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浅谈生态环境型水泥和混凝士的最新进展

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  • 更新时间2022-09-14
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  摘    要:目前,国内外对于生态环境型水泥的研究多以城市垃圾焚烧成灰作为主要原材料,再经过烧制形成水硬性胶凝材料,以期满足环境需求。生态混凝土是具有一定生态效应或特定生态功能的混凝土,这类混凝土与传统混凝土相比,具有减少水泥用量、除尘降噪、透水透气、净水储热等优势,同时具有环境友好性或生物相容性。文章以水泥混凝土对生态环境的重要影响为研究方向,对水泥混凝土机理进行阐述,论述水泥混凝土对生态环境造成影响的主要因素,并结合问题因素及不足提出若干解决措施,旨在为促进我国生态环境建设及保护生态环境提供理论指导。


  关键词:水泥混凝土;生态环境;影响因素;


  能源危机、资源危机、生态危机等问题的产生,给人类带来巨大的威胁,人们需要对自身的行为所带来的后果进行深刻反思,在生态环境保护战略下,人们对于水泥及混凝土造成的污染越来越关注。如何对其进行生态化改造或赋予其生态特性,从而降低其对环境的负担,成为当前我国水泥行业亟待解决的问题。


  1 水泥、混凝土概述


  水泥泛指粉状水硬性无机胶凝结材料,加水搅拌后成浆体,可以形成一种能在空气中固化,将砂、石等材料紧密黏合在一起的一种细粉末状水硬胶凝材料。水泥根据成分可划分为:硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥等六大通用水泥。还有某些特殊性质的水泥,如快速硬化硅酸盐水泥、抗硫酸盐型硅酸盐水泥。


  混凝土泛指由水泥、水、粗粒集料按照适当比例混合制成拌合剂,经过一段时间固化而成。通常根据其表观密度的不同分为:重型混凝土,其干密度超过2 600kg/m3,由非常致密且非常沉重的集料构成;一般混凝土,以天然砂、石块为集料,其干密度为1 900~2 500kg/m3,这种混凝土广泛应用于建筑、桥梁、路面等领域;轻质混凝土,干密度低于1 900kg/m3,可划分为轻质混凝土、多孔混凝土、大孔混凝土三种类型。


  2 水泥和混凝土对环境造成的影响分析


  2.1 水泥对环境造成的影响


  (1)水泥厂长期以来被认为是污染的源头,而在水泥生产中,先要解决的是烟尘,这是一种含有硫、氮、碳氧化物的有毒气体和尘埃。其中,尘埃直径超过10μm,会迅速落地,即所谓的“落尘”。小于10μm的微粒叫做飘尘,它们的体积很小,有些甚至比细菌还要小,它们会在空气中飘荡几个小时,甚至几天、几年,特别是直径0.5~5μm的粉尘,它们不会被人的鼻毛和呼吸道黏液所阻挡,而是通过肺部的血液传播到身体各处。


  (2)在生产水泥的过程中产生的大量CO2气体。根据欧洲水泥协会(European cement Association)的数据,1t水泥至少会产生0.5t的CO2,全球CO2的排放量高达100亿t,其中有1/10来自水泥生产,是造成温室效应的主要来源。如今,各国政府正在制定限制温室气体排放的方案,波特兰水泥势必会越来越受约束。


  (3)环境中57%SO2在自然条件下出现,但因其分布较小,不会造成污染。其中50%来自诸如水泥行业等的人为因素,因为其产生的途径较多,浓度较高,从而导致空气污染。同时,水泥燃烧时排放的SO2、NOx等有害气体,会以酸雨的方式,加剧对地球生态环境的破坏。


  2.2 混凝土对环境造成的影响


  在工业化及城镇化的发展趋势下,我国建筑事业得到了跨越式发展,建筑事业作为促进城市结构及改善城市经济的重要组成部分,其中混凝土施工较为关键。据相关资料显示,混凝土作为建筑中使用量最大、最必需的建筑材料,在当今社会中占有举足轻重的地位。由于混凝土的高强度、高耐用性,人们对其结构致密性的追求,导致混凝土不具有良好的渗透性、透气性,也因此特点影响其环境调节能力。同时,由于混凝土会对地面植被的生长造成一定的影响,导致城市绿地面积缩小,产生“热岛效应”,对城市生态和滨水生态环境产生很大影响。混凝土体积的70%~80%为砂石集料,为获得这些原料,简单地开挖和挖掘河道会导致土壤侵蚀、河流改变。在浇筑过程中,大量使用木材模板,导致森林资源的消耗和热带雨林的损害很大,对野生生物的生存和生态平衡也会产生一定的影响。在进行混凝土输送、施工时,不仅需要清空大量的能源,还会引起震动、噪声,这是造成城市环境污染的重要原因。21世纪,混凝土既要满足建筑材料的需求,又要尽可能降低对生态环境的损害和负面影响,还要与自然和谐相处、与环境和谐共存。


  3 生态环境型水泥和混凝土的研究进展


  3.1 生态环境型水泥研究进展


  3.1.1 生态环境型水泥概念


  生态环境型水泥泛指城市垃圾焚烧成灰后作为主要原材料,再经过烧制形成水硬性胶凝材料,以期满足环境需求。生态环境型水泥不仅具有节能的效果,还可以处理大量工业固体废料及生活垃圾,将水泥从传统的“环境污染”变成“环境保护”。


