水泥與混凝土的環(huán)境友好特性概論
2006-05-10 00:00
自從１８世紀(jì)初葉水泥問世以來，水泥混凝土已成為應(yīng)用最廣泛的大宗建筑材料，隨著水泥與混凝土生產(chǎn)制備技術(shù)的不斷提高和發(fā)展，加之其環(huán)境友好型特性的凸顯，國際上許多知名專家與學(xué)者，一致認(rèn)為在２１世紀(jì)水泥混凝土仍將作為主要的大宗建材之一，具有廣闊的發(fā)展前景。
考慮到混凝土構(gòu)筑物結(jié)束使用壽命之后的廢棄處置或循環(huán)回收再利用，其對(duì)環(huán)境的影響問題，德國水泥工業(yè)研究院對(duì)破碎后的混凝土碎塊進(jìn)行了一系列的２４小時(shí)搖動(dòng)沖洗浸濾試驗(yàn)，檢測混凝土碎塊中重金屬被浸析出來的情況（表５）?？梢钥闯觯渲兄亟饘俦唤龀龅牧渴菢O其微量的，浸析水中的重金屬含量遠(yuǎn)低于歐洲一般飲用水的相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)。表５中列舉了我國以人體健康基準(zhǔn)值為依據(jù)，主要適用集中式生活飲用水的地下水質(zhì)量的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，供參照。
顯然，以重金屬來衡量，試驗(yàn)后浸析水中的含量比人們飲用水低很多。所以混凝土碎塊無論是廢棄處理或者回收利用都不會(huì)造成污染。混凝土碎塊具有如此高度的環(huán)境安全性，那么使用中的整體混凝土構(gòu)筑物就更安全了，完全可以放心。
總體來說，在使用過程中的各種混凝土構(gòu)筑物都不會(huì)排放任何氣體物質(zhì)。如果有一些有機(jī)成分的氣體排放的話，則完全取決于其中集料或外加劑中所帶入的有機(jī)物。只要集料或外加劑的質(zhì)量符合要求，混凝土是沒有有機(jī)氣體排放的。在新拌混凝土的初期，很短時(shí)間內(nèi)可能會(huì)有很少量的氨和甲醛產(chǎn)出，不過很快就會(huì)散盡。
某水泥廠燒生活垃圾時(shí)廢氣中重金屬的實(shí)際排放與允許值的比較如表８所列?？梢钥闯?，其窯廢氣中重金屬的排放量極其微小，對(duì)環(huán)境安全無恙。采用各種二次燃料，燒制水泥與混凝土，其中重金屬的含量情況列于表９中。
可以認(rèn)為，現(xiàn)今水泥工業(yè)廣泛采用的二次原料和二次燃料不會(huì)對(duì)水泥混凝土的環(huán)境友好特性引起任何不利影響。它和燒正常燃料的水泥混凝土一樣，毫無二致。這應(yīng)該歸功于水泥窯的強(qiáng)大“火力”和“氛圍”。
按照可持續(xù)發(fā)展的理念，茲以燒廢塑料為例，比較各種不同的消納處置方法，其結(jié)果分別列于表１０中。
不難看出，將廢塑料用作水泥工業(yè)的二次燃料，這種消納處置方法比較優(yōu)越，有利環(huán)保，較經(jīng)濟(jì)合理。
現(xiàn)代科技裝備的水泥工業(yè)不僅徹底改變了傳統(tǒng)水泥廠塵土飛揚(yáng)的舊面貌，而且鑒于其獨(dú)特的工藝生產(chǎn)過程，除具有“天生”的自潔凈功能以外，對(duì)改善全社會(huì)的環(huán)保還有相應(yīng)的輔助功能。針對(duì)當(dāng)前我國的某些傾向，這里必需特別強(qiáng)調(diào)兩點(diǎn)：第一，只有采用先進(jìn)科技及裝備的現(xiàn)代化水泥廠才可能具有上述良好功能；反之任何采用落后工藝生產(chǎn)方式的水泥廠對(duì)全社會(huì)的環(huán)保總體而言，非但無利而且有害。切忌以次充好，魚目混珠。第二，全社會(huì)的環(huán)保必需依賴于各行各業(yè)的共同努力才能實(shí)現(xiàn)，過分夸大水泥工業(yè)的環(huán)保功能或“貢獻(xiàn)”，難免有言過其實(shí)之嫌。尤其是對(duì)我國水泥工業(yè)的現(xiàn)狀來說，要給它冠以環(huán)保的美名，尚為時(shí)太早，還有很多艱巨的工作要做，切忌說得太好。
