錢覺時，尤 超

（重慶大學材料科學與工程學院，重慶400045）

1 問題的提出

混凝土是目前最大的人工材料，已廣泛用于各種結構工程。International Cement Review最新發(fā)布的全球水泥報告中，對全球水泥行業(yè)分析和預測，覆蓋了160多個國家，數(shù)據(jù)顯示2010年全球水泥產(chǎn)量高達32.94億t，中國2010水泥產(chǎn)量為18.51億t（中國發(fā)展和改革委員會公布的數(shù)據(jù)是18.68億t）。按每立方米混凝土水泥用量333kg計算，則1t水泥可制備3m3的混凝土，那么2010年全世界混凝土用量就接近100億m3，我國混凝土超過50億m3。

混凝土已經(jīng)成為用量最大又不可缺少的構筑材料，是現(xiàn)代社會發(fā)展最為重要的材料，但混凝土在生產(chǎn)、使用過程中也對環(huán)境造成了巨大的影響。生產(chǎn)1t水泥熟料，大約需要1.3t石灰石、0.3t粘土和0.12t標煤，同時產(chǎn)生約1tCO2以及氮、硫化物和粉塵，按此推算2010年我國生產(chǎn)水泥熟料13.08億t（熟料占水泥量70%計算，水泥以18.68億t計算），大約消耗石灰石17.0億t、粘土3.9億t、標煤1.6億t，同時約排放13億t CO2；若每立方米混凝土所用砂、石集料按1 800kg計算，我國2010消耗集料約100億t，很顯然對資源和能源的消耗是驚人的，對環(huán)境的影響也是巨大的。長期以來，為了滿足混凝土的高強度和耐久性要求，傳統(tǒng)的混凝土始終在追求其結構密實性，使得混凝土缺乏透氣性和透水性，對空氣溫度、濕度的調節(jié)能力差，影響地表植物的生長，城市綠化面積減少，出現(xiàn)明顯的“熱島效應”，嚴重影響到城市生態(tài)系統(tǒng)以及濱水生態(tài)環(huán)境。另一方面，隨著城市化進程的加快，構筑物的重建和拆除產(chǎn)生了大量的廢棄混凝土，也加重了環(huán)境的負荷。

能源危機、資源危機和生態(tài)危機的出現(xiàn)，直接威脅到人類的生存，人類開始反思自己的行為對生態(tài)環(huán)境造成的影響，愈來愈注重保護和改善生態(tài)環(huán)境，觀念上從以前消極被動逐步轉變成積極主動。傳統(tǒng)的水泥混凝土材料雖然生產(chǎn)過程面臨高消耗、高污染的問題，但能否對混凝土進行積極主動的生態(tài)化改造，或者說是否可以賦予混凝土生態(tài)性質，以減輕混凝土材料對環(huán)境帶來的負荷，并與生態(tài)環(huán)境積極協(xié)調、共生？

2 混凝土與生態(tài)的關系

混凝土是由膠凝材料（無機的、有機的或有機－無機復合）、顆粒狀集料以及必要時加入化學外加劑和礦物摻合材等組分的混合料經(jīng)硬化后形成具有堆聚結構的復合材料［1］?；炷烈辉~來源于拉丁語“concrescere”由“con－”（共同、協(xié)同）和“crescere”（生長）構成，則混凝土可以理解為膠凝材料、集料、外加劑、摻和料等組分在一起協(xié)同工作的復合材料。實際上早在古埃及金字塔和古羅馬的建筑中就發(fā)現(xiàn)石膏、石灰等膠凝材料［2－3］，如果按照混凝土的普遍定義，混凝土還包括有機膠凝材料所得到的混凝土，如道路工程廣泛使用的瀝青混凝土，當然混凝土還可能包括采用其他膠凝材料或采用其他工藝得到混凝土。但相對而言，采用硅酸鹽水泥作為膠凝材料制備的混凝土，無論是使用量還是應用范圍都是其他類型混凝土所不能相比的，因此本文主要關注硅酸鹽水泥作為膠凝材料的傳統(tǒng)混凝土的生態(tài)化。

