淺談生態環境型水泥和混凝土的最新進展

蘇琳玲

（龍巖市漳平生態環境局，福建 龍巖 364400）

能源危機、資源危機、生態危機等問題的產生，給人類帶來巨大的威脅，人們需要對自身的行為所帶來的后果進行深刻反思，在生態環境保護戰略下，人們對于水泥及混凝土造成的污染越來越關注。如何對其進行生態化改造或賦予其生態特性，從而降低其對環境的負擔，成為當前我國水泥行業亟待解決的問題。

1 水泥、混凝土概述

水泥泛指粉狀水硬性無機膠凝結材料，加水攪拌后成漿體，可以形成一種能在空氣中固化，將砂、石等材料緊密黏合在一起的一種細粉末狀水硬膠凝材料。水泥根據成分可劃分為：硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥、礦渣硅酸鹽水泥、粉煤灰硅酸鹽水泥等六大通用水泥。還有某些特殊性質的水泥，如快速硬化硅酸鹽水泥、抗硫酸鹽型硅酸鹽水泥。

混凝土泛指由水泥、水、粗粒集料按照適當比例混合制成拌合劑，經過一段時間固化而成。通常根據其表觀密度的不同分為：重型混凝土，其干密度超過2 600kg/m3，由非常致密且非常沉重的集料構成；一般混凝土，以天然砂、石塊為集料，其干密度為1 900～2 500kg/m3，這種混凝土廣泛應用于建筑、橋梁、路面等領域；輕質混凝土，干密度低于1 900kg/m3，可劃分為輕質混凝土、多孔混凝土、大孔混凝土三種類型。

2 水泥和混凝土對環境造成的影響分析

2.1 水泥對環境造成的影響

（1）水泥廠長期以來被認為是污染的源頭，而在水泥生產中，先要解決的是煙塵，這是一種含有硫、氮、碳氧化物的有毒氣體和塵埃。其中，塵埃直徑超過10μm，會迅速落地，即所謂的“落塵”。小于10μm的微粒叫做飄塵，它們的體積很小，有些甚至比細菌還要小，它們會在空氣中飄蕩幾個小時，甚至幾天、幾年，特別是直徑0.5～5μm的粉塵，它們不會被人的鼻毛和呼吸道黏液所阻擋，而是通過肺部的血液傳播到身體各處。

（2）在生產水泥的過程中產生的大量CO2氣體。根據歐洲水泥協會（European cement Association）的數據，1t水泥至少會產生0.5t的CO2，全球CO2的排放量高達100億t，其中有1/10來自水泥生產，是造成溫室效應的主要來源。如今，各國政府正在制定限制溫室氣體排放的方案，波特蘭水泥勢必會越來越受約束。

（3）環境中57%SO2在自然條件下出現，但因其分布較小，不會造成污染。其中50%來自諸如水泥行業等的人為因素，因為其產生的途徑較多，濃度較高，從而導致空氣污染。同時，水泥燃燒時排放的SO2、NOx等有害氣體，會以酸雨的方式，加劇對地球生態環境的破壞。

2.2 混凝土對環境造成的影響

在工業化及城鎮化的發展趨勢下，我國建筑事業得到了跨越式發展，建筑事業作為促進城市結構及改善城市經濟的重要組成部分，其中混凝土施工較為關鍵。據相關資料顯示，混凝土作為建筑中使用量最大、最必需的建筑材料，在當今社會中占有舉足輕重的地位。由于混凝土的高強度、高耐用性，人們對其結構致密性的追求，導致混凝土不具有良好的滲透性、透氣性，也因此特點影響其環境調節能力。同時，由于混凝土會對地面植被的生長造成一定的影響，導致城市綠地面積縮小，產生“熱島效應”，對城市生態和濱水生態環境產生很大影響。混凝土體積的70%～80%為砂石集料，為獲得這些原料，簡單地開挖和挖掘河道會導致土壤侵蝕、河流改變。在澆筑過程中，大量使用木材模板，導致森林資源的消耗和熱帶雨林的損害很大，對野生生物的生存和生態平衡也會產生一定的影響。在進行混凝土輸送、施工時，不僅需要清空大量的能源，還會引起震動、噪聲，這是造成城市環境污染的重要原因。21世紀，混凝土既要滿足建筑材料的需求，又要盡可能降低對生態環境的損害和負面影響，還要與自然和諧相處、與環境和諧共存。

3 生態環境型水泥和混凝土的研究進展

3.1 生態環境型水泥研究進展

3.1.1 生態環境型水泥概念

生態環境型水泥泛指城市垃圾焚燒成灰后作為主要原材料，再經過燒制形成水硬性膠凝材料，以期滿足環境需求。生態環境型水泥不僅具有節能的效果，還可以處理大量工業固體廢料及生活垃圾，將水泥從傳統的“環境污染”變成“環境保護”。

