防水之家讯：1 前言
据资料统计，全世界水泥年产量已达到11.5亿吨，混凝土年使用量大约为70亿吨，可以说混凝土是人类与自然界进行物质与能量的交换活动中消费量较大的一种材料，所以混凝土的生产与使用，以及其本身的性能极大地影响着地球环境、资源、能源的消耗量及其所构筑的人类生活空间的质量。
长期以来人类只注意到混凝土为人类所用，给人类带来了方便和财富的一面，却忽略了混凝土给人类和地球带来负影响的另一面。随着时代的进步，人类对生产效率、生活的方便性与舒适性的要求越来越高，为了满足人类日益增长的需求，长期以来从事混凝土理论科学与实际工程的研究人员，不断探索，从素混凝土到钢筋混凝土、预应力混凝土；从干硬性混凝土到塑性混凝土、高流态混凝土以及高性能混凝土；从手工搅拌、现场搅拌到机械搅拌的商品混凝土；从人工插捣、机械振捣，到泵送、自密实混凝土等，混凝土的理论与技术不断趋于成熟。然而，这些研究的目的大多是为了满足人类单方面的需求，而对于如何考虑自然环境的因素，使混凝土的生产和使用有利于环境保护和生态平衡，尽量减轻给环境造成的负担，从自然、环境、生态平衡的角度出发的研究很少。
进入21世纪，保护地球环境，寻求与自然的和谐，走可持续之路成为全世界共同关心的课题。作为人类最大量使用的建设材料，混凝土是一把双刃剑，必须以辩证哲学的观点来对待。混凝土今后的发展方向必然是既要满足现代人的需求，又要考虑环境的因素，减轻对地球环境的负荷，有利于资源、能源的节省和生态平衡。环保生态型混凝土是21世纪混凝土的未来和发展方向。
1 混凝土带来的环保生态问题
20世纪以来，随着科学技术的飞速发展，石油、化工、汽车以及土木建筑工程的蓬勃发展，人类的生活质量得到了极大的提高，同时也造成了各种严重的地球环境问题。人类面临着资源枯竭和能源危机，地球温暖化，臭氧层破坏，土地沙漠化，野生动物种类减少，热带雨林减少，酸雨范围扩大等环境问题日益严重，大气、水质与土壤污染，噪音、振动等公害给人类的生活带来了极大的危害和损失。而混凝土材料的生产混凝土与混凝土施工与使用是造成这些环境问题与公害的原因之一。
混凝土材料给环境带来的负荷主要表现在以下几个方面：混凝土的主要组成材料之一是水泥，大约占混凝土重量的1/5。在制造水泥时石灰石分解生成石灰（CaO），同时排出具有温室效应的CO2气体，生产1吨水泥大约要排出1吨CO2气体。同时水泥的烧成反应所需要能量在我国是由化石类燃料燃烧获得的，每烧制1吨水泥熟料耗标准煤178kg，由此还将产生CO2和SOX等有害气体，以温室效应和酸雨的形式增加对地球环境的负荷。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1/10，是产生温室效应气体的大户。其次，混凝土体积的70～80%为砂石骨料。为取得这些原材料，需要开山或挖取河床，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。混凝土浇注使用的模板还有相当大部分采用木模板，消耗大量的森林资源，造成热带雨林的破坏，间接地影响野生动物的生息环境和生态平衡。在混凝土的运输与施工过程中，除了要消耗大量的能量之外，还产生振动和噪音，是城市公害的主要来源。据调查，城市噪音的1/3来自于建筑施工，其中混凝土的振动占主要部分。
再就混凝土本身的特性来看，质地脆硬，颜色灰暗，给人以粗、硬、冷的感觉，由混凝土所构成的生活空间色彩单调，缺乏透气性、透水性，对温度、湿度的调节性能差，在城市大密度的混凝土建筑物和铺筑的道路，使城市的气温上升，因此有人把现代城市称为“灰色的热岛”或“都市沙漠”。
因此，21世纪的混凝土不仅要满足作为结构材料的要求，还要尽量减少给地球环境带来的负荷和不良影响，能够与自然协调，与环境共生。这是实现土木建筑工程可持续发展的重要一环。
2 混凝土前沿科学的哲学思考
混凝土的发展经过了3个质的飞跃，每个飞跃都意味着混凝土科学向前又迈出了重要的一步，都极大地提高了混凝土科学和技术的发展。
第一，波特兰水泥的问世。波特兰水泥的产生标志着真正意义的水泥混凝土的问世。
第二，外加剂的出现。高效减水剂降低了混凝土中水泥的用量，提高了混凝土拌和物的工作性，提高了混凝土的强度、密实度及耐久性；引气剂通过在混凝土中引入均匀细小的密闭气泡，极大地提高了混凝土的抗冻性和耐久性；促凝剂和缓凝剂使混凝土的凝结时间更容易被我们所控制……自此，混凝土的强度、耐久性等性能有了极大的提高，标志着现代混凝土的出现；