生態(tài)，顧名思義是指生物的狀態(tài)，也有認為是生物在自然環(huán)境下的生存與發(fā)展狀態(tài)，很顯然從這個意義上來說，混凝土是不可能有生態(tài)屬性的。生態(tài)學（Ecology）最早是由德國生物學家恩斯特·?？藸栍?866年定義的一個概念，即研究生物有機體與其周圍環(huán)境相互關系的科學［4］。英文“Ecology”一次來源于希臘詞匯“oekologie”，由“oikos”和“l(fā)ogos”兩部分組成，前者含義是“棲息地”，后者的含義“科學”［5］。環(huán)境包括生物環(huán)境和非生物環(huán)境，生物環(huán)境是指生物物種之間和物種內(nèi)部各個體之間的關系，非生物環(huán)境包括自然環(huán)境：土壤、巖石、水、空氣、溫度、濕度等。

很顯然，混凝土材料作為目前最大用量的人工材料，其使用過程必然對環(huán)境產(chǎn)生影響，而混凝土本身可以作為非生物環(huán)境的一種，可成為生態(tài)系統(tǒng)一個部分，參與生態(tài)系統(tǒng)的運行，從這個意義上講，混凝土可以被賦予生態(tài)性質。當混凝土被賦予生態(tài)性質時，就可以稱其為生態(tài)混凝土。日本混凝土工學協(xié)會于1995年給出了類似的生態(tài)混凝土（Environmentally Friendly Concrete）概念，認為生態(tài)混凝土為具有特殊的結構與表面特性，能夠適應生物生長，對調節(jié)生態(tài)平衡、美化環(huán)境景觀、實現(xiàn)人類與自然的協(xié)調具有積極作用的一種材料。生態(tài)混凝土甚至可以用另一個更為貼切的詞匯“eco－concrete”表示，理解為能與生態(tài)相協(xié)調共生的混凝土。

“生態(tài)混凝土”和“綠色高性能混凝土 （GHPC）”是比較類似的概念，兩者范疇有所不同?！熬G色高性能混凝土”最早是由吳中偉院士于1998年提出的，強調的是混凝土的“綠色性”，這種“綠色性”特征主要包括［6］：

（1）更多地節(jié)約熟料水泥，減少環(huán)境污染；

（2）更多地摻加工業(yè)廢渣為主的細摻料；

（3）更大地發(fā)揮高性能的優(yōu)勢，減少水泥與混凝土用量；

（4）擴大GHPC的應用范圍。

而“生態(tài)混凝土”強調的是“生態(tài)性”，這種“生態(tài)性”可以體現(xiàn)在2個方面：

（1）混凝土本身的生態(tài)性。一方面混凝土在使用過程中能直接減輕對生態(tài)環(huán)境的影響和吸納生態(tài)環(huán)境中各種污染源；另一方面混凝土與生物共容共生，促進生態(tài)系統(tǒng)的平衡或有利于生態(tài)系統(tǒng)的改善和重建，這種兩種層面上的生態(tài)性可以稱為“相容性”。

（2）減少消耗甚至消納廢棄物。包括減少原材料、能源消耗，減少或消除污染物的排放，更大限度消納工業(yè)廢渣，增加混凝土可循環(huán)性能，延長使用年限，以此減輕對環(huán)境的負荷，從而以間接方式體現(xiàn)“生態(tài)性”。

很顯然，“生態(tài)性”包含了“綠色性”，但“生態(tài)性”更強調與環(huán)境的“相容性”。

生態(tài)混凝土作為人工材料，其目的是為人類服務，除了具有生態(tài)性質外，還需具備構筑物所需的結構功能和使用功能。從人類自身和生態(tài)環(huán)境2個方面考慮，生態(tài)混凝土應該具有2方面的屬性：（1）更高的耐久性、優(yōu)良的使用性以及較好的經(jīng)濟性，能夠滿足結構物的力學性能及使用年限的要求，能夠為人類構筑溫和、舒適、便捷的生活環(huán)境。（2）良好的生態(tài)性，能減輕對地球和生態(tài)系統(tǒng)的負荷，與生態(tài)環(huán)境相協(xié)調，有利于保護和改善生態(tài)環(huán)境。生態(tài)性應是所有混凝土的發(fā)展目標。

