绿色混凝土技术研究进展—蒋正武

   尊敬的各位领导，各位代表下午好。我汇报的主题跟我们今天上午的其他的报告关系的不是很密切。我讲的是绿色混凝土技术，从新的技术研究，国外内研究现状做一些总结和概况。想从四个方面跟大家做一个简单的沟通。

    我们知道混凝土作为人们最熟悉的人造建筑材料广泛的应用在各行各业之中，我们不仅在建筑工程领域，高铁，尤其是高铁2008年几万亿的投资带动混凝土行业的快速发展。我们高速公路，每年有将近11000公里的高速公路的新建。我们去看，我们目前中国的水凝混凝土的产量发展，实际上表上列的是2010年我们水泥的产量，还有2011年的水泥产量的数字，最新统计21.8万亿吨。中国水泥产量快速发展，我们混凝土应用的量也在逐渐的发展。

右边的是全球混凝土各行各业的材料做一个总量的比较，我们从金属和其他材料来比，混凝土是最主要的一个材料。这样一个总结，21世纪我们叫混凝土，人类最大的建筑材料，反过来混凝土在整个基础行业中，各行各业中都会广泛的应用。实际上它的发展趋势呢，我们看一看从它的结构来看，建筑结构向着更超高还有很多工程结构，更超长，更复杂的形势发展。

作为混凝土工程结构，它的环境也不仅仅是我们目前常规的环境，实际上向更恶劣的环境挑战，各个地区包括极端的环境下得到广泛的应用。我们更多时候是面临着有突发的灾难，这些灾难不仅是地震，可能像日本的海啸，突发的灾难同样对混凝土的结构也提出了新的要求。

    反过来，从这些建筑结构的形势发展，以及建筑服役环境的变化要求我们现在的混凝土必须要向着更新、更高的发展。实际上我们混凝土在目前全面的推广的时候面临哪些问题，在这里我总结一下。我们未来混凝土的技术发展主要还是重点考虑在六个方面的问题。

    第一我们讲混凝土作为正常的结构材料，是讲结构的性能，每个混凝土必须要考虑到的。因此，混凝土的耐久性实际上一直是作为我们混凝土材料的研究，包括混凝土结构的研究一直是一个重点。

    第二，功能化的问题。我们现在混凝土的结构，不仅是强调它的基本的力学性能，它的结构的性能，更多是希望它附加不同的环境下附加不同的功能。

    第三是自然资源。

    我们把问题展开看一看，混凝土耐久性的问题，我们把它总结一下。实际上我们来看看混凝土在整个服役的寿命，全寿命来看我们可以分为三个阶段。第一是早期，早期的时候混凝土结构的形成阶段，目前我们跟工程接触的时候最多的问题，就是早期混凝土开裂，是我们混凝土结构很多的通病。很多的大桥，我们所列的案例，正常服役的过程中出现的问题，包括垮台，我们讲哈尔滨桥梁的坍塌，不能归结于混凝土材料的问题，我们要考虑到混凝土材料的特性中，怎样提高它服役的寿命。

    从后期的阶段，我们很多工程必然要去维护。维护的时候，我们往往在结构的修复过程中，修复的方法和修复的材料，包括诊断不是很准确的时候，导致修复的效果不是很佳，维护的成本也很高。这是从混凝土的耐久性，归纳出存在的问题。从功能化的问题来看，结构性是混凝土基本的性能。工程环境的需求，它可能需要混凝土附加性能，这也是我们提到混凝土高性能方向发展。其他功能，包括我们讲的耐高温、导电，自修复的功能，这些功能怎么辅助它，当它辅助给它的时候，怎么样实现它，这也是我们后面展开的。

