生態建筑材料

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(大連理工大學 建設工程學部，遼寧 大連 116024)

引言

材料是社會進步的物質基礎，推動了社會的進步，創造了巨大的社會財富。但從資源、能源和環境的角度看，材料的開采、加工、使用和廢棄的過程是一個不斷破壞人類賴以生存的環境的過程[1]。大量的統計數據表明，我國單位產品的資源消耗和能耗比發達國家要高很多倍。這反映出我國在材料的生產過程中有大量的原材料變成了廢品，不僅浪費了資源、能源，而且造成了環境污染。

建筑材料是建筑業的物質基礎，在國民經濟的發展中占有很大比重。在材料領域，建筑材料所占的比重最大，而且能耗高、產生的垃圾量大[2-4]。建筑材料的生產及使用與人們的生活和工作息息相關，人們容易受到建筑材料的影響和危害。使用不合格的建筑材料造成的災難事故，有害物質含量超標的室內裝修材料對人體造成的危害令人觸目驚心[5]。雖然我國的傳統建材如水泥、陶瓷、玻璃、鋼材的總產量均位居世界第一位[1]，但我國建材行業走的是一條高污染、高能耗和高資源消耗的路子。要保持建材行業的可持續發展，滿足人們對生活環境和生活質量的要求，必須走生態建材之路。

1 生態建筑材料

生態建筑材料不是單純的建材品種，而是對建材所具有的“健康、環保、安全”等屬性的評價[6]。

1.1 生態建筑材料的概念

生態建筑材料也稱綠色建筑材料、環保建筑材料，是指在原材料的獲取、材料的制備、材料的使用和材料的廢棄再利用等過程中，對環境產生的負荷最小且對人的健康有益的材料。

1.2 生態建筑材料的特點

生態建筑材料的概念來自于生態環境材料，所以其特征主要表現在：首先是節約資源和能源；其次是環境污染小，避免溫室效應和破壞臭氧層；再次是容易回收和循環再利用。與傳統的建筑材料相比，生態建筑材料具有以下幾個顯著的特點：

(1)原材料的選取盡可能少用天然材料，多用廢棄物。

(2)采用先進的生產工藝，減少材料生產過程中的能源消耗和污染。

(3)在材料生產過程中不添加對人體和環境有害的物質。

(4)材料的設計是以提高人的生活質量和改善環境為目的。

(5)副產品容易回收和循環利用，環境負荷小。

黨的十九大報告指出，要完善職業教育和培訓體系，深化產教融合、校企合作；要建設知識型、技能型、創新型勞動者大軍，弘揚勞模精神和工匠精神，營造勞動光榮的社會風尚和精益求精的敬業風氣。這為職業教育發展指明了方向，規劃了前景。職業教育站在新起點，要擔當新使命，把握新要求，實現新作為。

(6)具有地方特色，降低運輸能耗。

(7)包裝材料盡量少。

1.3 生態建筑材料的分類

不同的研究者對生態建筑材料的分類不同。有研究者認為可分為：天然建材、循環再生建材、低環境負荷建材和環境功能性建材[7-8]；也有研究者認為在此基礎上還應加上利用可再生能源的復合型建材[9]；還有一些研究者認為根據生態建材的性能分為：節能型、利廢環保型、安全舒適型、保健型和特殊環境型[10]。

2 無機生態建筑材料

2.1 生態水泥

水泥是一種重要的建筑材料，當今社會的發展離不開水泥，從工業與民用建筑、公路、鐵路到架橋等，這些建筑設施極大地改善了人們的生活。但是水泥行業也給資源、能源以及環境帶來了很多負面的影響。每生產1 t水泥要消耗大約2 t的石灰石，0.4 t的標準煤，同時排放約1 t的CO2，還有含NOx和SO2的粉塵和煙塵[11]。我國的水泥產量在2013年上半年已高達10.96億t[12]。據此計算，水泥行業消耗了大量的資源和能源，排放了大量的有害物質，對人類的健康造成了威脅，也帶來了巨大的環境負擔。但同時我們也應該看到，水泥生產時的高溫環境可以安全有效地處理垃圾，且水泥行業可以消耗大量的工業廢料，如粉煤灰、礦粉、硅粉、煤矸石、鋼渣等?？梢娝嘈袠I挑戰與機遇共存，發展生態水泥是水泥行業的正確方向。