  3.1.2 生态环境型水泥研究现状


  (1)生态水泥。无熟料水泥主要以城市垃圾、污水及污泥组成。生态水泥最早是由日本学者提出,通过加工生活、城市废料形成水泥,可以改善传统水泥生产的环境污染,还可满足水泥相关需求。同年,日本学者率先开展以垃圾焚烧和污水处理为原料的环保水泥研究,目前已建成世界上第一条生态水泥生产线。利用垃圾制造生态水泥,不仅可以解决垃圾的处置问题,还可以节省天然原料,节省大量的能量,而且还可以通过大量使用石灰石来减少CO2的排放量。如果以工业废料为主要胶凝物质成分,再经化学作用,可以将“两磨一烧”的传统方法简化为“一磨”工序;还可以混合使用多种工业废料,不使用水泥熟料和化学激发剂,满足一些低要求的项目。显而易见,只要采用大量的废料,减少水泥熟料的用量,就可以达到节约资源、减少环境污染的效果。


  (2)低钙质水泥。低钙质水泥泛指基于节能减排和应对气候变化的新要求研发出的一款在满足工程建设强度需要的同时,提高硅酸盐体系具有通用性质的水泥。其中,以高贝利特硅酸为代表的低钙质水泥,其熟料中C2S含量超过40%,长期强度表现良好,但初期强度偏低,国外已经将其用于生产高性能混凝土。


  (3)地质高分子粘合剂。地质高分子粘合剂是一种由高岭土经过低温煅烧,转化为高岭土的矿物聚合物水泥,具有很高的火山灰活性,再加入少量的碱性激发剂和大量的天然或人造硅-铝质材料,在150℃以下,甚至常温下进行养护,可获得各种强度等级的水泥。


  (4)高性能水泥。所谓的高性能水泥是由粉煤灰和一些化学制品混合而成,将两种组成按照45~50∶55~50的比例混合,可获得超过32.5 MPa的水泥。它的主要特性是具有较低的水化热、良好的耐硫酸侵蚀性、良好的渗透性。


  3.2 生态环境型混凝土


  3.2.1 生态环境型混凝土概念


  生态环境型混凝土是具有一定生态效应或特定生态功能的混凝土。这类混凝土与传统混凝土相比,具有减少水泥用量、除尘降噪、透水透气、净水储热等功能,同时具有环境友好性或生物相容性。


  3.2.2 生态环境型混凝土研究现状


  (1)再生集料混凝土。再生集料混凝土(Recycled concrete)即回收混凝土。生产线主要由往复式给料机、混凝土破碎机、轮斗式洗砂机、皮带输送机等主要设备构成。混凝土破碎机在混凝土回收生产中具有的优势如下:可处理粒度不大于60~800mm的坚硬岩石,产品粒度80%小于30mm;破碎比大、破碎效率高、维修方便、生产成本低;破碎后物料呈立方形,是高等级公路路面及水电行业的首选设备。此外,除废弃混凝土以外,回收集料还含有废弃砖块、陶瓷等其他建材废料。欧洲共同体2002年的废弃混凝土约为1 600万t,其中废砖块的排放量是5 200万t,美国的废弃混凝土约为6 000万t,所以,回收集料混凝土既能解决废旧建材的处置问题,又能实现建材的资源化。


  (2)再生混凝土。再生混凝土以取代砂石等天然集料(以粗集料为主),再加入水泥、水等原料,制成新型混凝土。再生混凝土按照集料的混合形态分为:集料完全是再生集料;粗集料是再生集料,细集料是自然砂;粗集料是天然碎石或卵石,细集料是再生集料;再生集料代替粗集料或细集料。


  (3)植物相容型混凝土。植物相容型混凝土也叫植物混凝土,它包括两个部分:渗透混凝土和植生材料;多孔混凝土是指在粗集料的表面上覆盖一层由胶结物质浆液互相黏合而成的、具有许多孔隙(尤其是孔隙)蜂窝状结构的混凝土。植物相容型混凝土既有高强度和植生能力,又有良好的工程防护能力,又能适应植物的生长。


  (4)水域生物相容型混凝土。水域生物相容型混凝土是指在河流、湖泊、海滨等水体中设置多孔混凝土,其表面凹凸不平,内部孔隙众多,为陆地和水生小型动物提供生存空间,并在其内部或表层进行生物交互作用,从而形成食物链,在水泥地面和水体中繁衍,对保持水体生物多样性和生态环境具有重要意义。


  (5)水质净化处理型混凝土。水质净化处理型混凝土是指利用其独特的孔隙和表面结构,通过吸收多种微生物,在水中形成生物膜,从而达到净化水体的目的。其净化机制包括生化净化、物理净化和化学净化,通过生化处理间接净化水体。


  4 结语


  在节能、环保等方面,最直接、最有效的方法就是进一步提高混凝土的耐久性。据此,在生态混凝土研究中,可通过提高混凝土强度,来降低混凝土的使用量。同时,若混凝土的使用寿命延长一倍,可节省资源、能源,并避免因混凝土生产而造成的环境污染。


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