生態(tài)水泥混凝土材料王程材料推動經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展消耗資源與能源生態(tài)環(huán)境材料金屬生態(tài)環(huán)境材料水泥生態(tài)環(huán)境材料陶瓷生態(tài)環(huán)境材料玻璃生態(tài)環(huán)境材料高分子生態(tài)環(huán)境材料天然礦物生態(tài)環(huán)境材料生態(tài)環(huán)境材料是既具有滿意的使用性能又具有良好的環(huán)境協(xié)調(diào)性的一類材料。先進(jìn)性環(huán)境協(xié)調(diào)性舒適性生態(tài)環(huán)境材料實質(zhì)上是賦予傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料、功能材料以特別優(yōu)異的環(huán)境協(xié)調(diào)性的材料，它是由材料工作者在環(huán)境意識指導(dǎo)下，或開發(fā)新型材料，或改進(jìn)、改造傳統(tǒng)材料所獲得的。生態(tài)水泥混凝土材料日本混凝土協(xié)會與生態(tài)混凝土研究委員會于1995年首先提出生態(tài)混凝土的概念。生態(tài)混凝土材料：是減輕地球環(huán)境負(fù)荷、與生態(tài)體系協(xié)調(diào)發(fā)展、創(chuàng)造舒適生活環(huán)境的混凝土材料。一、利用水泥回轉(zhuǎn)窯處置固體廢物

早期固體廢物的處理主要采取深埋的方法，但由于深埋會對地下水造成污染。之后主要是建焚燒爐將其焚燒。為了達(dá)到安全處置固體廢棄物的目的，焚燒爐必須具備兩個條件：

首先要求在焚燒過程中焚燒溫度高、焚燒完全、廢氣停留時間長；

另外從環(huán)保的角度考慮，要求焚燒產(chǎn)生的有毒、有害氣體不能溢出，除塵效率高，防止含有重金屬等有害成分的粉塵進(jìn)人大氣，處理后廢渣不得排放形成二次污染。但測試結(jié)果表明，由于焚燒爐燃燒溫度低（850-1200℃），物料在高溫下停留時間短（一般為1-3s），廢棄物很難完全分解，可能產(chǎn)生不完全燃燒產(chǎn)物和某些有害氣體（HCl、SO2等）排入大氣，灰渣還要深埋或處理，產(chǎn)生對環(huán)境的二次污染。

與焚燒爐相比，水泥回轉(zhuǎn)窯處置廢棄物恰恰具備上述條件：一是完全具備焚燒廢棄物的溫度、時間和空氣量及湍流程度3個基本條件，即“3T原則”(3T是指足夠高的溫度T1、充足過量的氧氣量T2以及足夠長的高溫反應(yīng)時間T3)。

水泥廠回轉(zhuǎn)窯具有更加理想的焚燒條件：焚燒溫度更高，使有機(jī)物破壞得更徹底；氣體和物料的停留時間更長，水泥窯內(nèi)高溫氣體湍流強(qiáng)烈，使廢棄物焚燒更徹底。

其次在環(huán)保方面，水泥窯全系統(tǒng)在負(fù)壓下運(yùn)行，有毒有害氣體不能溢出，除塵效率高；水泥鍛燒是在堿性條件下進(jìn)行的，使有毒、有害廢棄物中的氯、硫、氟等在窯內(nèi)被堿性物質(zhì)完全中和吸收，變成無毒的氯化鈣、硫酸鈣、氟化鈣，便于其廢氣的凈化（脫酸）處理，而且可以與水泥工藝過程一并進(jìn)行；焚燒廢物的殘渣進(jìn)人水泥熟料，對水泥質(zhì)量一般無不良影響，做到了徹底焚燒而無二次污染，水泥窯已成為世界上處置廢棄物的設(shè)備裝置；水泥窯可以將廢料中的絕大部分重金屬元素固定在熟料中，避免了再次擴(kuò)散。