3 生態(tài)混凝土的分類

生態(tài)混凝土可根據(jù)生態(tài)性體現(xiàn)方式（直接和間接兩種方式）進行分類。生態(tài)混凝土應有廣義和狹義之分，可以將體現(xiàn)“綠色性”（間接體現(xiàn)生態(tài)性）的混凝土稱為減輕生態(tài)環(huán)境負荷型混凝土，而將體現(xiàn)“相容性”（直接體現(xiàn)生態(tài)性）的混凝土稱為生態(tài)環(huán)境相容型混凝土。廣義的生態(tài)混凝土則包括減輕生態(tài)環(huán)境負荷型和生態(tài)環(huán)境相容型2類，狹義的生態(tài)混凝土則是指生態(tài)環(huán)境相容型混凝土。廣義的生態(tài)混凝土又被稱為“環(huán)保型混凝土”［7］、“綠色生態(tài)混凝土”［8－9］、“生態(tài)環(huán)境友好型混凝土”［10］等。綜合生態(tài)混凝土已有分類［7，11］，本文提出以下更為廣泛的分類（如圖1所示）。

圖1 生態(tài)混凝土的分類

必須指出，生態(tài)混凝土的綠色特征和相容特征并不是相互獨立的，真正意義上的生態(tài)混凝土具有生態(tài)環(huán)境相容的特征同時，還應包含綠色特征，這樣才能最大限度地體現(xiàn)生態(tài)性，成為名副其實的生態(tài)混凝土。

3.1 減輕生態(tài)環(huán)境負荷型

減輕生態(tài)環(huán)境負荷型混凝土，應在混凝土全生命周期（生產(chǎn)、運輸、使用、解體、回收利用等環(huán)節(jié)）中有利于節(jié)約能源和資源、減少污染物排放、吸收工業(yè)廢棄物，降低對生態(tài)環(huán)境影響。實現(xiàn)減輕生態(tài)環(huán)境負荷不僅在生產(chǎn)過程中減輕環(huán)境負荷，而且使用過程中也能減輕環(huán)境負荷。一些城市對于綠色生態(tài)建筑的認定就將是否采用減輕生態(tài)環(huán)境負荷型混凝土作為一個比較重要的建筑材料指標。

3.1.1 生產(chǎn)過程中減輕環(huán)境負荷

（1）使用生態(tài)水泥、無熟料水泥配制的混凝土

生態(tài)水泥通常指以城市垃圾焚燒后的灰渣和城市下水道污泥以及生活污水污泥，添加一些校正原料，再經(jīng)配料燒制得到的水泥。日本最早開始研究垃圾焚燒灰渣和下水道污泥為作為主要原料生產(chǎn)生態(tài)水泥，廢棄物達到60%，垃圾焚燒灰渣占20%～30%，并已建成世界第1個生態(tài)水泥生產(chǎn)線［12－13］。利用廢棄物生產(chǎn)生態(tài)水泥，有利于解決廢棄物處理問題，節(jié)約天然原材料，因為污泥中含有一定熱值的有機物，因此也同時節(jié)約能源，此外由于大幅度減少石灰石用量，大大降低了CO2排放。

無熟料水泥混凝土即不采用硅酸鹽水泥熟料，如采用工業(yè)廢渣作為主要膠凝材料組分，通過化學激發(fā)來配制混凝土，可將傳統(tǒng)硅酸鹽水泥“兩磨一燒”工藝簡化成“一磨”工藝；甚至有采用幾種不同類型工業(yè)廢渣的組合［14］，完全不采用水泥熟料或者化學激發(fā)劑制備的混凝土能滿足一些要求不高的工程。

