1、1993年前沿科学研究会提出生态材料（Environmentally Conscious Materials）的概念，日本混凝土协会与生态混凝土研究委员会于1995年首先提出“生态混凝土”的概念（eco-concrete/Environmentally Friendly Concrete），其涵义是减轻地球环境负荷、与生态体系协调发展、 并创造舒适生活环境的混凝土材料。日本混凝土协会于1995年设立了生态混凝土研究委员会，发表的关于各种生态混凝土材料研究成果受到了社会的关注4.2、减轻环境负荷的生态混凝土（Environmentally Mitigatable Concrete）减轻环境负荷型
2、生态混凝土即指能减轻地球环境压力的混凝土材料。这包括资源的消耗量以及资源的采伐、深加工、使用时的能耗各个环节对地球产生的压力都比较小的混凝土材料，即混凝土制造时降低环境的负担，混凝土在使用中降低环境负荷，使用后混凝土材料本身能够循环利用以降低环境负担。2.1 生态水泥配制混凝土及水泥生产的生态化制造技术生态水泥是指用城市的垃圾灰、下水道或污水处理厂的污泥及其它的工业废弃物等作为水泥的原料制造的水泥。用这种水泥制作混凝土可以有效解决废弃物处理占地、石灰石资源和节省能源的问题。用水泥回转窑在生产水泥过程中处理城市危险废弃物和生活垃圾也已经成为了水泥生态化制备的重要技术，在欧洲、日本和中国都实现了工
3、业化生产。北京水泥厂已经利用水泥回转窑在水泥生产过程中处理各种危险废弃物10000余吨，既节约了燃料，又利用了焚烧后废弃物作为水泥的原料生产出合格的水泥熟料，取得了良好的社会经济效益。国外从70年代初就着手利用可燃性危险废弃物作为替代燃料应用于水泥生产的研究。水泥回转窑在处理危险废弃物方面较之用专用焚化炉具有以下优越性：一是水泥窑内温度高，气体温度可达13501650（焚化炉温度一般为8501200），对有害成分焚烧率可达99.999%；二是滞留时间长，水泥回转窑内气体通过时间一般为48秒（焚化炉一般为2秒）；三是热稳定性好，水泥回转窑内容积大并有大量高温熔体；四是利于废气的净化处理，水泥回转
4、窑内的碱性物质可以和废弃物中的酸性物质相化合形成稳定的盐类；五是水泥回转窑可将废弃物中的绝大部分重金属元素固定在熟料中，避免再次扩散之害。因此利用水泥回转窑焚烧危险废弃物将具有重大的经济效益和社会效益。2.2 再生骨料与再生骨料混凝土再生骨料混凝土（Recycled Aggregate Concrete）是指将使用过的混凝土或废弃混凝土破碎后作为混凝土的集料，以代替天然集料制作混凝土。废弃混凝土的胶结材、混合材或骨料也可用作制作水泥的原料，进行多次重复使用。2.2.1 废弃混凝土排放现状一方面，混凝土生产需要大量的天然砂石骨料，生产1m3的混凝土大约需要17002000kg的砂石骨料。目前，全
5、世界每年混凝土的使用量大约为20亿立方米，砂石骨料大约为3440亿吨，这个数字是非常惊人的。如此巨大的砂石骨料需求必然导致大量的开山采石，最终结果会导致生态环境的破坏。另一方面，世界每年拆除的废旧混凝土、新建建筑产生的废弃混凝土以及混凝土工厂、预制构件厂排放的废旧混凝土的数量是巨大的。根据1996年在英国召开的混凝土会议资料表明，全世界从19912000年的10年间，废弃混凝土（包括从钢筋混凝土工厂不合格的产品）总量超过10亿吨。有关资料表明，欧洲共同体废弃混凝土的排放量从1980年的5500万吨增加到目前的16200万吨左右；美国每年大约有6000万吨废弃混凝土；日本每年约有1600万吨废弃
