摘要：混凝土原材料的開采、制造及使用方面的控制及對環境的影響，面對可持續發展的問題，我們應如何利用及注意哪些負面影響。
　　關鍵詞：混凝土；原材料；可持續發展；環保
　　
　　在建筑結構的使用材料中，混凝土具有不可替代的優勢。從原因材料開采、加工生產直到構件完成制作。100年來，混凝土在人類生產建設發展中起著重大的作用，隨著人口的迅速增長、建筑業的進步和科學技術的發展，混凝土技術也在不斷發展，用量不斷地增加；但是當混凝土用量大大增加以后，生產混凝土所需的水泥、砂、石等原材料大量消耗自然資源、破壞植被與河床的抬高問題就日益顯現。當前世界硅酸鹽水泥工業每年向地球的大氣排入CO2氣體達15億t，約占總排放量的7%，其中我國就占39%，從1998年至2003年，僅5年時間，水泥產量卻增加了3億t。照此速度，2015年水泥產量將接近12億t，這將使用約22億t天然礦物質原料，向大氣排放約12億tCO2；將這些水泥用于制備砂漿和混凝土，需消耗約59億t水和約58億t骨科，再加上生產、加工、運輸將消耗的大量能源，對環境造成的巨大破壞。
　　上述論據都表明，當前的混凝土工業已面臨是否可持續發展的挑戰，鋼結構在規模較大的建筑物中得到廣泛的使用就是對混凝土主導地位的挑戰。如何能使混凝土工業得到可持續發展，發揮混凝土材料的優勢，這就是我們要關注的主題。
　　1、水泥工業可持續發展的出路
　　中國正處在大發展的階段，大量興建基礎設施，混凝土仍然是最適合于大宗使用的結構材料，因此水泥產量的增長也隨之而增長。古時人們使用火山灰和石灰混合物制作的混凝土建筑物的高耐久性告訴我們，減少硅酸鹽熟料的用量（至少控制在現有用量）而大量摻用活性礦物混合材，既可滿足建設對水泥的需求，又符合混凝土耐久性的需要，而且可以減少（至少不再增加）水泥工業向大氣排放的CO2并大量利用工業廢棄物，使水泥成為對環境友好的材料。
　　我國現行水泥標準中對6個品種的硅酸鹽類通用水泥都分別規定了其中混合材的允許摻量范圍。例如P.II為5%，普通硅酸鹽水泥為6%~15%，礦渣硅酸鹽水泥為20%~70%，火山灰質硅酸鹽水泥為20%~50%；粉煤灰硅酸鹽水泥為20%~40%，復合硅酸鹽水泥為20%~50%；但是，除普通硅酸鹽水泥和一部分礦渣硅酸鹽水泥外，其他含混合材的水泥因需求量小而很少生產。按現行水泥標準，水泥強度檢驗時一律采用0.5的水膠比。在大水膠比條件下，水泥強度隨著混合材摻量的增加而急劇下降；而用戶長期以來一直是以強度作為水泥主要的、甚至是惟一的質量指標。傳統觀念認為，不能用低強度等級的水泥（含有較大量的混合材）配制高品質混凝土。實際上隨著混凝土技術進步，低強度等級的水泥同樣可配制出高強混凝土。
　　目前水泥強度等級的逐漸提高，反而使低強度等級的混凝土配制困難，往往導致混凝土拌合物泌水、離析嚴重；而大摻量粉煤灰（HVFA）混凝土特別適合配制低強度等級的混凝土。與傳統混凝土拌合物相比，HVFA混凝土的拌和水用量小，水膠比（W/B）較低，使漿體總體積減少，從而使直接與水膠比和混凝土中漿體比例有關的干燥收縮大為減少。由于硅酸鹽水泥用量大幅度減少，HVFA混凝土的早期水化放熱量減少；用于大體積構件時，因溫度應力開裂的傾向也大為減小，在幾例施工中得到證實。
　　礦渣水泥更是如此。我國水泥標準雖然允許在礦渣水泥中礦渣最大摻量為70%，但極少生產如此高礦渣摻量的水泥。我國礦渣水泥銷售情況不如普通水泥，用戶寧愿購進普通水泥后在攪拌站摻加礦渣粉。原因之一在于，按傳統礦渣水泥的生產是將礦渣和熟料及石膏混合粉磨，由于礦渣比熟料難磨，成品中礦渣顆粒較粗，水泥磨得越細，礦渣和熟料間的細度差別越大，不僅不能發揮礦渣的活性，而且所配制的混凝土易于泌水，影響抗滲性和抗凍性。近年已有工廠將礦渣和熟料分別粉磨再混合。大大改善了產品的性能。由混凝土供應商在配制混凝土摻入合料帶來的問題是石膏含量不足以及增加工序可能造成的管理問題，若能將這道工序移到水泥廠，適應混凝土的規律來生產和檢驗粉煤灰硅酸鹽水泥和礦渣水泥，或者分別控制熟料和混合材的性能及混合材的摻量，而由用戶控制混凝土的強度，則可大大改善水泥工業的現狀，實現水泥工業的綠色化，并促進混凝土的綠色化。
