生态混凝土的发展
摘要：本文主要介绍了生态混凝土的概念，分类及用途，以及国内外生态混凝土的发展现状，再加以对比。生态混凝土又称环保型混凝土，目的是减少人类的建筑材料多大自然或周围环境造成的破坏，实现人类与大自然的和谐相处。生态混凝土在上世纪90年代被提出以后，快熟发展，形成了种类繁多，功能不仅相同的子类产品，能适应各种复杂环境对其性能的特殊要求。本文还列举了国内外的一些应用生态混凝土的实例，通过这些例子，我们能对生态混凝土的应用与功能加深理解，并对生态混凝土的未来进行展望。
关键词：生态混凝土 概念 分类 应用 发展研究
清洁、安宁、宜人的环境是全人类共同的愿望,也是人类可持续发展的基本要求。然而，生活在“混凝土森林”中的人类在享受人类大脑所创造文明的同时，也在遭遇由于制造混凝土给大自然所带来的环境恶化问题。日本大成建设技术研究所进行了连续4年的探索性研究 , 在1993年提出生态材料(Environment Conseious Materials )概念的基础上，1995年日本口夕夕一卜工学协会提出了生态混凝土(Environmentally Friendly Concrete / Ecoeonerete ) 概念。所谓生态混凝土是一类特种混凝土，具有特殊的结构与表面特性。它能减小环境负荷，与生态环境相协调，并能为环保做出贡献。
一、生态混凝土的概念
生态混凝土的名称不一致, 有的还称为环保型混凝土田, 其定义为既能减少给地球环境造成的负荷, 又能与自然生态系统协调共生, 为人类构造更加舒适环境的混凝土材料。生态混凝土具有如下特点: 具有比传统混凝土更高的强度和耐久性, 能满足结构物力学性能、使用功能以及使用年限的要求; 具有与自然环境的协调性, 减轻对地球和生态环境的负荷, 实现非再生型资源可循环性使用; 具有良好的使用功能, 能为人类构筑温和、舒适、便捷的生活环境。生态型混凝土只是生态混凝土的一种 , 即能够适应生物生长, 对调节生态平衡、美化环境景观、实现人类与自然的协调具有积极作用的混凝土材料。有关这类混凝土的研究和开发才刚刚起步, 它标志着人类在生产和使用混凝土材料的过程中, 要保护环境, 维护生态平衡的意识更加强烈, 对自己在建筑材料方面的开发研究工作提出了更高的要求。总而言之, 生态混凝土概念的提出标志着人类在处理混凝土材料与环境的关系中具有更加积极、主动的态度。
二、生态混凝土的分类
目前, 绿色生态混凝土可分为环境友好型生态混凝土和生物相容型生态混凝土两大类。
1.1 环境友好型生态混凝土
环境友好型生态混凝土是指可以降低环境负荷的混凝土。目前, 主要通过以下3 种技术途径加以实现: ( 1) 在混凝土生产过程中的降低环境负荷这种技术途径主要通过固体废弃物的再生利用来实现, 例如, 采用城市垃圾焚烧灰、下水道污泥和工业废弃物作原料生产的水泥来制备混凝土。1997年日本秩父小野田公司利用城市垃圾焚烧灰和下水道污泥为主要原料(原料中70%为废弃物, 其中城市垃圾灰占40%～50%, 另补充石灰石原料20%～30%)生产出高强度水泥,并利用再生水泥制备混凝土。这
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样不仅有利于解决废弃物处理、石灰石资源,还可以解决有效利用能源等问题。另外, 也可以通过将火山灰、高炉矿渣等工业副产物进行混合等途径生产混凝土, 这种混合材料生产的混凝土有利于节省资源、处理固体废弃物和减少CO2 排放量。在这方面, 上海的粉煤灰综合利用率、利用量以及利用技术方面均处于国内前列。2003 年的利用量已经超过500万t, 综合利用率连续多年超过100%, 为上海市节约了近10 公顷土地和3亿多元的灰场建设处置费, 无论在社会、经济以及环境方面都取得了良好的效益。
