新型混凝土技术与建筑节能.pdf

浙 江建筑 ， 第 3 O卷 ， 第 4期 ， 2 0 1 3年 4月 Z h e j i a n g C o n s t r u c t i o n，Vo 1 3 0，No 4，Ap r 2 0 1 3 新型混凝 土技术 与建筑 节能 I n n o v a t i v e Te c h n o l o g i e s o f Co n c r e t e Pr o d u c t i o n a n d E n e r g y - S a v i n g o f B u i l d i n g 胡 勇虎 ， 江晨 晖 ， 杨 杨 Hu Y o n g h u ，J i a n g C h e n h u i ，Y a n g Y a n g ( 1 浙江工业大学建筑 工程学 院， 浙江 杭 州 3 1 0 0 1 4 ； 2 浙江工业 大学化学工程与材料学院， 浙江 杭州 3 1 0 0 1 4 3 浙江建设 职业技术学院建筑工程系， 浙江 杭州 3 1 1 2 3 1 ) 摘要 ： 分别从定义界定 、 制备方法 、 特性优势 、 潜在应用等方 面概述性地介绍 了五种新型混凝 土技术 ( 材料 ) ， 并在此基础上 简明扼要地 阐释 了这一系列新兴技术的开发和推广对于促进 建筑节能 、 绿色建筑发展的意义和价值。 关键 词 ： 建筑节能 ； 绿色建筑 ； 再 生混凝土 ； 绿色混凝土 中图分类号 ： T U 5 2 8 文献标志码： A 文章编号 ： 1 0 0 8 3 7 0 7 ( 2 0 1 3 ) 0 40 0 5 2 0 3 为了使建筑物在全寿命周期内， 最大限度地节约 资源( 包括节能、 节地 、 节水 、 节材 ) ， 保护环境和减少 污染， 作为建筑物有机构成部分的建筑材料的特性与 选用至关重要 。一方面 ， 建筑 物能效 的优 劣与所 选用 的建筑材料 ， 尤其是围护材料的热工性质密切相关。 如果材料选用 不合理 ， 则再完美 的节能技 术和举 措也 难有用武 之地 ； 另 一方 面 ， 就 建筑 物 的全 寿命 周期 而 言， 建筑材料的生产、 使用， 和后续 回收循环利用的效 率、 能耗和价值更值得关注和重视。如果材料的生产 成本和 能耗 过高 、 使用 寿命过 短 、 回收利用率 又很低 ， 则这类材料将 没有市场竞争 力和应用前景 。 混凝 土 作 为世 界 上用 量 最 大 、 用途 最 广 的建 筑 材料 ， 它 的改性 与优化 对 于建筑 节 能 、 建筑 产业绿 色 化具 有举 足轻重 的作 用 和意 义 。传统 混 凝 土 ( 普 通 混凝 土 ) 的原材 料 均直 接 或 间接 来 自于 天 然非 再 生 资源 ， 其中尤以水泥的生产能耗最高 ， 且生产过程排 放出巨量温室气体( 据统计 ， 平均每生产 1 t 水泥 即 产生 1 t C O ， 气体 ) ” ， 加之废弃混凝土的再生利用 率极低 ， 因此混凝土一贯被视为高能耗 、 低能效 、 高 污 染 的建筑材 料 。近 年 来 ， 随 着 混凝 土 技 术 的进 步 收稿 日期 ： 2 0 1 3一O 1一l 0 作者简介 ： 胡勇虎( 1 9 8 6 一)， 男， 浙江杭州人 ， 硕士在读。 和使用要求的多样化 ， 新型节能环保的特殊混凝土 材料 方兴 未艾 、 层 出不穷 ， 本文 在概述性 介 绍这类 混 凝土材料的典型代表的基础上 ， 阐释它们 的应用对 于推 动建 筑节 能 、 发展 绿 色建筑 的意义 和价值 。 