现代建筑的绿色化和服役寿命提升是节能减排的重要举措

孙伟

中国工程院院士

东南大学教授

新材料技术、信息技术、生物技术是高新技术的三大支柱，是产业进步的重要推动力，其中材料技术是基础、是前提、是核心；新型现代绿色高性能混凝土结构材料的发展、改革与创新、发明与创造是重大建筑与基础设施健康发展的关键和依托；发展现代绿色高性能结构材料必须具有抵御各种复杂环境条件和抗灾变的能力，抵御现代武器侵袭的能力，提高其耐久性和服役寿命是工程建设重中之重。

我国的重大桥梁工程、公路和高速公路工程、高速铁路工程等迅猛发展与现代化的高与超高性能绿色结构砼材料息息相关。国家4万亿元投资很大部分用于基础工程建设。

科学地设计并在结构服役期间科学地维护其性能是使混凝土结构满足100年设计寿命要求的关键。现代混凝土理论和技术研究任务任重而道远，各类重大工程的质量、功能、耐久性和服役寿命都与现代混凝土材料科学水平息息相关。重大桥梁的设计寿命均为100年或100年以上，每座桥的服役条件十分不同，对材料的要求越来越高。但是，我国基础工程与发达国家差距依然很大。我国基础工程大规模兴建时期比发达国家推迟了30年。要建立创新型国家，我国的大规模基础和建筑工程建设高潮必将持续30～50年。

基础设施和建筑工程建设是能源和资源消耗的大户，占消耗总量的40％以上。生产水泥放出的大量CO₂会导致温室效应并污染环境。解决问题的有效途径主要是走绿色化道路：1、减少工程建设中混凝土用量，从根本上提高工程服役寿命；2、降低混凝土中水泥熟料用量，高效和科学利用工业废渣。

提高重大基础工程的抗灾变能力、耐久性与服役寿命是基础与建筑工程建设的重中之重。引起混凝土损伤失效的因素主要有：冻融循环、干湿交替、碳化、钢筋锈蚀、碱集料反应、化学腐蚀、海水侵蚀、淡水溶蚀、高温爆裂、磨蚀、应力腐蚀等等。

中国基本建设比发达国家推迟30年，现正处于建设高潮，已暴露出大量耐久性问题，不仅使用寿命远低于设计寿命，而且过早破坏，提前退出服役的现象时有发生，有的3～5年就出现裂缝，甚至有的建成后尚未投入使用产生的裂缝已超过允许裂宽。

当今国际上对绿色结构砼和绿色砼结构耐久性、服役特性进行了大量的研究。长期以来国内外对混凝土耐久的研究主要是单一环境因素作用下混凝土损伤失效过程，并建立了相应的预测模型，但不仅室内试验与工程现场环境条件极不相符，而且单一因素引起砼结构的损伤劣化反映不了真实情况；在加载情况下，与各物理、化学损伤条件的双重、多重破坏因素共同作用下，混凝土材料的损伤劣化、损伤叠加、损伤因素间交互作用的耐久性研究才刚刚起步，尽管从90年代已开始了耦合因素作用下混凝土耐久性与寿命研究，但偏重于材料宏观行为劣化规律、未建立与微观结构演变的关系，从而损伤劣化仅是现象描述，缺乏本质的揭示；在复杂而又严酷条件下，如西部地区，加速混凝土劣化过程的研究及耐久性评估体系和寿命预测方法的研究国外报导极少，国家863曾列项研究，推动了寿命预测的科学进程；国家于2008年已列973项目两项，即“环境友好现代混凝土的基础研究”、“水泥低能耗制备与高效应用的基础研究”，从结构形成与损伤劣化两个过程建立耦合因素作用下服役寿命预测的新理论、新技术与新方法；国际上对荷载与环境因素协同作用下微结构的演变规律及多尺度数值模拟开展了研究，并起步研究砼材料与砼结构的工程服役特性及服役寿命、全寿命设计理论的研究已形成热点。