还可以将废弃混凝土粉碎作为再生骨料使用, 随着旧建筑物的解体, 大量废弃物产生出来, 严重污染着人们赖以生存的自然环境。在西欧, 人均年产生废混凝土量约16～19t, 我国每年解体混凝土量约800万m3。仅香港地区，1998年建筑废弃物的排放量每天即高达32710t而这些废弃的混凝土往往被填埋在垃圾场和地势低洼的地方,很少被利用。而且我国的混凝土年用量超过20亿t居世界之首, 其中骨料含量约占70%,为此要消耗大量自然资源，排出大量温室气体，对自然环境造成极大损害。这种再生混凝土可有效地解决建筑废弃物、骨料资源、石灰石资源、CO2 排出等资源和环境问题。
( 2) 在使用过程中的降低环境负荷
这种途径主要通过使用技术和方法来降低混凝土的环境负担, 使混凝土结构中增加更多的“绿色”元素。就相当于节省了资源和能源, 减少了CO2 排放量。例如, 通过技术手段提高混凝土的耐久性, 使混凝土结构的使用寿命得到延长
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而维修费用得到减少; 通过加强“绿色”设计, 使得混凝土结构得到优化、更趋合理。现在的设计有一种趋向于高安全储备。远远超过规范。要求, 作为结构中的主要受力材料的混凝土也不例外,这样其实是一种资源浪费.应进行安全性绿色设计, 做到有必要的安全即可,不盲目追求高储备;再有, 加强“绿色”施工管理提倡以节约能源、降低消耗、减少污染的产生量和排放量为基本宗旨的“绿色生产”, 对于推行建筑业的可持续发展战略, 推广“绿色建筑”有着不可忽视的作用。
( 3) 通过提高性能来改善混凝土的环境影响
这种技术途径是通过改善混凝土的性能来降低其环境负担。目前研究较多的是多孔混凝土, 也称为无砂混凝土, 它只有粗骨料而没有细骨料, 直接用水泥作为黏结剂连接粗骨料, 这种混凝土内部有大量连续的孔隙。其孔隙特性不同, 混凝土的特性就有很大差别。通过控制不同的孔隙特性和不同的孔隙率, 可赋予混凝土不同的性能, 如良好的透水性、吸音隔音性、蓄热性、吸附气体, 种植植物, 水质净化以及生物的生息。
1.2 生物相容型生态混凝土
这是指能与动、植物等生物和谐共存的混凝土。根据用途,这类混凝土可分为植物相容型生态混凝土、海洋生物相容型生态混凝土、淡水生物相容型生态混凝土以及净化水质用混凝土等。植物相容型生态混凝土利用多孔混凝土的透气、透水等性能, 渗透植物所需营养,生长植物根系这一特点来种植小草、低灌木等植物,用于河川护堤的绿化,美化环境。20世纪90年代初期,日本最早开始研究植被混凝土, 并于2001年发布了关于护岸用植被混凝土的专利公报。我国吉林省水利科学研究院, 水土保持研究院, 水利实业公司等研究单位于1998年开始, 根据水利防护工程的特点, 提出了复合随机多孔型绿化混凝土结构。
海洋生物、水生物相容型混凝土是将多孔混凝土设置在河、湖和海滨等水域, 让陆生和水生小动物附着栖息在其凹凸不平的表面或连续孔隙内,通过相互作用或共生作用, 形成食物链, 为海洋生和淡水生物生长提供良好条件, 以保护生态环境。相关试验通过改变混凝土类型, 孔隙率, 骨料类型和尺寸等,将混凝土