四、結(jié)語
通過上述水泥混凝土生命周期環(huán)境評(píng)價(jià)的長期試驗(yàn)研究，現(xiàn)今的結(jié)論主要是：水泥混凝土是一種原燃料來源廣（包括二次原燃料），生產(chǎn)制備過程簡捷，采用先進(jìn)實(shí)用科技及裝備成熟可靠，自動(dòng)化生產(chǎn)程度高，生產(chǎn)成本低，對(duì)周圍環(huán)境具有自潔凈功能，對(duì)全社會(huì)環(huán)保具有相應(yīng)輔助功能，使用范圍廣，性能良好，健康無害的環(huán)境友好型大宗建筑材料，基本符合可持續(xù)發(fā)展的原則。在未來的１００年內(nèi)，水泥混凝土仍將作為主要的大宗建材之一，具有廣泛的改進(jìn)、提高、發(fā)展、應(yīng)用的空間與前景。
本文旨在研究水泥混凝土的整個(gè)生命周期內(nèi)——由原燃料開始，水泥生產(chǎn)□混凝土制備，水泥混凝土使用、廢棄處理，直到回收循環(huán)利用的全過程中——其對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響，并進(jìn)行全面綜合的分析；闡明其環(huán)境友好型建材的重要特征。
一、水泥與混凝土的生產(chǎn)制備過程對(duì)環(huán)境的影響水泥與混凝土的生命周期，如圖１所示。
一、水泥與混凝土的生產(chǎn)制備過程對(duì)環(huán)境的影響水泥與混凝土的生命周期，如圖１所示。
為了對(duì)水泥混凝土生命周期進(jìn)行全過程的環(huán)境評(píng)價(jià)，首先應(yīng)考察在水泥生產(chǎn)過程中污染物的排放及其對(duì)水泥廠周圍生態(tài)環(huán)境的影響。德國水泥工業(yè)研究院協(xié)同國家環(huán)?？偩址謩e在德國的中部和南部選擇了若干對(duì)比試驗(yàn)區(qū)域，對(duì)比試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)的各項(xiàng)自然生態(tài)環(huán)境均基本一致，所不同的是在一個(gè)區(qū)域內(nèi)有水泥廠存在，而在另一個(gè)區(qū)域內(nèi)則沒有水泥廠，純屬農(nóng)業(yè)與畜牧業(yè)區(qū)域。從１９７０年前后開始，對(duì)對(duì)比試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)的大氣、水、土壤、植物、動(dòng)物、人群以及食物鏈、生物鏈等各方面的變化信息進(jìn)行了連續(xù)３０余年的檢測。這項(xiàng)研究工作最近公布的結(jié)論是，在德國現(xiàn)行的水泥工業(yè)污染物允許排放極限值標(biāo)準(zhǔn)（表１）的條件下，水泥廠對(duì)大氣所排放的污染物種類很少，有毒成分極微小或沒有，污染物濃度及數(shù)量較低，通常僅為當(dāng)?shù)卮髿饩C合排放量的百分之一到萬分之一，或更低；完全可以被自然環(huán)境所消納澄清。水泥窯□預(yù)分解窯□廢氣中排出的各種重金屬元素，最后進(jìn)入工廠附近土壤中的數(shù)量也極少（表２），遠(yuǎn)低于允許極限。同樣，水泥廠對(duì)各區(qū)域內(nèi)的水質(zhì)沒有任何不利影響。