结构混凝土材料绿色化具有重大的意义。当前水泥与砼产量剧增，导致能源资源消耗巨大，环境污染加剧，影响到社会可持续发展。工业废渣的加入可以大大缓解这些问题，大量工业废渣（如硅灰、粉煤灰、磨细矿渣、煤矸石等）以不同程度取代水泥熟料，其取代量可由15%至85%，制备砼已具有不同性能层次和强度等级由C25至C200（工业废渣取代水泥量50％～60％），并在国防防护工程、基础和建筑工程建设中得到广泛应用。粉煤灰因其自身突出优势，又无需粉磨，已是各类重大土木工程的首选矿物掺和料。中国大城市优质粉煤灰用量已达100%，全国平均用量大于45%，急需开发新的废渣资源。当工业废渣取代水泥熟料平均达30%～50%，则1亿吨水泥熟料可得到1.4～2.0亿吨水泥，具有显著的经济、社会效益。同时，粉煤灰的掺入，砼各项关键技术性能（抗收缩、抗开裂、抗徐变、抗疲劳及耐久性）不断有新突破。我国工业废渣的储存量巨大，特别是粉煤灰、矿渣、钢渣、煤矸石、赤泥、硅灰(nano scale)还有各种尾矿等，工业发展使其生产数量有增无减，且各自物理结构、化学成分、水化机理及掺量不同对砼性能也影响不一(其中有正效应、负效应，也有正、负效应的交互作用)。最大限度高效利用工业废渣取代更多水泥熟料，是节省资源与能源、保护生态环境、提高材料性能的重要举措，也是社会可持续发展的必由之路。

粉煤灰对砼宏观性能的贡献主要有：1、降低砼干燥收缩率（当取代水泥熟料30%，收缩率下降30%）；2、减小砼徐变值（当取代水泥熟料30%，徐变值下降50%以上）；3、提高砼抗裂能力（推迟开裂时间,减小裂缝尺度和数量）；4、提高砼疲劳寿命（当应力比相同,疲劳寿命可提高3倍以上）；5、提高砼耐久性(除抗冻融、抗碳化外，其他耐久性全面提高）。从微观结构角度来分析粉煤灰的改善作用，粉煤灰加入混凝土中呈现出三大效应：形态效应、火山灰效应、微集料效应。粉煤灰的改性作用主要是由微集料效应（高弹高强的沉珠效应）贡献而得。对粉煤灰中的微珠特性进行分析：1、漂珠。密度<水的密度，65%以上是中空，其中包有更小的玻璃微珠，又称子母珠或复珠，这种珠在粉煤灰中含量不高，约为原状灰的0.07%-0.50%。但活性高对砼性能影响大，其平均粒径为2.2-22um，壁厚为0.2-20um；2、沉珠。是粉煤灰中占有较大比例的微珠(约占90%以上)，其比重大于水，故称沉珠，其强度为500-700MPa，是发挥微集料效应的重要部分，其外表面有不规则的突起点，壳壁上有气孔，绝大多数为中空，内部也含有细小的玻璃微珠；3、磁珠。是富铁微珠，在沉珠中有1.5%是富铁微珠，Fe₂O₃含量占55%，有一定磁性故称之为磁性微珠或磁珠，外形近球形，因磁性关系而相互粘连，其内部也是空的，并具有复珠特征。其中沉珠对粉煤灰改善性能的贡献最大，是粉煤灰效应的核心和基础,是优异性能产生的根源。但它不是孤立的，而是与形态效应、火山灰效应息息相关。

