混凝土建筑材料綠色性能評估分析

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摘要：混凝土是廣泛使用的建筑材料之一，其綠色性能值得被高度關注。本文從熱性能、耐久性和環境影響來討論混凝土建筑材料的綠色性能。混凝土良好的熱性能和耐久性，可以在一定程度上降低資源和能源的消耗。但是其在制造硅酸鹽水泥、消耗天然骨料、產生建筑垃圾等方面會對環境產生不利影響。通過一定的技術手段，可以減少混凝土對環境的不利影響，從而增加其綠色性能。

關鍵詞：混凝土；綠色性能

混凝土具有施工方便、造型能力強、抗壓性強等優點，是幾十年來世界上使用最多的建筑材料，其綠色性能值得被高度關注。對于建筑材料，可以從生產和使用過程中對資源和能源消耗的角度來考慮其可持續性。混凝土具有較好的熱性能，可以發揮一定的溫度調節功能，從而起到降低能耗的作用。此外，混凝土具有良好的耐久性，具有較長的使用壽命。但是，混凝土在資源消耗、二氧化碳排放以及建筑垃圾處理等方面，會給生態環境帶來較大的負面影響。本文主要選擇從以上三個方面——熱性能、耐久性和環境影響來闡述混凝土建筑材料的綠色性能。

1熱性能

室內溫度是影響人體舒適度的重要因素，只要控制在一個適當的區間就可以滿足人基本的使用要求。如果一個建筑物內部主體結構為外露的混凝土，則可以起到一定調節溫度的作用。根據熱量計算公式Q=cmΔT=cρvΔT（Q熱量，C比熱容，m質量，ΔT溫度變化，ρ密度，v體積），由于混凝土具有較高的比熱容和密度，相較于其他材料，其升高或降低相同的溫度需要吸收或釋放更多的熱量，因此混凝土結構自身溫度更加不易變化，表現出更好的蓄熱能力。混凝土可以在環境溫度較高時吸收熱能，并在環境溫度較低時輸出熱能，從而幫助建筑物抵御溫度波動。以辦公樓為例，在早晨的時候，室內溫度是偏低的，隨著太陽光的照射，以及人體、計算機、照明和其他設備產生的熱量，室內空氣溫度開始不斷升高。但是混凝土與空氣升高的溫度是不同的，這種差異會一直增加，直到從空氣到混凝土表面的對流熱傳遞達到平衡。因此有一大部分熱量被外露的混凝土結構吸收，從而限制了室內溫度升高的速度和數值，通過合理的設計可將其控制在人體熱舒適度可接受的范圍內。到一天結束時，隨著熱源的消失以及外部溫度的降低，混凝土所存儲的熱量開始釋放，混凝土結構冷卻下來，為第二天熱量的吸收做好準備。如果建筑物具有良好的通風系統，并能在夜間發揮作用，可以更有效地帶走混凝土和室內空氣中的熱量。使用這種被動式設計最理想的地理位置是：在冬季主要接收到低角度陽光照射，并配以保溫隔熱措施，以獲得足夠的熱量；在夏季主要接收高角度陽光照射，并配以遮陽措施，以防止獲得過多的熱量。但是，混凝土不具有良好的保溫隔熱性能。鋼筋混凝土（密度2500kg/m3）的導熱系數為1.74W/(m·K)，聚苯乙烯泡沫板為0.041W/(m·K)。混凝土的導熱系數取決于其成分，含有石頭的混凝土比含有珍珠巖、纖維和其他絕緣骨料的混凝土具有更高的導熱性。傳統的做法是對混凝土結構采取外保溫措施，還有一種方法是將傳統泡沫放入混凝土內層，不但可以增強混凝土的隔熱性，而且具有更好的蓄熱能力。

