混凝土建筑材料绿色性能评估分析

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摘要：混凝土是广泛使用的建筑材料之一，其绿色性能值得被高度关注。本文从热性能、耐久性和环境影响来讨论混凝土建筑材料的绿色性能。混凝土良好的热性能和耐久性，可以在一定程度上降低资源和能源的消耗。但是其在制造硅酸盐水泥、消耗天然骨料、产生建筑垃圾等方面会对环境产生不利影响。通过一定的技术手段，可以减少混凝土对环境的不利影响，从而增加其绿色性能。

关键词：混凝土；绿色性能

混凝土具有施工方便、造型能力强、抗压性强等优点，是几十年来世界上使用最多的建筑材料，其绿色性能值得被高度关注。对于建筑材料，可以从生产和使用过程中对资源和能源消耗的角度来考虑其可持续性。混凝土具有较好的热性能，可以发挥一定的温度调节功能，从而起到降低能耗的作用。此外，混凝土具有良好的耐久性，具有较长的使用寿命。但是，混凝土在资源消耗、二氧化碳排放以及建筑垃圾处理等方面，会给生态环境带来较大的负面影响。本文主要选择从以上三个方面——热性能、耐久性和环境影响来阐述混凝土建筑材料的绿色性能。

1热性能

室内温度是影响人体舒适度的重要因素，只要控制在一个适当的区间就可以满足人基本的使用要求。如果一个建筑物内部主体结构为外露的混凝土，则可以起到一定调节温度的作用。根据热量计算公式Q=cmΔT=cρvΔT（Q热量，C比热容，m质量，ΔT温度变化，ρ密度，v体积），由于混凝土具有较高的比热容和密度，相较于其他材料，其升高或降低相同的温度需要吸收或释放更多的热量，因此混凝土结构自身温度更加不易变化，表现出更好的蓄热能力。混凝土可以在环境温度较高时吸收热能，并在环境温度较低时输出热能，从而帮助建筑物抵御温度波动。以办公楼为例，在早晨的时候，室内温度是偏低的，随着太阳光的照射，以及人体、计算机、照明和其他设备产生的热量，室内空气温度开始不断升高。但是混凝土与空气升高的温度是不同的，这种差异会一直增加，直到从空气到混凝土表面的对流热传递达到平衡。因此有一大部分热量被外露的混凝土结构吸收，从而限制了室内温度升高的速度和数值，通过合理的设计可将其控制在人体热舒适度可接受的范围内。到一天结束时，随着热源的消失以及外部温度的降低，混凝土所存储的热量开始释放，混凝土结构冷却下来，为第二天热量的吸收做好准备。如果建筑物具有良好的通风系统，并能在夜间发挥作用，可以更有效地带走混凝土和室内空气中的热量。使用这种被动式设计最理想的地理位置是：在冬季主要接收到低角度阳光照射，并配以保温隔热措施，以获得足够的热量；在夏季主要接收高角度阳光照射，并配以遮阳措施，以防止获得过多的热量。但是，混凝土不具有良好的保温隔热性能。钢筋混凝土（密度2500kg/m3）的导热系数为1.74W/(m·K)，聚苯乙烯泡沫板为0.041W/(m·K)。混凝土的导热系数取决于其成分，含有石头的混凝土比含有珍珠岩、纤维和其他绝缘骨料的混凝土具有更高的导热性。传统的做法是对混凝土结构采取外保温措施，还有一种方法是将传统泡沫放入混凝土内层，不但可以增强混凝土的隔热性，而且具有更好的蓄热能力。