目前国内外对于混凝土结构服役寿命的研究主要集中在延长其服役寿命和对其服役寿命进行科学预测这两个难题上。归根到底，至今还没有科学的耐久性评估体系和寿命预测的新理论与新方法，也没有钢筋混凝土全寿命设计的理论和技术。为解决这两个难题，我们要回答五个问题：1、如何保证结构混凝土和混凝土结构的服役寿命（把材料、结构、施工和加固修复作为一个不可分割的科学整体和系统工程来实施，即全寿命设计理论与方法）；2、如何预测结构混凝土和混凝土结构的服役寿命（充分考虑在荷载与环境因素耦合作用下结构砼和砼结构损伤劣化过程与微结构演变机理）；3、如何评价结构混凝土和混凝土结构的耐久性（建立力学与环境因素耦合作用下耐久性评价的新理论、新方法与新体系）；4、如何从砼材料角度提高工程抗灾变、抗现代武器侵袭、抗耦合因素作用的能力，原位增韧是提高抗裂和提高各种抗力的要害和关键；5、加强结构形成与损伤劣化两个全过程中水泥基材料微结构演变与宏观行为（微结构与力学本构、微结构与传输本构、微结构与服役寿命多尺度模拟的研究）关系的定量描述。其中，如何评价结构混凝土和混凝土结构的耐久性是我们最关注的问题。结构混凝土和混凝土结构的耐久性是多重因素耦合作用下的结果。为重大基础工程的创新，我们必须抓住要害开展研究。强化基础工程建设专用现代结构砼材料的环保型、生态化，加强基础理论和原位增韧技术研究。科学高效利用工业废渣，最大限度地减少水泥用量是一种节能减排的方式；提高耐久性，延长混凝土的服役寿命是一种最有效的节能减排方式；提高混凝土的抗灾变能力 可以保证人民生命和财产的安全。

在目前的基础研究中亟待解决的问题有：1、水化产物的微结构形成机理，即胶凝材料水化产物原子的排列问题；2、有害物质传输的物理化学耦合效应，即混凝土的损伤失效过程。混凝土结构服役寿命的预测与提高必须实现基础理论的交叉与融合。主要基础理论有热力学与动力学、多尺度过渡法、多孔介质理论、模拟环境实验等，以这些理论和方法为基础，研究混凝土微结构、本构、损伤演变的特点，从而对混凝土结构的服役寿命进行预测和提高。关键问题在于：1、水化产物微结构模型，微结构与宏观性能的关系；2、荷载与环境多重因素耦合作用下的现代混凝土与结构性能退变时变特征和机理并建立损伤模型；3、创建承载力与耐久性科学统一的服役寿命设计理论、新体系，发展全寿命设计的新理论、新方法；4、荷载与环境因素耦合作用下混凝土微结构演变的多尺度模拟。

绿色水泥和现代绿色混凝土具有光辉的发展前程，是绿色基础与建筑工程发展的重要基础，要加强对水泥和混凝土基础理论研究，从源头上提高绿色结构混凝土和绿色混凝土结构的服役寿命；混凝土材料与混凝土结构是在不同严酷条件下服役的，绝非是单一环境因素作用下引起的损伤与劣化，而是在力学因素和环境因素双重和多重因素的耦合作用，是一个复杂的损伤叠加与交互作用过程，也是引起混凝土耐久性下降和服役寿命缩短或过早退出服役的根本原因。基于以往与未来研究成果，建立暴露于荷载与环境因素耦合作用下的混凝土结构科学的设计新理论和新方法，是相当必要的；发展绿色建筑材料和绿色建筑体系，延长其耐久性和服役寿命是节省资源、节省能源、保护生态环境的重要举措。对现代绿色混凝土材料与绿色混凝土结构的耐久性评价与服役寿命预测，首先要针对损伤因素进行科学组合，在室内模拟试验揭示其损伤劣化过程、规律的基础上，还必须与现场试验、暴露试验密切结合和长期的工程健康检测与跟踪监控，利用相似理论，建立室内外损伤劣化程度的换算关系，才能从本质上提高耐久性评价与寿命预测的科学性、安全性与可靠性；强化原位增韧技术的理论研究，采用有效、高性价比的措施，从源头上提高结构混凝土抗裂能力、抗灾变能力，实现混凝土结构耐久性和服役寿命大幅提升。