为可持续发展而绿化混凝土工业

作者：P．K．Mehta 翻译：廉慧珍 校对：赵 筠 覃维祖

作为美国泰悉尔集团纪念讲座，初次发表于2001年秋天在美国德克萨斯州达拉斯城举行的ACI例会。

变化是不可避免的。然而，快速的变化常常演变成混乱的状态。这就是为什么我们面对现状总是会感到突然的原因。看来当前经济和工业发展的方式是不可持续的。人口增长、都市化、技术的选择及其对环境影响，毫无疑问都是重塑今天世界的关键作用力之．。虽然这些因素是相互关联的，然而分别考察其历史资料和未来的趋势还是很有意义的。

在20世纪初，世界人口是15亿；而到了20世纪末，已增长到60亿。在上一个冰河期结束以后至今上万年时间里，人口才达到15亿；而人口从15亿增长到60亿仅用了短短100年时间，确实可以称得上是人口爆炸了。

统计显示出人口增长和城市化之间的直接关系。20世纪初，大约10%人口居住在城市；而在2001年，60亿人口中接近一半生活在城市里或城市周边。根据最近联合国公布的统计数字，地球上已有19个居民在1000万以上的“巨型城市”、22个居民在500万—1000万城市、370个居民在100万—500万的城市和430个居民在50万～100万的城市。

20世纪的人口爆炸和城市化，促使经济体系中的能源、制造和运输部门大幅度膨胀。不幸的是，我们的技术选择一直是分解论的方式。因为每个企业的决策都是依据短期和狭窄的目标，而不考虑应用一种技术全局的结果。例如，根据Hawken等人的文章，全球每年用去约5000亿吨材料，仅有6qo用于最终的消费产品，原始材料的其余部分则以有害的固体、液体和气体废料的形式返回环境。

环境污染不再是一种新的现象，然而，由于污染量的迅速增长，现在我们面临的环境挑战不是区域性的而是全球性的。根据科学家们的说法，今天最大的环境挑战来自人为引起全球变暖的气候变化。过去100年来地球大气层中温室气体的浓度在稳定地增长；自20世纪90年代以来，Worldwatch研究所记录了世界许多地区异常高次数的与气候相关的灾害。因此，我们也许不会耗尽自然资源，但是我们正在失去支撑我们生活和整个经济的环境。

混凝土的环境影响

用于现代混凝土主要的水硬性胶凝材料——硅酸盐水泥，其生产不仅耗能大，而且排放大量的温室气体C02。以重量计，一般来说，普通混凝土要用约12 010水泥、8%拌和水和80%的骨料。这意味着除了全世界要用16亿吨水泥以外（译注：这是2001年或更早统计数，现在中国水泥产量已经达到24亿多吨），每年混凝土还要消耗近100亿吨的砂石和10亿吨水；即每年总计消耗126亿吨原材料，是世界上最大的自然资源用户。除每年30亿吨生产水泥的原材料外，巨大数量骨料的开采、加工和运输消耗相当可观的能源，并对地球的生态产生负面影响。

怎样才能减少混凝土业对环境的影响呢？长期起作用的减轻影响的方法，是降低消耗速率。由于下面将要讨论的一些原因，混凝土的用量大概在50年里减不下来，在这一段时间里，我们必须开始实施工业生态学，以便可持续地发展。简单说来，工业生态学实施包括产生废料的再生利用，代替另一行业的原材料，以减轻二者对环境的影响。

据报道，每年要产生超过10亿吨的建造和拆除废弃物。现有技术可以经济地将这些废弃物中的大部分再生，作为部分粗骨料的替代物用于新混凝土拌和物。同样，工业废水和非饮用水只要经检验证明无害，就可取代民用水作为混凝土拌和用水。粉煤灰和磨细矿渣用于生产混合水泥是很好的工业生态学的实例，因为它可为好几种工业减轻对环境的影响提供整体性解决方案。

混凝土建筑业已经使用15%—20%粉煤灰或30%—40%磨细高炉矿渣替代水泥的胶凝材料配制混凝土。但Malhotra和他的同事研究证实：采用普通的材料与技术，可以生产胶凝材料含有50%~ 60%粉煤灰的高性能混凝土。(本期Concrete International中有V.M. Malhotra的文章，讲述高粉煤灰体积掺量( HVFA)混凝土技术）。需要指出，在世界的大多数地区均可得到粉煤灰。中国和印度这两个国家消耗大量水溏，每年排放近3亿吨粉煤灰。

