現(xiàn)代環(huán)境條件下混凝土結(jié)構(gòu)材料面臨的問題和應(yīng)對(duì)措施

現(xiàn)代環(huán)境條件下混凝土結(jié)構(gòu)材料面臨的問題和應(yīng)對(duì)措施1內(nèi)容簡介一、建筑與資源消耗及碳排放二、環(huán)境變化趨勢三、現(xiàn)代環(huán)境條件下混凝土結(jié)構(gòu)材料面臨的問題四、應(yīng)對(duì)措施五、結(jié)束語2一、建筑與資源消耗及碳排放3我國每年新建成房屋面積16億~20億m2，既有建筑已突破450億m2，能達(dá)到建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的僅5%左右。中國建筑總能耗已占能源消費(fèi)總量的27%以上。據(jù)住建部測算，2030年前后我國建筑能耗將占總能耗的30%~40%，全社會(huì)能耗第一。

4至2008年，美國公路643萬千米，我國為187萬千米，美國鐵路為22.7萬千米，我國為7.5萬千米，美國機(jī)場數(shù)為14947，我國僅為467。美國和我國國土面積（916和932萬平方公里）相差無幾，而我國人口為美國的4.4倍。這些數(shù)據(jù)說明我國在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)方面與美國的差距。因此我國的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)將長時(shí)間保持快速增長的勢頭。5全球CO2排放（1990-2006年）67

2009年全球CO2排放量為313億噸，中國碳排放量高達(dá)74.3億噸，占全球排放的23.7%。美國2009年排放量為59.5億噸，俄羅斯位列第三。基礎(chǔ)建設(shè)是節(jié)能低碳的關(guān)鍵領(lǐng)域，因?yàn)槎趸寂欧胖杏?0%來自于基礎(chǔ)建設(shè)。8No.國家2005200620081中國10.612.414.52印度1.301.551.753美國0.991.010.894日本0.660.680.675韓國0.500.526西班牙0.480.507俄羅斯0.450.548泰國0.400.409巴西0.390.370.4810意大利0.380.460.47全球22.8026.40292009年和2011年中國水泥產(chǎn)量為16.3億噸和20.63億噸。水泥產(chǎn)量91011

1.以2006年為例，我國水泥的產(chǎn)量約12.4億噸。資源消耗：石灰石約10億噸；粘土約1.2億噸；水約10億噸，還有鐵粉等輔助材料約2000~3000萬噸。能源消耗：1.28億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，約占全國煤炭產(chǎn)量的5%；電約500億度。我國水泥、混凝土的資源問題:12

2.2005年前我國商品混凝土產(chǎn)量約20億m3/年。年需粗細(xì)骨料分別約16億m3和12億m3，水泥約6.5億噸。我國有些城市已沒有合格骨料，例如北京的堿活性骨料對(duì)混凝土危險(xiǎn)極大，骨料生產(chǎn)幾乎全部停止，大部分骨料從河北運(yùn)來，每年2000萬m3混凝土，交通、能源方面帶來巨大問題。2010年我國商品混凝土產(chǎn)量約94億m3，隨著天然資源的日漸枯竭，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)向機(jī)制砂石轉(zhuǎn)移。133.天津某單位勘測表明，我國能生產(chǎn)水泥的石灰石貯量僅500億噸，以其作為生產(chǎn)水泥的原料，按目前水泥產(chǎn)量計(jì)算，僅夠生產(chǎn)水泥40年，那么每年配制混凝土的骨料又從何來？1415我國鋼鐵產(chǎn)量及資源問題:2008年我國鋼產(chǎn)量5.13億噸，全球鋼產(chǎn)量13.6億噸，即占全球鋼產(chǎn)量的37.7%。16

2007年，我國鐵礦石原礦產(chǎn)量7.07億噸，鐵礦石進(jìn)口量達(dá)到3.83億噸，進(jìn)口量均超過總用量的35%，即目前我國35%以上的鐵礦石原料依賴進(jìn)口。17水泥和鋼材主要用于建筑業(yè)，我國基建工程的規(guī)模約為世界的30～40%。據(jù)稱我國大壩和橋梁的建設(shè)達(dá)世界的50%以上，但我國GDP為2.51萬億美元，占世界（46.7萬億美元）5%，人口也僅為世界的1/5。18每生產(chǎn)1噸硅酸鹽水泥熟料要排放1噸CO2、0.74kgSO2和130kg粉塵。鋼鐵行業(yè)排放廢水量約占全國總排廢水量的8%，SO2排放量約占7%，煙塵量約占8%、粉塵約占15%，固廢產(chǎn)生量約占13%。19中國著名的水泥混凝土專家唐明述院士指出：“水泥和鋼鐵產(chǎn)業(yè)的節(jié)能減排除了做好工業(yè)本身的降低能耗和減少排放外，最重要的就是提高水泥和鋼材的利用效率。如果建筑物的壽命從10年提高到100年，水泥和鋼材的利用效率就提高了10倍，這比水泥和鋼鐵工業(yè)本身的節(jié)能減排效益要高出數(shù)十倍?！?0二、環(huán)境變化趨勢

