謝 敏 ，李志剛 ，蘆敬迪 ，陸洋

（1.商洛學(xué)院化學(xué)工程與現(xiàn)代材料學(xué)院，陜西 商洛 726000；2.陜西省尾礦資源綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 商洛 726000）

1990年10月，在有關(guān)“服務(wù)于人類(lèi)生活、行為的材料與環(huán)境關(guān)系”的國(guó)際討論會(huì)上，“生態(tài)環(huán)境材料”的概念由日本的山本良一提出，并迅速在世界范圍內(nèi)得到普及[1]。該概念的提出將材料和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略緊密地聯(lián)系在了一起，具有可持續(xù)發(fā)展特征的綠色建筑材料迅速成為其研發(fā)的重點(diǎn)[2]。其中，混凝土作為全球用量最大的建材，其研發(fā)重點(diǎn)也開(kāi)始由高強(qiáng)度、高性能轉(zhuǎn)向節(jié)能、環(huán)保。

綠色混凝土的概念最早是由丹麥于1998年提出的，旨在協(xié)助其實(shí)現(xiàn)1997年簽訂的《京都議定書(shū)》中的承諾（2012年將丹麥的碳排放量降低到1.5%）[3]。同年，吳中偉院士[4]提出了“綠色高性能混凝土”的概念，并建議在混凝土制備過(guò)程中注重資源和能源節(jié)約及生態(tài)環(huán)境保護(hù)，為我國(guó)綠色混凝土的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。之后，R·Jin等[5]又將綠色混凝土定義為利用可替代或再生的廢料生產(chǎn)的混凝土，以減少能源消耗、環(huán)境影響和自然資源消耗?？偟膩?lái)說(shuō)，綠色混凝土是一種將環(huán)境考慮因素與原材料采購(gòu)、混合設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、混凝土結(jié)構(gòu)的維護(hù)等結(jié)合起來(lái)的概念，是混凝土未來(lái)發(fā)展的必然趨勢(shì)。

1 綠色混凝土的發(fā)展應(yīng)用

1.1 礦物摻合料混凝土

在混凝土領(lǐng)域，礦物摻合料的應(yīng)用已非常普及，其主要方式是用具有潛在活性的摻合料（如：粉煤灰、磨細(xì)礦渣等）替代部分水泥[6]。其摻入不僅節(jié)約了部分水泥，還使混凝土的水化熱有所減少，孔結(jié)構(gòu)和和易性有所改進(jìn)，有利于其體積穩(wěn)定并增強(qiáng)其耐久性[7]。隨著研究的深入，其應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，摻入比越來(lái)越高，據(jù)報(bào)道，加州大學(xué)的戴維斯教授將粉煤灰摻入其中進(jìn)行系統(tǒng)研究，并將其成功地應(yīng)用在美國(guó)俄馬壩工程；加拿大能源礦產(chǎn)部開(kāi)發(fā)了大摻量粉煤灰混凝土，粉煤灰對(duì)水泥的替代率為55%～65%，且其耐久性和力學(xué)性能均可滿足使用要求[9]；吳建華[10]用25%左右的水泥熟料，摻入70%磨細(xì)的粉煤灰并配合高效減水劑，得到工作性能好、3 d強(qiáng)度高于20 MPa、28 d強(qiáng)度高于50 MPa的混凝土。因此，礦物摻合料的摻入不僅節(jié)省了水泥資源，還減少了環(huán)境污染，這是混凝土綠色化進(jìn)程中非常有意義的成果。

1.2 再生骨料混凝土

再生骨料混凝土是用進(jìn)行了破碎、篩分及清洗等處理之后的廢棄、磚石砂漿及混凝土等替代天然骨料制成的混凝土[6]，是廢棄混凝土資源化利用的重要途徑之一，也是其重要的發(fā)展方向之一，目前已經(jīng)在很多工程上得到了應(yīng)用。相比于天然骨料，再生骨料因棱角較多、針狀物占比過(guò)大、表面有水泥包裹等問(wèn)題，而吸水率高、空隙率大、壓碎指標(biāo)大、表觀密度低，從而導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度低、耐久性差，應(yīng)用范圍受到了限制，目前國(guó)內(nèi)外的再生骨料混凝土大多數(shù)僅用于路基、回填等非結(jié)構(gòu)混凝土[11-13]。近些年，國(guó)內(nèi)外學(xué)者為了彌補(bǔ)其強(qiáng)度低、耐久性差等缺陷，突破其應(yīng)用的瓶頸，引入鋼纖維來(lái)制備鋼纖維再生混凝土。利用鋼纖維的高抗拉強(qiáng)度來(lái)彌補(bǔ)其強(qiáng)度低、裂紋多等缺陷，從而提高其抗拉強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度等性能[14，15]；阻止裂紋的擴(kuò)展并減小裂縫寬度，進(jìn)而提高其韌性[16，17]，同時(shí)提高了其耐久性[18]。