耐久性与可持续性

长期而言，只有能够显著地改善对资源的利用效率，可持续发展才会实现。Hawken等人描述过1994年由Factor Ten.Club-群科学家、经济学家和商人发起的运动。他们宣称：在一代人的时间里，一些国家可以通过减少90%的能源和材料消耗，达到成10倍的提高资源利用的效率。如果我们能够生产出耐久得多的产品，就必定能大量地节省材料。例如今天建造的混凝土结构物若不是现在仅有的50年寿命，而是250年寿命，那么混凝土业的资源利用效率就能提高5倍。

首先，让我们回顾-T20世纪后半叶建造的现代混凝土结构物的耐久陛现状，然后来确定能采取什么步骤来提高今天正在建造的结构物的耐久性。

在1998年4月出版的《ASCE新闻》中，美国土木工程学会(ASCE)给该国的基础设施打分为“D级”（译注：不合格），并预计需要1.3万亿美元的资金来修复，已经出版了大量描述混凝土结构过早劣化的报告，特别是暴露于工业和城市环境、除冰化学品和海水里的混凝土。在大多数情况下，混凝土的劣化与钢筋锈蚀有关；少数情况下，劣化是由于碱一骨料反应或硫酸盐侵蚀。

为什么钢筋混凝土结构开始劣化比设计预期的服务寿命早得多？许多研究者包括Borrows指出：通常设计成高早强的现代硅酸盐水泥混凝土拌和物是容易开裂的。混凝土的裂缝、微裂缝和孔隙之间互相连通，为水和有害离子提供了侵入的通道，引发多种耐久性问题。

根据对20世纪现场混凝土结构耐久性的综述评论，Mehta和Borrows断言：现今受分解论影响的、仅为满足陕速施工需要的混凝土工程建设实践，是20世纪80年代与90年代建造的大量桥面板和停车库裂缝过多和耐久性问题大量发生的根源。自20世纪30年代以来，普通水泥的硅酸三钙(C3S)含量和粉磨细度就—直在不断地增大。现今的混凝土拌和物中高活性的、产生高早强的硅酸盐水泥用量较大，这种混凝土的温度收缩和干缩又大，因而比50—60年前所用混凝土出现开裂并丧失水密性要早得多。

我相信，要想提高混凝土的耐久性，就需要舍弃一直在尝试但没有多大成效的分解论方法，而代之以基于混凝土劣化整体论模型的方法。这种方法将会给我们当前的混凝土工程实践带来根本性的转变，探索一条能够交付出更好的、无裂缝的成品，而不再继续推行快速施工的一套做法。

一种新兴的绿色混凝土技术

最初由Malhotra及其同事们开发的大掺量粉煤灰( HVFA)混凝土，为我们建造比用传统的硅酸盐水泥更耐久、更有效地利用资源的混凝土结构提供了最有发展前途的例证。不管是作为一种混合硅酸盐水泥的组分，还是在混凝土拌和时作为矿物掺和料掺人混凝土，HVFA混凝土拌和物的粉煤灰掺量一般占总胶凝材料质量的50%~ 60%。本文后面列有两个HVFA混凝土技术在现场应用的实例。

在过去，HVFA混凝土拌和物一般在强度发展、干燥收缩和耐久陛方面表现得不好。这是因为老电厂生产的粉煤灰较粗，而且通常含有较多的碳。实验室和现场经验表明：来自现代热电站的粉煤灰，一般以低含碳量和高细度为特征，大掺量粉煤灰的混凝土比不掺粉煤灰的混凝土用水量低15%~ 20%，且施工J陛极好。使用级配较好的骨料并借助于高效减水剂，可进一步降低用水量。如以下所述，拌和水量大幅度减小对混凝土的抗裂和耐久性大为有利。