水泥回轉(zhuǎn)窯在處置固體廢棄物方面確比焚燒爐有更多優(yōu)越性，利用廢棄物替代部分原燃料鍛燒水泥熟料，既處置了廢料，又節(jié)約了能源，并減少了CO2等有害氣體的排放量，對資源利用和環(huán)境保護(hù)都十分有利。歐洲聯(lián)合會自1994年開始在回轉(zhuǎn)窯中焚燒危險廢棄物，并指出在回轉(zhuǎn)窯中焚燒危險廢棄物，既處置了廢棄物，又節(jié)約了能源。瑞典Nodic水泥公司所屬的Euroc廢棄物回收治理公司有一條大型生產(chǎn)線，回收加工各種廢油和化學(xué)溶劑以用作水泥窯二次燃料；Nodic公司已在45067水泥廠采用了廢橡膠、廢塑料為二次燃料，替代部分煤粉。利用廢棄物作為水泥窯的二次燃料有很多益處，包括節(jié)約不可再生燃料，減少由于煤燃燒所產(chǎn)生的CO2、SOx、NOx和甲烷等的排放，減少了廢棄物的處置費(fèi)用，同時也給水泥廠帶來了經(jīng)濟(jì)效益。1996年瑞士HCBRekingen水泥廠已成為世界上第一個具有利用、處置廢棄物的環(huán)境管理系統(tǒng)的水泥廠，并得到ISO14001國際標(biāo)準(zhǔn)的認(rèn)證。我國在生態(tài)水泥的生產(chǎn)和研究方面也已進(jìn)行過嘗試，其中上海萬安水泥公司利用水泥窯焚燒危險廢物，現(xiàn)已成功地取得“經(jīng)營許可證”；同濟(jì)大學(xué)和上海建材集團(tuán)合作已在其下屬幾個水泥廠成功地進(jìn)行了利用污泥等廢棄物煅燒水泥熟料的工業(yè)性試驗。北京琉璃河水泥廠利用水泥窯焚燒處置固體廢棄物也已取得一定的成果。但我國生態(tài)水泥的研究和生產(chǎn)尚處于起步階段，仍有待于深入研究。二、以廢棄物為原料生產(chǎn)生態(tài)水泥1.以垃圾焚燒飛灰作為水泥原料生產(chǎn)生態(tài)水泥隨著水泥生產(chǎn)技術(shù)的不斷發(fā)展，作為水泥代用原料的范圍越來越廣。固體廢棄物中對水泥工業(yè)最具挑戰(zhàn)性的則是城市垃圾，因其數(shù)量大且增長很快，所以備受關(guān)注與現(xiàn)行的填埋和焚燒爐回收二次能源等方法相比，各方面的專家，特別是環(huán)保專家都十分青睞于水泥工業(yè)，寄予很大希望。目前，焚燒法處理城市生活垃圾由于其潛伏性污染嚴(yán)重、耗資昂貴、操作復(fù)雜和浪費(fèi)資源等弊端存在較大爭議，焚燒垃法在國外發(fā)達(dá)國家已處于萎縮期，有超過15個國家和地區(qū)通過了對焚燒垃圾的部分禁令。但不可否認(rèn)，垃圾焚燒法仍是垃圾處理的主要方法之一。以中國垃圾焚燒發(fā)電廠為例，截至2007年底，中國垃圾焚燒發(fā)電廠總數(shù)已達(dá)75座，其中建成50座，在建25座，且這一數(shù)量還在不斷增長。大量垃圾焚燒電廠的建造將直接導(dǎo)致大量垃圾飛灰的產(chǎn)生。全世界每年大約產(chǎn)生49億噸垃圾飛灰，其中美國和中國每年大約分別產(chǎn)生22億噸和13億噸。垃圾焚燒飛灰的主要化學(xué)成分是SiO2、CaO、Al2O3和Fe2O3，以及大量的Cl-、SO3和堿等。還含有較高濃度的能被水浸出的可溶性Cd、Pb、Cu、Zn、Cr等多種有害重金屬物質(zhì)。此外，二惡英和呋喃等有機(jī)污染物也將在飛灰載體中富集存在，這些有毒有害污染物的存在對地下水體、周圍生態(tài)環(huán)境和人體健康構(gòu)成了潛在的生態(tài)與健康風(fēng)險。因此，垃圾焚燒飛灰的處理是迫切需要解決的問題。垃圾焚燒飛灰的主要化學(xué)成分是SiO2、CaO、Al2O3和Fe2O3，具有一定的膠凝活性。因此有望用作輔助性膠凝材料，一方面可以為重金屬廢棄物的無害化處理提供依據(jù)，徹底解決重金屬的污染問題；另一方面也可以實現(xiàn)城市垃圾焚燒飛灰的資源化利用，為水泥工業(yè)提供一種新的混合材料。日本Taiheyo水泥公司將大約50%的混合垃圾被作為原料生產(chǎn)生態(tài)水泥，生態(tài)水泥的組成如表所示：表明：生態(tài)水泥減少了不可再生資源的消耗以及垃圾的排放，使CO2排放量減少50%，能量消耗減少89%，節(jié)約垃圾處理費(fèi)用3萬日元/平方米。原材料普通波特蘭水泥生態(tài)水泥石灰石78%52%焚燒飛灰-38%污泥-9%粘土16%-石英砂4%-鐵礦渣2%-碳酸鈉-1%2.其它廢棄物作為原料生產(chǎn)生態(tài)水泥

