綠色建材在當代土木工程中的應用

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綠色建材在當代土木工程中的應用

中國礦業(yè)大學建筑工程學院

張雷

摘要：介紹綠色建材的定義，特征于分類，對現代土木工程中出現的綠色建筑材料做歸納，闡述綠色建材的功能及應用前景，對現在市場上綠色建材存在的問題做出分析并提出解決辦法。

關鍵字：土木工程材料，綠色建材，前景，問題

一   引言

土木工程材料是土木建筑的基礎，合理地使用土木工程材料，充分發(fā)揮材料的性能不僅對土木工程的安全，實用，美觀，舒適等有重要影響，并且還會對自然環(huán)境產生很大的影響，因此隨著人們對環(huán)境保護和可持續(xù)發(fā)展的越來越重視，綠色建材也得到了更加廣泛的使用，成為了當代土木材料發(fā)展的一大趨勢。傳統(tǒng)的土木工程材料包括：鋼材、木材、砌筑材料、氣硬性無機膠凝材料等等，但是其生產，利用及回收過程中會消耗大量的資源并且?guī)韲乐氐沫h(huán)境問題，因此人們開始尋找既能滿足材料性能要求，又不破壞環(huán)境并且能合理改善建筑環(huán)境的生態(tài)建材——“綠色建材”。綠色建材的首次提出是在1988國際材料科學研討會上，1992年聯(lián)合國召開了環(huán)境于發(fā)展大會并于1994年可持續(xù)發(fā)展小組，隨后國際標準化機構ISO也開始討論和制定環(huán)境諧和制品的標準化(ECP)，大大推動了國際綠色建材的發(fā)展。我國于20世紀九十年代開始了綠色建材的研究和宣傳，并開始制定相關的標準。1999年召開了首屆全國綠色建材發(fā)展于應用研討會，有力促進了我國綠色建材的發(fā)展。2005年10月建設部、科技部印發(fā)綠色建筑技術導則、我國〈綠色建筑評價標準〉GB/T 50378—2006要求：在建筑的全壽命周期內，最大限度地節(jié)約資源(節(jié)能、節(jié)地、節(jié)水、節(jié)材)、保護環(huán)境和減少污染，為人們提供健康、適用和高效的使用空間，與自然和諧共生的建筑，并制定了未來建材工業(yè)循環(huán)再生、協(xié)調共生、持續(xù)自然發(fā)展的原則。

二   綠色建材的定義，特性，分類及評價標準。

綠色建材的至今沒有較為統(tǒng)一的定義，傳統(tǒng)的定義為于生態(tài)環(huán)境相協(xié)調的建筑材料。1992年國際學術界給綠色建材定義為：在原料采取、產品制造、應用過程和使用以后的再生循環(huán)利用等環(huán)節(jié)中對地球環(huán)境負荷最小和對人類身體健康無害的建筑材料。

不論對于綠色建材怎樣定義，其一般都公認有如下基本特征：

1、在生產過程中，以高新技術為基礎，盡可能少地使用天然資源和能源，大量采用尾礦、廢渣和廢液等廢棄物。不產生過量的有毒有害物質或廢料。不得使用甲醛、鹵化物或芳香族碳氫化合物，產品中不得含有汞、鋁、鉻及其化合物。大摻量粉煤灰混凝土可以說是這個方面的一個例子。

2、采用低能耗的制造工藝和不污染環(huán)境的生產技術。如環(huán)保型高性能貝利特水泥(C2S為熟料的主要礦物，含量大于60％)，其燒成溫度為1200~C~1250~C，節(jié)能25％ ，CO2排放量減少25％以上。

3、在產品配制和生產過程中，不得使用甲醇、鹵化物溶劑或芳香族碳氫化合物，產品中不得含有汞及其化合物，不得用鉛、鎘、鉻及其化合物的顏料和添加劑。

4、產品不僅不能損害人體健康，而應有益于身體健康，具有多功能化，如抗菌、除臭、隔熱、防火、防射線、抗靜電等。如在建筑衛(wèi)生陶瓷的釉料或涂料中加入少量TiOz光催化劑、銀銅離子型抗菌劑、稀土激活抗菌劑等可以制成具有抗菌、防霉功能的建筑衛(wèi)生陶瓷或涂料。

5、產品可循環(huán)或回收利用，不產生二次污染物。例如木結構建筑，低污染、可循環(huán)、環(huán)境友善。

綠色建材常見的分類有：

1.基本型。滿足使用性能要求和對人體無害的材料，這是建材的最基本的要求。在其生產及配制程中不得超標使用對人體有害的化學物質，產品中也不能含有過量的有害物質如甲醛、氨氣、VOC 等。