3.1.2 生態環境型水泥研究現狀

①生態水泥。無熟料水泥主要以城市垃圾、污水及污泥組成。生態水泥最早是由日本學者提出，通過加工生活、城市廢料形成水泥，可以改善傳統水泥生產的環境污染，還可滿足水泥相關需求。同年，日本學者率先開展以垃圾焚燒和污水處理為原料的環保水泥研究，目前已建成世界上第一條生態水泥生產線。利用垃圾制造生態水泥，不僅可以解決垃圾的處置問題，還可以節省天然原料，節省大量的能量，而且還可以通過大量使用石灰石來減少CO2的排放量。如果以工業廢料為主要膠凝物質成分，再經化學作用，可以將“兩磨一燒”的傳統方法簡化為“一磨”工序；還可以混合使用多種工業廢料，不使用水泥熟料和化學激發劑，滿足一些低要求的項目。顯而易見，只要采用大量的廢料，減少水泥熟料的用量，就可以達到節約資源、減少環境污染的效果。

②低鈣質水泥。低鈣質水泥泛指基于節能減排和應對氣候變化的新要求研發出的一款在滿足工程建設強度需要的同時，提高硅酸鹽體系具有通用性質的水泥。其中，以高貝利特硅酸為代表的低鈣質水泥，其熟料中C2S含量超過40%，長期強度表現良好，但初期強度偏低，國外已經將其用于生產高性能混凝土。

③地質高分子粘合劑。地質高分子粘合劑是一種由高嶺土經過低溫煅燒，轉化為高嶺土的礦物聚合物水泥，具有很高的火山灰活性，再加入少量的堿性激發劑和大量的天然或人造硅-鋁質材料，在150℃以下，甚至常溫下進行養護，可獲得各種強度等級的水泥。

④高性能水泥。所謂的高性能水泥是由粉煤灰和一些化學制品混合而成，將兩種組成按照45～50∶55～50的比例混合，可獲得超過32.5 MPa的水泥。它的主要特性是具有較低的水化熱、良好的耐硫酸侵蝕性、良好的滲透性。

3.2 生態環境型混凝土

3.2.1 生態環境型混凝土概念

生態環境型混凝土是具有一定生態效應或特定生態功能的混凝土。這類混凝土與傳統混凝土相比，具有減少水泥用量、除塵降噪、透水透氣、凈水儲熱等功能，同時具有環境友好性或生物相容性。

3.2.2 生態環境型混凝土研究現狀

①再生集料混凝土。再生集料混凝土（Recycled concrete）即回收混凝土。生產線主要由往復式給料機、混凝土破碎機、輪斗式洗砂機、皮帶輸送機等主要設備構成。混凝土破碎機在混凝土回收生產中具有的優勢如下：可處理粒度不大于60～800mm的堅硬巖石，產品粒度80%小于30mm；破碎比大、破碎效率高、維修方便、生產成本低；破碎后物料呈立方形，是高等級公路路面及水電行業的首選設備。此外，除廢棄混凝土以外，回收集料還含有廢棄磚塊、陶瓷等其他建材廢料。歐洲共同體2002年的廢棄混凝土約為1 600萬t，其中廢磚塊的排放量是5 200萬t，美國的廢棄混凝土約為6 000萬t，所以，回收集料混凝土既能解決廢舊建材的處置問題，又能實現建材的資源化。

②再生混凝土。再生混凝土以取代砂石等天然集料（以粗集料為主），再加入水泥、水等原料，制成新型混凝土。再生混凝土按照集料的混合形態分為：集料完全是再生集料；粗集料是再生集料，細集料是自然砂；粗集料是天然碎石或卵石，細集料是再生集料；再生集料代替粗集料或細集料。

③植物相容型混凝土。植物相容型混凝土也叫植物混凝土，它包括兩個部分：滲透混凝土和植生材料；多孔混凝土是指在粗集料的表面上覆蓋一層由膠結物質漿液互相黏合而成的、具有許多孔隙（尤其是孔隙）蜂窩狀結構的混凝土。植物相容型混凝土既有高強度和植生能力，又有良好的工程防護能力，又能適應植物的生長。

④水域生物相容型混凝土。水域生物相容型混凝土是指在河流、湖泊、海濱等水體中設置多孔混凝土，其表面凹凸不平，內部孔隙眾多，為陸地和水生小型動物提供生存空間，并在其內部或表層進行生物交互作用，從而形成食物鏈，在水泥地面和水體中繁衍，對保持水體生物多樣性和生態環境具有重要意義。

⑤水質凈化處理型混凝土。水質凈化處理型混凝土是指利用其獨特的孔隙和表面結構，通過吸收多種微生物，在水中形成生物膜，從而達到凈化水體的目的。其凈化機制包括生化凈化、物理凈化和化學凈化，通過生化處理間接凈化水體。

4 結語

在節能、環保等方面，最直接、最有效的方法就是進一步提高混凝土的耐久性。據此，在生態混凝土研究中，可通過提高混凝土強度，來降低混凝土的使用量。同時，若混凝土的使用壽命延長一倍，可節省資源、能源，并避免因混凝土生產而造成的環境污染。