　　2、必須盡快改變砂石生產的現狀
　　目前我國混凝土的質量差的主要原因是砂石的質量差，以石子為例，高質量的石子為大體等徑粒形，級配良好，空隙率先不超過40%，而多年前砂石的空隙率一般都在40%~43%，現今最好的砂石空隙率也超過45%，大多接近或超過50%。我國制訂有混凝土用砂國家標準，但是骨料的生產商幾乎都不執行。絕大多數采石場仍使用成本低廉的顎式破碎機，材質越硬（強度高）的石料，破碎后針片關顆粒越多，粒徑小于10mm的顆粒幾乎都是針片狀顆粒，因此目前市售標稱粒徑5mm以上的石子，實際上缺少5~10mm粒級的顆粒。即使針片狀顆粒含量符合現行標準，其余石子的粒形也大多棱角的。砂子由于資源幾近枯竭也無法講究級配。因此這幾年來混凝土的用水量居高不下，一般都超過170kg/m3，C30以下混凝土用水量更大，一般為200kg/m3，美國混凝土用水量一般不超過160kg/m3，用水量大時，膠凝材料用量必然也大，以保證水灰比（水膠比）不變。在一定膠凝材料總量下，水泥用量必然也大，對混凝土的溫升，變形都會有影響；用水量小,意味著膠凝材料用量小，漿骨比低，混凝土結構開裂的傾向就小。
　　對石子的高強度的觀念，也存在誤區，其實粒形比強度重要。構件受力后，材質強度高的針狀和片狀顆粒會因應力集中、承受過大的彎曲應力而提前斷裂，從而降低混凝土的強度；還會因顆粒粒形遠離等狀況，比表面積大，需水量就大，從而影響混凝土的施工性能。
　　目前砂石質量降低的原因，首先是人們對砂石的認識有誤，認為砂廠級配不好不過是浪費點水泥而已，砂石價值很低而不珍惜。最近十年來我國建設規模快速增長，砂石需求量大，大量應運而生的小采石場盲目占山采石，不僅產品質量低劣，而且生產過程中排出大量石粉、石屑，導致環境污染和資源浪費；再加上使用時浪費也多，使天然砂石資源變得緊缺，形成供不應求的市場。對于亂開山、亂采石造成的安全事故頻發和對環境的污染，我國有的地區已開始整頓砂石場，關停了一些規模小、設備落后、管理不善的采石場，加強了集中的大型采石場的技術抽入。盡管其初衷只是著眼于安全，畢竟有利于環境保護，并為提高石子質量創造了一個良好的開端。提高砂石質量，應從嚴格執行砂石標準開始。為生產出合格的以至優質的產品，現有落后的生產方式必經改造，并采取不同類型破碎機分級破碎的方式，以改善石子粒形。
　　即使在采石場進行了嚴格的級配，但在裝料、卸料和運輸過程中，骨料在自重作用下也會破壞原來良好的級配，使用過程中再次裝料、上料，使混凝土生產過程中更無法保證骨料原有的級配。因此先進國家的骨料都根據用戶要求分級供應，用戶在生產混凝土時按優化級配的比例上料。目前我國有個別混凝土攪拌站已經或準備進行骨料的分粒級供應。實踐證明，分級購進、級配后上料，可使摻用粉煤灰的混凝土用水量降低到95%~125%kg/m3，仍有良好的可泵性。當然，這種骨料的價格應當高于原來無序競爭所盲目生產的劣質產品。優質優價的結果可以讓使用者加強用料管理，減少材料浪費，造成對環境不必要的壓力。
　　3、減少混凝土的生產用水對生活用水的影響