此外，從原燃料中帶入水泥窯內(nèi)的各種重金屬或微量有害元素，在熟料煅燒過程中除了由廢氣逸出外，其余的都被固定在熟料中，不致外泄污染環(huán)境。
所以，水泥廠完全可以實(shí)現(xiàn)對(duì)其附近區(qū)域自然環(huán)境的零污染。
至于混凝土的制備，其過程比較簡單，主要是將水泥、集料□骨料□和少量的外加劑等按一定配比，加水?dāng)嚢瓒桑兇馐且粋€(gè)機(jī)械過程，不會(huì)引起環(huán)境污染。
因?yàn)樗喑蕢A性，新拌混凝土的ＰＨ值能被溶出。鉻在初始時(shí)是可溶的，但是隨著混凝土的硬化進(jìn)程，溶解的鉻就會(huì)被固定在水泥的水化產(chǎn)物之中。在已經(jīng)硬化的混凝土中鉻是不可溶的，呈完全無害狀態(tài)。
與其他的無機(jī)建材相比，水泥混凝土生產(chǎn)過程中的一次能源消耗及其對(duì)環(huán)境的宏觀影響，如表３所列。因?qū)ζ渌ú牡难芯抗ぷ魃星烦浞?，表３中有些?shù)據(jù)暫缺。但從已有的數(shù)據(jù)中足以表明，在這方面水泥混凝土優(yōu)于灰砂磚、黏土磚和泡沫混凝土。更何況在使用領(lǐng)域，水泥混凝土的應(yīng)用范圍、施工性能、力學(xué)性能以及耐久性能等諸多方面均大大優(yōu)越于它們。
所以，水泥廠完全可以實(shí)現(xiàn)對(duì)其附近區(qū)域自然環(huán)境的零污染。
至于混凝土的制備，其過程比較簡單，主要是將水泥、集料□骨料□和少量的外加劑等按一定配比，加水?dāng)嚢瓒桑兇馐且粋€(gè)機(jī)械過程，不會(huì)引起環(huán)境污染。
因?yàn)樗喑蕢A性，新拌混凝土的ＰＨ值能被溶出。鉻在初始時(shí)是可溶的，但是隨著混凝土的硬化進(jìn)程，溶解的鉻就會(huì)被固定在水泥的水化產(chǎn)物之中。在已經(jīng)硬化的混凝土中鉻是不可溶的，呈完全無害狀態(tài)。
與其他的無機(jī)建材相比，水泥混凝土生產(chǎn)過程中的一次能源消耗及其對(duì)環(huán)境的宏觀影響，如表３所列。因?qū)ζ渌ú牡难芯抗ぷ魃星烦浞?，表３中有些?shù)據(jù)暫缺。但從已有的數(shù)據(jù)中足以表明，在這方面水泥混凝土優(yōu)于灰砂磚、黏土磚和泡沫混凝土。更何況在使用領(lǐng)域，水泥混凝土的應(yīng)用范圍、施工性能、力學(xué)性能以及耐久性能等諸多方面均大大優(yōu)越于它們。
二、水泥與混凝土在使用、廢棄或回收利用過程中對(duì)環(huán)境的影響混凝土中的各種重金屬元素主要來源于水泥、集料和外加劑所帶入的含量，其中除鉻在新拌混凝土中是可溶的以外，其余的重金屬均呈不溶性。而適量鉻的溶解則有利于增強(qiáng)硬化水泥體的凝結(jié)力，同時(shí)使混凝土新構(gòu)體中毛細(xì)管構(gòu)造趨向密實(shí)，防止外界有害物質(zhì)的擴(kuò)散侵入，有利促進(jìn)其耐久性。在混凝土的硬化過程中，其中所含的各種重金屬都將全部固定在其構(gòu)體中，呈不溶狀態(tài)，因而在混凝土的使用壽命之內(nèi)，這些重金屬是不會(huì)被浸濾析出而污染環(huán)境的。表４所列是德國混凝土中各種重金屬可能出現(xiàn)的最高含量。長期試驗(yàn)及使用實(shí)踐業(yè)已證明，重金屬不會(huì)從混凝土中浸濾析出。