1.3 透水混凝土

透水混凝土是由水泥漿包覆粗骨料而相互粘結(jié)形成的具有蜂窩狀結(jié)構(gòu)的混凝土，屬環(huán)境友好型建筑材料，因其多孔、輕質(zhì)、透水等特點(diǎn)，在“海綿城市”建設(shè)、吸聲降噪及“熱島效應(yīng)”緩解等方面有巨大貢獻(xiàn)[19]，但其強(qiáng)度因骨架孔隙結(jié)構(gòu)而比普通混凝土低。研究結(jié)果表明[20]：透水混凝土應(yīng)用的主要限制因素有：碎石和卵石的選擇，粒徑、級(jí)配的選擇，孔隙率和水灰比等，研究者通常從這些角度研究其性能。Nader Ghafoor[21]研究了其力學(xué)性能和透水性及鋪筑方法；T·Y·Lo[22]等人用X射線系統(tǒng)研究輕骨料對(duì)其性能改善的效果，并利用SEM觀察其微觀變化；但為符合透水要求（透水系數(shù)≥0.5 mm/s），內(nèi)部空隙率較大，其力學(xué)性能難以提升，抗壓強(qiáng)度普遍低于30 MPa，嚴(yán)重制約了其應(yīng)用范圍[23，24]。

1.4 綠化混凝土

綠化混凝土是一種由水泥或膠凝材料、粗骨料及各種添加劑混合制作的特殊混凝土，清華大學(xué)馮乃謙教授將其定義為：“能適應(yīng)綠色植物生長(zhǎng)、進(jìn)行綠色植被的混凝土及其制品”[25]。與普通混凝土相比，因其組分缺少細(xì)骨料而使得內(nèi)部孔隙增多、孔隙率增大，在內(nèi)部填充適當(dāng)?shù)乃?、土壤、養(yǎng)料等，便可以滿足植物及微生物的生長(zhǎng)和生存。因其具有一定的結(jié)構(gòu)防護(hù)作用，加之其具有適應(yīng)生物生長(zhǎng)的特點(diǎn)，被廣泛用于固堤防洪、城市綠化、墻面屋頂綠化乃至固沙綠化等領(lǐng)域[26]。

2 綠色混凝土的性能

2.1 力學(xué)性能

強(qiáng)度是綠色混凝土力學(xué)性能的主要指標(biāo)，且受膠凝材料的種類(lèi)、強(qiáng)度影響較大。張朝暉等[27]研究表明：集料的級(jí)配、強(qiáng)度及粒徑對(duì)其強(qiáng)度影響較大，連續(xù)級(jí)配配制的強(qiáng)度比單一級(jí)配的大；其強(qiáng)度與集料強(qiáng)度成正比，與集料粒徑成反比；高建明等[28]研究表明：綠色混凝土中添加礦物外加劑的可調(diào)整工作性能并改善其力學(xué)性能，且以硅灰、礦渣或礦渣與粉煤灰組合的效果較佳；A·A·Aliabdo等[29]研究表明：石灰可改善粉煤灰混凝土的抗壓強(qiáng)度；張園園[30]研究表明：綠色混凝土中添加石灰石粉可實(shí)現(xiàn)微骨料效應(yīng)、改善和易性，在凝結(jié)時(shí)間一定的情況下提高其強(qiáng)度和抗?jié)B性能。

李秋義等[31]研究表明：混凝土的孔隙率、強(qiáng)度受膠凝材料使用量影響較水膠比更大，膠凝材料使用量與其抗壓強(qiáng)度成正比而與孔隙率成反比；彭華[32]研究表明：在粗骨料和水泥用量一定時(shí)，透水系數(shù)和孔隙率與骨料粒徑成正比，而強(qiáng)度與骨料粒徑成反比；謝新生等[33]采用正交試驗(yàn)研究了綠色混凝土的孔隙率、抗壓強(qiáng)度及主要影響因素，結(jié)果表明：孔隙率＞20%時(shí)，其孔隙率與抗壓強(qiáng)度成反比；Lian C等[34]通過(guò)試驗(yàn)也得出類(lèi)似結(jié)論：其孔隙率與抗壓強(qiáng)度之間存在線性關(guān)系，且兩者成反比；Milani S·Sumanasooriya 等[35]依據(jù)孔隙率及性能要求，研究了骨料尺寸對(duì)其性能的影響，結(jié)果表明：孔隙率和孔徑均與骨料尺寸成正比。