2.節(jié)能型。采用低能耗的制造工藝，如采用免燒低溫合成以及降低熱損失，提高熱效率，充分利用原料等新工藝新技術和新設備，產品能夠大幅度節(jié)約能源。如節(jié)能20%以上的保溫材料等。

3.循環(huán)型。制造和使用過程中利用新工藝新技術，大量使用尾礦廢渣污泥垃圾等廢棄物以達到循環(huán)利用的目的。如日本用下水道污泥制造生態(tài)水泥、用垃圾焚燒渣灰生產陶質綠色建材等，產品可循環(huán)或回收利用率達90%以上，真正做到變廢為寶，降低了對環(huán)境的污染。

4.健康型。產品的設計是以改善生活環(huán)境提高生活質量為宗旨，產品為對人體健康有利的非接觸性物質，具有抗菌防霉除臭隔熱調溫調濕消磁防射線抗靜電產生負離子等功能。

對于綠色材料的評價并沒有統(tǒng)一的標準，一些國家采用LCA （Life-cycle assessment）法，即壽命全程評價法。LCA是指一個產品從原料取得階段開始到最終廢棄物處理的全過程中對社會和環(huán)境影響的評價方法，將整個過程換算成C 或CO2的量進行計算，以開發(fā)利用環(huán)境負荷為最小的產品為目的。日本于1992 年環(huán)境廳組織研究環(huán)境負荷評價法之后，1992 年和1993 年先后成立了日本LCA 研究會，Ecomaterial 研究會。

因環(huán)境評價的需要發(fā)展起來的LCA 法已發(fā)展到制定國際標準的階段，并進一步研究評價與材料設計密切結合的能夠指導綠色建材的設計。

三   常見的綠色建材在土木工程中的應用

       本文按照土木工程材料功能分類，從結構材料和功能材料兩方面來介紹綠色建材在其領域的應用。

1．  結構材料

傳統(tǒng)的結構用建筑材料有木材、石材、粘土磚、鋼材和混凝土，現代結構用材料主要是鋼材和混凝土。

1）.木材、石材，這兩種材料是自然界提供給人類最直接的建筑材料，不經加工或通過簡單的加工就可用于建筑。木材和石材消耗自然資源，由于木材是可再生的永續(xù)的材料，如果自然界木材的生長量與人類的消耗量相平衡，那么木材是最綠色的建筑材料。石材雖然消耗了礦山資源，但由于它的耐久性較好，生產能耗低，重復利用率高，可以說它也具有綠色建筑材料的特征。

目前能大規(guī)模取代木材的新型綠色建材還不是很多，其中應用較多的一種綠色建材是竹材人造板。我國是森林資源貧乏的國家,但我國的竹類資源十分豐富,素有“竹子王國”的美譽，因此好多人把竹材資源看作是替代木材的好的后備資源。

竹材人造板是以竹材為原料,經過一系列的機械和化學加工,在一定的溫度和壓力下,借助膠粘劑或竹材自身的結合力的作用,膠合而成的板狀材料，具有強度高、硬度大、韌性好、耐磨等優(yōu)點,可用替代木材作建筑模板等。竹材人造板按竹片法可分為竹材膠合板、竹材集成地板、竹材集成材。按竹蔑法可分為竹編膠合板、竹簾膠合板、竹蔑層壓板、竹材膠合模板。按竹材碎料法可分為竹材刨花板。按復合法可分竹木復合膠合板、竹木復合層積材、竹木復合地板等。

其主要物理性能有：1.含水率低。2.干縮，膨脹率較低。3. 密度小，約為715 kN/ m3 ,是混凝土密度的1/ 4 ,磚墻砌體的1/ 3，輕質高強。4. 導熱系數約為0.14～0.18 W/ (m ·K) ,低于粘土磚、混凝土,是冬暖夏涼理想材料。

其力學性能于其他材料的比較見下表

表1 　竹材人造板力學性能比較

名稱

力學性能

竹膠合板

40 ×250 (mm2)

竹膠合板

50 ×250 (mm2)

常用樹種木材

C25混凝土

靜彎曲強度(MPa)

95

81

13~17

11.9

彈性模量(MPa)

14700

21900

10000

28000

由于竹結構具有如上所述的眾多優(yōu)點, 綠色建材——竹材人造板在土木工程領域的應用前景廣闊。

2）.粘土磚，其能耗是比較低的，但它是以破壞良田為代價且是不可恢復的，可以說是最不綠色的建筑材料。20世紀90年代開始限制使用粘土磚到如今粘土磚已禁止生產和使用。

