且海藻生长茂盛。此外还有用于淡水域的河 床、护岸等商品混凝土构件,构件的表面做成凹凸不平的形状,使之尽量接近自然状态的河床、河岸的状态,为水中的藻类、植物提供根部附着的场所,为鱼类提供 水中生息和避难的场所。在日本,现已有大量的这种人工渔礁,由于在材料上采用了生态、环保、高耐久性的商品混凝土材料,应用二十余年的人工渔礁仍完好无 损。我国科学家已在辽宁省沿海进行了人工礁石的研究:根据鲍鱼生长特征设计了专用人工礁石,在配制商品混凝土的过程中,考虑到商品混凝土中掺入微量元素对 海洋中藻类附着非常有利,经多次试验确定了微量元素的含量,同时,考虑到礁石在海洋环境中的耐久性,对工艺制作、配比优化、海岛特殊环境下的养护条件、商 品混凝土在海流冲刷下的长期稳定性等进行了大量研究。

三 研究意义及发展趋势

商品混凝土材料的生态化是人类对商品混凝土 这一传统建筑材料的迫切需求,也是未来商品混凝土材料可持续发展的目标。生态商品混凝土是传统商品混凝土材料走可持续发展之路保护生态环境与可持续发展观 在建筑材料方面的具体体现和必然选择。因此,生态商品混凝土正向着智能化、规模化、理论化、体系化和集成化方向发展。

1)生态商品混凝土智能化:生态商品混凝土智能化集生态商品混凝土和智能商品混凝土的双重特性。

2)生态商品混凝土规模化:生态商品混凝土规模化产生的经济化是促进生态商品混凝土推广的有效途径。

3)生态商品混凝土理论化:生态商品混凝土不同于传统商品混凝土,传统商品混凝土的理论无法指导生态商品混凝土的研究,其理论尚待进一步研究。

4)生态商品混凝土体系化:生态型商品混凝土是集岩石工程力学、生物学、土壤学、肥料学、硅酸盐化学、园艺学、环境生态和水土保持学等学科于一体的综合交叉学科,体系化是生态商品混凝土发展的必然趋势。

我 国生态环境恶化的趋势主要表现在水土流失日趋严重,荒漠化土地面积不断扩大,草地退化、沙化和碱化面积逐年增加,生物多样性受到严重破坏。生态商品混凝土 具有调节生态平衡、美化环境景观、实现人类与自然的协调具有积极的作用。在解决地球环境问题、转变人类发展观念、改善人居环境、净化水污染以及废物利用等 方面比普通商品混凝土具有非常优越的条件,因此研究和开发新型生态商品混凝土具有很大的现实意义。

由上述可见,生态商品混凝土的开发和应 用越来越受到关注,本课题所开发的生态商品混凝土主要具有生态护坡和生物共存两个方面的功能。主要体现在具有护坡功能的同时,因自身的多孔结构(孔径、孔 隙率比较大),还能被使用为植被基础、水边、水质净化。然而,耐久性研究是这种生态商品混凝土结构具有一定的实用价值的前提条件,只有当它的耐久性满足工 程实际要求时,才能被工程所接受。因此,对其耐久性的行为进行详细的理论分析和试验研究,科学的鉴别其耐久性的优劣至关重要。

1、本课题中所进行的试验参考普通商品混凝土试验规范,以再生骨料和掺加大量粉煤灰为主要原料,配制生态商品混凝土

2、由于生态商品混凝土直接与大自然相接触,由于自身的特点以及特殊的作用和功能,同时将抗冻性研究作为耐久性分析的最重要的一面,研究生态商品混凝土各个方面的性能。

3、以生态商品混凝土的性能研究为依据,对生态商品混凝土的配制进行优化。

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