生態水泥是指利用固體廢棄物及其焚燒物為原料，應用一定的工藝制成的無公害水泥。生態水泥的生產方式主要有兩種：一是提高原材料的利用程度；二是應用科學的方法尋找新的水泥生產原料[11，13]。

2.1.1 高貝利特水泥

高貝利特水泥屬于硅酸鹽水泥系列，其生產工藝和原材料與硅酸鹽水泥大致相同[14]。硅酸鹽水泥熟料煅燒過程中的熱耗主要包括兩個方面：一是碳酸鈣的分解；二是高溫礦物的生成，主要是阿利特的生成。傳統硅酸鹽水泥熟料的燒成溫度一般為1 450 ℃，其中貝利特的含量為20%～30%；而高貝利特水泥熟料中的貝利特含量為50%～55%，貝利特的燒成溫度為1 200～1 250 ℃，所以生產高貝利特水泥可以節約大量的燃料，降低CO2、SO2以及NOx的排放。另外，高貝利特水泥原料中鈣質原料的含量較低，可減少石灰石的用量，也可選用品質較低的石灰石。

2.1.2 少熟料和無熟料水泥

少熟料和無熟料水泥是指在水泥中少使用或不使用硅酸鹽水泥熟料的一類水泥。我國每年產生大量的工業廢渣，如粉煤灰、礦渣、火山灰、硅灰、鋼渣、煤矸石以及石灰石粉等。經過國內外學者的研究，采用混合材取代部分水泥熟料已經有了較完善的技術標準。在歐洲，摻混合材的水泥占水泥總產量的一半以上[14]。在我國，摻混合材的水泥的應用也十分廣泛。摻混合材不僅節約了能源，使廢渣得到了二次利用，而且在某些方面可以改善水泥的性能。

少熟料水泥中的混合材通常需要在水泥水化產生的Ca(OH)2的作用下進行二次水化反應，無熟料水泥通常需要添加堿組分來激發水化反應。無熟料水泥方面研究比較多的有堿礦渣水泥、石膏礦渣水泥、鋼渣礦渣水泥以及砌筑水泥等。

2.1.3 低溫再生水泥

我國正大力發展基礎建設，這必然會導致建筑垃圾的大量產生，保守估計，我國每年廢棄的混凝土要達到近億噸[16]。國內外學者對廢棄混凝土利用途徑的研究主要集中在制備再生水泥和再生骨料。低溫再生水泥是從廢棄混凝土中分離出水泥石粉末，在650～700 ℃下煅燒所得到的水泥。再生水泥降低了水泥行業的能耗，而且高效地利用了廢棄混凝土。胡曙光等[16-17]研究發現不同溫度下煅燒得到的膠凝材料對水泥水化的影響不同，其中在650 ℃下煅燒得到的膠凝材料可以加快水泥的水化和改善水泥的凝結硬化性能。

2.2 生態陶瓷

2.2.1 抗菌陶瓷

微生物可以降解有機物，但是微生物的存在也對人類的生存造成了威脅。1996年，在日本全國范圍內爆發的病原性大腸桿菌感染事件，2003年我國發生的非典和近年來的禽流感，這些事件的發生使得抗菌材料越來越受到人們的重視?？咕沾墒翘沾僧a品在原有的基礎上添加了抗菌新功能的陶瓷材料[18]?？咕沾筛鶕咕鷦┑姆N類可以分為3種：金屬離子摻雜型抗菌陶瓷、光催化型抗菌陶瓷和其他抗菌陶瓷?？咕沾傻纳a方法有兩種：一種是在干燥胚體的表面添加抗菌劑；另一種是在陶瓷所施加的釉中添加抗菌劑。金屬離子抗菌劑主要是Ag+和Cu2+，其作用機理是這些金屬離子可以固結生物體中的蛋白質。我國有很多學者對TiO2光催化抗菌陶瓷進行了研究[19-22]，TiO2是一種典型的半導體氧化物，光照射使TiO2表面產生空穴，這種空穴與表面吸附水或OH-發生反應生成·OH?！H可以氧化大部分的有機物和部分無機物，生成對環境無害的CO2和H2O。其他抗菌陶瓷主要是通過多種抗菌劑復合使用，產生良好的抗菌效果。胡海泉等[23]研究了光觸媒系和銀系的復合抗菌陶瓷，發現其在黑暗中24 h內的殺菌率為100%。

