1.绪论

当前世界，建筑材料要受生态因素的制约已成为人们的共识。20世纪初，世界人口为15亿，到20世纪末已增长到了60亿。从最后一次冰河时期结束，人口增加到15亿用了约10000年，对比来看，人口在20世纪的增长极为迅速。20世纪初，大约1/10的人口居住在城市，而到了2001年约有1/3的人口都居住在城市及其周边。不幸的是，由于企业对技术的态度大多短视，导致对技术的选择只关注狭窄的目标，造成了很大浪费。

       每年仅仅全球流通材料的6% (大约5000亿吨)最终用于消费产品，而大部分的原始材料都以有害固体、液体或气体的形式反馈给环境，造成大量污染和浪费。过去一百年间，人为制造的温室气体在大气中的稳步攀升造成了全球气候变暖。新的发展观点认为，以自然界为中心的持续发展，环境不应作为发展的次要因素，而是一个包含、调配并维持整个经济发展的基础。

       世界商业可持续发展理事会（World Business Council for Sustainable Development, WBCSD）报告称：“混凝土是世界上除了水以外最广泛应用的材料，每年每个人消耗的混凝土有近三吨。”在可持续发现已成为共识的今天，对混凝土这种使用最广泛建筑材料的深刻认识和研究，将更有利于对资源、环境的保护以及充分利用。

2．混凝土对环境的影响

2.1 混凝土的组成

       按重量来说，传统混凝土大约包含12%的水泥，8%的水和80%的沙石。而目前混凝土采用的配料相比传统混凝土有了一定区别，图1是一个样本混凝土的配合比。不同配料使用比例的多少取决于混凝土将用于什么用途。

图1. 样本混凝土配合比

2.2 混凝土的生产对环境的影响

       按重量来说，传统混凝土大约包含12%的水泥，8%的水和80%的沙石。按此比例，全球每年需求约115亿吨混凝土，这意味着需要15亿吨水泥、10亿吨水和90亿吨沙石。生产混凝土所需的水和沙石对环境资源会造成很大的消耗。而生产15亿吨水泥约产生15亿吨二氧化碳，约占全球产生二氧化碳的5%。

       由于混凝土所需的水和沙石原料不需要加工，只需要开采和运输，消耗这些资源对环境的影响主要有两个方面，即对自然资源的消耗和开采、运输这些资源时对能源的消耗。而混凝土所需水泥对环境的影响相对复杂，主要影响为二氧化碳的排放。

       水泥行业的二氧化碳排放主要有两个来源：燃烧和煅烧。其中燃烧排放40%的二氧化碳，而煅烧排放约50%，剩余的10%来自电力使用和运输。燃烧产生二氧化碳的多少主要取决于所采用的燃烧物质，而煅烧产生的二氧化碳主要是由于原料（石灰石和粘土）加热到超过1400℃时分解的石灰石中释放出的二氧化碳。煅烧是水泥生产中的必要过程，所以减少水泥生产中产生的二氧化碳的重点是燃烧物质的使用。

       在美国，由于人类活动所产生的二氧化碳中，来自于水泥制造的比例只有1.5%-2%，而在全球范围内这一比例为5%。若考虑所有的温室气体排放，则水泥行业占据的比例为3%，以该比例计算，美国水泥行业所排放的温室气体占所有温室气体排放的1%。不只在美国，在当前生态为主的社会发展理念下，全球各地的水泥行业都在致力于减少二氧化碳和温室气体的排放。

       我国生产的水泥占世界产量的37%，其次是印度和美国，分别占6%和5%。我国大部分水泥制造设施效率底下且技术老旧，水泥行业产生的二氧化碳排放占全国排放的6%-8%。下图为全球二氧化碳排放分布统计:

图2. 全球二氧化碳排放分布统计

       水泥行业在减少能源消耗和有害气体排放方面已经取得了一定进展。自1972年以来，水泥行业已经提高了33%的能源利用效率。在美国，水泥行业所消耗的能源仅占美国能源消耗的0.33%。WBCSD的统计报告表明，20世纪90年代，全球水泥产量同比增长约20%，而生产每单位水泥的二氧化碳排放减少了约1.5%。生产每吨水泥产生的二氧化碳在全球不同地区为0.73-1吨不等^[1]。

3.混凝土的优势

       在建筑材料中选用混凝土带来的环境效益主要包含以下几个方面：

低碳排放：包含10%-15%水泥成分的混凝土，在制造过程中每吨产生约0.13吨的二氧化碳排放，相当于水泥产生碳排放的1/9。混凝土生产所产生的每单位碳排放比几乎所有其他的建筑材料都要少，使其成为首选的可持续建筑材料。