很顯然，只要是大摻量使用廢渣而減少水泥熟料用量的混凝土，也都具有節(jié)約能源和資源、減少環(huán)境污染的特征。

（2）再生骨料混凝土（Recycled Aggregate Concrete，RAC）

簡稱再生混凝土（Recycled Concrete），它是指將廢棄混凝土塊經(jīng)過破碎、清洗與分級后，按一定的比例與級配混合形成再生混凝土骨料，部分或全部代替砂石等天然骨料配制而成新的混凝土。需要指出，生產(chǎn)再生骨料除了廢棄混凝土外，還包括其他建筑廢棄物，如廢棄磚瓦、陶瓷等［15－16］。歐洲共同體廢棄混凝土2002年就達到16 200萬t左右，而廢磚排放量約為5 200萬t，美國每年大約有6 000萬t廢棄混凝土［17］，因此再生骨料混凝土不僅解決廢棄建筑材料的處理，而且實現(xiàn)建筑材料資源的循環(huán)利用。

（3）可再生混凝土（Reproducible Concrete）

這種混凝土從設計階段開始就有意識選用能夠循環(huán)使用的原材料，在混凝土達到使用壽命后，能夠以較低的能源和環(huán)境代價，將混凝土中的主要原材料部分、甚至全部轉化為原有形態(tài)［8］。最為常用的方法就是按照水泥生料的化學組成確定混凝土中各組分的用量，廢棄后直接作為水泥生料，添加少量的校正原料磨細后燒制成水泥，從理論上可以實現(xiàn)“水泥－混凝土－水泥”完全循環(huán)。

（4）其他

一些工業(yè)廢液是非常好的混凝土外加劑，如利用造紙廢液制造的混凝土減水劑。為了減少傳統(tǒng)混凝土施工過程中的噪聲污染以及減輕勞動強度，現(xiàn)已得到較為廣泛應用的自密實混凝土，該種混凝土具有高的流動性，可以不需要外力振搗就能密實成型，也是一種較為典型的減輕生態(tài)環(huán)境負荷型混凝土。

3.1.2 使用過程中減輕環(huán)境負荷

在使用過程中減小對環(huán)境的負荷，主要通過減少混凝土用量和延長混凝土結構使用壽命，可通過提高混凝土的強度和耐久性來實現(xiàn)。節(jié)約混凝土用量和延長混凝土結構使用壽命，也是節(jié)約資源和能源、減少環(huán)境負荷和保護環(huán)境最直接最有效的途徑。

提高混凝土強度可以減少混凝土結構截面面積，從而減少混凝土用量。

通過摻加減水劑、減縮劑或者加入纖維等增強組分，可顯著提高混凝土耐久性。混凝土耐久性重要性甚至高于其強度和其他性能，混凝土耐久性不好將會使混凝土結構服務年限大大縮短，同時帶來巨大的經(jīng)濟損失。另一方面，如果混凝土服務年限提高1倍，則可以節(jié)約1倍的資源、能源，并避免混凝土生產(chǎn)過程中對環(huán)境產(chǎn)生的各種污染。

3.2 生態(tài)環(huán)境相容型混凝土

生態(tài)環(huán)境相容型混凝土能夠直接與生態(tài)環(huán)境相作用，可減輕對生態(tài)環(huán)境的影響和吸納生態(tài)環(huán)境中各種污染源，與動植物等生物和諧共容共生、調解生態(tài)平衡、改善生態(tài)環(huán)境、美化景觀，促進人類與自然積極協(xié)調發(fā)展。

生態(tài)環(huán)境相容型混凝土又可分為非生物環(huán)境相容型混凝土和生物環(huán)境相容型混凝土。

3.2.1 非生物環(huán)境相容型混凝土

顧名思義，非生物環(huán)境相容型混凝土是指其能與非生物環(huán)境積極相容，即能夠直接與非生態(tài)環(huán)境相作用，減輕對生態(tài)環(huán)境影響和吸納生態(tài)環(huán)境中各種污染源，具有一定的調節(jié)功能。

（1）透水型生態(tài)混凝土是一種經(jīng)過特殊工藝制成的具有連通孔隙的多孔混凝土，具有較高的連通孔隙率和較好的力學性能，具有很好的透水性和透氣性的混凝土。