       粘土磚的綠色替代建材的主要發(fā)展方向是利用工業(yè)廢渣替代部分或全部天然粘土資源的新型建材。

       我國近年工業(yè)廢渣年排放量近10億噸，累計總量已達66 億噸，利用率卻僅有40%．而實際上絕大部分工業(yè)廢渣均可作為粘土磚的原料，加以利用則可節(jié)約土地，節(jié)省能源，保護環(huán)境。如利用粉煤灰可生產粉煤灰燒結磚、粉煤灰蒸壓磚、粉煤灰蒸壓灰砂磚、粉煤灰硅酸鹽砌塊等。利用煤矸石可生產燒實心磚和空心磚，采用蒸壓養(yǎng)護又可生產煤矸石磚、煤矸石空心砌塊，采用煤矸石作為骨料還可生產煤矸石輕骨料砼小型空心砌塊等。利用尾礦類廢料，如鐵、鋁、銅及各種稀土、非金屬礦尾礦等，可作為原料生產磚、小型混凝土空心砌塊、蒸壓灰砂磚等。利用其他廢渣如爐渣、煉鐵礦渣、鋼渣、冶金化工企業(yè)排出的高爐水淬礦渣、電石渣、冶煉廠排出的赤泥等，通過采用不同的生產工藝，與其他材料相混合，可生產燒結磚、蒸壓磚、加氣混凝土、內外墻板等。

       由于工業(yè)廢渣來源豐富，其力學性能普遍優(yōu)于粘土磚，并且可以滿足不同使用環(huán)境的要求，所以具有廣闊的應用前景。

3）.鋼材，表2為幾種建筑材料生產過程中的環(huán)境性能比較，可以看出，耗能和環(huán)境污染物排放上鋼材是最多的。

表2幾種材料生產過程中的環(huán)境性能比較

材料種類

強度N/mm2

燃料能耗GJ/m3

S02排放量kg/m3

C02排放量kg/m3

粉塵排放量kg/m3

鋼材

240

236

14

5

320

玻璃

30

56

3．2

—

—

粘土磚

7．5

11

1．8

—

9

灰砂磚

7．5

4．9

0．4

—

9

木材

14

2．4

28

—

—

混凝土

13

5

6．3

1．0

l20

由于鋼材的不可替代性，因此“綠色鋼材”主要發(fā)展方向是在生產過程中如何提高鋼材的綠色指標上下功夫，研究發(fā)展新技術、新生產工藝，努力降低生產能耗，減少污染物排放，對生產過程中產生的廢棄物資源化，加快鋼材的綠色化進程。

4）.混凝土，由水泥和集料組成，是復合材料，它的生產能耗主要是由水泥生產造成的。而傳統(tǒng)的水泥生產需要消耗大量的資源與能量，并且對環(huán)境的污染較大，所以水泥生產工藝的改善是綠色混凝土發(fā)展的重要方向。目前水泥綠色生產工藝主要采用新型干法生產工藝取代落后的立窯等工藝。

       現今土木工程使用的綠色混凝土主要有低堿性混凝土，多孔混凝土，植被混凝土，護坡植被混凝土，透水性混凝土，吸收分解NOx的光催化混凝土，生態(tài)凈水混凝土等。其中應用較為廣泛的是多孔混凝土。

多孔混凝土也稱為無砂混凝土，它只有粗骨料，沒有細骨料，直接用水泥作為黏結劑連接粗骨料，它具有連續(xù)空隙結構的特征，其透氣和透水性能良好，連續(xù)空隙可以作為生物棲息繁衍的地方，而且可以降低環(huán)境負荷。多孔混凝土按其氣孔結構形成的方式不同,又可分為泡沫混凝土和加氣混凝土兩大類。

多孔混凝土的主要性能有：1.多孔輕質，由于孔隙引入大量空氣(孔隙率達70 %～80 %) ,大大降低了材料密度。2.保溫隔熱，多孔混凝土的導熱系數明顯低于傳統(tǒng)建筑材料，其于普通混凝土導熱系數比較見表3。3.耐火隔音，多孔混凝土是一種極好的吸音材料,與實心磚墻相比,吸音能力大約是實心磚墻的5～10 倍。4.多孔混凝土具有很好的耐久性，其長期強度穩(wěn)定。

表3 　傳統(tǒng)建筑材料與多孔混凝土性能對照表

種類

密度(kg/m3)

導熱系數(W/ m·K)

孔徑(mm)

