国内外发展的现状及趋势简析

(1)国内外发展总趋势。环境材料是在20世纪90年代初由日本东京大学山本良一教授首次提出的概念,受到世界各国材料工作者积极响应。此后又进一步提出了生态环境材料的概念。新概念从理论上反思和总结了人类社会发展过程中所开发的材料的合理性和科学性,将地球生态环境引入了材料科学。环境材料科学将材料的开发、制备、加工使用和再生过程与生态环境问题统一于一体,力求两者相互协调、相互促进。

环境生态材料应具备以下三种特性:

1)开发新材料必须考虑其优异的使用性能,即具有先进性。

2)新材料在生态环境中资源和能源消耗少,废弃后易于再生循环,即材料在制备、流通、使用和废弃的全过程必须保持与地球生态环境的协调性。

3)材料的感官性质要求使人感觉舒适,乐于使用,即材料的舒适感。

环境生态材料科学倡导绿色材料技术,是材料业界可持续发展的基本方向,重视再生利用的材料设计思想。同时它希望将传统上由许多材料组合的组合体系具备的综合性能集中体现在一种材料上。在这个意义上,环境材料就成为一种具有系统功能的知识集约型材料,其最大的创新之处就是使复杂的材料系统简单化。“十五”期间,水利工程面临南水北调的宏伟工程及江河湖海水资源的生态保护工程,必须尽早开展水利工程生态环境新材料的开发和应用。

国外生态环境友好型混凝土领域发展总趋势:水泥混凝土作为最大宗人造材料,给人类带来了文明,也给环境造成了污染。据资料统计,全世界水泥年产量已达到11.5亿t,混凝土年使用量大约70亿t。可以说混凝土是人类与自然界进行物质与能量交换活动中消费量较大的一种材料。所以混凝土的生产与使用,及其本身的性能极大地影响着地球的环境、资源、能源的消费量及其所构筑的人类生活的空间质量。混凝土大量使用水泥,而水泥工业给环境带来极大污染。进入80年代后,由于对生态环境的日益重视,使研究者不得不重新考虑这种材料及其科学的发展。除了水泥清洁生产,提高性能减少用量以外,另一重要方面是这种材料能为环境做些什么?其中扩大水泥使用范围,用水泥基胶凝材料来改造生态环境,如治沙、治水、治理城市环境等。因此,应突破混凝土传统使用范围,发展生态友好型材料,走可持续发展之路、保护地球环境、寻求与自然的和谐,成为全世界共同关心的课题。生态环境友好型混凝土(Environmentally Friendly Concrete)应运而生,生态环境友好型混凝土是指既能减少对地球环境的负荷,同时又能与自然生态系统协调共生,为人类构造舒适环境的混凝土材料。

国际上已开发的生态环境友好型混凝土有下列几种:①植被混凝土(包括种植混凝土和生态护坡);②海洋生物适应型混凝土(包括人工海底山脉和用于水质净化的混凝土);③透水性混凝土;④再生骨科混凝土。世界上一些发达国家早在第二次世界大战之后即开始了对废弃混凝土再利用的研究。到了20世纪后期,发达国家将再生骨料的研究作为重要课题,开展了大量的试验研究,并出台了相关规范。而其他几种环境友好型混凝土则是在90年代后才陆续开发。

国内近年来已相当重视生态环境友好型混凝土的开发研究工作,尤其近年来国内学者倡导“生态水利工程学”后,为使水利工程与环境更加和谐,已进行了多项研究并取得工程应用效果。努力使水利工程与人类及环境更加和谐、友好已经形成共识,也是大势所趋。今后应加大投入和研发力度。

(2)国内外研究现状和发展趋势。国外对生态环境友好型混凝土的开发研究始于20世纪90年代,日本是起步较早的一个国家。1998年日本学者提出植被混凝土要求为:①确保连续空隙,使根系在混凝土中生长繁茂,连续孔隙率在18%～35%。②必要的水分、肥料以确保植物生长。③p H 值维持在不影响植物生长的水平。种植混凝土配合比及其物理性能见表11-4。

