在21世紀中，水泥和混凝土必須按環境要求，按可持續發展的途徑進行開發。混凝土既可以是一種商品，也可以是一種用在特種市場上的特種材料。我們可以采用多種途徑來生產滿足上述要求的混凝土。但是，無論采用那種途徑，都必須確保從每一顆水泥顆粒中獲得最佳的技術--社會--經濟效益，從而使所形成的混凝土結構具有更長的使用壽命周期。如果我們能實現這一目標，那么波特蘭水泥和混凝土顯然仍將成為21世紀的建筑材料。
目前，混凝土基本上仍屬一種商品，其基本特性的改善和提高仍相當緩慢。但是，已出現了若干種符合特種市場小批量需求的特種混凝土。當然，要預測這些新型混凝土在市場上的發展速度和市場份額，還尚有困難。
通常，對未來進行預測，都存在一定的風險性，特別又是一個與人類行為緊密相連的未來。首先，我們不可能預測到未來的偶然性發現。其次，由于現代社會的行為日益復雜，很難對最聰慧的人腦和最強大的電腦進行分析。因此，要對現代人類社會的行為進行精確的預測，是相當困難的。
但是，我們可以采用一種謹慎的方法，即通過對當今混凝土技術中的最新發現，進行一番基本的研究，看一下還有那些潛力尚未被充分利用，就能很自信地對未來若干年，混凝土技術中的幾個最強勁的發展趨勢進行預測。我們將對早已開發研究的，或已進展到開發研究高級階段的若干種特種混凝土的成功機會進行分析研究，進行多種選擇，但是，我們的選擇必須建立在對這些開發研究的結果有充分了解的基礎上。
1尚待進行的選擇
(1)普通商品或高性能產品
長期以來，混凝土行業所生產的混凝土，以及設計人員根據規范所設計的混凝土，都是一種能適用于任何場合下的通用型混凝土。其抗壓強度一般在15Mpa-25Mpa。近年來，在有些國家中，混凝土的抗壓強度可能略有提高。目前，在一些發達國家中，使用在結構上的混凝土抗壓強度在25-35Mpa之間。 當然這并不是說20Mpa強度的混凝土已不再使用。仍有許多應用場合（基腳，基礎等），設計人員不需要采用抗壓強度大于20Mpa的混凝土，但是，越來越多的結構，已采用抗壓強度更高的混凝土。
到上世紀的七十年代，已開始制定了相應的技術規范，把強度更高的混凝土（40-50Mpa）用于高層建筑的立柱。隨后，這些最初所謂的高強混凝土，逐步轉變為高性能混凝土，其原因是：這些混凝土具有比高強度更多的性能。這些混凝土開始被用在室外，而且，面對更為惡劣的環境條件，諸如近海平臺、橋梁、和道路等。這類混凝土的市場，已逐漸不僅限于高強混凝土市場，而且已更多地用于耐久性混凝土市場。目前，耐久性混凝土市場已占混凝土總市場的三分之一。
最近，在現有的工藝技術水平下，使用更少的水泥，在某些情況下，只需使用三分之一的集料，就可配置出能承受所需結構荷載的普通強度混凝土，。這是一種比普通混凝土更具生態友好型的混凝土。此外，高性能混凝土預計的使用壽命周期要比普通混凝土長2-3倍，而且，這種高性能混凝土可以在其結構使用壽命周期結束時，可再生循環使用2-3次，最后用作路基混凝土的集料。
簡單采用低水/灰比的高性能混凝土是一種原始成本很低的經濟型混凝土。其原因是：建造同樣數量的結構，使用的模板較少，澆筑的混凝土較少，使用的鋼筋也較少。加拿大魁北克運輸部已算出，采用強度為50-6-Mpa的混凝土橋梁，其最初造價比采用強度為30Mpa的省8%，其中還沒有把所增加的橋梁使用壽命考慮進去。