6、混凝土；在德国，每年拆除的废弃混凝土约为0. 3吨/年/人，这一数字在今后还会继续增长。我国每年拆除建筑垃圾按4000万吨计算，其中34%是混凝土块，则由此产生的废弃混凝土就有1360万吨，除此之外还有新建房屋产生4000万吨的建筑垃圾所产生的废弃混凝土78.传统的建筑垃圾处理方法主要是运往郊外堆放或填埋，这不仅占有大量的耕地，而且造成环境污染。5因此，对混凝土占用大量自然资源及对环境造成的负面影响，不可避免地需要从可持续发展问题角度进行思考与解决。2.2.2 废弃混凝土研究利用情况第二次世界大战后，苏联、德国、日本等国对废弃混凝土进行了开发研究和再生利用，已召开过三次有关废混凝土再利用的专题
7、国际会议，提出混凝土必须绿色化。再生混凝土的利用已成为发达国家所共同研究的课题，有些国家还采用立法形式来保证此项研究和应用的发展。德国、荷兰、比利时等国家废弃物资再生率已达50%以上。德国钢筋混凝土委员会1998年8月提出了“在混凝土中采用再生骨料的应用指南”，要求采用再生骨料配置的混凝土必须完全符合天然骨料混凝土的国家标准9.1977年日本政府制定了再生骨料和再生混凝土使用规范，并相继在各地建立了以处理混凝土废弃物为主的再生加工厂，生产再生骨料和再生混凝土。根据日本建设省的统计，1995年混凝土的利用率为65%，要求到2000年混凝土块的资源再利用率达到90%.日本对再生混凝土的吸水性、强度
8、、配合比、收缩、耐冻性等进行了系统性的研究。德国有望将80%的再生骨料用于10%15%的混凝土工程中。比利时和荷兰，利用废弃的混凝土做骨料生产再生混凝土，并对其强度、吸水性、收缩等特性进行了研究。我国政府制定的中长期科教兴国战略和社会可持续发展战略，也鼓励废弃物的研究和应用。2.2.3 再生骨料混凝土性能再生骨料的性质同天然砂石骨料相比含有30%左右的硬化水泥砂浆，从而导致其吸水性能、表观密度等物理性质与天然骨料不同。再生骨料表面粗糙、棱角较多，并且骨料表面还包裹着相当数量的水泥砂浆（水泥砂浆孔隙率大、吸水率高），再加上混凝土块在解体、破碎过程中由于损伤积累使再生骨料内部存在大量微裂纹，这些因
9、素都使再生骨料的吸水率和吸水速率增大，这对配制再生混凝土是不利的。同样由于骨料表现的水泥砂浆的存在，使再生骨料的密度和表观密度比普通骨料低 10 11 . 用再生骨料制备的混凝土同用天然骨料拌制的混凝土相比较，其力学性能是不同的。对于再生骨科混凝土来说，我们感兴趣的其他性能，例如抗拉强度、抗弯强度、抗剪强度和弹性模量等，通常都是较低的，而徐变和收缩率却是较高的。各种性能的差异程度取决于再生骨料所占的比重、原混凝土特征、污染物质的数量和性质，细粒材料和附着砂浆的数量、研究之目的在于测定这些因素的最佳组合，以便较经济地生产适合于某种用途的再生骨料混凝土。含有再生骨料的混凝土之耐久性，也受上述各种因
10、素的影响。然而最明显的因素就是污染物质的存在。来源:考试大网2.2.4 再生骨料处理技术要扩大再生骨料混凝土的应用范围，将再生骨料混凝土用于钢筋混凝土结构工程中，必须要对再生骨料进行改性强化处理12.根据再生骨料的基本特性， 对再生骨料的改性通常采取如下几种途径。a）机械活化机械活化的目的在于破坏弱的再生碎石颗粒或除去粘附于再生碎石颗粒表面的水泥砂浆。俄罗斯的试验表明，经球磨机活化的再生骨料质量大大提高，再生粗骨料的压碎指标降低到12以下，可用于生产钢筋混凝土构件。这种活化再生骨料的方法最有前途。b）酸液活化这种活化方法是将再生骨料置于酸液中，如置于冰醋酸、盐酸溶液中，利用酸液与再生骨料中的水