    第三个我们讲自然资源的消耗问题。混凝土这个行业它的产量如此巨大，它必然是消耗大量的自然资源，这是我们在混凝土行业发展必须要考虑到的问题。

    能源消耗的问题，能源消耗大家很清楚，生产一吨的水泥要消耗大量的能量，生产混凝土的过程中，也要消耗大量的能量。我们看到，每一吨水泥它生产出来的要消耗的燃料，不仅是自然资源要消耗很高，能源也消耗很高。这个表上我们可以看到排放出来的二氧化碳，以及其他的材料，废弃物也是非常高的。

反过来，这是我们混凝土发展的很多问题。还有一个废弃再生的问题，废弃建筑垃圾怎么利用，实际上在作为我们讲，我国建筑垃圾非常多，城市化的建设，还有我们的建筑往往达不到它使用的寿命够拆迁掉了，这个拆迁往往是政府在主导的，而不是它的性能达不到。我们每年导致的建筑垃圾，2011年将近8亿吨，包括自然灾害产生的建筑垃圾也将近1.8亿吨，这是我想从建筑行业本身的垃圾，都必须要考虑到自然再生的问题，这是行业系统内部要考虑到的。

反过来，我们目前国际上环境气候大会上，最关注的问题是碳排放，尽管这个问题离我们很远实际上这是未来社会可能每个国家在主导的一个方向的问题。也包括后期的经济发展的一个方向发展，我们跟国际交流的时候，他们提到世界二氧化碳气体整个排放的流程过程。把全球不同的行业，不同的材料，二氧化碳的排放的比例，从这个表格上我们可以看到，水泥在全球二氧化碳排放，占到3.8%，这个3.8%有的人说是5%左右，这是一个概念。混凝土角度来说，很多单位以及开展的碳排放的评价问题，目前国际上最流行的就是碳足迹的评价。这个图上给出来我们常用的建筑材料，它提供二氧化碳排放的量。

    这个表格上我们可以看到的，对混凝土来说它单位的二氧化碳排放的量还是比较小。刚才我们提到了我们混凝土行业面临的六大问题，实际上要解决这个问题的根本途径是什么，要实现混凝土的绿色化。主要从哪些方面来说，从我们的角度要实现混凝土的绿色化，我们讲当初最早的时候在国内提出这个概念，这是多少年前的时候就提出来，他强调三个方面，一个是资源，一个是能源，再就是人类。

    从我们的角度来说，我们认为绿色混凝土，更多从这几个方面来考虑。一个高耐久性，也就是怎样提高混凝土本身材料的基本性能。提高它的性能，实际上延长它服役的寿命，某种程度上它节约了资源、能源以及减少了碳排放。第二个怎么提高它的附加功能，当然我们讲这个功能更多是根据需求来附加的。另外一个是节约自然和能源，可能是废气的再生问题以及低碳的问题，还有如何将我们的混凝土材料跟我们可持续发展的问题。

    第二我们建设过程中，混凝土必须跟发展的过程要跟环境，跟经济跟我们这个社会得到一个很好的协调发展。反过来我们要看绿色混凝土它的主要发展的技术途径，从我们内涵上展开，我们认为归纳起来有这些方面。第一怎么样大幅度提高混凝土的耐久性，怎么样实现混凝土的高性能化，第三更多开发多功能混凝土。第四个方面大量利用工业的废弃物，作为混凝土不仅仅是循环再生的问题，最主要是吸纳工业其他废弃物。

    第五个方面废弃物再生的问题。我们现在的社会技术的发展，开发新型的混凝土，包括最后提到的低碳混凝土，围绕这样一个技术的途径，我们要给它做一个分类，不同的分类有不同的方法。我们主要从它几个方面，从这三个方面把它进行一个分类。一个是高性能混凝土，这个是生态混凝土，第三个是新型绿色混凝土。这三类每一个大的类别，我们会展开，有一些不同的类别。