接受使用高性能混凝土的過程很緩慢，但是，進展是持續不斷的。而且，這個進展過程仍將在21世紀初持續下去，因為設計人員和業主都將意識到高性能混凝土的價值及其耐久性能。
當然，高性能混凝土并非靈丹妙藥，也不會限制所有其他種類混凝土的發展。而且，高性能混凝土也有其自身的局限性。但是，高性能混凝土是一種可以使設計人員和建筑師超越現有混凝土局限性的耐久性混凝土
(2)特種混凝土最近已可以看到，與高性能混凝土開發研究領域并行的，應用于某些特種市場中的高技術或特種混凝土，諸如纖維增強混凝土、自密實混凝土、滾壓高性能混凝土、以及活性細粉混凝土。所有這些混凝土都是為用量較小，但贏利能力很強的市場而專門設計的。這些市場的競爭性不大，而且，只有那些很嚴肅認真的公司才會參與這些市場。因為他們都處于這些技術的領先地位，有能力提高這些高技術混凝土的應用范圍。當然，這些公司也有能力提供大量在進行房屋或基礎設施建設時所必須采用的普通混凝土。這些特種混凝土雖然用量還不大，然而，隨著時間的推移，一定會很快出現一系列特種混凝土。因為，向承包商提供的新型混凝土方案，與強度為20-30Mpa的混凝土方案相比，其性能更優，耐久性更好，經濟效益更大，因此，其價值也越大。采用BOOT方式開發的工程項目，無疑將加速形成新型混凝土的應用趨勢。而更為有趣的是，有些特種混凝土可獲得當初未曾想到的意外應用市場。我們可以以自密實混凝土為例。當初在日本所進行的開發研究，只是為了在鋼筋很密集的結構構件中，方便地澆筑混凝土。而現在，我們已開始將其用作靜音混凝土，或無噪音混凝土。由于自密實混凝土不需要振搗，因此，可用于夜間或白晝任何時間的澆筑作業，又不干擾臨近居民。當自密實混凝土用于預制廠時，其噪音要比一家迪斯科舞廳還小。
(3)超高強混凝土
在用于環境功能的結構中，混凝土最重要的性能已不是強度，而是耐久性。但我們必須承認，這兩種性能是緊密關聯的。顯然，抗壓強度仍將支配技術規范（程）。在混凝土領域中，增加抗壓強度仍是一個永恒的目標。
研究人員常常聲稱，他們已成功配置了強度達數百Mpa的混凝土試塊。但是，至今為止，我們必須承認，所有這些研究工作都沒有達到工業應用的程度。
集料構架堆積（填實）和熱養護的重要性，以及氣密封的益處已廣為人知。當我們對活性細粉混凝土進行初步設計時，具有真正創造性的是要把這種技術訣竅融入到一個簡易的工業理念，即在混凝土技術的開發研究中，可將這一理念付諸實施。
目前，活性細粉混凝土的成本是750美元/m3。。在不久的將來，其成本可降到650美元/m3。當大規模生產時，其單價可進一步降到500美元/m3。
在某些應用領域，即使活性細粉混凝土的單價在1000美元/m3，或400美元/T，它仍能與鋼材相媲美。結構鋼材在某些以耐久性和強度為重要考慮因素的應用場合，其成本在800-1000美元/T。
對活性細粉混凝土所作出的預測是令人吃驚的，在某些應用領域中，它不僅可以與鋼材相媲美，而且還可以與鑄鐵、鋁、甚至木材相媲美。
(4)環境問題另一個有利于這些新型混凝土發展的哲學或政治問題，是不斷增長的，并融入到21世紀所有人類活動的可持續發展的重要性。我們不能再繼續無休止地污染和浪費我們的自然資源，不能讓我們的下一代繼承一個他們不能生活或呼吸的地球。在21世紀中，任何一項人類活動都不能僅僅是為了使股東更快樂，而必須以最小的環境為代價的情況下，獲取最高的技術--社會--經濟效益。