11、泥水化产物Ca（OH）2反应，起到改善再生骨料颗粒表面的作用，从而改善再生骨料的性能。c）化学浆液处理该法是采用较高标号水泥和水按一定比例调成素水泥浆液，为了改善水泥浆液的性能也可向其中掺入适量的其它物质，如超细矿物质（粉煤灰、硅粉等）或防水剂（FeCl3防水剂、硅质防水剂等）或硫铝酸钙类膨胀剂。利用浆液对再生骨料浸泡、干燥等处理，以改善再生骨料的孔隙结构来提高再生骨料质量。d）水玻璃溶液处理用液体水玻璃溶液浸渍再生骨料，利用水玻璃与再生骨料表面的水泥水化产物Ca（OH）2反应生成的硅酸钙胶体能填充再生骨料孔隙，使再生骨料的密实度有所改善13.2.2.5 再生骨料混凝土应用存在的主要问题再生骨
12、料主要用来配制中低强度的混凝，用在道路面层和垫层，而在建筑物承重结构中一般用得不多，再生混凝土的应用范围还相当窄。阻碍再生混凝土广泛应用的阻力一是其经济性，由于再生骨料的收集和制备要耗费一定的机械设备和人力，从纯经济指标的角度来讲，再生骨料的生产是微利甚至亏损；阻碍再生混凝土广泛应用的另一个阻力是缺乏再生骨料和再生混凝土通用的设计规程和有关材料、施工和验收的标准。2.3 用混合材制作混凝土用粉煤灰、高炉矿渣等工业废料作为混合材制作混凝土，达到节省资源、减少废弃物处理用地抑制CO2排放量的目的。当今全世界粉煤灰的年排量约为4.5亿吨，只有0.25亿吨，或6%作为混合材用于水泥或矿物掺合料用于混凝
13、土。如果将粉煤灰在混凝土里的应用加大，那么混凝土对环境友好的作用就能大大增强。有大量高炉矿渣副产品的国家还可以通过利用其作为混凝土或水泥掺合料获利。掺有高效减水剂的混凝土，当拌合物的水胶比为0.3或者更低时，最多可达60%的水泥用粉煤灰代替，并具备强度与耐久性优异的特性。其弹性模量、徐变、干缩和冻融特性均与普通混凝土相当。值得注意的是：这种混凝土抵抗水和氯离子渗透的能力优异，从结构耐久性的角度，包括控制暴露于侵蚀环境中钢筋的锈蚀，应用掺有超塑化剂的高掺量粉煤灰混凝土是粉煤灰在建筑业中附加值最高的途径。在碾压混凝土中通常掺有大量火山灰质材料，主要是粉煤灰，如瑞士一高度为95m的Platanovr
14、yssi坝所用碾压混凝土水泥用量仅35Kg/m3，而粉煤灰（属高钙粉煤灰，总CaO达42%）为250 Kg/m3，是以褐煤为原料的热电厂所排放，使用前经预处理（燃烧并水化）。每年全世界高炉矿渣的产量大约为1亿吨，作为胶凝材料的比率很低，因为在许多国家，只有少部分矿渣进行水淬或粒化处理，而缓慢冷却的重矿渣没有胶凝性质。虽然美国材料试验标准学会规定矿渣在水泥中的掺量可以到65%，但商品水泥中一般不超过50%.自密实混凝土技术技术工人短缺和节省施工时间，是日本开发和应用自密实混凝土的主要原因。由于这种混凝土要有足够的粘聚性，以保证其浇注过程不致离析，粉体需用量较大，如果全用水泥，容易导致开裂，因此粉