表11-4　种植混凝土配合比及其物理性能

日本在软弱岩石边坡生态护坡中研究使用的生态材料称作绿化网。它是采用抗拉强度高的尼龙高分子材料编织而成,分上下两层,两片网中间每隔一定间距包有肥料、草种、水稳定剂、含有机质的腐殖土等的混合物。

关于海洋生物适应型混凝土方面,日本研究利用粉煤灰水泥制造此类材料,使其内部有一定空隙,能够提供水中生物的生长所必须的养分存在的空间。适应海洋生物生长的混凝土是生态环境友好型混凝土的一个重要研究方向。

日本铃木达雄在1998年发表的文章给人工海底山脉混凝土的配方如下:(www.xing528.com)

粉煤灰40%+水泥29%+水27%　水/胶=0.370

粉煤灰54%+水泥18%+水27%+外加剂1%水/胶=0.375

粉煤灰65%+水泥11%+水23%+外加剂1%水/胶=0.312

人工海底山脉或礁石是在海底或海岸用混凝土制成的具有特定形状的混凝土堆积体,根据山脉和礁石外形、尺寸和表面形状不同,可产生不同生态效果。

另外,港口、码头的护岸、防浪堤等海中构筑物也被做成海洋生物生长和栖息的生态友好型混凝土结构。例日本鹤谷广一在1998年介绍,日本这方面已进入初步实用化阶段,有一些工程实例,如关西机场的护岸,建成3个月后,混凝土表面就有茂密的海生物生长。1年后褐藻生长繁茂,砌块上可见虾子栖息的洞穴,3年后褐藻充分长大,看似海中森林给海洋生物提供了良好的生态环境。日本的下田港和那霸港防波堤也用此技术,建成不久便在混凝土表面观察到红藻和马尾藻的生长,4年后还观察到珊瑚生长。

美国、日本和欧洲等发达国家对废弃混凝土的再利用研究较早,主要集中在对再生骨料和再生混凝土基本性能的研究,已有成功应用于刚性路面和建筑结构的例子。目前再生混凝土新技术是世界各国共同关心的课题,已成为国际工程和学术界关注的热点和前沿之一。

20世纪末,同济大学材料科学与工程学院首先倡导进行环境材料和环境材料学研究,提出环境材料必须具备以下特点:

1)先进性:即能为人类开拓更广阔的活动范围和环境;

2)环境协调性:使人类的活动范围同外部环境尽可能协调;

3)舒适性:使活动范围中的人类生活环境更加繁荣、舒适。

传统材料主要追求的是材料使用性能,而忽视了环境协调性和舒适性。而环境材料所追求的不仅仅是优异的使用性能,还要在材料制造、使用、废弃直到再生的整个寿命周期中,都必须具备与生态环境的协调共存以及舒适性。因此环境材料实质上是赋予传统结构材料、功能材料以特别优异的环境协调性的材料,或者指那些直接具有净化和修复环境等功能的材料,即环境材料是具有系统功能的一大类新型材料的总称。

国内近年来主要在实用技术上已有一些研究与发展。1997年同济大学研制成功水质净化生态环境友好型混凝土,并在上海市松江区佘山镇安装处理污水装置,半年后水质即有大的改善。

在水利部科技司提倡生态水工学后,我国水利方面有关单位陆续开展了护坡植被混凝土的开发研究,其中三峡大学分别在清江隔河岩电厂高陡混凝土边坡、清江水布垭水利工程水电站1号、13号公路、高坝洲水电站左岸五家冲岩石边坡、三峡下岸溪砂石料厂岩石边坡、三峡右岸F、G 区边坡、三峡永久船闸下游引航道边坡、三峡右岸上坝公路边坡等工程上应用,取得良好社会效果。另外,由吉林省水利实业公司吉水工程材料研究所研制成功的能长草的环保型绿化混凝土也在吉林省梅河口市的一个桥涵工程中试验表明,混凝土出草效果良好。天津市水利科学研究所在天津市外环河护砌工程中应用绿色植被混凝土,长出半尺高的嫩草,既满足河道护坡要求又美化了环境。

此方面的研究工作也得到有关领导部门的重视,但基础性研究还未很好开展,相信一定会有一个较大的发展空间。