魏林春[36]對(duì)其力學(xué)性能進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：其交界面及有缺陷的薄弱界面受外力作用會(huì)產(chǎn)生細(xì)微裂紋，且細(xì)微裂紋隨著外力的增大會(huì)形成宏觀裂紋，達(dá)到極限后趨于不穩(wěn)定發(fā)展，并指出其雙向抗壓強(qiáng)度約為單向的1.2倍。

此外，除了材料自身影響，攪拌方法及養(yǎng)護(hù)條件對(duì)其力學(xué)性能也存在影響，張朝暉[27]研究表明：相比于一般攪拌方法和室外養(yǎng)護(hù)方法，裹漿法和塑料薄膜覆蓋養(yǎng)護(hù)方法制成的綠色混凝土的力學(xué)性能更高。

2.2 耐久性

混凝土耐久性是指在使用過(guò)程中保證其使用性能及外觀完整性和使用及結(jié)構(gòu)安全的能力，其指標(biāo)主要有抗凍、抗?jié)B及抗侵蝕性能。夏元英和吳智仁等[7，37]認(rèn)為：影響其耐久性的主要因素分為內(nèi)部因素（如：氯離子內(nèi)部侵蝕）和外部因素（如：混凝土外部碳化），并指出若想全面了解其耐久性損傷及演變規(guī)律，應(yīng)同時(shí)進(jìn)行宏觀試驗(yàn)及耐久性分析和多尺度耐久性損傷的數(shù)值模擬試驗(yàn)。

潘志峰[38]采用單面凍融循環(huán)法研究了不同摻合料和不同摻量的綠色混凝土的抗凍性能，結(jié)果表明：礦渣微粉較粉煤灰更利于其抗凍性能的提升，主要是由于礦渣微粉的摻入可以增加C-S-H凝膠及凝膠孔數(shù)量而減少了結(jié)冰孔數(shù)量，從而提高了抗凍性能；粉煤灰與礦渣微粉活性的差異，導(dǎo)致了其水化反應(yīng)速度和時(shí)間及凝膠的生成數(shù)量與結(jié)構(gòu)不同，從而導(dǎo)致了其抗凍性能的差異；Yang J等[39]研究發(fā)現(xiàn)：綠色混凝土的抗凍性能與凍融循環(huán)次數(shù)成反比。

李秋義等[31]研究了綠色混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性，其結(jié)果表明：膠凝材料使用量、孔隙率及水膠比均會(huì)影響該性能，且該性能與膠凝材料使用量成正比；孔隙率一定時(shí)，與水膠比成反比；而膠凝材料使用量一定時(shí)，與孔隙率成反比。潘文佳等[40]對(duì)硫酸鹽干濕循環(huán)侵蝕作用下的耐久性進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：孔隙率一定時(shí)，該性能與骨料粒徑成反比；水膠比介于0.25～0.29時(shí)，與凈漿水膠比成正比；礦粉摻量介于20%～40%時(shí)，與礦粉摻量成反比。

2.3 植生性能

綠色混凝土的孔隙率、平均孔徑以及孔隙內(nèi)水環(huán)境pH值對(duì)其植生性能起決定性作用，而其孔結(jié)構(gòu)特征受到粗骨料粒徑與水膠比的影響較大。蔣昌波等[41]研究表明：孔隙率及平均孔徑有利于植物生長(zhǎng)，且與粗集料粒徑成正比；Malhotra V M等[42]研究了植物生長(zhǎng)對(duì)綠色混凝土的影響，結(jié)果表明：草根穿透其孔隙后由土向四周擴(kuò)展，不會(huì)產(chǎn)生膨脹破壞，有良好的穿透穩(wěn)定性；聶麗華[43]與樊建超等[44]對(duì)其生物學(xué)特性和植物相容性進(jìn)行了研究，介紹了適宜植物生長(zhǎng)的混凝土的結(jié)構(gòu)特性、組成及植生性能等，為其植生性能的研究提供了參考。

植生混凝土從構(gòu)造來(lái)看，可分為孔洞型、孔洞型多層結(jié)構(gòu)和孔洞型連續(xù)型等3種形式[45]。而戢文占等用多孔混凝土的配合比設(shè)計(jì)，采用大顆粒級(jí)粗骨料，預(yù)留20%～30%的連通孔隙，在孔隙內(nèi)填充營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，為綠色植物生長(zhǎng)提供空間，在混凝土表面覆蓋一層薄土，為植物提供營(yíng)養(yǎng)的供給和保水作用[46]。