l 再生混凝土与建筑节能 建筑 物 因达到使 用年 限或遭 受各 种 自然 灾害 的 破坏 而被拆 除 ， 市政 工 程 的 动迁 和 重 大基 础 设 施 的 改造 ， 商品混凝土企业 由于生产质量 、 调度失误等原 因 ， 均不 可避免 地 产 生 大量 废 弃 混凝 土 。对 这 些 废 弃混 凝土 的传 统处理 方法 主要是 将其运 往郊 外堆 放 或填 埋 ， 这不仅 侵 占大量 宝贵耕 地 ， 而且 导致 环境 污 染 和生态 失衡 。 因此 ， 如何 有 效 地 对废 弃 混 凝 土 进行 妥善 处理 和合 理 利 用是 倡 导建 筑节 能 、 发 展 绿 色经济的重大课题之一。对废弃混凝土进行再生利 用 ， 不仅是妥善处理废弃混凝土的有效途径 ， 更是节 约 非再 生资源 、 减 少全 寿 命 周期 内建 筑 能耗 的重 要 举 措 。将废弃 混凝 土 经 破 碎 、 分级 分 离并 按一 定 的 比例配 合后形 成 的骨 料称 为 再 生混 凝 土骨 料 ( 简 称 再 生 骨料 ) ， 根 据 颗 粒 公 称 直 径 大 小 区分 为再 生 细 第 4期 胡勇虎等： 新型混凝土技术与建筑节能 5 3 骨 料 ( 粒 径 为 0 55 m m) 和 再 生 粗 骨 料 ( 粒 径 为 5 4 0 m m) 。以再生骨料部分或全部替代原生骨料 制 备而 成 的混凝 土 称 为再 生 骨 料混 凝 土 ( 简称 再 生 混 凝土 ， R e c y c l e d c o n c r e t e ) 。大 力 发 展 和 推 广 再 生 混凝土， 不仅能有效解决建筑垃圾的堆放 和处理 问 题 ， 而 且能 大大 减少 对天 然骨 料 的开采 ， 既 保护 了生 态环境 ， 又解决 了建 筑 工 程 对 混 凝 土 骨料 的 大量 需 求 。当然 ， 与原生骨料相 比的再生骨料具 有较小 的 表观密度( 约为原生骨料的 8 0 8 5 ) 、 更高的吸 水率 ( 约 为原 生骨 料 的4 l 0倍 ) 。再 生 骨料 的这些 特征对于制备再生混凝土而言 ， 意味着拌合用水量 的增 加 和工作 性 能 的劣 化 ， 从 而影 响 混 凝 土 的 浇筑 和耐 久性 。但 随 着相 关 技 术瓶 颈 的突破 ( 如 通 过 强化措施改善再生骨料的表面状态从而降低其吸水 率 ) ， 再 生混凝 土 的应 用必 将被 推广 。 2 大掺量 粉煤灰混凝土与建筑节能 粉煤灰 ( F l y a s h ) 作 为火 力发电工业 的主要 副 产品 ， 由于其较高 的火 山灰活性和低廉的价格， 被广 泛用作制备高性能混凝土的矿物掺合材料。粉煤灰 的掺量 从 起 初 建 议 的 1 5 2 0 ， 增 加 到 2 5 3 5 ， 并最终高达 5 0 以上 。以大量的粉煤灰取 代 硅 酸盐水 泥制 备 混 凝 土 ， 一 方 面 有 效地 减 少 了水 泥 的消耗量 ， 进 而 大 大减 少 了水 泥 工 业 产生 的温 室 气体的排放 ； 另一方面 ， 火力发电厂排放的大量烟尘 得到了妥善处置， 避免了直接排放引起 的大气污染。 更重要 的是随着粉煤灰掺量的增加， 混凝 土的工作 性、 耐硫酸盐腐蚀性均得 以显著提高或改善。当掺 量超 过 5 0 ， 所制 备 的混凝 土 在 物 理力 学 特 性 和 耐 久性等方 面的突破更是令 人难 以置信。为 区别起 见 ， Ma l h o t r a和 Me h t a将粉煤灰掺量高 于 5 0 的混 凝土 称作 大掺 量 粉 煤 灰 混 凝 土 ( h i g h v o l u m e fl y a s h c o n c r e t e， HVF AC) I s 。 