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1、特 约 专 稿 绿色高性能混凝土与科技创新 吴中伟 ( 中国建筑材料研究院) 摘 要 水泥与水泥基材料科研近期宜在宏观、 粗观、 亚微观三个层次上进行. 波特兰水 泥与常规混凝土存在着可持续发展的问题. 生产 1 t 熟料水泥同时排放 1 t 左右的 CO2. 中国水泥与混凝土需量猛增, 形势更为严峻. 因此提出发展绿色高性能混凝土, 并扩大其 应用范围. 从宏观、 粗观、 亚微观三个层次说明开发 GHPC( green high performance concrete) 对中国和世界的重要意义. 关键词 高性能混凝土; 绿色高性能混凝土; 超高性能混凝土; 环保型水泥基材; 熟料 中图法分
2、类号 TU 5 收稿日期: 1997 -11 -12 作者: 男, 1918 年生, 教授,中国工程院院士, 中国建筑材料研究院高级顾问. 中国建筑材料研究院, 北京, 100024. 1 科学思想与科技创新 在世纪交替、 祖国经济面临重大转折的时代,/ 科学技术是第一生产力0、 / 科教兴国0、 / 创新是 民族的灵魂0 ,等很多号召, 说明科技工作者担当着时代使命和人民的厚望, 如何在本专业作出 最大的贡献应该时刻铭记在心, 身体力行. 科研工作是创造性劳动, 科研工作者应不断创新. 科技创 新必须有正确的科研思想或科研思维方式, 必须正确选题. 就技术科学而论, 选题必须重实效与时 效,
3、 应密切注视当前, 联系实际, 力求早收实效大效. 时间就是财富, 积累要有时间, 创新来源于继 承, 在积累的基础上前进. 科学思想分为两大派系: 整体论( 综合) 与还原论( 分解) , 过去整体论用得最普遍 ) 中医辩证 论治可为一例. 近代科研手段精进, 还原论用得更为普遍. 即将科研对象还原或分解到可能达到的 最小单位, 进行具体的量化研究, 还原论对当代自然科学与技术科学的发展, 已产生很大作用, 但缺 点是分得愈细, 愈易脱离整体和实际, 因此无法从整体来全面有效地解决问题或认识事物的本质. 钱学森先生一向重视科研思维方式. 他提出应将还原论与整体论两种不同的思维方式结合起 来,
4、 从宏观上把握事物的整体, 用还原论对事物的系统、 结构、 功能等进行具体的量化研究. 他主张: / 从定性到定量综合集成0. 他认为 50 年代以来, 各种新技术的迅速发展与普遍采用, 为进行创造性 思维与创新工作提供了前所未有的条件; 人机结合的工作体系, 对各种复杂事物进行从定性到定量 的分析与综合集成, 能够准确地把握复杂事物的现象与本质、 微观与宏观、 部分与整体、 固定与发展 的辩证关系, 有所前进, 有所创新. 近 30 多年来在材料科学与工程学的建立与高速成长中, 也提出了/ 从宏观到微观, 从定性到定 量0, 愈来愈重视还原论的运用, 以水泥与水泥基材料为例: 水泥水化与水泥
5、石结构的研究这一课 题, 从 70 年代瑞典科学家开始用 SEM 进行研究以来, 形貌学研究风行一时, 提高了亚微观( 细观) 层次上的认识. 随后, 更多的新技术新工具的应用, 使水泥水化与水泥石结构的认识深化了一大步, 但进入 80 年代中叶, 热潮似有所减退, 对波特兰水泥与水泥基材料的技术进步, 如品种、 性能、 经 第 1 卷第 1 期 1998 年 3 月 建 筑 材 料 学 报 JOURNAL OF BUILDING MATERIALS Vol. 1 No. 1 Mar. 1998 济、 功能等的研究效果不很突出, 与预期的材料设计相距尚远. 1987 年我在/ 反思0一文中提出