在很長的一段時期內，工業世界一直輕視“綠色”理念。“綠色”行動一直受到干擾，一直被視為是減少公司利潤的行動。 但是近年來，世界各國的政治家們已對可持續發展倍加關注。這無疑對我們未來的生活質量是一個好消息。
水泥和混凝土行業必須迅速適應這一新的哲學理念，即最終的目的是要可持續發展。從環境的角度來看，就是要使自然資源的利用率最高，而所產生的污染最小，。我們已從最高度地獲取利潤這一哲學理念中解放出來，并跨出了一大步。大多數國家已實施的ISO14000標準，其目的就在于使所有工業企業，在環境問題上都處在同一起跑線上。
(5)教育要做好任何一件事，教育是必不可少的。但是，教育是一項長期的投資。必須使人們認識到，不但可以通過教育學到知識，而且必定會在學習中得益。因為知識可以方便地使各項工作做好，并進而轉化成利潤的增長。
通常，對任何傳統方式的改革，在開始階段都會產生某種費用的支出，這就是金融和技術上很難對其進行評估的風險投資。 我們有必要將教育的費用與任何一個國家的國民總產值相聯系，從中可以看出，教育和財富對于一個國家來說是相輔相成的。對于混凝土行業來說，難道不也是相輔相成的嗎？
2未來的混凝土
水泥和混凝土工業應與所有其他工業一樣，努力減少對環境的污染。根據唯一的從每一顆水泥顆粒中獲得最佳的技術--社會--經濟效益的原則，歸納起來，取決于以下各方面的工作。
(1)21世紀的水泥21世紀的水泥將是一種生態水泥。水泥熟料中將含有比現在更多的硅酸二鈣。這些水泥熟料將使用一種更高量的代用燃料進行燒制，并且與各種含量的礦物組分混合而成。但是，生產波特蘭水泥熟料仍將遵循相同的物理、化學和熱動力法則，任何波特蘭水泥熟料的化學成分，仍不會離開CaO-SiO2-AlO3的基本相位。
通過使用礦物化手段，早已能用非常具體的離子來改變波特蘭水泥的不同相位，使水泥熟料在1250-1300。C溫度下燒制，從而比現在的燒制溫度低150-200。C。在實驗室內效果很好，但是，它在工業生產規模上的應用，至今尚未被掌握。采用這種技術，將使釋放到大氣中的CO2更少，因此很有發展前途。
21世紀水泥仍將采用石灰石和粘土，或頁巖，或不純凈的石灰石來制造。但是，水泥中的C3S和C3A的含量將更少，因為已不必采用高含量的C3S來獲得初期的高抗壓強度。21世紀的水泥不需要磨得象現在的水泥一樣細，其原因也是不必采用細度非常細的水泥來獲得早期高抗壓強度，所需做到的僅僅是使水泥顆粒相互更緊密，而這是通過使用諸如超塑化劑這種強大的分散劑，通過降低水/膠比來獲得早期高抗壓強度的。
總之，21世紀波特蘭水泥將是一種礦物化的貝利特（硅酸二鈣）水泥，而不是現在我們所使用的阿利特（硅酸三鈣）水泥。在生產一種更生態化的波特蘭水泥方面將有更多的進展，但是，仍必須采用一定量的石灰石，并通過加熱來生產波特蘭水泥熟料。另一個水泥工業對生態環境令人感興趣貢獻是一種能對含有豐富硫磺（碳、焦碳和石油焦碳）的燃料進行燃燒。事實上，在燒制熟料過程中，揮發性的堿與硫作用，形成硫化堿，并留在熟料中，這就可用來解釋為什么現在的熟料中，含更多的硫，通常含1-2%的SO3。而在二、三十年代之前，SO3在熟料中的含量僅0.5%。熟料中S03含量的增加，在某些水泥和超塑化劑的兼容性無法控制時，會產生一些問題。