污泥：Lin等將干燥、破碎后的三種污泥分別與石灰石、鐵礦渣混合并在1400℃下焙燒6h，迅速冷卻，添加3.5％石膏球磨后得到生態(tài)水泥。表明：生態(tài)水泥主要化學(xué)成分為SiO2、CaO、Al2O3，生態(tài)水泥中C3S含量與普通波特蘭水泥含量相似；隨著養(yǎng)護(hù)時間的延長，生態(tài)水泥硬化漿體抗壓強(qiáng)度不斷增加；污泥灰渣和鐵礦渣作為水泥原料的替代量可達(dá)到20％以上。玻璃廢棄物：美國城市生活垃圾中存在有5％的玻璃廢棄物，只有平均30.6％左右被回收利用。利用玻璃廢棄物作為細(xì)磨礦物質(zhì)添加劑生產(chǎn)生態(tài)水泥是玻璃廢棄物循環(huán)利用的一個有前途的方向。研究表明：含50％玻璃廢棄物的生態(tài)水泥與普通波特蘭水泥的抗壓強(qiáng)度相當(dāng)，28天抗壓強(qiáng)度在44.5-66.7MPa。在玻璃顆粒部分發(fā)生水化反應(yīng)并在其周圍形成大量的C-S-H凝膠。玻璃廢棄物生態(tài)水泥硬化漿體與普通波特蘭水泥硬化漿體的最大不同在于由于CH與玻璃之間發(fā)生火山灰反應(yīng)從而導(dǎo)致生態(tài)水泥中CH顆粒和數(shù)量的減少。三、污染物處理功能生態(tài)水泥材料1.光催化功能水泥基材料

圖1半導(dǎo)體光物理和光化學(xué)過程示意圖圖2TiO2光催化降解有機(jī)污染物過程示意圖近年來，人們將納米TiO2與水泥結(jié)合，將納米TiO2水泥基材料用于建筑領(lǐng)域中，賦予建筑物以獨(dú)特的光催化、抗菌和自清潔功能。意大利莫爾塔拉的學(xué)校、法國尚貝里的音樂城以及意大利羅馬的教堂等，在建設(shè)過程中均采用了含有TiO2的白色水泥使建筑物具有污染物處理功能。意大利米蘭市在道路上鋪設(shè)摻有納米TiO2的混凝土路面材料，經(jīng)過數(shù)月分析計算，廢氣污染數(shù)降低了60%至70%。日本藤田公司、太平洋水泥公司、石原產(chǎn)業(yè)公司、藤田道路公司研制成TiO2光催化劑水泥，將這種水泥噴涂在路面上可以減少汽車尾氣的氮氧化物（NOx）