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预制成板材后投入海域, 一年后观察海藻成长情况, 普通混凝土的附着率为60%, 而海洋生物相容型混凝土为100%左右, 并且海藻生长良好。除海藻外, 还附着有其他海洋生物。
净化水质用混凝土是利用多孔混凝土外表面对各种微生物的吸附, 通过生物层的作用产生间接净化功能, 将其制成浮体结构或浮岛设置在富营养化的湖河内净化水质, 使草类、藻类生长更加繁茂, 通过定期采割, 利用生物循环过程消耗污水的富营养成分, 同时, 绿色生态混凝土中释放的镁离子与污水中的铵离子发生离子交换。铵离子被绿色生态混凝土巨大的表面积所吸附, 依靠硝化菌的生物化学作用逐步硝化, 最终成为氮气释放到大气中。从绿色生态混凝土上脱离出来的镁离子会与污水中的磷酸根离子反应, 生成磷酸氢镁三水化合物( 难溶沉淀)。
三、生态混凝土的国内外应用及研究 边坡防护应用
我国于2000年首先由四川省励自生态技术有限公司自主开发成功了适用于我国国情的厚层基材喷射护坡技术,可应用于坡比小于1:013的各类边坡的防护; 2001年5月5日至2001年10月31日,吉林省水利实业公司在吉林省梅河口市城区防洪堤防迎水坡面进行了生态混凝土护砌实验施工,检验堤防迎水坡面绿化棍凝土制作与施工方法、护砌效果; 2004年3月, 合肥凯通建设工程有限公司承接安庆市太湖到望江公路河墩段弯道取直改造中的一土坡面绿化混凝土护砌施工,总计550m2, 构件尺寸40cm@40cm @ 10cm, 至2005年1月,当地已经历2场雪,最低温度在-6e ,坡面仍是一片绿色;日本关西机场的护岸, 建成3个月后, 混凝土表面就有茂密的海生物生长, 1年后褐藻生长繁茂,砌块上可见虾子栖息的洞穴,3年以后褐藻充分长大, 看似海中森林, 给海洋生物提供了良好的生态环境。日本的下田港和那霸港的防护堤也用此技术,建成不久便在混凝土表面观察到红藻和马尾藻的生长4年后还观察到有珊瑚生长。
海洋及水域生物应用
日本现已有大量的这种人工渔礁, 由于在材料上采用了生态、环保、高耐久性的混凝土材料, 应用20余年的人工渔礁仍完好无损; 日本长崎大学于1994年起进行实地的海洋现场试验,将直径lm 高015m 的有孔洞试块l0个一组地投人海中, 并于1995年2月至1996年2月每月实测一次水质变化, 发现生态混凝土有富集营养物质的功能; 我国科学家在辽宁省沿海进行了人工礁石的研究, 研究表明, 采用高性能、生态混凝土技术渔礁的耐久性是可靠的。人工礁石仅投放40天, 就长满了大量的海洋生物, 与海洋生物共存的性能十分优异 ，形成一个良好的生态系统。
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治理水污染工程中应用
生态混凝土污水处理技术是国外90年代开始研究的新技术。同济大学从1997年开始污水处理的研究, 取得了阶段性成果, 填补了国内生态混凝土技术污水处理的空白。该研究组人员根据侧滤原理,研制了一种沉淀、过滤、曝气三合一的预处理装置, 在沉淀的同时进行过滤和曝气，减少了污水处理占地面积, 根据生态混凝土的特点, 设计了一种推流式生物滤池。当水通过污水泵等进入透水混凝土生物滤池的一端时,以推流的方式通过生态混凝土滤层, 最后在溢流坝上溢出。依靠在生态混凝土上发生的化学、物理、物理化学作用逐渐形成的生物膜的生物化学作用, 清除和降解污染物质,达到净水的目的,用该装置,污水中的固体物质可去除90% 以上。该技术已经在河北邯郸市亚太世纪花园住宅小区推广应用。
工程伪装应用