水泥工業對生態環境的第二個貢獻是：通過在燃燒窯中的燃燒，有助于消除一定數量的危險產物。這些危險產物可能含有氯化二苯酚醛（BPC），或甚至會導致瘋牛病。事實上，燃燒窯的溫度很高，幾乎所有有機物質都將被分解燒盡。水泥工業對生態環境的第三個貢獻是有助于消除大量有機廢料，甚至礦物副產品，包括家庭廢料、清漆溶劑、各種涂料和油漆，甚至輪胎。有些水泥廠似乎在出售水泥前，就通過在其窯中燃燒這些廢料而獲利。
但是，水泥工業最重要的貢獻不能僅此而已。水泥工業還必須將其貢獻擴大到混凝土領域。因為水泥是用于生產混凝土的基本材料。在混凝土領域中，水泥工業對生態環境的貢獻將具有更為深遠的意義，它可以促進：
廣泛使用礦物組分；
開發使用外加劑；
配置、澆筑耐久性混凝土，使混凝土結構和基礎設施的使用壽命更長。
換言之，必須學會如何配置耐久性更強的混凝土。事實上，認為全球水泥消耗量至少在21世紀上半葉將下降是錯誤的。因為第三世界國家仍將城市化，仍將提高其生活水準，這意味著這些國家將使用更多的混凝土。
(2)21世紀的混凝土21世紀的混凝土將是一種生態混凝土。混凝土中將含有比現在更多的外加劑，其水/灰比，或水/膠比將更低，強度將更高，更重要的是耐久性更強，而且還含有一定數量的再生混凝土。
21世紀，將專門為特殊應用領域，開發研究一系列特種混凝土。重點提高混凝土的某種性能，業主和承包商也應準備為此支付更高的單價。因為，使用這些特種混凝土，可以節省最初的結構造價和今后的維修費。而且，還可以大大提高混凝土結構的整個使用年限。當然，這并非意味著強度20-30Mpa的混凝土不再使用。在許多工業應用領域中，這類混凝土仍是社會經濟效益和生態成本最低的。但是，隨著各種特種混凝土的應用，目前我們所采用的獨一無二的，能應用于任何場合的通用型混凝土的市場占有率將會下降。
(3)現已應用的特種混凝土目前我們已能預言：某些特種混凝土，諸如，高性能混凝土、自密實混凝土、滾壓高性能混凝土、纖維增強混凝土、活性細粉混凝土等，都將非常迅速地開發出它們自己的市場。高性能混凝土將以其耐久性，以其長久的結構和基礎設施使用年限，以其更強的再生性應用潛力，以其節省集料，節省澆筑時的人工費，以及能給混凝土結構帶來的審美理念，而得到更廣泛的應用。
自密實混凝土的應用將使澆筑更方便，施工作業更迅速。這類混凝土將用于澆筑深度更深的現澆構件，不會有產生任何離析的危險，同時又不需要振搗密實。自密實混凝土可以用作一種無噪聲混凝土，可以在任何一個城市中的24小時內，進行混凝土澆筑作業，又不會受到周圍住戶對噪聲的抱怨，而且可以使生產率提高20%。城市中進行夜間混凝土澆筑作業也代表了一種有經濟效益的生產方式。在美國和加拿大的魁北克地區，自密實混凝土已在一些非常特殊的工程中得到了應用。這種混凝土在夜間運輸很方便，很有規律，先后順序容易控制，交貨也方便，又可以避開交通高峰時間，因此，可以滿足緊迫的施工進度計劃。
滾壓高性能混凝土早已得到應用，并且已打開了新的應用市場。其澆筑技術很簡單，在道路施工中的現代化應用工藝是具有革命性意義的，特別是能在如此干硬性的混凝土中引氣。在混凝土中使用鋼纖維能克服混凝土固有的弱點，即韌性差。目前，由于纖維用量不大，使其價格太貴，而且技術規程也沒有使混凝土能充分利用高質量的纖維制品。但是，這種混凝土的應用是一定會取得進展的。此外，只使用一種纖維的纖維混凝土，一定會被使用多種混合纖維增強的混凝土所取代。諸如Ross 所建議的那樣，可把長纖維和短纖維混合使用。