211.溫室氣體CO2濃度將顯著增加1750年CO2濃度為280ppm，到2005年達(dá)到380ppm。今后由于人口增加，城市化速度加快，工業(yè)生產(chǎn)急劇擴(kuò)大，CO2濃度將迅速增大，預(yù)計(jì)到2100年，可能出現(xiàn)以下三種情況：

CO2濃度升高至550ppm，溫度升高2.1℃；

CO2濃度升高至700ppm，溫度升高3.0℃；

CO2濃度升高至1000ppm，溫度升高4.4℃。22預(yù)測2000~2100年CO2的濃度變化

23特別應(yīng)注意的是不同地區(qū)CO2的濃度不同。一般城市比郊區(qū)要高5~10%。地下空間建筑、地鐵、隧道、火車站、地下煤礦等地區(qū)的微氣候中CO2的濃度將更高。242.溫度將逐漸升高25預(yù)測澳大利亞悉尼2000~2100年溫度變化26預(yù)測澳大利亞達(dá)爾文2000~2100年溫度變化27283.酸雨

PH值小于5.6的雨雪或其他方式形成的大氣降水(霧、霜)。廣義指酸性物質(zhì)的干、濕沉降。29非酸雨區(qū):年均降水PH高于5.65，酸雨率0-20%；輕酸雨區(qū):PH5.30--5.60，酸雨率10--40%；中度酸雨區(qū):PH5.00--5.30，酸雨率30-60%；較重酸雨區(qū):PH4.70--5.00，酸雨率50-80%；重酸雨區(qū):PH小于4.70，酸雨率70-100%。30

1981～1983年調(diào)查,我國有20個(gè)省、市、自治區(qū)不同程度地出現(xiàn)了酸雨,最嚴(yán)重的是長江以南的蘇州、廣州、貴陽等城市，降水的pH值曾經(jīng)低于4.0,其中最低值為3.1，重慶、貴陽等地酸雨污染程度已同世界有名的酸雨區(qū)——斯堪的納維亞部分地區(qū)和美國的東北部地區(qū)相近。我國pH<5.6的降水面積已由1985年的175萬km2擴(kuò)大到1996年的384萬km2,約占國土總面積的40%。31我國三大酸雨區(qū)

1.西南酸雨區(qū)(川貴兩廣地區(qū))：僅次于華中酸雨區(qū)的降水污染嚴(yán)重區(qū)域。

2.華中酸雨區(qū)(以長沙、贛州、南昌、懷化為代表)：已成為全國酸雨污染范圍最大，中心強(qiáng)度最高的酸雨污染區(qū)。

3.華東沿海酸雨區(qū)(南京、上海、杭州、福州、青島和廈門為代表)：污染強(qiáng)度低于華中、西南酸雨區(qū)。323334土壤酸化我國南方土壤本來多呈酸性，再經(jīng)酸雨沖刷，加速了酸化過程；354.水污染（1）河流

2008年，200條河流409個(gè)斷面中，Ⅰ～Ⅲ類、Ⅳ～Ⅴ類和劣Ⅴ類水質(zhì)的斷面比例分別為55.0%、24.2%和20.8%。其中，珠江、長江水質(zhì)總體良好，松花江為輕度污染，黃河、淮河、遼河為中度污染，海河為重度污染。36（2）湖泊和水庫