由于 HV F A C应 用 的 日益增 多 ， 有 关 这 种 新 型 混凝 土 的研究 工作 也 开展得 越来 越 多 。 目前 的研 究 工作 ， 主要 集 中于新 拌 H V F A C 的工作 性 和 硬 化 H V F A C的力 学 性 质 ， 有 关 H V F A C 的 耐 久 性 也 较 多 ； 另一 方面 从 建 筑 节 能 的 角 度 考 虑 ， 研 究 H V F A C 的热工性质( 诸如热容量、 导热性等 ) 对于评价采用 这类 材料 建造 的建 筑物 的潜 在 保 温 隔 热 、 节 约 能 耗 等特性是极有意义 的。如由于粉煤灰 的密度 比水泥 小很 多 ， 可 以 预 见 H V F A C 的导 热 系数 应 比普 通 混 凝 土低 得 多 ， 因 此 H V F A C的 绝 热 性 更 好 ， 故 采 用 H V F A C建造的公共建筑和住宅可以有效减少采 暖 和制冷所需 要 的能耗。随着 HV F A C的发展和应 用， 这类研究工作正在逐步开展 ， 如 D e mi r b o g a等人 曾通 过 测定 H V F A C各组 成 材料 的热工 性 质来 预测 硬化 HV F A C的热工性质。 。 ； G u l曾将 HV F A C试样 在 1 1 0 o C的条件 下干燥 至恒 重再 采用 热线 法测 定其 导热系数和热传导 系数 ， 发现 H V F A C的导热 系数 比普通混凝土大大减小 。 3 泡沫混凝土 与建筑节 能 泡沫混凝土( F o a m c o n c r e t e ) 是指用物理方法将 泡沫剂( 发泡剂、 微沫剂 ) 水溶液制备成微 小泡 沫， 再将泡沫引入包含胶凝材料 、 骨料 、 掺合料 、 外加剂 和水 等 制成 的料 浆 中 ， 经搅 拌 、 成 型 、 养 护 而成 的轻 质 多孔 材料 。 由于所形成的孔隙微小封闭、 分布均匀 ， 使得泡 沫混凝土具有比普通混凝土低得多的导热系数、 高 得多的比热容和热阻 ， 因此特 别适宜用作建筑物 的 围护构件 ( 如墙体 、 屋面板 ) ， 可大大改善建筑物 的 节能效 果 。采用 加强 材料 ( 如 各 种 纤维 、 钢筋 ) 对 泡 沫混凝 土 进 行 强 化 ， 还 可 以获 得 结 构 自保 温 材 料 。 随着高度的不断攀升和突破 ， 建筑物的地基承载力 和抗震性能往往难 以满足要求 ， 此时泡沫混凝土制 品又可发挥其质轻 的优势 ， 从而大大减小 了建筑物 的 自重并 提高 其抗 震性 能 。 在众多的泡沫混凝土类型中， 使用最多、 用量最大 的是水 泥基泡沫混凝土 。水泥基泡沫混凝 土是指 以水 泥为主要胶凝材料的泡沫混凝土， 通常所说的泡沫混 凝土实际上指 的就是水泥基泡沫混 凝土。泡沫混凝土 在我国起步较晚， 但近年来发展迅速， 目前主要被应用 于墙体和屋面保温、 地板辐射采暖的隔热层。 4透 光混凝土与建筑节能 透光 混凝 土 ( L i g h t - t r a n s mi t t i n g C o n c r e t e ) 是 由匈 牙 利 O r o n L o s o n c z i 教 授 发 明 ， 并 被 命 名 为 L i t r a c o n 。 这种混凝土材料内含特殊方式排列的光导纤维 ， 其 体积分数约为 4 。由于光导纤维传导光线的能力 超强 ， 可 达 2 0 m 之 远 而 不 发 生 损 失。 