第三，第六组相的研究。第六组相指的就是掺合料作为辅助胶凝材料的使用。粉煤灰具有形态效应、火山灰效应和微集料填充效应，作为掺合料掺入混凝土中，能改善混凝土的性能；矿渣是玻璃体，自身就能发生水化反应，能提高混凝土的强度；硅粉能极大地提高混凝土的强度和耐久性……这些矿物本来都是一些工业废料，利用到混凝土中不仅降低了污染，降低了混凝土的水泥用料，而且提高了混凝土的性能。这标志着混凝土朝着环保生态型发展。
正是基于以上哲学思考，我们提出了环保生态性混凝土。
3 环保生态型混凝土研究
环保生态型混凝土是指既能减少对地球环境的负荷，同时又能与自然生态系统协调共生，为人类构造舒适环境的混凝土材料，包括减轻环境负荷型和生态型两大类。
如上所述，混凝土的大量生产和使用一方面给人类提供了丰富多彩、便捷的生活设施，同时也给地球环境和生态平衡造成了不良的影响。为了实现可持续发展的目标，将混凝土对环境造成的负荷控制在最小限度之内，混凝土材料的研究、生产和应用必须考虑环境因素。
3.1 减轻环境负荷型混凝土
减轻环境负荷型混凝土是指在混凝土的生产、使用直到解体全过程中，能够减轻给地球环境造成的负担。这类混凝土包括在生产阶段使用免烧水泥和混合材料，减少由于煅烧水泥而产生的CO2气体排放量；采用工业废渣制造轻骨料，或再生利用废弃的混凝土代替天然骨料，节省天然的矿物质资源，同时减轻固体废渣对环境的污染，即在混凝土建筑物解体时，将废弃的混凝土再生利用，或开发能够消解、消化混凝土的技术，减少固体垃圾量。在混凝土的施工过程中，采用免振捣、自密实混凝土，减少施工噪音。此外，开发研究高耐久性的混凝土，延长结构物的使用寿命，也是减少混凝土的生产量，实现减轻环境负荷的重要途径。
有关这类混凝土的开发与研究，在我国已有几十年的历史，从利用高炉矿渣、粉煤灰等工业废渣作为水泥的混合材料和混凝土的掺合料，到开发、利用高流态、自密实、高性能混凝土，均属于减轻环境负荷型混凝土。
3.2 生态型混凝土
生态型混凝土即能够适应生物生长、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混凝土材料。有关这类混凝土的研究和开发还刚刚起步，它标志着人类在从事土木工程活动，生产和使用混凝土材料的过程中，要保护地球环境，维护生态平衡的意识更加强烈了，对自已在建筑材料方面的开发研究工作提出了更高的要求。
开发研究减轻环境负荷型混凝土的出发点，是人类承认最大宗的建筑材料——混凝土的生产和使用给环境带来负担是不可避免的，与此同时，面对大量产生的工业垃圾和混凝土给地球环境带来的负面的影响，以尽量减轻这种危害的程度为目标所进行的种种努力和尝试，在对待混凝土与环境的关系上应该说是一种被动的行为。而生态型混凝土的提出，是人类在处理混凝土材料与环境的关系中更加积极的、主动的态度。它的目标是混凝土不仅仅作为建筑材料，为人类构筑所需要的结构物建筑物，而且它是与自然融合的，对自然环境和生态平衡具有积极的保护作用。
3.2.1 透水、排水性混凝土
传统的结构用混凝土都要求其不透水性，以满足强度和抗渗、抗冻等耐久性的要求。所以城市地表面的大约80%被不透水、不透气的混凝土建筑物和道路覆盖。这种状况带来的不良影响有以下几点：
第一，在集中降雨季节加重了城市排水系统的负担，容易造成内涝和道路积水，影响正常的交通和城市居民的生活；
第二，市区的地下土壤水分得不到应有的补充，地下水位降低，使地表植物的生长受到影响；
第三，由于地表面缺乏透气性和透水性，调节空气温度、湿度的能力降低，城市尤其是市区的局部气候恶化，生态平衡失调。
而排水性、透水性混凝土与传统的混凝土相比，最大的特点是具有15～30%的连通孔隙，具有透气性和透水性。将这种混凝土用于铺筑道路、广场、人行道路等，能够扩大城市的透水、透气面积，增加行人、行车的舒适性和安全性，减小交通噪音，对调节城市空间的气温和湿度，维持地下土壤的水位和生态平衡具有重要作用。
3.2.2 生物适应型混凝土
