綠色建材在當(dāng)代土木工程中的應(yīng)用

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綠色建材在當(dāng)代土木工程中的應(yīng)用

中國(guó)礦業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院

張雷

摘要：介紹綠色建材的定義，特征于分類，對(duì)現(xiàn)代土木工程中出現(xiàn)的綠色建筑材料做歸納，闡述綠色建材的功能及應(yīng)用前景，對(duì)現(xiàn)在市場(chǎng)上綠色建材存在的問(wèn)題做出分析并提出解決辦法。

關(guān)鍵字：土木工程材料，綠色建材，前景，問(wèn)題

一   引言

土木工程材料是土木建筑的基礎(chǔ)，合理地使用土木工程材料，充分發(fā)揮材料的性能不僅對(duì)土木工程的安全，實(shí)用，美觀，舒適等有重要影響，并且還會(huì)對(duì)自然環(huán)境產(chǎn)生很大的影響，因此隨著人們對(duì)環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展的越來(lái)越重視，綠色建材也得到了更加廣泛的使用，成為了當(dāng)代土木材料發(fā)展的一大趨勢(shì)。傳統(tǒng)的土木工程材料包括：鋼材、木材、砌筑材料、氣硬性無(wú)機(jī)膠凝材料等等，但是其生產(chǎn)，利用及回收過(guò)程中會(huì)消耗大量的資源并且?guī)?lái)嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題，因此人們開(kāi)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(guó)際材料科學(xué)研討會(huì)上，1992年聯(lián)合國(guó)召開(kāi)了環(huán)境于發(fā)展大會(huì)并于1994年可持續(xù)發(fā)展小組，隨后國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu)ISO也開(kāi)始討論和制定環(huán)境諧和制品的標(biāo)準(zhǔn)化(ECP)，大大推動(dòng)了國(guó)際綠色建材的發(fā)展。我國(guó)于20世紀(jì)九十年代開(kāi)始了綠色建材的研究和宣傳，并開(kāi)始制定相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)。1999年召開(kāi)了首屆全國(guó)綠色建材發(fā)展于應(yīng)用研討會(huì)，有力促進(jìn)了我國(guó)綠色建材的發(fā)展。2005年10月建設(shè)部、科技部印發(fā)綠色建筑技術(shù)導(dǎo)則、我國(guó)〈綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)〉GB/T 50378—2006要求：在建筑的全壽命周期內(nèi)，最大限度地節(jié)約資源(節(jié)能、節(jié)地、節(jié)水、節(jié)材)、保護(hù)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(lái)建材工業(yè)循環(huán)再生、協(xié)調(diào)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(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

綠色建材的至今沒(méi)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(diào)的建筑材料。1992年國(guó)際學(xué)術(shù)界給綠色建材定義為：在原料采取、產(chǎn)品制造、應(yīng)用過(guò)程和使用以后的再生循環(huán)利用等環(huán)節(jié)中對(duì)地球環(huán)境負(fù)荷最小和對(duì)人類身體健康無(wú)害的建筑材料。

不論對(duì)于綠色建材怎樣定義，其一般都公認(rèn)有如下基本特征：

1、在生產(chǎn)過(guò)程中，以高新技術(shù)為基礎(chǔ)，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(chǎn)生過(guò)量的有毒有害物質(zhì)或廢料。不得使用甲醛、鹵化物或芳香族碳?xì)浠衔?，產(chǎn)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(shuō)是這個(gè)方面的一個(gè)例子。

2、采用低能耗的制造工藝和不污染環(huán)境的生產(chǎn)技術(shù)。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(chǎn)品配制和生產(chǎn)過(guò)程中，不得使用甲醇、鹵化物溶劑或芳香族碳?xì)浠衔铮a(chǎn)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(chǎn)品不僅不能損害人體健康，而應(yīng)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(chǎn)品可循環(huán)或回收利用，不產(chǎn)生二次污染物。例如木結(jié)構(gòu)建筑，低污染、可循環(huán)、環(huán)境友善。