因 此 用 L i t r a c o n 砌块砌筑的墙 体可达数米厚而不削弱其透 光能力。光导纤维的存在对这种特殊材料的强度并 无负面影 响， 其 抗压强 度租抗 折强 度分 别可 高达 5 0 MP a 和 7 MP a 。因此 ， L i t r a c o n砌 块 不 仅 可用 于 砌 筑非承重隔墙 ， 更可用于砌筑承重墙体 ， 而且可以根 5 4 浙江建筑 2 0 1 3年第 3 0卷 据使用需要 ， 制作成不同的形状 、 尺寸和色泽 。 由于可见光能从透光混凝土内部透射， 使得建 筑 物室 内的光 环境 得 以大 大改 善 ， 从 而 可 以有 效 减 少人工照明的能耗。与玻璃幕墙不 同， 透光混凝土 围护墙体尽管具有卓越 的透光效果 ， 但 由于大部分 太阳光辐射热量均被其 自身吸收 ， 所 以还能基本维 持室内热环境 。此外 ， 透光混凝 土对于美化建筑物 外立面， 创造建筑物与周 围环境共生融合的效果也 发 挥 了积极 作用 。 5绿色混凝 土与建筑节 能 绿 色混凝 土 ( G r e e n C o n c r e t e ) 是 一个 理 念 ， 一个 代 表混 凝土 未来发 展趋 势和 方 向的理念 。从这 层 意 义上讲 ， 绿 色混凝 土 是 可 持续 发 展 思 想 和 战略 在 混 凝 土技术上 的体现。因此绿色混凝土这一理念的内 涵极 为丰 富 ， 主要 体 现为 ： ( 1 ) 地 方特 色材料 、 工业 副 产 品和 废料 的利 用 。 粉煤灰、 水淬高炉矿渣微粉、 硅粉、 偏高岭土等材料 部分取代水泥用作胶凝材料 已大行其道。这些材料 用 于混凝 土工业 都属 于废 物利 用 ， 甚 至变废 为宝 ， 既 解决 了这些 废 料可 能 带来 的潜 在 的 环境 问题 ， 又 有 效地提高了混凝土的使用性能和降低 了生产成本。 ( 2 ) 废 弃混 凝 土 的 回收 再 生 。 习惯 上 ， 从 废 旧 建筑物拆除的混凝土绝大多数被作为建筑垃圾堆放 和填 埋 ， 这 样做 既侵 占了大量 宝贵耕地 ， 又破坏 了生 态 平衡 。 目前 ， 将这 些废 弃混 凝土经 破碎 、 分级 和组 配 而成 的再 生骨料 部分 或全部 替代 原生 骨料配 制再 生 混凝 土 的技术方 兴未 艾 。这 样做 不仅 能有效 解决 建 筑垃圾 的堆放 和处 理 问题 ， 也 能 大大 减 少对 天然 骨料 的开采 ， 既保 护 了生态环 境 ， 又解决 了建筑 工程 对 混凝 土骨 料 的大 量需 求 。 ( 3 ) 水泥生产成本的降低。优化水泥的生产工 艺 ， 采用更好的煅烧技术， 循环利用煅烧余热等措施 或手段都可用于降低水泥生产成本 。 ( 4 ) 水泥和混 凝 土 工 业 中温 室 气 体 的减 排 。水 泥和混凝土工业不仅是高能耗产业( 每吨水泥的生产 耗能约为 1 k Wh h ) ， 同时也是 C O 高排放量产业 ( 大 气中约 7 的 C O 来 自于水泥工业) 。因此如何采取 有效措施， 减少水泥生产过程 中 C O 的排放量， 对于 改善全球气 候剧变 的现状具 有不容忽视 的意 义。 ( 5 ) 水泥替代材料的开发。“ 没有水泥就无所 谓混凝土” 这个命题是否值得质疑?既然水泥的生 产 成本 之高 和所带 来 对 人类 生 存 环境 的威 胁 之 大 ， 是不是应该寻找和开发水泥这种传统材料的替代品 呢?为 了我们 赖 以生 存 的地 球 ， 这 些 都 是 全人 类 应 该关注 和解 决 的问题 。 ( 6 ) 混凝土耐久性的提高。对于建筑物和建筑 材料 而言 ， 耐久性是一个永恒 的话题 。建筑物 和构成 它的建 筑材料 的使用 寿命延 长 ， 就可 以有效减 少建筑 物的重建和建筑材料的生产和使用。如果将建筑物 的建造和建筑材料 的生产视为 “ 开源” ， 那么建筑 物和 建筑材料耐久性的提高就属 于“ 节 流” 。“ 开源” 与 “ 节流” 并 行 ， 才是真正意 义上 的可持续 发展 。这些规 律和论断对于混凝土这一特定的建筑材料同样适用。 6 结 语 今后相当长一段时期 内， 混凝土还将继续扮演 建筑材料的绝对 主角 ， 其地位难以撼动。如何开发 和生产出既满足工程应用的多样性 、 多元化的要求 ， 又符合可持续发展和绿色节能战略的混凝土材料是 亟待解决的问题 。本文所介绍的几种特殊混凝土只 是当今混凝土技术发展的冰 山一角， 为满足建筑节 能之需求而开发的混凝土材料也将 日益增多。 参 考 文 献 1 Me h ta P K，Mo n t e i r o P J MC o n c r e t e ：m i c r o s t r u c t u r e ，p r o p e r - t i e s ，a n d ma t e r i a l s M N e w Y o r k ：M c G r a w Hi l l ， 2 0 0 6 ： 6 3 3 6 4 4 2 王有为 ， 韩继红 ， 曾捷， 等 G B T 5 0 3 7 8 -2 0 0 6绿色建筑评价 标 准 S 北京 ： 中国建筑工业 出版社 ， 2 0 0 6 3 王武洋 ， 李杨 ， 卢 家喜 ， 等 J C T 1 0 6 2 -2 0 0 7泡 沫混凝 土砌块 行业标 准 S 北京 ： 中国建材工业出版社 ， 2 0 0 7 4 刘子全 ， 王波 ， 李兆海 ， 等 泡沫混凝土的研究开发进展 J ， 混 凝 土 2 0 0 8 ( 1 2 ) ： 2 4 2 6 5 张敏， 江晨 晖 建筑 材料 M 北京 ： 中国建 筑工 业 出版社 ， 2 01 l ： 1 0 0 1 1 1 6 B u c k ， A DR e c y c l e d c o n c r e t e a s a s o u r c e o f a g g r e g a t e J J o u r n a l o f t h e Ame ric a n Co n c r e t e I n s t i t u t e ， 1 9 7 7( 5)： 21 22 1 9 7 Ma u r i c i o L o p e z ，L a w r e n c e F K a h n ，K i m b e d y E K u r t i s E f f e c t o f i n t e r n a l l y s t o r e d wa t e r o n c r e e p o f h i g h p e rfo r ma n c e c o n c r e t e J A C I Ma t e ri a l s J o u r n a l ， 2 0 0 8 ， 1 0 5 ( 3 ) ： 2 6 5 2 7 3 8 肖建庄 ， 雷斌 ， 袁 飚 不同来源再 生混凝 土抗压强 度分布 特征 研究 J 建筑结构学报 ， 2 0 0 8 ， 2 9 ( 5 ) ： 9 41 0 0 9 肖建庄 ， 李佳彬 ， 兰 阳 再生 混凝土技 术研究最 新进展 与评述 J 混凝土 ， 2 0 0 3 ( 1 0 ) ： 1 7 2 0