普通的混凝土由于其组成材料之一的水泥在水化时将产生占水泥石体积20～25%的Ca(OH)2，使得混凝土呈强碱性，pH值高达12～13。这种碱性对用于结构物的钢筋混凝土来说是有利的，具有保护钢筋不被腐蚀的作用。但对于道路、港湾、护岸用混凝土构件等，这种碱性不利于植物和水中生物的生长，所以开发低碱性、内部具有一定的空隙，能够提供植物根部或水中生物生长所必须的养分存在的空间。适应生物生长的混凝土是生态混凝土的一个重要研究方向。
3.2.3 绿化、景观混凝土
传统的混凝土色彩灰暗，表情呆滞，给人以生硬、粗糙、灰冷的视觉效果。人们生活在被钢筋混凝土填充的城市中，感到远离自然，缺少生活情趣。所以开发能够植被的绿化混凝土，用于城市的道路两侧及中央隔离带、水边护坡、楼顶、停车场等部位，可以增加城市的绿色空间，调节人们的生活情绪，同时能够吸收噪音和粉尘，对城市气候的生态平衡也起到积极作用。此外，各种造型及色彩的混凝土构件，用于路旁栏杆、园林结构物等，可起到美化城市，丰富景观的作用。
4 混凝土前沿研究方向
混凝土技术的发展必须与土木工程相结合混凝土是最大宗和最重要的建筑材料，无论是水利、铁道、道路、桥梁和建筑工程都缺不了混凝土。随着建设的发展，混凝土越来越重要。从上世纪80年代初，我国水泥和混凝土材料被纳入材料科学的范畴。材料科学研究材料的组成、结构与其性能的关系。近代材料科学的理论和先进的测试方法已引入混凝土的研究，使混凝土科学逐步建立在近代科学方法的基础上。
混凝土看起来是一种简单的常用材料，而且是一种传统的老材料，但它与金属、高分子材料、甚至玻璃陶瓷不同，它是一种多相、多孔、非常不匀质的材料，它的结构比匀质材料复杂的多。材料科学已进入分子、原子级的微观世界，而混凝土内既有大到cm级的集料，还有小到μm级的孔和水泥水化物。因此，材料科学的一些基本理论往往不能直接用于混凝土材料，它的一些理论和概念以及近代测试方法对混凝土学起着指导和启迪的作用。另外一方面，混凝土作为一种重要的建筑材料又与土木建筑工程结构和施工密切相关。混凝土的质量和耐久性直接影响钢筋混凝土结构的安全度和耐久性。因此，混凝土材料科学又是土木工程学的一个分支，这已成为影响混凝土技术发展的一个因素，必须妥善解决。
在目前我国高校学科分类体系中，水泥和混凝土材料人才主要在材料科学与工程学科中培养，其主要基础课程是与金属、高分子甚至纳米材料是一样的，基本上不涉及土木工程方面的知识。而土木工程学科的建筑材料课程越来越不被重视。我国现有的从事土木工程设计和施工的技术人员基本上不太热衷混凝土，从事混凝土专业的技术人员又不了解土建工程。现在已经看出这种情况严重的影响混凝土技术的发展和混凝土工程质量。
在混凝土工程蓬勃发展的今天，混凝土学科技术的发展必须密切与土木工程相结合。混凝土材料科学又与水泥材料学密不可分，甚至可以说水泥材料学应该是混凝土材料学中重要的组成部分，因为水泥材料学毕竟是为混凝土服务的，混凝土材料学更不能不以水泥材料学作为重要基础。现在知识信息不断更新，应该大力提倡，甚至呼吁土木工程技术人员适当补学一些混凝土材料学，混凝土材料技术人员适当学习一些土木建筑知识。互补不足，培养一批既懂结构又懂材料(当然有主次之分)的新型高级技术人才。
从科研情况来看，混凝土是一门应用科学，国家拨款资助的科研项目日趋减少，而工程建设部门要求进行的项目日趋增多，看来这是一个顺理成章的趋势。因此混凝土科研人员必然要从事密切结合重大工程项目的研究，这些研究成果又直接应用于工程，与工程质量和耐久性密切相关，这些项目的完成又必须与设计和施工人员合作。近年来越来越多地出现混凝土过早破坏和混凝土质量事故(包括裂纹)的诊断和弥补工作。这类任务必须由土建人员和材料人员共同完成，缺一就容易造成片面甚至造成错误。由此可见，混凝土科学和技术已经发展到了这样一个阶段：混凝土材料与土木工程结构和施工相结合的问题急需提到日程上来了。
5 结语
在过去的100多年中，混凝土作为用量最大的建筑材料，为人类建造了大量的用于生产、生活、交通、娱乐等基础设施，可以说，20世纪混凝土为建造人类的物质文明立下了汗马功劳。然而，混凝土的生产与使用也给地球带来了不可忽视的副作用。随着时代的进步，人类要寻求与自然和谐、可持续发展之路，对混凝土也不再仅仅要求其作为结构材料的功能，而是在尽量不给环境增加负担的基础上，进一步开发对保护环境，对人类与自然的协调能起到积极作用的环保生态型混凝土，这是时代的要求，是混凝土材料发展的必然趋势。
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