28個(gè)國家監(jiān)控的重點(diǎn)湖（庫）中，滿足Ⅱ類水質(zhì)的4個(gè)，占14.3%；Ⅲ類的2個(gè)，占7.1%；Ⅳ類的6個(gè)，占21.4%；Ⅴ類的5個(gè)，占17.9%；劣Ⅴ類的11個(gè)，占39.3%。主要污染指標(biāo)為總氮和總磷。鄱陽湖為Ⅳ類。城市內(nèi)湖情況更是嚴(yán)重。昆明湖（北京）為Ⅳ類水質(zhì)，西湖（杭州）、東湖（武漢）、玄武湖（南京）、大明湖（濟(jì)南）為劣Ⅴ類。37密云水庫（北京）和石門水庫（陜西）為Ⅱ類水質(zhì)；董鋪水庫（安徽）為Ⅲ類；丹江口水庫（湖北、河南）和千島湖（浙江）為Ⅳ類；大伙房水庫（遼寧）、于橋水庫（天津）和松花湖（吉林）為Ⅴ類；門樓水庫（山東）和嶗山水庫（山東）為劣Ⅴ類。38（3）地下水全國195個(gè)城市監(jiān)測結(jié)果表明，97%的城市地下水受到不同程度污染，40%的城市地下水污染有逐年加重趨勢。在北京，淺層地下水中普遍檢測出了具有巨大潛在危害的DDT、六六六等有機(jī)農(nóng)藥殘留和單環(huán)芳烴、多環(huán)芳烴等“三致”（致癌、致畸、致突變）有機(jī)物。39（4）海洋

2008年，近岸海域監(jiān)測面積共281012km2，其中Ⅰ、Ⅱ類海水面積212270km2，Ⅲ類為31077km2，Ⅳ類、劣Ⅳ類為37665km240污染來源：（1）工業(yè)污染：造紙業(yè)、冶金工業(yè)、化學(xué)工業(yè)以及采礦業(yè)等；工業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的大氣污染，可能以酸雨的形式污染水體；（2）生活污染：我國城市污水的集中處理率僅為57.1%；（3）農(nóng)業(yè)污染：畜禽養(yǎng)殖廢棄物和化肥和農(nóng)藥等化學(xué)品導(dǎo)致土壤污染，通過農(nóng)田徑流加劇了湖泊和海洋的富營養(yǎng)化。41美國地質(zhì)調(diào)查局表示地球上所有的水可裝進(jìn)一個(gè)直徑約1384公里的泡泡。地球總水量中超過96%是鹽水，存在于海洋中。人類和其他很多生命最需要的是淡水，主要存在于溪流、河流、湖泊和地下蓄水層。地表水很容易蒸發(fā)，然后以降雨和降雪的方式回到地表，補(bǔ)給河流和湖泊。地下水對(duì)生命至關(guān)重要。425.極端氣候：極端氣候是指天氣（氣候）的狀態(tài)嚴(yán)重偏離其平均態(tài)，在統(tǒng)計(jì)意義上屬于不易發(fā)生的事件，即50年一遇或100年一遇的小概率事件。聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(huì)（IPCC）的評(píng)估報(bào)告顯示，過去50年中，極端天氣事件特別是強(qiáng)降水、高溫?zé)崂说葮O端事件，呈現(xiàn)不斷增多增強(qiáng)的趨勢。43巴基斯坦，災(zāi)民抓住救生筏上的繩索求生。44芝加哥湖濱空地，積雪覆蓋在陷入困境且車門大開的汽車上。一場史無前例的冬季暴風(fēng)雪襲擊了與雪幾乎絕緣的芝加哥地區(qū)，很多小學(xué)生有幸第一次見到下雪。45廣西來賓市，暴雨導(dǎo)致5.5萬人被迫疏散，多人在洪水和山體滑坡中遇難。4608年南方冰災(zāi)4798年九江彭澤縣棉船鎮(zhèn)482012年4月30日吉安縣颶風(fēng)492012年4月30日吉安縣颶風(fēng)502012年5月13日8點(diǎn)50分，湖南岳陽平江縣總長120米的永固橋被特大山洪沖垮，9人掉入江中，3名落水者獲救，6人失蹤。512012年5月12日，南昌市何坊西路水深一米多，一輛小車沖入后漂浮起來。52美國《科學(xué)》雜志刊登了英國哈德萊氣候預(yù)測與研究中心的一項(xiàng)最新研究成果，表明2006年到2015年全球氣候?qū)⒗^續(xù)變暖，其中2009年之后，至少有一半的年份全球平均氣溫將超過歷史上最高的1998年。如果未來全球氣候變暖的幅度真如英國學(xué)者預(yù)測的那樣，將會(huì)有更多的極端事件頻繁出現(xiàn)，這將對(duì)全球經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展與自然生態(tài)系統(tǒng)帶來更嚴(yán)重的影響。53三、現(xiàn)代環(huán)境條件下混凝土結(jié)構(gòu)材料面臨的問題54全球CO2濃度急劇提高，溫度升高、海平面上升、酸雨、水污染、極端氣候等現(xiàn)代環(huán)境的變化，加以近年來極端氣候頻繁出現(xiàn)，使混凝土腐蝕所引起的損失十分驚人?，F(xiàn)有和新建的基礎(chǔ)工程如何適應(yīng)環(huán)境變化的影響成為迫切需要解決的世界性難題。處于建設(shè)高潮的我國意義就更加重大。55由于大氣中CO2濃度增大，氣溫升高，將顯著增加碳化腐蝕，使鋼筋混凝土破壞的危險(xiǎn)性提高到400%。56混凝土的碳化：指混凝土內(nèi)水泥石中的氫氧化鈣與空氣中的二氧化碳、在濕度相宜時(shí)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成碳酸鈣和水，也稱混凝土的中性化。