綠色建材常見(jiàn)的分類有：

1.基本型。滿足使用性能要求和對(duì)人體無(wú)害的材料，這是建材的最基本的要求。在其生產(chǎn)及配制程中不得超標(biāo)使用對(duì)人體有害的化學(xué)物質(zhì)，產(chǎn)品中也不能含有過(guò)量的有害物質(zhì)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(shù)和新設(shè)備，產(chǎn)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(guò)程中利用新工藝新技術(shù)，大量使用尾礦廢渣污泥垃圾等廢棄物以達(dá)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(chǎn)陶質(zhì)綠色建材等，產(chǎn)品可循環(huán)或回收利用率達(dá)90%以上，真正做到變廢為寶，降低了對(duì)環(huán)境的污染。

4.健康型。產(chǎn)品的設(shè)計(jì)是以改善生活環(huán)境提高生活質(zhì)量為宗旨，產(chǎn)品為對(duì)人體健康有利的非接觸性物質(zhì)，具有抗菌防霉除臭隔熱調(diào)溫調(diào)濕消磁防射線抗靜電產(chǎn)生負(fù)離子等功能。

對(duì)于綠色材料的評(píng)價(jià)并沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，一些國(guó)家采用LCA （Life-cycle assessment）法，即壽命全程評(píng)價(jià)法。LCA是指一個(gè)產(chǎn)品從原料取得階段開(kāi)始到最終廢棄物處理的全過(guò)程中對(duì)社會(huì)和環(huán)境影響的評(píng)價(jià)方法，將整個(gè)過(guò)程換算成C 或CO2的量進(jìn)行計(jì)算，以開(kāi)發(fā)利用環(huán)境負(fù)荷為最小的產(chǎn)品為目的。日本于1992 年環(huán)境廳組織研究環(huán)境負(fù)荷評(píng)價(jià)法之后，1992 年和1993 年先后成立了日本LCA 研究會(huì)，Ecomaterial 研究會(huì)。

因環(huán)境評(píng)價(jià)的需要發(fā)展起來(lái)的LCA 法已發(fā)展到制定國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的階段，并進(jìn)一步研究評(píng)價(jià)與材料設(shè)計(jì)密切結(jié)合的能夠指導(dǎo)綠色建材的設(shè)計(jì)。

三   常見(jiàn)的綠色建材在土木工程中的應(yīng)用

       本文按照土木工程材料功能分類，從結(jié)構(gòu)材料和功能材料兩方面來(lái)介紹綠色建材在其領(lǐng)域的應(yīng)用。

1．  結(jié)構(gòu)材料

傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)用建筑材料有木材、石材、粘土磚、鋼材和混凝土，現(xiàn)代結(jié)構(gòu)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(jīng)加工或通過(guò)簡(jiǎn)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(zhǎng)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(chǎn)能耗低，重復(fù)利用率高，可以說(shuō)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(yīng)用較多的一種綠色建材是竹材人造板。我國(guó)是森林資源貧乏的國(guó)家,但我國(guó)的竹類資源十分豐富,素有“竹子王國(guó)”的美譽(yù)，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(jīng)過(guò)一系列的機(jī)械和化學(xué)加工,在一定的溫度和壓力下,借助膠粘劑或竹材自身的結(jié)合力的作用,膠合而成的板狀材料，具有強(qiáng)度高、硬度大、韌性好、耐磨等優(yōu)點(diǎn),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(fù)合法可分竹木復(fù)合膠合板、竹木復(fù)合層積材、竹木復(fù)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(zhì)高強(qiáng)。4. 導(dǎo)熱系數(shù)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(xué)性能于其他材料的比較見(jiàn)下表

表1 　竹材人造板力學(xué)性能比較

名稱

力學(xué)性能

竹膠合板

40 ×250 (mm2)

竹膠合板

50 ×250 (mm2)