6、建 议, 水泥与水泥基材料的科学研究工作近期仍宜以宏观( 粗观) 为主, 以亚微观微观研究作为验证和 解释以促进深化. 当前应积极扩大已取得宏观效益的成果或苗头, 例如掺加活性细掺料与高效外加 剂以及细磨、 节能工艺等( 当时还未提出高性能混凝土技术) . 关于宏观、 微观等研究层次的划分, 有不同意见, 最常用的是: 粗观( macro, mm, 按一般称作宏观, 似不妥) ; 亚微观或细观( submicro, Lm) ; 微观( micro, nm) . 钱学森先生的划分是: 胀、 宇、 宏、 微、 渺, 五个层次. 大到宇宙, 小到比基本粒子更小( 10- 33 mm) . 水泥与水泥
7、基材料科研, 目前宜分为宏观、 粗观、 亚微观三个层次. 陶瓷材料科学已进入微观层 次( 如纳米陶瓷等) , 水泥基材料很快也将进入微观层次的研究. 高性能混凝土的微观研究已排上日 程. 2 从宏观层次上提出绿色高性能混凝土 2. 1 波特兰水泥与混凝土的可持续发展问题 地球环境问题已十分严峻, 一切科技创新, 必须遵循可持续发展战略. 现在大量使用的波特兰 水泥( Portland cement, 以下简为 PC) 与常规混凝土( normal concrete 以下简为 NC) 均大量浪费资源 能源, 更严重的是破坏环境, 尤其因用量极大和不断增加, 更成为引人瞩目的不可持续发展的大宗 建
8、筑材料. 水泥厂一直被看作污染源. 传统上对水泥工业排放的有害物限于 CO, NOx, SO3, HCl, CH 与 Hg, Pb, Cd, As, Cr, Ni, T i, Zn 等重金属. 所采用的防治手段不外设备密封, 负压操作与高烟囱排放, 以保持工厂与车间范围的/ 清洁0与工人的/ 安全0. 其实, 排放的大量 CO2是环境代价最高的/ 温室 气体0, 直到 1992 年在巴西里约热内卢由联合国召开的世界环境与发展大会后, 才引起各国政府与 人民的重视. 生产 1 t 熟料水泥的同时, 排放出几乎同量的 CO2. CaCO3 CaO+ CO2 100 56 44 1 t 熟料中平均约
9、含 CaO 620 kg, 排出 CO2为 620 ( 44/ 56) = 487 kg, 比之所消耗的矿物燃料 ( 包括用电) 产生的 CO2( 300 450 kg) 还多. 现在常估为 1 t 熟料水泥排放 1 t CO2( 日本水泥工业 能耗较低, 1994 年该国水泥工业排放 CO25 500 万 t, 水泥生产量约 7 000 万 t) . 据法国资料报道: 水泥工业排放 CO2量约占本国工业排放总量的 1/ 7 1/ 10. 可见水泥工业对环境破坏之大! 常规 混凝土采用的大量集料, 对山林景观与江河航道破坏很大, 加上废料废水, 能耗料耗等, 常规混凝土 与波特兰水泥的生产,
10、随着产量猛增必将对全人类造成更大的危害. 2. 2 我国水泥生产对环境破坏的严重性 随着建设的迅猛发展, 我国水泥产量增加特快, 50 年代初生产不足 300 万 t, 1980 年达到 1 亿 t, 1985 年超过 2 亿t, 1995年达4. 5 亿t, 1996 年4. 9 亿t, 其中 3/ 4 为高耗低效污染严重的小水泥. 当水泥年产量超过 2 亿 t 时, 我就曾怀疑中国是否需要和是否应当生产这样多的以中低标号为主 的波特兰水泥( 当时苏联年产约 1. 2 亿 t, 日本、 美国约七八千万 t) , 但那时还不知 CO2作为温室气 体所带来的严重环境问题. 世界环境与发展大会后,
11、 尤其是 1994, 1995 年我国相继提出可持续发展 战略, 我开始研究水泥与混凝土生产带来的环境问题, 提出/ 环保型高效水泥基材料0 1, 后来改为 / 绿色高性能混凝土( 1997年 3月在/ 高强与高性能混凝土0会议上的报告) , 吁请大家重视. 1996 年 2 建 筑 材 料 学 报第 1 卷 日本内川浩也发表了/ 高性能环境共存型混凝土用先进胶凝材料0的文章1). 1) 见内川浩. 高性能环境共存型混凝土用先进胶结材料. 1996 年秩父小野田研究报告 47 卷 124 号. 现在我国水泥产量超过世界总产量的 1/ 3, 初步计划 2010 年将增至 8 8. 5 亿 t,