考慮到混凝土構(gòu)筑物結(jié)束使用壽命之后的廢棄處置或循環(huán)回收再利用，其對(duì)環(huán)境的影響問題，德國水泥工業(yè)研究院對(duì)破碎后的混凝土碎塊進(jìn)行了一系列的２４小時(shí)搖動(dòng)沖洗浸濾試驗(yàn)，檢測混凝土碎塊中重金屬被浸析出來的情況（表５）?？梢钥闯觯渲兄亟饘俦唤龀龅牧渴菢O其微量的，浸析水中的重金屬含量遠(yuǎn)低于歐洲一般飲用水的相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)。表５中列舉了我國以人體健康基準(zhǔn)值為依據(jù)，主要適用集中式生活飲用水的地下水質(zhì)量的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，供參照。
顯然，以重金屬來衡量，試驗(yàn)后浸析水中的含量比人們飲用水低很多。所以混凝土碎塊無論是廢棄處理或者回收利用都不會(huì)造成污染。混凝土碎塊具有如此高度的環(huán)境安全性，那么使用中的整體混凝土構(gòu)筑物就更安全了，完全可以放心。
總體來說，在使用過程中的各種混凝土構(gòu)筑物都不會(huì)排放任何氣體物質(zhì)。如果有一些有機(jī)成分的氣體排放的話，則完全取決于其中集料或外加劑中所帶入的有機(jī)物。只要集料或外加劑的質(zhì)量符合要求，混凝土是沒有有機(jī)氣體排放的。在新拌混凝土的初期，很短時(shí)間內(nèi)可能會(huì)有很少量的氨和甲醛產(chǎn)出，不過很快就會(huì)散盡。
混凝土的放射性主要可能來自摻合料粉煤灰的帶入，因此掌握粉煤灰的質(zhì)量就足以杜絕混凝土可能發(fā)生的放射性污染。通常混凝土中放射性元素的含量極其微量，較天然的花崗巖和玄武巖都低很多。
混凝土中是沒有氡氣散發(fā)出來的，因?yàn)槠渲兴钡臐舛缺忍烊煌寥乐械碾钡蛶装俦?。相反地，混凝土還能吸收保存一定量的由土壤中排放出來的氡。
大量和長期的試驗(yàn)研究和使用實(shí)踐表明，采用混凝土構(gòu)筑物作為民用和工農(nóng)業(yè)設(shè)施，對(duì)環(huán)境和人體健康都是十分安全的，絕對(duì)無害的。
三、水泥工業(yè)對(duì)全社會(huì)環(huán)保的輔助功能
水泥工業(yè)在自身的生產(chǎn)過程中不僅能實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境的零污染，對(duì)廢水、廢渣的零排放，而且還能借助水泥窯煅燒熟料的種種獨(dú)特優(yōu)勢，為全社會(huì)消納處理多種工業(yè)廢渣、廢料以及城市生活垃圾。有些工業(yè)廢渣，水泥工業(yè)可以回收主要作為二次原料，例如赤泥、鑄造砂、粉煤灰、硫酸渣、煙氣脫硫石膏、城市水處理廠污泥等等。有些可燃廢料，可以回收主要作為水泥窯的二次燃料，例如廢輪胎、廢機(jī)油、廢塑料、廢紡織品、廢油漆涂料、廢家具、醫(yī)療垃圾、廢化學(xué)化妝品、生活垃圾、動(dòng)物骨肉、石油焦等等。有些廢渣可以兼有二次原料和燃料的用途，例如煤矸石、油頁巖、含沼氣污泥等。還有一種近年國際上廣為應(yīng)用的是，將水淬高爐礦渣或粉煤灰超細(xì)磨以后，用以配制高性能混凝土，因而使其附加值猛增，大幅度地變廢為寶。