现代侦察技术发展迅速,侦察手段多种多样,侦察器材遍布于陆、海、空、天, 可以进行雷达、红外、可见光、声振等多频谱探测, 传统工程被发现的概率大大增加。当前工程施工主要还是以混凝土结构为主, 由于混凝土的雷达反射率、红外辐射特征和环境背景相差较大, 很容易从雷达图像、红外图像及可见光照片中被分辨出来, 尤其是工程附近的混凝土路面、口部结构往往成为工程被暴露的主要因素, 表2给出了传统无伪装条件下工程口部各征候的暴露概率。生态混凝土伪装是在与环境背景征候相差较大的工程设施表面种植植物, 将工程设施的征候隐藏于环境背景中, 从而降低工程设施被发现的概率。美国从20世纪40 年代开始研究岩石边坡植被生态保护技术, 现在已经发展到第三代技术(高分子聚合物稳定材料).将生态混凝土应用于军事工程伪装将具有良好的伪装性能和推广应用价值。一个具有借鉴意义的应用实例是/牧田川根古地护岸工程, 其工程基本概要是: 用生态混凝土仿照自然岩石形状制成大型护岸基坯。在使用现场进行安装、连接及土壤覆盖, 然后在预留的凹孔中以及坯块结合的凹孔里植栽草木。因此, 深入开展该技术在工程伪装中的应用研究, 将从根本上改变人工伪装面的非自然性景观, 构造出以鲜活植被组成的生态型伪装面, 从而实现伪装面自然背景特征的真实仿造。鉴于生态混凝土的这些特点, 其在国防工程应用中具有重要的实用价值和深远的战略意义。
城市建设应用
1． 缓解城市排水压力、维持城市水资源平衡。
相比于传统混凝土透水性差的特点, 生态混凝土有较大的孔隙率透水性好, 因此生态混凝土路地面能有效地缓解由于下雨而聚集在路面上的积水, 以及缓解城市排水系统压力。同时, 可以贮蓄雨水, 大量雨水透过生态混凝土地面渗入地下, 很好地补充了地下水资, 维持地下水资源的供给平衡, 缓解城市水资源的匮乏、短缺。
2.调节气候
热岛效应是城市面临的最严重问题之一。而生态混凝土吸收大量的显热和潜热, 使其地表温度降低, 从而有效地缓解了夏季地表温度过高的问题, 同时生态混凝土的热容比其它路面材料大, 能储较多的热量, 它表面粗糙, 能减少热量向空气中反射。使用生态混凝土路面, 可降低路面温度约5e。此外, 生态混凝土蒸发的水蒸气还会增加空气的湿度, 这对缓解由于地表的湿度及蒸发量少而引起的沙尘暴也有着很好的效果。
3.降低城市噪音
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吸音混凝土就是为了减少交通噪音而开发的适用于机场、高速道路、高速铁路两侧、地铁等产生恒定噪音的场所, 能明显地减低交通噪音, 改善出行环境以及公共交通设施周围的居住环境。罗马尼亚 开发出2种与普通混凝土相比有更强拉力、抗震力和更好隔声隔热的生态混凝土, 而且这种生态混凝土还能让墙壁呼吸,能避免混凝土缩合而排放的有毒气体。由于这种生态混凝土无须抹灰泥、刷漆和放置隔热材料, 采用它进行房屋建设可大大降低造价。
4.实现固体废弃物的资源化利用。
生态混凝土的制备和铺装可以利用大量固体废弃物 , 有利于缓解环境压力的同时, 降低了城市建设费用, 有利于城市建设的可持续发展。
总结：本文主要对生态混凝土的概念、种类、发展现状进行了简单的介绍，可以通过此文对生态混凝土进行一个大概的了解。可以看出，生态混凝土已经在国内外的环境治理、居住环境改善、废物利用、军事领域、防沙固坡等方面发挥了巨大的作用，而且其总类与功能也在不断发展进步，将会在未来的生态工程中祈祷更大的作用。
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