15、煤灰、矿渣或石灰石粉的掺量通常较高。如日本明石大桥的锚固墩29万立方米混凝土里均掺有150 Kg/m3石灰石粉。在法国，预拌混凝土厂生产供应自密实混凝土，作为无噪音产品，可用于城市街区一带的混凝土浇注。由于减小噪音、节约劳力并延长钢模板使用寿命，预制混凝土业也对其感到兴趣。从生产技术上讲，自密实混凝土生产过程节能、高效、减少噪音具有混凝土生态化施工技术的特点。P.K.Mehta根据材料与施工费用、耐久性和对环境友好三方面作为技术评价的基准对未来的混凝土材料和技术进行了评价，认为超塑化大掺量粉煤灰混凝土、超塑化大掺量矿渣混凝土对未来混凝土的冲击会很大，自密实混凝土也对混凝土行业有一定的冲击，这更
16、多地取决于它们的生态友好特性。3、环境协调型混凝土环境协调型混凝土是指通过混凝土材料的性能、形状或构造等的设计，使其具有降低环境负荷的能力。例如通过控制混凝土空隙特性和空隙率，可使混凝土具有不同的性能，如良好的透水性、吸音性能、蓄热性能、吸附气体性能等。通过对混凝土性能和色彩的设计，使混凝土能与动植物和谐共生，这类混凝土包括植物适应型生态混凝土、海洋生物适应型生态混凝土和淡水生物适应型混凝土，以及净化水质用生态混凝土3，14.3.1 多孔混凝土材料与制品多孔混凝土（Porous Concrete），简称POC，是由粗骨料与水泥浆或砂浆结合而成，形状如“米花糖”，又称“无砂混凝土”（No fin
17、es concrete）或大孔型混凝土，具有连续孔隙结构是其一大特征。POC具有良好的透水性和透气性，孔隙率一般为535，能够提供生物的繁殖生长空间，净化和保护地下水资源，吸收躁音等，因此多孔混凝土作为一种典型的环境材料而受到人们的重视15.3.2 多孔混凝土用原材料与制备方法使用材料主要有水泥、粗集料、细集料、混合材、外加剂以及水，与普通混凝土的原材料基本相同，但是，有时也不用细集料、混合材和外加剂。因孔隙率、孔径大小、孔径分布以及孔是否连通是多孔混凝土考虑的主要性能，所以，对集料的粒径有特殊要求。多孔混凝土一般在工厂内制作，方法之一如下：将除水以外的其他材料倒入搅拌机中预拌，然后加入水拌和
18、，使砂浆包裹在粗集料的表面上，然后倒入模具中振动成型。成型后采用蒸汽养护（预养3小时、65C养护4小时、然后自然降温。）有时，生物植被混凝土采用普通混凝土与多孔混凝土双层结构。孔混凝土的配合是根据要求其具备的品质和功能而确定，反映多孔混凝土性能的项目有孔隙率、透水系数、抗压强度、抗冻融循环性和干缩，评价多孔混凝土的功能则是依据这些性能。3.3 多孔混凝土的应用3.3.1 植物栽培和绿化过去利用混凝土栽种植物，主要是先成型箱式和井格式制品，留出空间，填入土壤、再栽培。采用多孔混凝土时，主要是利用POC的连续空隙，作为植物根的生长空间16.由此，可以将POC扩大应用于河川护岸等工程进行坡面的绿化。
19、作为这种用途的POC也可称为绿化混凝土。植物生长必须有土壤，利用连续空隙生长植物同样需填入必要的土壤，利用混凝土生长植物的要点是：（1）适于植物生长的POC的技术要求；（2）填充相关种类土壤的方法。作为POC的技术要求主要是确保连续的空隙和空隙的必要直径。如能确保连续空隙率达到25%以上程度，就能维持植物生长的良好状态。此外，骨料的粒径越大、空隙直径越大，植物根的伸长空间就有保证，填入土壤也较容易。作为粗骨料以粒径为1320mm的碎石为宜。所用的土壤材料，为满足保水性、保肥性的要求，有阳离子交换量高的有机物、粘土或浮石（Zeolite）等，还有高吸水树脂和粘土或有机物（泥炭苔）等保水性材料或与