（2）吸音混凝土也是一種具有多孔結構的混凝土，聲波在吸音混凝土內(nèi)部傳播，由于黏滯作用和摩擦力、以及在孔壁不斷發(fā)生反射，以及聲波相位差發(fā)生干涉而消耗掉，而達到很好的吸聲效果。

（3）空氣凈化混凝土是以混凝土為基材復合能催化分解空氣中有害成分的催化劑制成的具有凈化空氣作用的混凝土。如將銳鈦礦型TiO2與混凝土復合就可制得具有凈化汽車尾氣中NOx功能的混凝土材料。

（4）相變混凝土是以混凝土為基材復合相變材料制成的具有儲能作用的混凝土。相變時吸收或釋放能量，可用于具有需要溫度控制的地方。在建筑節(jié)能方面，相變混凝土做墻體材料，可起到控制或穩(wěn)定室內(nèi)溫度，構造熱舒適的環(huán)境，同時起到節(jié)能的作用。

此外，還有隔熱混凝土、調節(jié)濕度混凝土、電磁屏蔽混凝土等，都能直接減輕對生態(tài)環(huán)境的影響或吸納生態(tài)環(huán)境中各種污染源，改善生態(tài)環(huán)境。

3.2.2 生物環(huán)境相容型混凝土

生物環(huán)境相容型混凝土是指其能與生物環(huán)境積極相容，即能與動植物等生物共容共生。

（1）植物相容性混凝土

植物相容型混凝土又稱為植被混凝土，由多孔混凝土和植生材料2部分組成。多孔混凝土由粗骨料表面包覆一層膠結材料漿體相互粘結成的含有大量孔隙（特別是連通孔隙）的蜂窩狀結構的混凝土；植生基材主要由土壤、粉煤灰、肥料、保水劑、植物種子等組成［18］。植物相容型混凝土同時具有較高強度和可植生2個優(yōu)點，因此植物相容型凝土具有工程防護性能的同時，還具有適合植物生長和改善生態(tài)環(huán)境的性能，可應用于河道整治、護坡工程、城市小區(qū)綠化和屋頂花園等。

（2）水域生物相容型混凝土

水域生物相容型混凝土是將多孔混凝土設置在河、湖和海濱等水域，多孔混凝土凹凸不平的表面和內(nèi)部大量連通的孔隙給陸生和水生小動物提供棲息地，通過生物間相互作用或共生作用形成食物鏈，并能在混凝土表面或內(nèi)部進行繁殖，有利于維持水域生物的多樣性，保護生態(tài)環(huán)境。

（3）水質凈化處理型混凝土

用于城市污水處理的生態(tài)混凝土是利用多孔混凝土特殊的孔隙和表面結構，以及對各種微生物的吸附形成的生物膜層，達到凈化水質目的。凈水機理［19］包括生化凈化、物理凈化、化學凈化，主要靠生物膜層的生化凈化起到間接起到凈化水質的作用。用于湖泊水域水質凈化的生態(tài)混凝土是利用超輕骨料制備的多孔水生植被混凝土，這種超輕植被混凝土可漂浮在水面，利用水生植物消納水中富營養(yǎng)組分起到凈化水體的作用，還可為水生動物提供棲息地［20］。

4 生態(tài)混凝土的應用

4.1 城市建設中的應用

傳統(tǒng)的路面多采用普通混凝土、瀝青、花崗石、大理石以及水泥磚等鋪設而成的“硬質地面”，其路面致密、不透水、不透氣，阻礙了城市地下水體與大氣的水循環(huán)，且極易形成地面積水和暴雨地表徑流污染，并且易于吸收、存儲陽光的熱量，加重“城市熱島效應”。

透水型生態(tài)混凝土具有良好的透水性和透氣性，賦予其“呼吸功能”，在城市建設中特別是路面中的應用，可緩解城市排水壓力、補充地下水、減小地表徑流污染、緩解城市“熱島效應”、吸收噪聲和防止塵揚等。