就超高強混凝土而言，諸如各種活性細粉混凝土，它們代表了一種巨大的潛力。隨著進一步的開發研究，已有可能與鋼鐵相媲美，甚至在某些應用領域，已能與木材相媲美。目前，由于纖維和硅粉的價格相當昂貴，活性細粉混凝土的成本就成為其應用的主要障礙。但是，現已開發研制成功更為經濟的方法，通過降低用量，達到降低成本的目的，從而大大提高活性細粉混凝土的競爭力。可以肯定的是：上述這些特種混凝土，只是若干種在21世紀將要進一步進行開發研究的范例而已。
當前，很少有人意識到外加劑對生態環境的貢獻，但這恰恰是不容忽視的。事實上，每使用一種減水劑，或一種超塑化劑時，就能減少一定數量的水和水泥用量。某些外加劑公司甚至可通過利用人類對可持續發展的新一輪關注，把眾所周知的外加劑—減水劑，更名為減水泥劑。
引氣劑、抗腐劑和抗收縮劑也將以不同的方式，對改善混凝土的耐久性作出貢獻，從而直接節省水泥。在這一領域中，相信會有很大的進展。因為外加劑是一門新興的學科。
混凝土的耐久性將成為設計中的基本要素，其重要性甚至會超過抗壓強度。當然這兩個要素是緊密相連的。高性能混凝土的使用不是其高強度，而是其高耐久性。目前，雖然對混凝土耐久性進行估算或預測還相當困難，但是，越來越多所設計的混凝土結構，其耐久性擔保期已達到100年之久。為了達到如此長的使用壽命，混凝土的澆筑和養護將比現在更為謹慎小心。而且，還必須詳細說明所要求的混凝土的具體質量要求，并為此支付合理的價格。
我們不應對混凝土在地質等級的耐久性問題過分樂觀。 因為即使是羅馬的萬神廟，也總有其歸宿的一天，變成一堆石灰石、粘土或砂子的混合物。而這些正是用來建造羅馬萬神廟的基本材料。因為這些形式的鈣、硅、鋁、和鐵，是地球上最穩定的組成形式。
（月球上的混凝土，未必是這種形式）。
3混凝土有未來嗎
在J.E. Gordon 所著的《結構和材料科學》一書中，他曾問自己，鋼鐵這種在19世紀中，靠技術發展而成的材料，是否是一種罪惡之源的材料。它既易于冶煉，又易于焊接，然而它也易于生銹。因為在地球上潮濕和富氧的環境中，鐵的穩定形式不是氧化鐵，就是氫氧化鐵。此外，從技術的角度看， E / p 和 E /p 這兩個比例式，（E代表彈性模量，p 代表密度）可用來表示一個已知物質（材料）的力學性能特征，從中可以看出，在立柱和薄殼結構中，普通混凝土的力學性能特征并非很差。此外，從生態的角度看，鋼的性能并非最佳。Gordon 的預測似乎將被言中。因為每年都有若干鋼廠倒閉，原因就是全球的鋼鐵耗用量不斷下降。
我們也可以用同樣的問題問一下，已成為20世紀結構材料的混凝土情況又是如何呢？如果我們象現在一樣繼續浪費它，那么答案或許也將是肯定的，即耗用量也將不斷下降。
但是，如果我們在學會如何增加其技術-社會-經濟含量的同時，又降低其對環境的影響，那么答案或許將是否定的，即耗用量將不會下降。
混凝土科學和技術的進步是充分的，展望其未來是樂觀的。混凝土的未來將取決與混凝土科學和技術是否能在全球得到迅速的實施。這與其說是一個與技術和經濟休戚相關的問題，更不如說是一個顯而易見的教育問題。
【推薦】
分享到：
手機版|