2耐久性

耐久性是混凝土绿色性能的一个重要方面，较长的使用寿命可以减少重复建设对资源和能源的消耗。混凝土结构的使用寿命通常在50至100年之间。混凝土的耐久性可以理解为它对外部和内部原因导致的劣化的抵抗能力。外部原因包括混凝土受到的环境和使用条件的影响，例如风化、化学作用和磨损。内因是组成材料中的盐类，特别是氯化物和硫酸盐的影响[1]，以及组成材料之间的相互作用，如碱-骨料反应、体积变化、吸收和渗透。风化导致的混凝土劣化，通常是由于温度变化和交替的润湿和干燥环境，导致混凝土内自由水的交替冻融和混凝土膨胀和收缩引起的。化学作用导致的混凝土劣化，主要指的是化学侵蚀，一般来说，混凝土对化学侵蚀的抵抗力较低。最常见的侵蚀形式是浸出、碳化，以及与氯化物和硫酸盐有关的侵蚀。由于发生反应的主要是硬化水泥浆的某些化合物，因此混凝土对化学侵蚀的抵抗力主要受到所用水泥类型的影响。此外，混凝土具有较强的抗渗透性，也会增强其抵抗化学侵蚀的能力。磨损导致的混凝土劣化，主要是由高速流动的水、水中的磨蚀性物质和风等造成的空蚀效应。即使是优质的混凝土也难以完全抵抗这种劣化，可以通过让流体变得尽量平滑的方法来缓解空蚀现象。必要时，关键区域可以衬以具有更强抗空蚀能力的材料。碱-骨料反应导致的混凝土劣化，某些天然骨料可以与硅酸盐水泥中存在的碱发生化学反应，当这种情况发生时，这些骨料膨胀或鼓起，导致混凝土开裂和分解。体积变化导致的混凝土劣化，主要原因是水和水泥的化合，以及随后混凝土的干燥、温度的变化和干湿交替等。当体积变化受到内力或外力的阻碍时，就会产生裂纹，其施加的阻碍越大，裂纹越严重。混凝土中裂缝的存在降低了其对浸出、钢筋腐蚀、硫酸盐和其他化学物质的侵蚀、碱-骨料反应和冻融作用的抵抗力，所有这些都可能导致混凝土的破坏。严重的开裂会导致混凝土表面完全崩解，尤其是伴随着交替膨胀和收缩时。通过使用适当的组成材料和配合比，以及进行充分的养护，可以在一定程度上减少体积变化的影响。吸收和渗透导致的混凝土劣化。吸收性可以理解为混凝土将水吸收进其空隙的能力，渗透性是指水通过混凝土的难易程度。混凝土本质上是一种多孔材料，这是由于使用的水超过了水合作用所需的量，并且在压实过程中难以从混凝土中完全去除所有空气造成的。容易吸水的混凝土更加容易变质破坏。如果空隙是相互连接的，则混凝土变得可渗透。对于大多数用途来说，经过正常养护的混凝土其低渗透性是足够的。但是在某些情况下，如水工构筑物等，混凝土的水密性就变得非常重要。一般来说，完全压实的混凝土的渗透性随着水灰比的降低而降低。渗透性还受水泥细度和成分的影响，粗水泥往往会产生孔隙率相对较高的水泥浆，当需要具有低渗透性的混凝土时，优选低孔隙率的骨料。同时，浇筑期间组成材料的分离也会对混凝土的抗渗性产生不利影响。为了保障混凝土的低渗透性，应选择合适的组成材料及配比，并应仔细浇灌、压实和养护。综上，在设计中，为了提高混凝土的耐久性，不仅仅包括混凝土材料和配合比的选择，还应明确性能要求和指标要求，详细说明对施工细节、温度控制、压实、新拌混凝土的保护和养护的要求，以及相应的检查和检测要求，将施工缺陷降到最低。

3环境影响

混凝土对环境的主要影响是：硅酸盐水泥生产过程的能耗和二氧化碳排放、天然骨料消耗、大量产生的建筑垃圾和填埋空间的耗竭。混凝土对环境影响最大的因素是水泥生产。作为混凝土的主要成分，水泥生产过程可排放大量的二氧化碳。据2011年数据，硅酸盐水泥生产排放的CO2占到了全球人为排放量的7%[2]。这是由于熟料生产过程中石灰石的高能耗和煅烧导致的。平均每生产1吨硅酸盐水泥会排放0.8-1吨CO2。此外，由于混凝土一般是在当地生产的，其运输能源消耗较低，而且在原料混合生产阶段的能耗也很低。混凝土全生命周期中能源消耗主要发生在水泥生产阶段，占到了的80%[3]。因此，减少混凝土对环境影响的最有效方法是减少硅酸盐水泥用量并用矿物补充料替代。用矿物掺合料替代硅酸盐水泥熟料不仅可减少CO2排放还可以减少原材料消耗，并通过利用工业废料（如高炉矿渣和粉煤灰）可以使其变得更加绿色环保。[4]此外，回收废弃混凝土和生产再生混凝土骨料也是减少混凝土对环境影响的有效途径，还可以在一定程度上缓解建筑垃圾问题。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。再生骨料混凝土的应用在技术上是可行的，尽管部分性能略低于天然骨料混凝土，但具有非常广泛的应用前景。[5]

结语

本文从热性能、耐久性和环境影响讨论了混凝土建筑材料的绿色性能。热性能方面，在一定的地理气候环境下，外露的混凝土结构可以起到一定调节室内温度的作用，从而减少因温度调节产生的能源消耗。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寿命，减少因重复建设导致的资源和能源消耗。环境影响方面，目前混凝土的生产和废弃对环境有较大影响，主要是硅酸盐水泥生产过程的能耗和二氧化碳排放、天然骨料消耗、大量产生的建筑垃圾和填埋空间的耗竭。解决方法主要是减少硅酸盐水泥用量和使用再生混凝土骨料。研究不足与展望本文对于混凝土绿色性能的研究还不够全面，包括：1.混凝土在城市中形成的坚硬表面导致的地表径流，及可能引发的水土流失、水污染和洪水问题。2.由混凝土产生的城市热岛效应问题。3.建筑工人因切割、研磨或抛光混凝土，而导致的患硅肺病的风险。4.建筑物因拆除或自然灾害毁坏，产生的粉尘造成的空气污染问题。5.混凝土中的某些物质，可能产生的毒性和放射性问题等。以上方面还有待进一步研究，以全面评估混凝土建筑材料的绿色性能。

作者：苗彧 单位：中国建筑标准设计研究院有限公司