表1的两种混凝土拌和物典型配合比，有助于说明为什么HVFA混凝土的抗裂性较好。拌和物设计目标为强度25MPa（译注：圆柱体强度），坍落度125mm—150mm。同传统混凝土拌和物相比，HVFA混凝土的拌和水用量要少1/3，结果是水胶比(w/cm)较低，浆体总体积减少近16%。从而，直接与水胶比和混凝土中浆体比例有关的干燥收缩大为减小。同时，由于硅酸盐水泥用量大幅度减少，HVFA混凝土的早期水化放热量几乎减少40%，因此大体积构件温度开裂的倾向性大为降低。

混凝土绿色化的障碍

建筑师和工程师们日渐增多地涉及能更有效利用能源和资源的“绿色”建筑的建造。只有建筑材料也是“绿色的”，建筑业的绿色化才完整。尽管生产绿色混凝土的技术已经成熟，并且经济效益良好，混凝土建筑业采用相关技术的速度仍是极其缓慢的。在能够指望现状有任何变化之前，必须确定并解决混凝土绿色化的障碍。

当今建筑业的运营惯例是第一个强大的制度上的障碍。建筑工业的盈利能力很大程度上决定于快速的施工进度，而不是来源于从降低能耗和材料消耗所节省的服役寿命周期成本。经验表明：快速施工未必经济，出现蜂窝、麻面且裂缝丛生的劣质混凝土往往带来昂贵的维修费用并引起诉讼。低劣的建筑结构劣化较快，尤其是暴露在现今工业和污染的环境中。因此，业主必须支付高寿命周期成本。而且，由于存在原始裂缝和微裂缝，遇强暴风雨或严重地震时，混凝土结构更会提早破坏。显然，现今的经济建设受到资本和材料可观的浪费的困扰，需要从根本上进行调整。

建筑规范是另一个制度上的障碍，它压制材料的再生利用。许多过时的规范限定工程必须使用一些特定范围的材料和配合比，而不是规定一些性能标准。例如许多联邦、州和都市的规范，常常限定混凝土拌和物里粉煤灰的最大掺量(通常为胶凝材料质量的15%—25%)或水泥最小用量。用大掺量粉煤灰混凝土制备的高性能混凝土拌和物表明：指令性的规范是陈旧的，应该由以性能为基准的标准来更替。

正如以前的文章中所讨论过的，现行推荐实施的规范意味着，无论水泥用量高低，低水胶比混凝土是对大多数耐久眭问题的一种解决办法，然而事实上许多近年建成的结构已经形成严重的温度收缩和干缩裂缝，使混凝土受化学和物理侵蚀时易于过早劣化。对混凝土耐久性的整体论方法认为：长期耐久性的基础不是实验室小尺寸试件的强度和不透水性，而是整个结构的强度和不透水性。因此混凝土耐久性不会因为限定低水胶比而提高，除非混凝土的用水量和水泥用量同时减小。

第三个制度上的障碍是在工程教育和研究中缺乏整体论方法。建筑实施从分解论到整体论的转变，必须从改革混凝土科学和技术领域现有教育和研究的体系开始。显然，整个混凝土建筑业的绿色化，在绿色混凝土取代传统混凝土作为一般建设选用的材料之前必须继续下去。漫长的隧道尽头是光明？

在地球的气候状态变得不可逆转之前，我们还有多长时间？这种讨论需要对未来人口增长、都市化的影响和自然资源的浪费性消耗来一个回顾综述。

按照最近的人口预测，欧洲和北美的人口已经稳定；而在亚洲、非洲和南美增长速度正在放慢。目前专家们预计：大约在2050年，世界人口在进入稳定状态前，将增加到100亿。由于人口增长和都市化直接相联系，预计100亿人口将有3，4生活在城市区域。最近的联合国“世界城市状态”报告指出：在1980年，世界上最大的20个城市几乎有一半位于发展中国家；今天，除了4个城市（东京、大阪、纽约和洛杉矶）之外，所有巨型城市（人口在1000万以上）都在发展中国家。发展中国家这些巨型城市的增长，对他们的建筑和基础设施产生了极大的需求压力，且尚未得到满足。