资源高效：混凝土的配料——沙、石以及石灰石，在全世界有着丰富的储藏。这些资源开采方便，易于应用到住宅或商业方面。混凝土的配料几乎无处不在，故而其可以在工地附近制造，耗费的运输资源极少。据统计，至少60%的混凝土是在工地160公里之内制造的，作为对比，木材和钢铁则常常需要数千公里的运输才能到达工地。

更少的建筑垃圾：因为混凝土的制造一般有特定的目标，仅需制造工程所需要的数量，这意味着工程结束后需要处理的建筑垃圾更少。

重复利用：很多混凝土制品可以重复利用，如混凝土地砖和预制板。混凝土地砖可用来制造干砌石挡土墙，而设计良好的长跨度无柱式混凝土建筑，则可以满足不同使用者的各种需求。使用过的混凝土可以作为路基集料或粒状材料而被完全再利用。废弃混凝土的45%-80%可用于生产新的混凝土，其余部分则可以粉碎后用于路基、停车场或其它工程的基材^[2]。

循环介质：混凝土可令许多废弃物再次可用。混凝土是可回收废弃物和工业副产品的理想介质，例如炼钢所产生的高炉煤渣和燃煤电厂产生的飞灰。我国目前已有采用飞灰作为混凝土配料的生产线。使用这样的工业副产品作为补充胶凝材料（Supplementary Cementing Materials, SCMs）以取代混凝土中的水泥成分，还可以提高针对特定应用的产品性能。

补充畜水层：透水混凝土路面砖和透水混凝土铺装材料可以减少雨水径流并使雨水返回地下畜水层。

4．混凝土的未来需求与展望

目前，每年全球需求的115亿吨混凝土已是最大的自然资源消耗。据估计，到2050年，全球每年对混凝土的需求可能达到160亿吨到180亿吨。对大量沙石的开采、加工、运输，以及对数十亿吨的水泥生产原料的运输，会消耗大量能源，并对开采地的生态产生不利影响。无论是在发达国家还是发展中国家，大型工程正在城市大规模进行，不只是新建筑的建设，也包括老旧建筑的维修替换。

每年有超过十亿吨的拆除建筑废弃物被简单地用作路基填充或运送到垃圾填埋场，但现有的技术完全可以将这些废料的绝大部分作为混凝土的沙石颗粒进行回收。而大部分的废弃水和不适合饮用的天然水可以代替城市用水搅拌混凝土。混合硅酸盐水泥含有燃煤电厂和高炉炼钢厂产出的工业废料煤灰，这也是一个很好的再利用方法，同时减少几个行业对环境的影响。

4.1 使用SCMs

       虽然混凝土所产生的能耗已经很低，但仍然可以通过使用补充胶凝材料（SCMs）的方式进一步降低能耗。若SCMs使用得当，还会对混凝土的长期强度有帮助。为了得到所预先期望的混凝土性能，飞灰含量大于30%或熔渣含量大于35%的硅酸盐水泥应被视作一个大容量的SCMs，并且其适合预期用途应该事先限定。

4.2使用复合水泥

虽然在混凝土中使用SCMs替代水泥成分是目前比较普遍的替代方案，但仍有其他选择，如使用复合水泥。飞灰、高炉煤渣或硅粉在复合水泥的研磨阶段作为原料添加到生产过程中。

总而言之，SCMs在水泥和混凝土中越来越多的使用会相应减少温室气体的排放。

4.3混凝土对二氧化碳的吸收

在一个混凝土建筑的生命周期内，混凝土逐渐碳化并吸收在水泥生产过程中由于煅烧所释放的二氧化碳^[3]。当混凝土的性状变为细颗粒，此时其完全碳化，由煅烧产生的二氧化碳全部被吸收。最新的研究表明，在再循环利用技术发达的国家，约86%的混凝土在使用100年后碳化。在这一过程中，混凝土会吸收约57%在原始煅烧中产生的二氧化碳。约50%的二氧化碳在混凝土回收利用时被粉碎后的很短时间内被吸收。（北欧创新中心项目，编号03018）

5.结论

       混凝土作为目前最广泛使用的建筑材料，具有其难以替代的优势，然而在当前强调绿色建筑、可持续发展的背景下，我国对混凝土的使用、维护和再利用仍需加强。和发达国家相比，我国在工业发展及城市化建设中存在很大的资源浪费，对资源的开采往往建立在对生态的破坏上。我国目前仍处在经济的高速发展阶段，更需要对包括混凝土在内的各种材料进行合理利用，在对环境造成最小影响的前提下，完成各项建设发展目标。