常用樹(shù)種木材

C25混凝土

靜彎曲強(qiáng)度(MPa)

95

81

13~17

11.9

彈性模量(MPa)

14700

21900

10000

28000

由于竹結(jié)構(gòu)具有如上所述的眾多優(yōu)點(diǎn), 綠色建材——竹材人造板在土木工程領(lǐng)域的應(yīng)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(jià)且是不可恢復(fù)的，可以說(shuō)是最不綠色的建筑材料。20世紀(jì)90年代開(kāi)始限制使用粘土磚到如今粘土磚已禁止生產(chǎn)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(guó)近年工業(yè)廢渣年排放量近10億噸，累計(jì)總量已達(dá)66 億噸，利用率卻僅有40%．而實(shí)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(hù)環(huán)境。如利用粉煤灰可生產(chǎn)粉煤灰燒結(jié)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(chǎn)燒實(shí)心磚和空心磚，采用蒸壓養(yǎng)護(hù)又可生產(chǎn)煤矸石磚、煤矸石空心砌塊，采用煤矸石作為骨料還可生產(chǎn)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(chǎn)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(guò)采用不同的生產(chǎn)工藝，與其他材料相混合，可生產(chǎn)燒結(jié)磚、蒸壓磚、加氣混凝土、內(nèi)外墻板等。

       由于工業(yè)廢渣來(lái)源豐富，其力學(xué)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(yīng)用前景。

3）.鋼材，表2為幾種建筑材料生產(chǎn)過(guò)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(chǎn)過(guò)程中的環(huán)境性能比較

材料種類

強(qiáng)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(chǎn)過(guò)程中如何提高鋼材的綠色指標(biāo)上下功夫，研究發(fā)展新技術(shù)、新生產(chǎn)工藝，努力降低生產(chǎn)能耗，減少污染物排放，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的廢棄物資源化，加快鋼材的綠色化進(jìn)程。

4）.混凝土，由水泥和集料組成，是復(fù)合材料，它的生產(chǎn)能耗主要是由水泥生產(chǎn)造成的。而傳統(tǒng)的水泥生產(chǎn)需要消耗大量的資源與能量，并且對(duì)環(huán)境的污染較大，所以水泥生產(chǎn)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(chǎn)工藝主要采用新型干法生產(chǎn)工藝取代落后的立窯等工藝。

       現(xiàn)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(hù)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(yīng)用較為廣泛的是多孔混凝土。

多孔混凝土也稱為無(wú)砂混凝土，它只有粗骨料，沒(méi)有細(xì)骨料，直接用水泥作為黏結(jié)劑連接粗骨料，它具有連續(xù)空隙結(jié)構(gòu)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(fù)荷。多孔混凝土按其氣孔結(jié)構(gòu)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(zhì)，由于孔隙引入大量空氣(孔隙率達(dá)70 %～80 %) ,大大降低了材料密度。2.保溫隔熱，多孔混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)明顯低于傳統(tǒng)建筑材料，其于普通混凝土導(dǎo)熱系數(shù)比較見(jiàn)表3。3.耐火隔音，多孔混凝土是一種極好的吸音材料,與實(shí)心磚墻相比,吸音能力大約是實(shí)心磚墻的5～10 倍。4.多孔混凝土具有很好的耐久性，其長(zhǎng)期強(qiáng)度穩(wěn)定。

表3 　傳統(tǒng)建筑材料與多孔混凝土性能對(duì)照表

種類

密度(kg/m3)