20、土相混使用。POC用于绿化不仅限于河川护岸工程，而且还可考虑用于停车场和层面的绿化。不仅能满足生态环保的需要，而且也是抑制“热岛”（Heatisland）现象的有效措施。3.3.2 水的抑制与渗透利用POC的透水性能，可以用透水的路面。下雨时，汽车道上行驶的汽车会遇到水滑现象（Hydroplaning），飞溅的的水珠引起视界不良，如采用POC路面，这种现象即可消除，因而可以改善行车的安全性。同时还可以吸收汽车噪声。近来在都市开发中，沥青和混凝土地面大大降低了雨水向地下的渗透，减少了地下水，并引起地基下沉。此外，由于雨水流速加快，还会引起都市河川泛滥等事故，作为综合排水的一项措施就是利用POC制
21、成渗透性输水管和水斗等加大雨水渗透措施。此外，如用于地下水的蓄排水，还将POC广泛用于道路、隧道、住宅用地、高尔夫球场等。3.3.3 水质净化河川、湖沼、海域等水环境本来就有自然净化的作用。但像城市中所见河川、多为混凝土三面开式结构或以大都市为背景直立护岸的封锁性水域，由于生物种类数量的减少，自然净化的功能相应减退。POC由于存在连续空隙，水、气自由通入，在多孔质内部和表面，易于附着细菌（bacteria）和藻类等，形成可栖息的生物膜，使其中的好气性（需氧性）细菌对有机物具有净化的可能。生物的附着因水域条件而异，一般在三个月以内即可加大区别。例如：将中空的POC球体投入公园的河道内，后来出现的
22、生物种类有：2种细菌、45种藻类、原生动物5种和后生动物等多种多样生物。此外，在海域内，也能观察到附有细菌类、藻类和小动物以及贝类和大型海藻类多种生物。由于POC能附着多种多样生物，因而促进了水质的自然净化作用，为此一些厂商已开发出球状、凹凸状等POC制品，以供生物栖息净化水质之用。3.3.4 吸音、隔音作为道路、铁路等交通设施以及工厂机器设备噪声的对策，主要是采用吸音材料（吸音板）。吸音材料按外观分类，有POC等多孔材料、孔隙板构造体、膜状材料和板状材料等类，但多孔材料的吸音域特征，以中高音区最佳。POC如采用珍珠岩等人工轻骨料，即成为一种强度、耐候性都较大优越的吸音材料。实际上，已经有与其
23、它材料复合构成既吸声又隔音的隔音墙等类做法。作为实际的使用领域，除用于有关设施的外墙外，还可以作为吸音材料用于轨道面板。如用于高速铁路的轨道板，应解决的有轨道、车轮间发生的高噪音问题。对此，不仅关系到吸音特性， 而且还要求一定的耐久性。3.3.5 生物的生息现在渔业正在向养殖业转换，正在推广人工渔礁板法，即将预制带孔洞的混凝土块体投入海域，为鱼类提供生长条件。现在有了POC，由于表面呈凹凸状，而且为多孔性材料，海藻生长茂密，作为一种人工渔礁和人工海藻礁材料已引人注目。通过调查，改变混凝土类型、空隙率、骨料类型和尺寸等，将混凝土预制成板材后投入海域，一年后观察海藻生长情况表明，普通混凝土的植被率
24、为60%，而POC为100%左右，而且海藻生长良好。除海藻外，还附着有其它海洋生物。因此，POC有望进一步用于人工渔礁和人工海藻礁。3.3.6 改善温度特性、保护水资源1999年9月10日晚，河南省郑州市，连降暴雨约1小时，主要街道积水超过20cm，交通受阻；1999年9月，浙江省温洲市，降雨400mm，街道成河，交通中断，类似新闻，每年都有报道。与此同时，淡水资源日趋紧缺，我国北方大多数城市水资源紧缺状况越来越严重，这些现象与社会的工业化和都市化进展的同时而忽视环境保护不无关系。伴随这都市化的进展，混凝土地面覆盖率一直在增加。东京都在昭和35年的覆盖率约为4.4%，到平成3年增加到14.9%