污染。我國也相繼在南京長江三橋橋北收費(fèi)站廣場、上海復(fù)興東路、河南路部分路面等鋪設(shè)了納米TiO2混凝土路面材料，可處理45%的廢氣污染。光催化混凝土路面水泥基TiO2降解NO過程示意圖

TiO2水泥基材料降解羅丹明B效果(a)處理前；(b)處理后2.水處理功能生態(tài)水泥材料

重金屬離子廢水處理：林齊平等采用水泥砂漿固化重金屬廢水，表明：重金屬離子固化之后，其浸出量呈一弧形曲線變化，各種離子有各自的固化限量；添加葉蠟石粉等填充劑有助于提高廢水的處理效果。藍(lán)俊康等實驗發(fā)現(xiàn)采用無石膏復(fù)合水泥固化處理溶解態(tài)Pb(Ⅱ)、Cr(Ⅵ)的效果很理想，雖然攪拌水中Pb(Ⅱ)或Cr(Ⅵ)的濃度高達(dá)4000mg/L，但其28d齡期固化體粉碎樣浸提液中的Pb(Ⅱ)或Cr(Ⅵ)的濃度均能降低至0.2mg/L，達(dá)到了廢水的排放標(biāo)準(zhǔn)。有機(jī)廢水的處理：同濟(jì)大學(xué)污染控制與資源化研究國家重點(diǎn)實驗室宋玉等基于水泥表面吸附和水化反應(yīng)原理，用水泥及無機(jī)鹽添加劑對垃圾滲濾液生物處理尾水進(jìn)行深度處理。尾水的CODcr去除率可達(dá)到69.5%。處理效果與水灰比、反應(yīng)時間密切相關(guān)，低水灰比和較長反應(yīng)時間對尾水的CODcr去除更為有利。通過添加一定比例的CaCO3和CaO可顯著改善高水灰比時的尾水處理效果。四、再生混凝土背景：美國每年產(chǎn)生的建筑垃圾達(dá)到13.6億噸，歐盟前15個國家也達(dá)到18億噸。加拿大每年產(chǎn)生的建筑垃圾為1.1億噸，大約42%被再利用，其中混凝土垃圾占52%左右，73%的混凝土垃圾作為填埋材料或路基材料被重新利用。日本98%的廢棄混凝土可實現(xiàn)再利用，再生混凝土被用于路面地基和回填材料，一些甚至被重新用于建筑結(jié)構(gòu)材料。澳大利亞，81%的建筑垃圾為建筑廢棄混凝土，再生利用率為40%左右，且大多為一些低檔應(yīng)用。我國混凝土垃圾2010年為2.39億噸，2020年達(dá)到6.38億噸，以平均每年8%的量增長。廢棄混凝土最有效的利用途徑是加工成再生骨料用于生產(chǎn)再生混凝土。添加混凝土再生粗骨料制備的混凝土與傳統(tǒng)混凝土的力學(xué)性能相當(dāng)甚至更高，因此混凝土再生粗骨料已被應(yīng)用于制備新混凝土和路面地基材料等領(lǐng)域中；而混凝土再生細(xì)骨料由于高吸水性，對混凝土力學(xué)性能和耐久性不利而限制了其應(yīng)用。關(guān)于廢棄混凝土再利用方面的研究大多集中在國外，國內(nèi)雖然有一定研究，但實際工業(yè)應(yīng)用方面較少。因此，我國應(yīng)進(jìn)行廢棄混凝土再利用基礎(chǔ)理論方面研究的同時，重點(diǎn)進(jìn)行實際應(yīng)用過程涉及的問題，應(yīng)注意幾個方面：首先，政府應(yīng)建立相關(guān)法律法規(guī)強(qiáng)制使廢棄混凝土得到應(yīng)用；其次，對廢棄混凝土再利用在財政上給予支持；再次，制定并確立廢棄混凝土再利用的技術(shù)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)和應(yīng)用范圍等。這些政策、標(biāo)準(zhǔn)等的建立有利于廢棄混凝土得到有效地利用，最終實現(xiàn)廢棄混凝土“零”排放。五、透水、排水性混凝土