2.4 環(huán)境協(xié)調(diào)性

環(huán)境協(xié)調(diào)性指混凝土在整個(gè)生產(chǎn)、使用至廢棄的整個(gè)過(guò)程中，其資源和能源消耗少，環(huán)境污染小，循環(huán)再生率高等[47]。綠色混凝土使建筑的使用周期整體延長(zhǎng)，因此在很大程度上降低了維護(hù)及拆遷混凝土金額購(gòu)得費(fèi)用，同時(shí)也節(jié)約資源消耗，使混凝土實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展[48]。大連理工大學(xué)的王立久、汪振雙等人提出了生態(tài)混凝土技術(shù)，指出綠色生態(tài)混凝土是一類(lèi)具有特殊結(jié)構(gòu)和表面特征的混凝土，以減少環(huán)境負(fù)荷，與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展，為環(huán)保做貢獻(xiàn)。它分為環(huán)境友好型和生物協(xié)調(diào)型生態(tài)混凝土兩類(lèi)，可以適應(yīng)生物成長(zhǎng)、調(diào)節(jié)生態(tài)平衡及裝點(diǎn)環(huán)境[49]。

3 綠色混凝土的發(fā)展建議

根據(jù)目前綠色混凝土的研究及應(yīng)用情況，結(jié)合綠色循環(huán)發(fā)展的內(nèi)涵，認(rèn)為其未來(lái)的發(fā)展應(yīng)著重開(kāi)展以下幾個(gè)方面的工作。

（1）正確認(rèn)識(shí)綠色混凝土的定義及內(nèi)涵，不能僅局限于對(duì)水泥和骨料的替代，而應(yīng)從資源、能源、環(huán)境和生態(tài)4個(gè)方面來(lái)全面分析其生態(tài)能力和環(huán)保效果，突出其環(huán)境和生態(tài)效益；

（2）加快綠色混凝土的表征方法的建立，加強(qiáng)其工程應(yīng)用數(shù)據(jù)的收集，以彌補(bǔ)相應(yīng)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)與相關(guān)規(guī)范的缺失；

（3）建立綠色混凝土研究集群以鼓勵(lì)其產(chǎn)品制備和應(yīng)用實(shí)踐的持續(xù)創(chuàng)新，簡(jiǎn)化其制備方法、提升其產(chǎn)品性能、降低其生產(chǎn)成本，從而提高其市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，拓展其應(yīng)用前景。

綜上所述，綠色混凝土應(yīng)用的未來(lái)趨勢(shì)是多樣的，需要更多的研究成果及政策來(lái)促進(jìn)其應(yīng)用。

4 結(jié)論

在我國(guó)建筑行業(yè)快速發(fā)展的背景下，我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)工程依然依賴于大量混凝土的使用。綠色混凝土具有重要意義的同時(shí)，更需要以科學(xué)的工程理論對(duì)混凝土進(jìn)行開(kāi)發(fā)和使用，提高混凝土的綜合性能和使用壽命，進(jìn)而推動(dòng)綠色混凝土、綠色建筑快速和可持續(xù)發(fā)展。綠色混凝土經(jīng)過(guò)近些年的發(fā)展，已經(jīng)在實(shí)際工程中有了一些應(yīng)用，譬如在大面積綠化工程中，用于植被綠化的固沙、故土等材料，透水性混凝土還用于改變城市地表完全與土壤隔離的窘境，讓雨水迅速下沉補(bǔ)充地下水，綠色混凝土有著遠(yuǎn)大的發(fā)展前景，也唯有從混凝土全周期過(guò)程中實(shí)現(xiàn)能源、資源的節(jié)約，降低建筑污染的產(chǎn)生，回收利用生產(chǎn)廢料，才是混凝土發(fā)展正確的發(fā)展方向，是通向未來(lái)綠色環(huán)保新型社會(huì)的唯一途徑[50]。

總而言之，作為最大宗建筑材料混凝土未來(lái)發(fā)展的重要方向之一，綠色混凝土的發(fā)展是整個(gè)行業(yè)實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn)和循環(huán)發(fā)展的必由之路，也是實(shí)現(xiàn)能源、資源節(jié)約和環(huán)境保護(hù)的唯一途徑。但在其自身性能提升、配套技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用推廣方面還存在著許多問(wèn)題，需要廣大工作者共同努力。同時(shí)，新技術(shù)的不成熟必然會(huì)提高混凝土的價(jià)格，較高的研發(fā)費(fèi)用也讓很多企業(yè)對(duì)綠色混凝土望而卻步。那么在注重“綠色”的同時(shí)如何改善綠色混凝土的經(jīng)濟(jì)性，將會(huì)成為綠色混凝土發(fā)展的又一新的難題。