Ca(OH)2+CO2+nH2O=CaCO3+(n+1)H2O對(duì)鋼筋混凝土的影響：1).碳化后混凝土堿度降低，減弱了混凝土對(duì)鋼筋的保護(hù)作用，生成鐵銹后體積增大。2).混凝土碳化后，固相體積減小，混凝土表層體積收縮產(chǎn)生裂縫，降低混凝土的抗拉和抗彎強(qiáng)度。57長江大橋北橋頭混凝土護(hù)欄開裂大橋混凝土護(hù)欄開裂露筋58南方某海港碼頭混凝土59北京西直門立交橋橋墩柱落水口一側(cè)鋼筋銹蝕60朝天門碼頭混凝土柱碳化情況某科委大樓混凝土梁碳化情況61由于酸雨和土壤酸化，江河湖泊及地下水水質(zhì)復(fù)雜化，使混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕破壞加劇。當(dāng)溶液中的pH值大于11.63時(shí)認(rèn)為無酸性侵蝕或程度很輕;

當(dāng)pH值小于11.63時(shí)認(rèn)為開始發(fā)生酸性侵蝕,且pH值越小,酸性侵蝕越強(qiáng)。62化學(xué)腐蝕性實(shí)際是水泥石的耐蝕性。三種常見腐蝕類型：軟水腐蝕（溶出性腐蝕）：蒸餾水、冷凝水、雨、雪水及某些河水、湖水含Ca、Mg少。Ca(OH)2不斷溶解，并導(dǎo)致水化硅酸鈣，水化鋁酸鈣等分解，水泥石破壞。當(dāng)CaO溶出5%時(shí)，強(qiáng)度下降7%；當(dāng)CaO溶出24%時(shí)，強(qiáng)度下降29%。63溶解性腐蝕：某些地下水或工業(yè)廢水（化纖廠、電鍍廠）中常含游離酸。

Ca(OH)2+2HCl=CaCl2+2H2O在工業(yè)污水、地下水中常溶解有較多的CO2，大氣中CO2，生物化學(xué)作用也形成CO2：

Ca(OH)2+CO2=CaCO3+H2O再與含碳酸的水作用：

Ca(OH)2+CO2+H2O=Ca(HCO3)264膨脹性溶蝕：當(dāng)水泥石處在含硫酸鹽介質(zhì)中（如海水、地下水中），有些地下水流經(jīng)石膏、芒硝或其它硫酸鹽巖石夾層，將部分硫酸鹽溶入水中。

Ca(OH)2+NaSO4+2H2O=CaSO4.2H2O+2NaOH

NaOH無膠結(jié)能力，二水石膏結(jié)晶、膨脹、導(dǎo)致再裂、破壞。更嚴(yán)重的是：

3CaO.Al2O3.6H2O+3(CaSO4.2H2O)+9H2O=3Ca.Al2O3.CaSO4.31H2O水化硫鋁酸鈣針狀晶體比原體積大2.5倍--“水泥桿菌”。65硅酸鹽水泥腐蝕的根本原因：