排水性、透水性混凝土與傳統(tǒng)的混凝土相比最大的特點(diǎn)是具有15%-30%的連通孔隙，具有透氣性和透水性。將這種混凝土用于鋪筑道路、廣場、人行道路等，與普通的水泥混凝土路面相比，透水性道路能夠使雨水迅速地滲入地表，還原成地下水，使地下水資源得到及時補(bǔ)充，保持土壤濕度，改善城市地表植物和土壤微生物的生存條件；同時透水性路面具有較大的孔隙率，與土壤相通，能蓄積較多的熱量，有利于調(diào)節(jié)城市空間的溫度和濕度，消除熱島現(xiàn)象；當(dāng)集中降雨時，能夠減輕排水設(shè)施的負(fù)擔(dān)，防止路面積水和夜間反光，提高車輛、行人的通行舒適性與安全性；大量的孔隙能夠吸收車輛行駛時產(chǎn)生的噪聲，創(chuàng)造安靜舒適的交通環(huán)境。六、綠化、景觀混凝土

傳統(tǒng)的混凝土色彩灰暗，表面呆滯，給人以生硬、粗糙、灰冷的視覺效果。綠化混凝土是指能夠適應(yīng)綠色植物生長、進(jìn)行綠色植被的混凝土及其制品。人們生活在被鋼筋混凝土填充的城市中，感到遠(yuǎn)離自然，缺少生活情趣。所以開發(fā)能夠適于植被的綠化混凝土，用于城市的道路兩側(cè)及中央隔離帶、水邊護(hù)坡、樓頂、停車場等部位，可以增加城市的綠色空間，調(diào)節(jié)人們的生活情趣，同時能夠吸收噪音和粉塵，對城市氣候的生態(tài)平衡也起到積極作用。此外，各種造型及色彩的混凝土構(gòu)件，用于路旁欄桿、園林結(jié)構(gòu)物等，起到美化城市、豐富景觀的作用。對城市的生態(tài)平衡也起到了積極作用，是與自然協(xié)調(diào)、具有環(huán)保意義的混凝土材料。七、吸音混凝土吸音混凝土是針對所產(chǎn)生的噪音采取的隔音、吸音措施。吸音混凝土具有連續(xù)多孔結(jié)構(gòu)，射聲波通過連通孔被吸收到混凝土內(nèi)部，小部分由于混凝土內(nèi)部磨擦作用轉(zhuǎn)換為熱能，大部分透過多孔混凝土層到達(dá)多孔混凝土背后的空氣層和密實混凝土板表面再被反射，此反射聲波從反方向再次通過多孔混凝土向外發(fā)散，與入射聲波有一定的相位差，因干涉部分互相抵消而降低噪音。吸音混凝土主要用于公路的建設(shè)施工中。吸音混凝土具有連續(xù)、多孔的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，具有較大的內(nèi)表面積，與普通的密實混凝土組成復(fù)合構(gòu)造。八、海洋及水域生物適應(yīng)型混凝土所謂海洋生物適應(yīng)型混凝土，即能夠營造出適合生物生長生息的空間或孔隙，能夠為海藻類生物提供合適的附著表面，并能在混凝土表面繁殖，使混凝土周圍的水質(zhì)對生物生長沒有不良影響。目前開發(fā)并已經(jīng)實際應(yīng)用的海洋生物適應(yīng)型混凝土主要有人工礁石。國內(nèi)對生態(tài)混凝土的研究起步較晚，但也取得了一定進(jìn)展。清華大學(xué)提出自適應(yīng)植被混凝土，是集智能混凝土和植被混凝土雙重特性的新型生態(tài)混凝土。該混凝土本身具備自適應(yīng)、自供給特征，能適應(yīng)植物生長的植被混凝土，屬于生態(tài)混凝土的一種。其結(jié)構(gòu)本身具備自適應(yīng)（自動適合植物生長的酸堿度和濕度）、自供給（結(jié)構(gòu)內(nèi)部提供植物生長所需的營養(yǎng)元素）特征，是一種能適合于植物生長的植被混凝土，并具有工程所需強(qiáng)度的多孔混凝土。九