12、接近当时世 界总产量的 1/ 2. 从低估计, 1995 年我国熟料水泥产量 3. 5 亿 t, 则 CO2排放量也为 3. 5 亿 t, 到 2010 年的 15 年内, 累计排放 CO2将达 75 亿 t. 如世界水泥产量从 1996 年 13 亿 t 到 2010 年增到 18 亿 t, 则水泥工业为地球大气层增加 CO2的积存量达 150 亿 t 之巨, 对环境影响之大, 无法估量! 现在各国政府纷纷提出对温室气体排放量的限制计划, 波特兰水泥与常规混凝土必将受到愈来愈 严格的限制. 1997 年我国国家建材局提出水泥工业/ 上大改小0与对小水泥/ 淘汰、 限制、 改造、 提 高0的正
13、确方针, 同年 5月在我国水泥工业发展座谈会上, 我提出到 2010年我国熟料水泥产量应保 持在年产 3. 5亿 t 的当前水平, 以发展绿色高性能混凝土作为主要措施. 2. 3 高性能混凝土是对常规混凝土的重大改进 1990 年 5 月, 美国国家标准与技术研究院( NIST ) 与美国混凝土协会( ACI) 召开会议, 首次提 出高性能混凝土( high performance concrete, 以下简为 HPC) 这个名词. HPC 是用优质水泥、 集料、 饮用水和活性细掺料与高效外加剂制成, 它是同时具有优良耐久性、 工作性、 强度的匀质混凝土. 对 于HPC, 各国根据不同的工程提
14、出不尽相同的要求和涵义, 大多数认为HPC 的强度不应低于 50 60 MPa, 但日本更重视工作性与耐久性. 例如, 新建的明石跨海悬索桥, 缆索锚基混凝土 52 万 m3 要求高耐久性、 高流动性、 高体积稳定性与低水化热, 而强度指标则为 91 d 50 MPa( 28 d 约 42 MPa) ; 其桥墩混凝土约 50 万 m3, 要求高耐久性、 高抗冲刷与低温升, 强度只要求 20 MPa. 两者都 是掺加复合细掺料与复合外加剂的 HPC, 其细掺料用量均超过熟料水泥. 综合各种观点对 HPC 提出如下定义, 供大家讨论: / HPC 是一种新型高技术混凝土, 是在大幅 度提高常规混凝
15、土性能的基础上, 采用现代混凝土技术, 选用优质原材料, 在妥善的质量管理的条 件下制成的. 除水泥、 水、 集料以外,HPC 必须采用低水胶比和掺加足够细掺料与高效外加剂.HPC 应同时保证下列诸性能: 耐久性、 工作性、 各种力学性能、 适用性、 体积稳定性和经济合理性0. 所以, HPC 不仅在性能上比 NC 大大改进, 在节约能源、 资源、 改善劳动条件、 经济合理等方 面, 尤其在利用工业废渣、 保护环境方面有着十分重大的意义, 因此, 将发展成为一种可持续发展的 绿色材料. 2. 4 绿色高性能混凝土(Green HPC, 简为 GHPC) 人类的生存与发展, 只能在地球这个巨大生
16、态系统的承载力( 环境、 资源、 能源、 物种等) 范围之 内. 人类的繁衍与活动不能超越生态系统有限的调节能力, 随着近几十年的人口爆炸, 生产发达, 地 球承受的负担剧增, 尤以资源枯竭、 环境破坏、 物种灭绝最为严重、 人类生存与发展受到了极大的威 胁. 因此绿色事业受到普遍关注, 绿色的涵义, 随着认识的深化而不断扩大, 主要可概括为: 11 节约资源、 能源; 21 不破坏环境, 更应有利于环境; 31 可持续发展, 既满足当代人的需求, 又不危及后代人满足其需要的能力. 前两条是第三条的保证. 作为一种材料或产业, 节约资源能源也是为了本身能够持续存在和发展. 水泥与混凝土作为当 代最大宗的人造材料, 预计到 2000 年水泥产量将超过 15 亿 t, 混凝土将超过 40 50 亿 m 3( 100 120 亿 t) , 对资源能源的消耗和对环境的影响均十分巨大, 混凝土能否长期作为最主要的建筑结构 材料, 其关键在于能否成为绿色材料. 所以, GHPC 是混凝土的发展方向, 更是混凝土的未来, 提出 GHPC的目的在于加深人们对绿色的重视, 即