    在第一个类别，绿色高性能混凝土这一块，刚才讲到我们混凝土研究，大家做研究的人还是非常多的。我们讲做混凝土的研究，更多的是从全生命周期考虑。我们也提到过三个阶段，很重要的问题是目前包括国内也有很多科研项目支持混凝土的研究。也就是在这三个方面，第一早期的阶段形成阶段的时候，更多的是怎么样去改善研究，围绕一个高性能水泥水化过程，与微观结构形成机理。第二服役的过程中，我们要考虑到从实验室走出去，多重因素下混凝土劣化机制与性能优化。第三个阶段，维护的阶段是怎样实现混凝土自修复方面。

    围绕这些方面，目前在国内外研究，主要是体现在三个方面。第一个是从复合胶凝材料体系。早期研究它微观水化的进程，以及水化产物的分布。到后期我们将更多研究它的结构形成和演变，国家有几个973的项目在开展研究。最主要想解决科学难点的问题，主要集中在几个方面。含辅助胶凝材的高性能水泥水化进程模型。我们刚才提到了实际环境中，远远不止是实验室的条件，更多时候是很复杂的，更多是环境的侵蚀，还有本身混凝土的结构施工过程中存在的损伤。

    国内开展研究做的很多东西，把它归纳为几个方面。多重因素下混凝土劣化的机制，高耐久混凝土设计理论优化的方法，尤其实际重大的工程中。第三在重大灾变下混凝土性能劣化与评估。

    第三个方面，混凝土修复的阶段，研究做的最多的是，不仅仅是普通修复的方法，更多向自修复的方向发展。做的更多的基础研究进展，主要研究还是集中这几个方面。复杂环境下混凝土修复理论；混凝土自修复机制与新方法，混凝土当它开裂了，受损了，如何实现自修复，这也是更多要考虑的，设计一些新的方法；自修复效果与其评价方法。

在绿色功能混凝土方面，我们也提到了，不仅仅强调它的力学的性能，更多强调它结构的性能。更多还是我们会强调它其他的附加功能，这些功能我们从物理学分类，包括力学、热学、电学、磁学、光学。很多时候混凝土它韧性非常低，我们要提高它，国内发展了很多种高韧性的混凝土材料。包括碳纤维增强材料，之后提到的ECC，工程复合材料。有的大家会接触，ECC的研究是高韧性，高弹性的材料，由美国的一个教授90年代提出来的。经过几十年的发展，应该说在国内也有很多人开展这方面的研究。在国外也有尝试把这个材料应用到工程上，它很大的一点，它有一个高韧性。

第二是导电的混凝土，导电混凝土最早的也很多。都是尝试去用，导电的组份来看，有石墨、碳纤维，金属类有金属微粉末。国内国外做的最多的，第一个材料是碳纤维的材料，我想不仅是理论或者技术，理工大学做的很多。

    目前在这方面做的研究，更多的是采用石墨烯的材料，能实现更好的导电性能，在研究上正在开展这方面的工作。从应用角度来看，目前也尝试导电材料，我们在很多公路，目前国内重大的项目上，还有科研的项目上，也在尝试去用，解决路面、桥面凝冻、冰冻的问题，尝试这样的应用。电磁屏蔽的材料，前些年研究比较热门，尤其在研究方面，原来的纳米材料很兴起的时候，提出研究这个方面。电磁屏蔽更多的时候要考虑电磁不仅磁场，还有它的频率不同的低频场或者高频场。

    第二大的方面讲的是生态混凝土方面。第一生态水泥，这一块目前在前一二十年提的很热，利用垃圾的焚烧灰以及垃圾的物理，转化成水泥，解决废弃物很有效的途径。在国内做的工作还是很多，研究也很多，我们在上海90年代上海水泥厂也开始尝试，用污泥还有轮胎做产业化的实验。真正走工业化的生产，尤其是应用的时候还存在很大的问题。目前实际生产的过程中，主要还是三项关键的技术如何去考虑。第一是重金属再资源的技术，当污泥还有重金属的离子，我们怎么把它固化，第二怎么把它再利用。