1）水泥石中有Ca(OH)2和水化鋁酸鈣；

2）水泥石不密實(shí)。66由于合格的混凝土集料資源日漸匱乏，混凝土結(jié)構(gòu)堿集料反應(yīng)出現(xiàn)的可能性加大。

堿集料反應(yīng)：當(dāng)集料中含有活性氧化硅或白云石和白云質(zhì)石灰?guī)r時(shí)，它們與水泥中的堿（K2O、Na2O）發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使混凝土產(chǎn)生不均勻膨脹，造成開裂，強(qiáng)度和彈性模量下降。67朝天門碼頭纜車混凝土結(jié)構(gòu)表面腐蝕情況朝天門碼頭階梯混凝土護(hù)欄表面腐蝕情況68電桿迎風(fēng)面腐蝕情況電桿背風(fēng)面情況69重慶第五碼頭基座混凝土腐蝕石門大橋支柱底部混凝土腐蝕70上饒七星電站71江西井崗沖水電站72江西井崗沖水電站江西井崗沖水電站江西井崗沖水電站73新疆喀什地區(qū)永安壩施工僅半年即遭受腐蝕74北京三元橋建于1984年，因堿集料反應(yīng)、冰凍、鹽腐蝕、鋼筋銹蝕而破壞，現(xiàn)已部分拆除重建。75美術(shù)館梁鋼筋銹蝕情況76青藏公路雅瑪爾河大橋橋墩表面混凝土凍融剝落77青藏公路三叉河大橋被有害離子侵蝕的混凝土墩78由于溫室氣體升高，冰川融化，海平面將隨之升高。預(yù)測到本世紀(jì)末中國沿海地區(qū)海平面可能升高21~74cm，不僅淹沒沿海的低洼地區(qū)，而且將加劇熱帶風(fēng)暴、颶風(fēng)等破壞作用。中國海岸線長達(dá)18，000km，能否象修筑萬里長城一樣修筑沿海公路，作為防御海平面升高的萬里長城，這是我們將面臨的艱巨任務(wù)。79四、應(yīng)對(duì)措施（一）提高混凝土結(jié)構(gòu)耐久性80

1.重視混凝土配合比的科學(xué)設(shè)計(jì)提高混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性，除了根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，保證足夠的承載力外，還需要根據(jù)混凝土結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境，由于環(huán)境帶來的劣化外力，如凍融，鹽害，海洋沖刷及硫酸鹽腐蝕等進(jìn)行耐久性設(shè)計(jì)。由于環(huán)境條件不同，耐久性設(shè)計(jì)時(shí)，有的可能只考慮一種劣化外力，有的可能是多種劣化外力的共同作用，也就是耐久性病害綜合癥，需要找出預(yù)防混凝土耐久性病害綜合癥的對(duì)策方法。81現(xiàn)代混凝土技術(shù)的核心內(nèi)容是外加劑和礦物摻合料的開發(fā)和應(yīng)用。只有合理應(yīng)用了外加劑和礦物摻合料才能實(shí)現(xiàn)混凝土的高耐久。最原始的硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥、砂、石和水四種組成無法實(shí)現(xiàn)混凝土的高流動(dòng)、高強(qiáng)和高耐久性。82W/C水泥抗壓強(qiáng)度/MPa標(biāo)養(yǎng)28天水環(huán)境氯鹽環(huán)境硫酸鹽環(huán)境復(fù)合鹽環(huán)境0.432051.7580.8076.8073.0059.000.438044.0084.7071.5080.5049.700.445038.7574.3068.0067.7067.000.532030.7560.3065.9060.3047.000.538036.5066.2064.0049.5055.000.545030.0034.0030.0032.0034.500.632025.0029.0028.805.80/75次壞23.300.638023.5030.7024.507.50/60次壞3.50/69次壞0.645018.0011.00/54次壞11.00/27次壞13.00/21次壞0.00/21次碎838485粉煤灰(%)礦渣(%)硅藻土(%)沸石(%)抗壓強(qiáng)度/MPa膠凝材料280kg/m3混凝土膠凝材料380kg/m3混凝土28天60天75次凍融28天60天75次凍融000031.934.225.435.742.233.40205535.144.049.736.344.853.5040101032.040.744.235.643.547.615051034.343.044.833.944.452.3152010034.035.145.128.841.753.315400532.534.744.333.737.251.630010525.227.144.533.439.557.5302001023.526.634.530.837.244.930405018.024.332.329.434.145.58687啟示1：并不是水泥用量越多混凝土耐久性越好，水泥用量過高反而會(huì)使混凝土強(qiáng)度和耐久性降低。啟示2：合理利用礦物摻合料和化學(xué)外加劑，控制水灰比，優(yōu)化混凝土配合比設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)混凝土的高耐久性；88啟示3：任何一種貌似強(qiáng)大的材料也有其不足之處，由其它材料（甚至看似“卑微”的材料）復(fù)合而產(chǎn)生的聯(lián)合作用有時(shí)會(huì)產(chǎn)生驚人的效果！那么人呢？？？89熟料波特蘭水泥礦渣水泥（A）S＜30%礦渣水泥（B）30＜S＜60%礦渣水泥（C）S＞60%1236月1年3年7257X6433X5824X3月半年1年6651335941X5325X3月半年1年68861186363526863X3月半年1年9912419195140193108133160海水養(yǎng)護(hù)礦渣水泥與波特蘭水泥的強(qiáng)度對(duì)比熟料礦物組成（%）C3SC2SC3AC4AF1234655603222176101016131390暴露在海水中25年浪濺