2耐久性

耐久性是混凝土綠色性能的一個重要方面，較長的使用壽命可以減少重復建設對資源和能源的消耗。混凝土結構的使用壽命通常在50至100年之間。混凝土的耐久性可以理解為它對外部和內部原因導致的劣化的抵抗能力。外部原因包括混凝土受到的環境和使用條件的影響，例如風化、化學作用和磨損。內因是組成材料中的鹽類，特別是氯化物和硫酸鹽的影響[1]，以及組成材料之間的相互作用，如堿-骨料反應、體積變化、吸收和滲透。風化導致的混凝土劣化，通常是由于溫度變化和交替的潤濕和干燥環境，導致混凝土內自由水的交替凍融和混凝土膨脹和收縮引起的。化學作用導致的混凝土劣化，主要指的是化學侵蝕，一般來說，混凝土對化學侵蝕的抵抗力較低。最常見的侵蝕形式是浸出、碳化，以及與氯化物和硫酸鹽有關的侵蝕。由于發生反應的主要是硬化水泥漿的某些化合物，因此混凝土對化學侵蝕的抵抗力主要受到所用水泥類型的影響。此外，混凝土具有較強的抗滲透性，也會增強其抵抗化學侵蝕的能力。磨損導致的混凝土劣化，主要是由高速流動的水、水中的磨蝕性物質和風等造成的空蝕效應。即使是優質的混凝土也難以完全抵抗這種劣化，可以通過讓流體變得盡量平滑的方法來緩解空蝕現象。必要時，關鍵區域可以襯以具有更強抗空蝕能力的材料。堿-骨料反應導致的混凝土劣化，某些天然骨料可以與硅酸鹽水泥中存在的堿發生化學反應，當這種情況發生時，這些骨料膨脹或鼓起，導致混凝土開裂和分解。體積變化導致的混凝土劣化，主要原因是水和水泥的化合，以及隨后混凝土的干燥、溫度的變化和干濕交替等。當體積變化受到內力或外力的阻礙時，就會產生裂紋，其施加的阻礙越大，裂紋越嚴重。混凝土中裂縫的存在降低了其對浸出、鋼筋腐蝕、硫酸鹽和其他化學物質的侵蝕、堿-骨料反應和凍融作用的抵抗力，所有這些都可能導致混凝土的破壞。嚴重的開裂會導致混凝土表面完全崩解，尤其是伴隨著交替膨脹和收縮時。通過使用適當的組成材料和配合比，以及進行充分的養護，可以在一定程度上減少體積變化的影響。吸收和滲透導致的混凝土劣化。吸收性可以理解為混凝土將水吸收進其空隙的能力，滲透性是指水通過混凝土的難易程度。混凝土本質上是一種多孔材料，這是由于使用的水超過了水合作用所需的量，并且在壓實過程中難以從混凝土中完全去除所有空氣造成的。容易吸水的混凝土更加容易變質破壞。如果空隙是相互連接的，則混凝土變得可滲透。對于大多數用途來說，經過正常養護的混凝土其低滲透性是足夠的。但是在某些情況下，如水工構筑物等，混凝土的水密性就變得非常重要。一般來說，完全壓實的混凝土的滲透性隨著水灰比的降低而降低。滲透性還受水泥細度和成分的影響，粗水泥往往會產生孔隙率相對較高的水泥漿，當需要具有低滲透性的混凝土時，優選低孔隙率的骨料。同時，澆筑期間組成材料的分離也會對混凝土的抗滲性產生不利影響。為了保障混凝土的低滲透性，應選擇合適的組成材料及配比，并應仔細澆灌、壓實和養護。綜上，在設計中，為了提高混凝土的耐久性，不僅僅包括混凝土材料和配合比的選擇，還應明確性能要求和指標要求，詳細說明對施工細節、溫度控制、壓實、新拌混凝土的保護和養護的要求，以及相應的檢查和檢測要求，將施工缺陷降到最低。

3環境影響

混凝土對環境的主要影響是：硅酸鹽水泥生產過程的能耗和二氧化碳排放、天然骨料消耗、大量產生的建筑垃圾和填埋空間的耗竭。混凝土對環境影響最大的因素是水泥生產。作為混凝土的主要成分，水泥生產過程可排放大量的二氧化碳。據2011年數據，硅酸鹽水泥生產排放的CO2占到了全球人為排放量的7%[2]。這是由于熟料生產過程中石灰石的高能耗和煅燒導致的。平均每生產1噸硅酸鹽水泥會排放0.8-1噸CO2。此外，由于混凝土一般是在當地生產的，其運輸能源消耗較低，而且在原料混合生產階段的能耗也很低。混凝土全生命周期中能源消耗主要發生在水泥生產階段，占到了的80%[3]。因此，減少混凝土對環境影響的最有效方法是減少硅酸鹽水泥用量并用礦物補充料替代。用礦物摻合料替代硅酸鹽水泥熟料不僅可減少CO2排放還可以減少原材料消耗，并通過利用工業廢料（如高爐礦渣和粉煤灰）可以使其變得更加綠色環保。[4]此外，回收廢棄混凝土和生產再生混凝土骨料也是減少混凝土對環境影響的有效途徑，還可以在一定程度上緩解建筑垃圾問題。再生骨料混凝土是指部分或全部天然骨料被再生混凝土骨料代替。再生骨料混凝土的應用在技術上是可行的，盡管部分性能略低于天然骨料混凝土，但具有非常廣泛的應用前景。[5]

結語

本文從熱性能、耐久性和環境影響討論了混凝土建筑材料的綠色性能。熱性能方面，在一定的地理氣候環境下，外露的混凝土結構可以起到一定調節室內溫度的作用，從而減少因溫度調節產生的能源消耗。耐久性方面，混凝土具有良好的耐久性，可以保障建筑物的使用壽命，減少因重復建設導致的資源和能源消耗。環境影響方面，目前混凝土的生產和廢棄對環境有較大影響，主要是硅酸鹽水泥生產過程的能耗和二氧化碳排放、天然骨料消耗、大量產生的建筑垃圾和填埋空間的耗竭。解決方法主要是減少硅酸鹽水泥用量和使用再生混凝土骨料。研究不足與展望本文對于混凝土綠色性能的研究還不夠全面，包括：1.混凝土在城市中形成的堅硬表面導致的地表徑流，及可能引發的水土流失、水污染和洪水問題。2.由混凝土產生的城市熱島效應問題。3.建筑工人因切割、研磨或拋光混凝土，而導致的患硅肺病的風險。4.建筑物因拆除或自然災害毀壞，產生的粉塵造成的空氣污染問題。5.混凝土中的某些物質，可能產生的毒性和放射性問題等。以上方面還有待進一步研究，以全面評估混凝土建筑材料的綠色性能。

作者：苗彧 單位：中國建筑標準設計研究院有限公司