紅磚

1600～1800

0.34~0.81

—

普通混凝土

1900～2600

1.63~1.74

—

泡沫混凝土

300～1600

0.08~0.34

0.5~2

加氣混凝土

300～800

0.11～0.23

0.1~0.8

多孔混凝土的主要品種有：水泥-石灰-粉煤灰加氣混凝土，水玻璃泡沫混凝土，快硬低收縮泡沫混凝土，陶粒水泥泡沫混凝土，加氣石膏陶?；炷粒勖夯遗菽炷?，耐熱泡沫混凝土，泡沫塑料混凝土，地面用泡沫混凝土等。

2．   功能材料

目前國內外各種功能材料迅速發(fā)展，材料種類繁多，用途廣泛，正在形成一個規(guī)模宏大的高技術產業(yè)群，有著十分廣闊的市場前景和極為重要的戰(zhàn)略意義。世界各國均十分重視功能材料的研發(fā)與應用，它已成為世界各國新材料研究發(fā)展的熱點和重點，也是世界各國高技術發(fā)展中戰(zhàn)略競爭的熱點。在全球新材料研究領域中，功能材料約占 85 % 。我國高技術（863）計劃、國家重大基礎研究（973）計劃、國家自然科學基金項目中均安排了許多功能材料技術項目（約占新材料領域70%比例），并取得了大量研究成果。除了利用材料的某些特殊功能外，如防水、裝飾、保溫等，具有新的功能的材料也不斷涌現，主要包括儲氫材料、梯度功能材料、智能材料、功能陶瓷材料、超導材料、信息材料、光學功能材料、功能復合材料、分離材料、生物醫(yī)用等。

綠色功能材料主要體現在一下三個方面：

1).節(jié)能功能材料。如各類新型保溫隔熱材料，常見的產品主要有聚苯乙烯復合板、聚氨酯復合板、巖棉復合板、鋼絲網架聚苯乙烯保溫墻板等，，這些產品具有很好的保溫隔熱性能。節(jié)能保溫玻璃如中空玻璃、太陽能熱反射玻璃等。

2).充分利用天然能源的功能材料，將太陽能發(fā)電、熱能利用與建筑外墻材料、窗戶材料、屋面材料和構件一體化，形成一種嶄新的建筑材料，成為建筑材料發(fā)展方向。如太陽能光電屋頂、太陽能電力墻、太陽能光電玻璃等。

3). 改善居室生態(tài)環(huán)境的綠色功能材料，如健康功能材料（抗菌材料、負離子內墻涂料）、調溫內墻材料、調濕內墻材料、調光材料、電磁屏蔽材料等。

四  綠色建材市場存在的問題

    隨著綠色建材應用的不斷普及，綠色建材市場暴露出的問題也日益明顯。這些問題主要表現在以下四個方面：

1．無材不“綠”。由于國家和普通消費者對綠色建材越來越重視，許多建材廠商為了博取消費者的青睞，競相打起了“綠色”，“健康”，“環(huán)保”建材的旗號，使得建材市場一片“綠色”。

2．綠色建材認證和檢測過程存在漏洞。，雖然建材市場綠色建材產品很多，但大多魚龍混雜，真正經得起檢驗的綠色建材并不算太多，據了解，市場上將近70% 以上的建材無產品檢驗報告，而且大多是委托檢測報告，缺少正規(guī)檢測機構的檢測。其次是認證不規(guī)范，目前國家在綠色建材認證和管理方面的相關法律還不完善是造成這一現象的主要原因。

3．存在認識的誤區(qū)。許多人把綠色建材和新型建材等同起來，綠色建材不等于新型建材。新型建材是相對于傳統(tǒng)建材在能源資源消耗、環(huán)境污染破壞和材料性能、功能等方面的發(fā)展而提出的，而綠色建材跳出了節(jié)約能源、保護環(huán)境的范疇，從材料的全生命周期和可持續(xù)發(fā)展的角度對建材進行定義。新型材料從全生命周期考慮不一定綠色，而傳統(tǒng)材料也不是一定不綠色。

4．綠色建材行業(yè)缺乏良好的發(fā)展環(huán)境。綠色建材與建筑，施工，建材等行業(yè)是密不可分的，由于綠色建材發(fā)展的法律法規(guī)不完善，各行業(yè)間缺乏協(xié)調合作，沒有統(tǒng)一的規(guī)劃，缺乏約束力。

    針對以上四個方面的問題，為營造良好的綠色建材市場環(huán)境，應著力解決從法律和政策上嚴格規(guī)范綠色建材的生產，認證，檢測，銷售和使用的各個環(huán)節(jié)。加強信息宣傳，普及綠色建材基本知識等。綠色建材是實現建筑材料可持續(xù)發(fā)展的關鍵，因此，營造良好的綠色建材市場環(huán)境，促進綠色建材產業(yè)的健康發(fā)展迫在眉睫。

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