　　水是生命之源，水資源的嚴重不足已對人類造成威脅。混凝土生產消耗大量的水，目前我國每年有4億t以上的水用于混凝土的拌和、養護和清洗。在保證混凝土各項性能的前提下盡量減少拌和水[2]，不僅可以節省用水，而且能減小開裂的傾向，提高混凝土的質量。國內外均有實例表明，摻粉煤灰的混凝土，坍落度為105~125mm時仍有良好的可泵性。假定每年7億t的水泥全部用于混凝土，按水泥用量為302kg/m3計，則可生產23億m3混凝土；如果每立方米混凝土少用95kg水，則每年可節省2.2億t水。我國目前絕大多數混凝土拌和與養護用水都是可飲用水，其實并不需用飲用水進行養護。在國外鼓勵使用污水處理所得的中水作為混凝土拌和水，出于生產成本考慮，已經有不少預拌混凝土廠循環使用設備清洗水的有效途徑。地球上最豐富的水是海水，當海水中所含可溶性鹽不超過3。5*10-2時，呆以用于拌和素混凝土[1]土，尤其是摻大量礦物摻合料的混凝土。與普通混凝土相比，用海水拌和的混凝土早期強度會較高，但28天后的強度會較低，在配制時可用降低水灰比進行補償[2]。
　　混凝土養護的目的是保持混凝土處于潮濕環境，灑水是最簡便的方法；但是為減少養護用水和工作量，已有人開發出若干有效的養護方法，例如蓄水性好的復合養護膜片、蓄水性模板、能蓄合成樹脂氈片加塑料薄膜等。這些方法都能節省養護用水，但還必須同時注意混凝土的溫控問題，以免早期產生過大溫度應力。
　　4、提高耐久性是混凝土工業可持續發展的戰略要求
　　混凝土結構的耐久性已成為困擾當今世界各國的普遍問題。美國現存的全部混凝土工程價值約6萬億美元，而每年用于維修的費用高達300億美元。英國1980年的建筑維修費用占建筑總費用的2/3。我國目前也開始進入需要大規模修補或更換已建混凝土結構的時期，混凝土結構的提前下降必然造成大量建筑垃圾和對混凝土原材料的大量需求與浪費。
　　必須從可持續發展的高度對混凝土結構的耐久性給予足夠的重視。“如果我們能夠生產出更耐久的產品，就必定能大量地節省材料，例如今天建造的混凝土結構物若不是現在的50年壽命，而是150年壽命，那么混凝土業的資源利用效率就能提高3倍。”混凝土結構提前劣化的原因很復雜，發生早期開裂是重要原因之一。從根本上來說，混凝土屬于多孔性的材料，精心制作并施工的混凝土可以有很好的水密性。例如C30以上的混凝土，抗滲等級達到P8是很容易的事；但是在干濕、冷熱、凍融等環境因素作用下，混凝土內部微裂縫會逐漸連通和開放，成為環境中的水、CO2及其他有害介質侵入的通道，使鋼筋混凝土開始劣化，若混凝土結構在交付使用前甚至在澆筑初期就出現裂縫，則會成為進一步開裂的源頭，使劣化進程加速。早期裂縫產生的原因很復雜，單純地追求高早期強度，追求工期短，以方便使用單位提前使用及生產是很不科學的做法。
　　對于建筑垃圾我們應綜合利用。據報道，全球每年要產生超過10億t的建造和拆除廢棄物[2]。大多數建筑廢棄物作為混凝土部分骨料的替代物是可行的，且在經濟上也劃算；二次世界大戰未西方國家就已開始利用廢棄的舊混凝土做混凝土的再生骨料。我國近年來由于混凝土耐久性問題突出以及舊建筑使用壽命終結，拆除的混凝土大為增加，但仍然對廢棄混凝土的綜合利用率很低，大量建筑垃圾只能填埋，既占用了土地又浪費了資源，對此應引起充分注意。
　　還有節約能源的問題。減少熟料用量不僅可減少CO2排放量，而且也可節省煅燒熟料的能源。用于混凝土的磨細礦渣等摻合料在磨細時能源消耗很大，分磨時礦渣只要比表面積超過350m2kg，即可提高其活性而沒有副作用。目前礦渣比表面積居高不下是單純追求強度的傳統觀念造成的市場需求所致。近年來出現的粉煤灰的磨細也是從強度尤其是早期強度出發的，盡管粉煤灰的磨細后利大于蔽，但卻增加了粉磨的能耗。從混凝土工業對可持續發展的角度考慮；應按整體規劃混凝土的制作及使用過程。
　　
　　參考文獻
　　1 廉慧珍，阮慶革，李玉琳.FK系列高性能水泥的性能及其檢測.混凝土，1999（1）
　　2 廉慧珍，吳中偉.混凝土的可持續發展和高性能膠凝材料.混凝土，1998（6）