透水混凝土可適用于人行道、景觀硬地、停車場、廣場、非機動車道以及輕型荷載道路等。歐洲、美國、日本等發(fā)達國家早在50年前，到2010年，德國城市90%的路面將改造為透水性路面［18］。我國也開始關注透水混凝土的應用，在為2008年北京奧運會的場館、公園廣場以及停車場建設中就采用透水混凝土進行鋪裝［21－22］。

4.2 空氣凈化工程的應用

汽車大量普及，給人們帶來便捷的交通的同時，汽車尾氣對環(huán)境的污染也愈來愈嚴重，危害到人類的身體健康，NOx是大氣主要污染源之一。將具有光催化分解NOx的混凝土材料用于路面鋪裝是控制NOx污染新的途徑，受到越來越多人的關注。在意大利的賽格拉特和比利時的安特衛(wèi)普市先后進行了6 000m2和10 000m2的光催化混凝土路面材料的工程試驗［23－24］，我國在南京長江三橋北橋也進行5 000m2工程試驗［25］。

4.3 護坡工程中的應用

傳統(tǒng)的河道護坡為了防止水土流失以及保證護坡安全，主要采用封閉式的普通混凝土以及漿砌塊石護坡，隔絕了土壤與水體之間的物質交換，無法提供陸、水動植物生長所需的生態(tài)環(huán)境，因此，生物種群減少、水體缺乏自凈功能。

生態(tài)混凝土用于河道護坡工程，一方面能滿足堤壩、邊坡加固修復要求，還能滿足植物生長和生態(tài)環(huán)境恢復，特別適用于水土流失比較嚴重和高陡的邊坡。我國很多城市的河道改造都采用了生態(tài)混凝土，以達到生態(tài)護坡形成優(yōu)美的生態(tài)景觀［26－27］。

4.4 水質凈化程中的應用

日本早在1994年發(fā)現(xiàn)投入海中的將生態(tài)混凝土具有富集營養(yǎng)物質的功能，開始了生態(tài)混凝土用于湖泊等水域水質凈化方面的研究。我國有研究者采用普通水泥和砂石等材料制作用于水質凈化的生態(tài)混凝土，根據(jù)側濾原理，通過一種沉淀、過濾、曝氣三合一的預處理裝置，較好地解決了固體物質在生態(tài)混凝土上的堆積問題，對于實際生活污水處理結果顯示，除懸浮物數(shù)據(jù)處于指標上限外，均優(yōu)于城市污水處理廠二級處理后的排放水質標準［19，28－29］。還有研究者［30－31］以水泥、砂石、粉煤灰和活性材料等廉價材料制成了透水混凝土膜體，通過循環(huán)掛膜，使膜體表面粘掛多種微生物，形成具有物理過濾、生物吸附、化學吸附等多種功能的透水混凝土生態(tài)膜，經(jīng)處理的水質可達到一級排放標準的要求，因為可以節(jié)省沉淀池和污泥回流及處置系統(tǒng)，建設成本和運行成本可降低到傳統(tǒng)方法的1／3。

此外，生態(tài)混凝土還能應用于濱海以及水域生態(tài)工程，保護水域生態(tài)環(huán)境，恢復生物多樣性，濱海地區(qū)綠化帶土壤的鹽分控制，也可應用于工程防護偽裝等。

5 結 語

談到混凝土，人們通常不會將其與生態(tài)聯(lián)系在一起，也不會想到混凝土可以具有生態(tài)性。當然，混凝土具有生態(tài)性，不是混凝土本身是一種生物體，而是指以更小甚至無生態(tài)環(huán)境負荷而獲得混凝土材料和其能與生態(tài)環(huán)境積極相容。生態(tài)混凝土雖然目前更多為一種理念，但人們在混凝土材料的研究、制備和使用過程中，應與保護和改善生態(tài)環(huán)境相聯(lián)系，實現(xiàn)人與自然的和諧共處，發(fā)揮混凝土材料更大的作用和實現(xiàn)混凝土材料的可持續(xù)發(fā)展。

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