如此眾多的廢渣、廢料，日積月累地不斷產(chǎn)出，如果不能適當(dāng)?shù)叵{處置，勢必對(duì)全社會(huì)的生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重污染，經(jīng)濟(jì)上的損失尤為巨大。現(xiàn)今水泥工業(yè)為經(jīng)濟(jì)妥善地較大量消納回收利用這些廢渣廢料提供了一個(gè)新途徑新選擇。因?yàn)樗喔G內(nèi)的熱容量很大，溫度高達(dá)１６００℃以上，氣體和物料在其中的停留時(shí)間長，加之窯內(nèi)的堿性氣氛等諸多特點(diǎn)，廢渣、廢料中的各種有害物質(zhì)絕大部分都被徹底地分解焚毀，燒剩的各種熔渣、灰燼、重金屬等都將固定在熟料礦物或玻璃體中而一并制成水泥或混凝土，沒有二次污染。按照歐盟標(biāo)準(zhǔn)，水泥廠燒廢料時(shí)其污染物允許排放的極限值比燒正常燃料（煤或油）時(shí)的更嚴(yán)格（表１）。根據(jù)３６座燒廢料水泥窯，８年來１６０次檢測的結(jié)果表明，窯氣中二惡英和呋喃的含量絕大多數(shù)在０．０２ｎｇ／ｍ３以下，遠(yuǎn)低于０．１ｎｇ／ｍ３的標(biāo)準(zhǔn)要求。因此在水泥窯中燒廢料就可以不增設(shè)專用的二惡英過濾器，而這種過濾器在垃圾焚燒爐后面是必須配置的。
德國水泥工業(yè)所用二次燃料中各種重金屬元素含量的變化范圍以及幾種主要二次燃料的鉻和鎘的含量分別如表６和表７所示。
混凝土中是沒有氡氣散發(fā)出來的，因?yàn)槠渲兴钡臐舛缺忍烊煌寥乐械碾钡蛶装俦?。相反地，混凝土還能吸收保存一定量的由土壤中排放出來的氡。
大量和長期的試驗(yàn)研究和使用實(shí)踐表明，采用混凝土構(gòu)筑物作為民用和工農(nóng)業(yè)設(shè)施，對(duì)環(huán)境和人體健康都是十分安全的，絕對(duì)無害的。
三、水泥工業(yè)對(duì)全社會(huì)環(huán)保的輔助功能
水泥工業(yè)在自身的生產(chǎn)過程中不僅能實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境的零污染，對(duì)廢水、廢渣的零排放，而且還能借助水泥窯煅燒熟料的種種獨(dú)特優(yōu)勢，為全社會(huì)消納處理多種工業(yè)廢渣、廢料以及城市生活垃圾。有些工業(yè)廢渣，水泥工業(yè)可以回收主要作為二次原料，例如赤泥、鑄造砂、粉煤灰、硫酸渣、煙氣脫硫石膏、城市水處理廠污泥等等。有些可燃廢料，可以回收主要作為水泥窯的二次燃料，例如廢輪胎、廢機(jī)油、廢塑料、廢紡織品、廢油漆涂料、廢家具、醫(yī)療垃圾、廢化學(xué)化妝品、生活垃圾、動(dòng)物骨肉、石油焦等等。有些廢渣可以兼有二次原料和燃料的用途，例如煤矸石、油頁巖、含沼氣污泥等。還有一種近年國際上廣為應(yīng)用的是，將水淬高爐礦渣或粉煤灰超細(xì)磨以后，用以配制高性能混凝土，因而使其附加值猛增，大幅度地變廢為寶。
如此眾多的廢渣、廢料，日積月累地不斷產(chǎn)出，如果不能適當(dāng)?shù)叵{處置，勢必對(duì)全社會(huì)的生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重污染，經(jīng)濟(jì)上的損失尤為巨大。現(xiàn)今水泥工業(yè)為經(jīng)濟(jì)妥善地較大量消納回收利用這些廢渣廢料提供了一個(gè)新途徑新選擇。因?yàn)樗喔G內(nèi)的熱容量很大，溫度高達(dá)１６００℃以上，氣體和物料在其中的停留時(shí)間長，加之窯內(nèi)的堿性氣氛等諸多特點(diǎn)，廢渣、廢料中的各種有害物質(zhì)絕大部分都被徹底地分解焚毀，燒剩的各種熔渣、灰燼、重金屬等都將固定在熟料礦物或玻璃體中而一并制成水泥或混凝土，沒有二次污染。按照歐盟標(biāo)準(zhǔn)，水泥廠燒廢料時(shí)其污染物允許排放的極限值比燒正常燃料（煤或油）時(shí)的更嚴(yán)格（表１）。根據(jù)３６座燒廢料水泥窯，８年來１６０次檢測的結(jié)果表明，窯氣中二惡英和呋喃的含量絕大多數(shù)在０．０２ｎｇ／ｍ３以下，遠(yuǎn)低于０．１ｎｇ／ｍ３的標(biāo)準(zhǔn)要求。因此在水泥窯中燒廢料就可以不增設(shè)專用的二惡英過濾器，而這種過濾器在垃圾焚燒爐后面是必須配置的。