假定今后50年里人口和都市化增长50%，按目前消耗量比率，到2050年混凝土年需求量将增长到18亿吨；此后，需求量可能下降，取决于今后50年里我们如何认真地遵循工业生态学的原则并提高结构的耐久陛。假使我们毫不迟疑地实施了对硅酸盐水泥、原生骨料和洁净水所需要的保护步骤，仅通过采取这个行动，混凝土业就能接近成倍增加其资源产出率；同时，假使我们还开始建造今后几百年也无需更换或大修的混凝土结构；那么，从现在起50年后，这些步骤将产生显著减少混凝土消耗量的效果。到2050年，如果发展中国家对建筑物和基础设施的需求已大部分得到满足，我们就可期望混凝土需求量呈现如图1所示的下降趋势。是的，我们有可能在50年隧道长河的尽头，看到混凝土业可持续发展的光明。然而，前提是建筑业的各个环节克服了上述制度上的障碍，并且拥护整个工业绿化的任务。

向着光明前进

·科学家们相信，一个不可持续发展的时代大约是在100年前开始的。自那时起我们进入了一个非常时期——人口爆炸、快速都市化并选择了导致能源和资源高度浪费性消费的技术；

作为自然资源最大的消耗者和能源的主要消耗者，水泥和混凝土是不可持续发展的首要责任者之一。然而，现在有了经济效益和生态效益俱佳的新技术，能够在传统混凝土拌和物中使用大量工业副产品替代物；

长期而言，如果我们通过延长新建结构的使用寿命来减少混凝土的消耗量，来改善混凝土业资源利用的效率是可能的。然而，这将要求建筑业进行根本性的调整。由于若干制度上的障碍，混凝土耐久性取得根本性的提高是不容易做到的。

根据未来人口统计学和城市增长模式，混凝土需求量在未来50年里预计将增长到每年18亿吨，但是如果我们立即采取措施大幅度提高目前在建结构的耐久性，则此后混凝土需求量会开始下降。混凝土建筑工业在50年的长河尽头是否能见到可持续性的光明，取决于我们能够多快地完成绿色化整个混凝土业。

HVFA（大掺量粉煤灰）混凝土技术的实施

实施HVFA混凝土不是出于一种实验室里的好奇心。北美一些结构施工时采用的HVFA混凝土拌合物的配合比、现场实践和混凝土性能，在发表过的许多文章中已有描述。这里结合我参与的两个在美国西部建造的结构来进行讨论。第一个结构，设计要求至少可耐1000年之久。它是一个大体积的、无筋的整体基础，由上下两块平板组成。每块板的尺寸为36m x17m×0.62m。大板所用HVFA混凝土的强度要求为20MPa，配合比中为I型水泥用量106kg/m3、F级粉煤灰142kg/m3。施工两年后对该结构进行检查，在暴露的混凝土表面没有发现一条裂缝，强度几乎达到规定值的两倍。

第二个结构由配筋密集的剪力墙和一个3.4m×1.8m大体积的后张预应力钢筋混凝土基础组成，（代表HVFA混凝土强度范围的另一端）。结构设计者和承包商最初的目的是建造一个无裂缝的绿色混凝土结构。剪力墙和基础的HVFA混凝土拌和物设计成坍落度150mm、56d强度35MPa。此外，为了周转模板，墙体的混凝土设计成7d达到20 MPa。基础混凝土主要涉及温度开裂问题，因此目标是保持混凝土内外温差限制在25℃以内。超塑化的HVFA混凝土拌和物的水胶比为0.32，I型硅酸盐水泥l95kg/m3，F级粉煤灰l95kg/m3，性能很好地符合剪力墙混凝土的要求。但用于浇注基础的拌和物，水泥用量减少到l60kg/m3，以控制水化放热量。由于HVFA混凝土优异的施工性，墙和基础没有发现蜂窝麻面和虫眼。而且，最近刚检查过墙体，浇筑9个月后没有出现任何裂缝。

译者简介

廉慧珍，1933年生，清华大学土木工程系教授。自上世纪70年代起承担多项高强混凝土及其流态的科研任务，以及“七五”和“八五”国家重点科技攻关专题。

是我国最早使用扫描电子显微镜研究水泥浆体微结构和混凝土界面的专家之一，三次承担国家科学基金的研究课题在矿物掺和料作用和水浆体微结构的研究，并取得突出的成果。

本文译自P.K. Mehta教授的‘Greening of the Concrete Industry for Sustainabledevelopment’．发表在Concrete IntemationaI杂志2002年7月刊