    第三废气处理的技术，在国内生态水泥，更多是废气上处理的要求不是很高。当这种污泥它生产的过程中会产生大量的废气，如何把它循环，有效的利用，处理的话也是非常关键的。另外一个方面，大掺量，矿物掺合料混凝土。在这些工业废弃物利用的过程中，一个是要更多考虑构成辅助的胶能材料怎么样匹配，第二它的活性怎么样激发。目前通常用的四种方式激发它，我们更多的时候考虑到真正应用的时候必须要考虑的问题，当复合水泥的物理和化学匹配优化。

杭州湾大桥，东海大桥整个矿渣粉、复合的掺量达到65%。耐久性的角度、抗腐蚀的角度，设计的时候要进行这样的设计。我们讲废弃混凝土再生技术，目前国内尤其在汶川地震之后，国家也启动了重大的项目支持这方面的研究。国内有很多成果，也有很多生产线和工程的应用，做这方面的研究，陈教授提到的，更多的时候不仅仅是技术的本身，技术的本身往往不是问题。真正的问题往往是这个政策和推广的问题，经济的问题。我们研究的角度来看，像这种混凝土材料它的应用，废弃混凝土应用的问题是方向性，有一个方面，国内跟国外使用差别的地方，我们目前废弃混凝土做简单的破碎处理然后再生利用，在日本他们尝试新的工艺，怎么样分解处理的工艺，把水泥浆材料进行更有效的利用。它处理的成本可能更高，这样的利用可能更高效一点。

当然在国内想真正的实现这样的技术做研究，这个阶段可以开展，真正的推广，我们目前的这种技术，简单直接的利用还有更长的一段路在走。提的最多的是低聚合物水泥，以高岭势的粘土为原料。我们最后提到目前开展的新型绿色混凝土，就是吸碳混凝土，碳排放是大家非常关注的问题。水泥是碳排放最大的一个大户，公司提出来以二氧化碳作为水泥能源消耗的来，主要的原理可能是利用它整个低温烧成的过程中，我们普通的水泥要1450度，它水泥生产的过程中只要600度左右就可以实现。更重要一点，是通过二氧化碳合成的反映生产这个水泥，这个水泥也不是我们讲的普通的硅酸盐水泥，它是特种的水泥。

    新型的绿色材料，透水混凝土的概念，很多生产厂家已经做到了。这项工作做的最成熟的还是日本，各方面的工作做的也非常细致，包括它的应用不仅在路面，其他材料，日本的透水混凝土用在海水养殖这方面。这一个材料作为透水混凝土，后期能不能达到它实际的效果，跟结构的设计，路面的设计有密切的相关。

    目前新型的混凝土，透光的混凝土，传统的混凝土它是一个很厚实的混凝土，完全是不透光的。实际上在目前开发出新的混凝土，可以透光。透光的混凝土主要的原理是在混凝土内部加上光学的纤维，利用光学纤维透光的性能来实现这种效果。在国内，北京的一个公司它提出来，开发出来过，仅仅是一个样品，但是做的最成功的在2010年世博会，意大利场馆采用透光混凝土。主要利用的原理是光学纤维，真正的在这方面工作，从我们角度来看透光混凝土它相对来说主要取决于光学纤维，怎么使用，怎么去用，这方面的研究还不是很多。

    最后提高到另外一个绿色就是智能自修复混凝土，在裂缝的时候，怎么样让它自己修复呢。当你微胶囊参到混凝土之后，一定的时候它会发生改变。我们目前在做的矿物质融合的方法，混凝土本身材料的特性，不管外界环境的条件，附加一定的条件下，实现混凝土通过内部的矿物来实现裂缝的自修复。

    我想介绍的很多东西没有细细的展开，从我们讲绿色混凝土来看，发展的目标第一是大幅度延长混凝土服役的寿命。第二应有的功能，第三最大利用固体废弃物，大幅度降低自然和能源的消耗。绿色混凝土的方向，新型绿色混凝土技术日新月异，重点考虑能耗、资源、环境协调性。发展途径，理念与方法创新，理论和实践，希望大家交流和合作，使得这个行业进一步发展，谢谢。