德國水泥工業(yè)所用二次燃料中各種重金屬元素含量的變化范圍以及幾種主要二次燃料的鉻和鎘的含量分別如表６和表７所示。
某水泥廠燒生活垃圾時(shí)廢氣中重金屬的實(shí)際排放與允許值的比較如表８所列?？梢钥闯?，其窯廢氣中重金屬的排放量極其微小，對(duì)環(huán)境安全無恙。采用各種二次燃料，燒制水泥與混凝土，其中重金屬的含量情況列于表９中。
可以認(rèn)為，現(xiàn)今水泥工業(yè)廣泛采用的二次原料和二次燃料不會(huì)對(duì)水泥混凝土的環(huán)境友好特性引起任何不利影響。它和燒正常燃料的水泥混凝土一樣，毫無二致。這應(yīng)該歸功于水泥窯的強(qiáng)大“火力”和“氛圍”。
按照可持續(xù)發(fā)展的理念，茲以燒廢塑料為例，比較各種不同的消納處置方法，其結(jié)果分別列于表１０中。
不難看出，將廢塑料用作水泥工業(yè)的二次燃料，這種消納處置方法比較優(yōu)越，有利環(huán)保，較經(jīng)濟(jì)合理。
現(xiàn)代科技裝備的水泥工業(yè)不僅徹底改變了傳統(tǒng)水泥廠塵土飛揚(yáng)的舊面貌，而且鑒于其獨(dú)特的工藝生產(chǎn)過程，除具有“天生”的自潔凈功能以外，對(duì)改善全社會(huì)的環(huán)保還有相應(yīng)的輔助功能。針對(duì)當(dāng)前我國的某些傾向，這里必需特別強(qiáng)調(diào)兩點(diǎn)：第一，只有采用先進(jìn)科技及裝備的現(xiàn)代化水泥廠才可能具有上述良好功能；反之任何采用落后工藝生產(chǎn)方式的水泥廠對(duì)全社會(huì)的環(huán)保總體而言，非但無利而且有害。切忌以次充好，魚目混珠。第二，全社會(huì)的環(huán)保必需依賴于各行各業(yè)的共同努力才能實(shí)現(xiàn)，過分夸大水泥工業(yè)的環(huán)保功能或“貢獻(xiàn)”，難免有言過其實(shí)之嫌。尤其是對(duì)我國水泥工業(yè)的現(xiàn)狀來說，要給它冠以環(huán)保的美名，尚為時(shí)太早，還有很多艱巨的工作要做，切忌說得太好。
四、結(jié)語
通過上述水泥混凝土生命周期環(huán)境評(píng)價(jià)的長期試驗(yàn)研究，現(xiàn)今的結(jié)論主要是：水泥混凝土是一種原燃料來源廣（包括二次原燃料），生產(chǎn)制備過程簡捷，采用先進(jìn)實(shí)用科技及裝備成熟可靠，自動(dòng)化生產(chǎn)程度高，生產(chǎn)成本低，對(duì)周圍環(huán)境具有自潔凈功能，對(duì)全社會(huì)環(huán)保具有相應(yīng)輔助功能，使用范圍廣，性能良好，健康無害的環(huán)境友好型大宗建筑材料，基本符合可持續(xù)發(fā)展的原則。在未來的１００年內(nèi)，水泥混凝土仍將作為主要的大宗建材之一，具有廣泛的改進(jìn)、提高、發(fā)展、應(yīng)用的空間與前景。
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