25、.与次对应的是计划银座昭和42年前的雨水流出系数为0.7，以后达到0.8，到昭和58年流出系数已经达到了0.9.可见，都市化进展与雨水的流出系数有密切的相关性。都市地区的流出系数增加意味着雨水没有渗回到地下，全部通过市区的河道及下水管道排出，因此，增加了城市排水系统的负担，成为市区内发生水灾增加的原因之一。而且，由于水分不能深入到地层中，土壤中储存的水分减少，会使该地区温度变化增大。伴随着都市化的进展、铺装率增加引起的渗透雨水的减少是人们所谓“都市沙漠”、“热岛效应”形成的主要原因。1999年8月9日的北京日报第五版曾发表过一篇“热岛效应，热上加热”的新闻报道，指出北京市今年夏季出现罕见的高温
26、，市区6月24日和7月24日最高气温分别达到39.1和42.2，而延庆同期最高气温分别为36和37。 夏季的热岛效应使北京城区气温增高46。 报道认为，热岛效应产生的主要原因是，城市发展改变和破坏了原有的自然条件。如大部分的地表植被建筑物、沥青或水泥马路所代替，地面渗水力降低，发射太阳辐射少，吸收多，使京城夏季地面温度高达45以上。热岛效应不仅会使温度升高，还造成降水量减少，风力减少，市民闷热感加剧。采用透水性铺装时，路基、路床能够贮留水分，因而增大了路基、路床的热容量，并对其温度特性有影响。可以想象，含水越多，温度变化越缓慢。日本对新泻市的透水性沥青铺装和非透水性普通沥青铺装的测定结果表明，
27、夏季晴天时，透水性铺装的表面温度比非透水性铺装的表面温度低；冬季晴天时，两者基本无差别，但白天透水性铺装的表面温度高；雨天时，夏季透水性铺装的表面温度低，冬天时表面温度高。可见，透水性铺装和一般的非透水性铺装相比，夏季凉爽，冬季暖和。另外，可以想象积雪时透水性铺装更易露出路面。为避免热岛效应或城市沙漠现象的进一步发展，在今后的城市规划和市政建设中，采用透水性混凝土材料及制品是一条积极有效的措施， 例如透水性混凝土排水管，公园、居民小区步行道、河道护坡、立交桥护坡采用透水性混凝土构件等。使雨水尽量渗回地下，保护地下水位， 减缓城市热岛效应； 雨季又可减轻城市排水系统压力，做到排疏并举，减少城市水
28、灾。4、绿色高性能混凝土这种技术不是通过生产混凝土本身来降低环境的负荷，而是通过合理的设计以及适应的使用方法，提高混凝土的耐久性和建筑物的寿命达到降低环境的负荷的目的。与水泥混凝土的再循环利用技术相对应，减轻环境负荷的有效措施是尽量延长建筑物的安全使用寿命，这样避免了建筑物的解体工作和再建设施工的次数，从而降低了能源和资源的消耗，总的来说，降低了环境的负荷。长寿命混凝土主要是指其耐久性与目前使用的混凝土相比具有较大幅度的提高，从而使混凝土构筑物的寿命大幅度提高，在此主要是通过提高混凝土本身的耐久性（超耐久混凝土）来提高建筑物的寿命；另外，即使使用普通耐久性的混凝土，在设计、维修方面采取必要措施，也可使混凝土构筑物使用寿命延长。5、结语生态水泥混凝土材料和技术无疑是今后水泥混凝土行业发展的大趋势。在我们已经付出了沉重的环境代价后的今天，让水泥混凝土行业走向可持续发展的道路是我们行业发展的必然选择。生态水泥混凝土不仅仅是一种材料、一项技术或一个法规，它是一个完整的体系，从原材料、生产、设计、施工、使用，一直到建筑物的解体和循环利用，首先是一个概念和意识，只有水泥混凝土全行业都认识到水泥混凝土的可持续发展的重要性，水泥混凝土行业才能实现真正的可持续发展，才能进入良性的产业循环模式。考试大-结构工程师