2.2.2 陶瓷透水磚

在城市化進程中，水泥混凝土和瀝青路面越來越多，這些路面由于透水性差帶來了很多問題，如雨天排水不及時易引發事故、雨水進入地下水的渠道受阻使得地下水水位下降。陶瓷透水磚是以工業廢料、建筑垃圾及生活垃圾為原料，經過粉碎、壓制成型、低溫燒成等工序制得的具有一定的透水功能的建筑材料[24]，將其應用于城市路面不僅可以緩解城市排水系統的壓力，而且可以吸收車輛噪聲[25]。呂淑珍等[26]以螢石尾礦和珍珠巖廢礦粉為原料制得陶瓷透水磚，該產品完全達到了透水磚的技術指標。殷海榮等[27]利用陶瓷廢料、黏土、廢玻璃為原料制得陶瓷透水磚，其透水速度可達0.10 cm/s，磚的強度可達12.1 MPa。

2.3 生態玻璃

2.3.1 自潔玻璃

自潔玻璃是指表面具有納米級光催化劑TiO2薄膜，在光照作用下能自發地分解表面大部分有機污染物和部分無機污染物的玻璃[28]。自潔玻璃表面具有超親水性、親油性和光催化性。在陽光作用下，TiO2半導體以其特有的強氧化性使污染物分解成相應的無害物質，不會污染環境[29-30]。劉欣等[31]研究了用礬離子縮短Activ玻璃表面的TiO2薄膜的親水性光致時間，發現礬離子注入能量為90 keV、摻雜濃度為6×106ions/cm2時玻璃的光致親水性最佳。王承遇等[32]采用溶膠-凝膠法離心鍍膜工藝在玻璃表面制備ZnFeO4-TiO2復合膜，試驗結果表明，在同樣的日照條件下，ZnFeO4-TiO2復合膜自潔玻璃的光催化效率比TiO2膜自潔玻璃高出4倍以上。

2.3.2 泡沫玻璃

泡沫玻璃是一種以廢玻璃或其他各種富含玻璃相的物質為主要原料，經過粉碎磨細、添加發泡劑等材料，均勻混合形成配合料，再將其放置在特定模具中，經熔融、發泡、退火等工藝加工而成的氣孔占體積80%～90%的隔熱、隔聲材料[33]。與其他無機隔熱材料相比，泡沫玻璃具有導熱系數小、不燃、不吸水、可鋸可釘、強度高等優點。很多學者對泡沫玻璃這種生態材料進行了研究，方榮利等[34]利用粉煤灰研制泡沫玻璃，通過試驗得到了各原料的配合比，制得的泡沫玻璃質輕、高強、保溫性能好，為粉煤灰的利用開辟了新途徑；涂欣等[35]以廢玻璃、脫鎂硼泥為主要原料，探索了制作泡沫玻璃的最優配合比，并對發泡劑、助溶劑等添加劑的摻量進行了優化，在優化條件下可制得氣孔分布均勻的泡沫玻璃。

3 結語

我國人口眾多，人均資源嚴重不足，可持續發展已經成為社會發展的方向，發展生態建筑材料得到了廣大建材研究人員的認可。發達國家在生態建筑和生態材料方面的研究比我國起步早，有很多經驗值得我們學習。我們可以避免發達國家在生態建筑材料研究方面走過的彎路，減少資源浪費和環境污染。另外，不同國家生態建筑材料的標準不同，我們應根據中國國情及資源特點發展中國特色的生態建筑材料。

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