導(dǎo)熱系數(shù)(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?，粉煤灰泡沫混凝土，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(guó)內(nèi)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(gè)規(guī)模宏大的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)群，有著十分廣闊的市場(chǎng)前景和極為重要的戰(zhàn)略意義。世界各國(guó)均十分重視功能材料的研發(fā)與應(yīng)用，它已成為世界各國(guó)新材料研究發(fā)展的熱點(diǎn)和重點(diǎn)，也是世界各國(guó)高技術(shù)發(fā)展中戰(zhàn)略競(jìng)爭(zhēng)的熱點(diǎn)。在全球新材料研究領(lǐng)域中，功能材料約占 85 % 。我國(guó)高技術(shù)（863）計(jì)劃、國(guó)家重大基礎(chǔ)研究（973）計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目中均安排了許多功能材料技術(shù)項(xiàng)目（約占新材料領(lǐng)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(xiàn)，主要包括儲(chǔ)氫材料、梯度功能材料、智能材料、功能陶瓷材料、超導(dǎo)材料、信息材料、光學(xué)功能材料、功能復(fù)合材料、分離材料、生物醫(yī)用等。

綠色功能材料主要體現(xiàn)在一下三個(gè)方面：

1).節(jié)能功能材料。如各類新型保溫隔熱材料，常見(jiàn)的產(chǎn)品主要有聚苯乙烯復(fù)合板、聚氨酯復(fù)合板、巖棉復(fù)合板、鋼絲網(wǎng)架聚苯乙烯保溫墻板等，，這些產(chǎn)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(yáng)能熱反射玻璃等。

2).充分利用天然能源的功能材料，將太陽(yáng)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(gòu)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(yáng)能光電屋頂、太陽(yáng)能電力墻、太陽(yáng)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(fù)離子內(nèi)墻涂料）、調(diào)溫內(nèi)墻材料、調(diào)濕內(nèi)墻材料、調(diào)光材料、電磁屏蔽材料等。

四  綠色建材市場(chǎng)存在的問(wèn)題

    隨著綠色建材應(yīng)用的不斷普及，綠色建材市場(chǎng)暴露出的問(wèn)題也日益明顯。這些問(wèn)題主要表現(xiàn)在以下四個(gè)方面：

1．無(wú)材不“綠”。由于國(guó)家和普通消費(fèi)者對(duì)綠色建材越來(lái)越重視，許多建材廠商為了博取消費(fèi)者的青睞，競(jìng)相打起了“綠色”，“健康”，“環(huán)保”建材的旗號(hào)，使得建材市場(chǎng)一片“綠色”。

2．綠色建材認(rèn)證和檢測(cè)過(guò)程存在漏洞。，雖然建材市場(chǎng)綠色建材產(chǎn)品很多，但大多魚(yú)龍混雜，真正經(jīng)得起檢驗(yàn)的綠色建材并不算太多，據(jù)了解，市場(chǎng)上將近70% 以上的建材無(wú)產(chǎn)品檢驗(yàn)報(bào)告，而且大多是委托檢測(cè)報(bào)告，缺少正規(guī)檢測(cè)機(jī)構(gòu)的檢測(cè)。其次是認(rèn)證不規(guī)范，目前國(guó)家在綠色建材認(rèn)證和管理方面的相關(guān)法律還不完善是造成這一現(xiàn)象的主要原因。

3．存在認(rèn)識(shí)的誤區(qū)。許多人把綠色建材和新型建材等同起來(lái)，綠色建材不等于新型建材。新型建材是相對(duì)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(hù)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(duì)建材進(jìn)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(diào)合作，沒(méi)有統(tǒng)一的規(guī)劃，缺乏約束力。

    針對(duì)以上四個(gè)方面的問(wèn)題，為營(yíng)造良好的綠色建材市場(chǎng)環(huán)境，應(yīng)著力解決從法律和政策上嚴(yán)格規(guī)范綠色建材的生產(chǎn)，認(rèn)證，檢測(cè)，銷售和使用的各個(gè)環(huán)節(jié)。加強(qiáng)信息宣傳，普及綠色建材基本知識(shí)等。綠色建材是實(shí)現(xiàn)建筑材料可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵，因此，營(yíng)造良好的綠色建材市場(chǎng)環(huán)境，促進(jìn)綠色建材產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展迫在眉睫。

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