生態(tài)建筑材料研究開發(fā)新技術(shù)評述

劉國志

中鐵十五局集團(tuán)有限公司沙特分公司（471013）

生態(tài)建筑材料指健康型、環(huán)保型、安全型的建筑材料。其具有良好的使用性能，對資源和能源消耗少，對生態(tài)環(huán)境污染小，可再生資源利用率高，在設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、使用到再生循環(huán)利用的生命周期全過程中與生態(tài)環(huán)境相協(xié)調(diào)。此類材料具有如下特點(diǎn)∶1）先進(jìn)性，即能為人類開拓更廣闊的活動范圍。2）環(huán)境協(xié)調(diào)性，即能使人類的活動范圍同外部環(huán)境盡可能協(xié)調(diào)。3）舒適性，即能使人類生活更繁榮、舒適[1]。生態(tài)建材主要包括天然建材、循環(huán)再生建材、低環(huán)境負(fù)荷建材和環(huán)境功能性建材等。

1 生態(tài)建材發(fā)展的基本原則[2]

生態(tài)建材要從材料的生產(chǎn)原料、生產(chǎn)過程、使用過程、使用工程和廢料處理5個主要環(huán)節(jié)綜合考慮它對生態(tài)平衡的利弊關(guān)系，除滿足建筑材料的基本實(shí)用性外，還要能夠維護(hù)人體健康、保護(hù)環(huán)境。其基本原則∶1）建立建筑材料生命周期(LCA)的理論和方法。2）以最低資源和能源消耗、最小環(huán)境污染的代價(jià)生產(chǎn)傳統(tǒng)建筑材料。3）發(fā)展大幅度減少建筑能耗的建材制品。4）開發(fā)具有高性能長壽命的建筑材料。5）發(fā)展具有改善居室生態(tài)環(huán)境和保健功能的建筑材料。6）開發(fā)工業(yè)廢棄物再生資源化技術(shù)。7）發(fā)展能治理工業(yè)污染、凈化修復(fù)環(huán)境或能擴(kuò)大人類生存空間的新型建筑材料。8）擴(kuò)大可用原料和燃料范圍。

2 國內(nèi)外生態(tài)建材研究開發(fā)新技術(shù)

自20世紀(jì)60年代，很多的建筑師就開始使用生態(tài)建材，尤其是歐美的一些發(fā)達(dá)國家，在生態(tài)材料的研制方面取得了顯著的成效。

2.1 天然建材

天然建材包括天然礦物、木材、土材、劍麻等。近年來木材在發(fā)達(dá)國家重新得到發(fā)展和應(yīng)用，特別是經(jīng)過特殊處理的膠合木，在保持了木材的傳統(tǒng)美觀和設(shè)計(jì)強(qiáng)度的同時(shí),還具有超強(qiáng)的耐火能力、絕緣性和尺寸穩(wěn)定性能，可制作大跨度的直線或拱形構(gòu)建，適用于建造各種不同類型的公共建筑，成為一種很有前途且利于環(huán)保的新型建材。在可持續(xù)發(fā)展要求之下木構(gòu)建筑再次顯示了它極其旺盛的生命力。歐洲一些具有先進(jìn)意識的建筑大師們已成功地探索了當(dāng)代木構(gòu)建筑的發(fā)展。而我國如能正確理解木構(gòu)建筑體系這種新發(fā)展、重新認(rèn)識木建構(gòu)文化傳統(tǒng)，將為我國的建筑文化發(fā)展提供十分有意義的新思想[3]。

2.2 循環(huán)再生建材

選擇使用能夠循環(huán)使用和再利用的建筑材料，是生態(tài)建筑設(shè)計(jì)的另一個考慮因素。實(shí)際上現(xiàn)在建筑材料的耐久性與以前相比已經(jīng)有了很大的提高，循環(huán)使用不會有安全上的隱患。如舊建筑的改造其實(shí)就屬于建筑材料的再利用，這一方面會保持歷史的延續(xù)性,另一方面又可以節(jié)省大量的能源消耗。建筑材料的循環(huán)利用則是針對那些無法再利用的材料經(jīng)過特殊的加工處理,可以用來生產(chǎn)建筑材料，進(jìn)行循環(huán)利用，這雖然也要消耗一定的能源，但是對于資源的節(jié)約使用,特別是稀缺資源的節(jié)約作用，總體來說利大于弊。同時(shí)，這對于減少建筑廢棄垃圾、減少對自然系統(tǒng)的破壞都有重要意義。2004年在上海建成的生態(tài)示范樓中就使用了一種名為“再生骨料混凝土”的材料，即可把煉礦廢渣、建筑垃圾制成骨料,其再生混凝土新料用量只有普通混凝土的1/3,但強(qiáng)度卻毫不遜色[4]。

2.3 低環(huán)境負(fù)荷建材

指在其壽命周期的整個過程中具有低的環(huán)境負(fù)荷值，即對環(huán)境的負(fù)面影響相對最小。傳統(tǒng)的建材產(chǎn)品的生產(chǎn)消耗大量的能源、資源，環(huán)境負(fù)荷非常嚴(yán)重。減少環(huán)境負(fù)荷和利用工業(yè)廢棄物生產(chǎn)高性能的建筑材料是生態(tài)建材的一個重要方面。具有代表性的新型材料有；節(jié)能、節(jié)資源、環(huán)保型水泥、低水泥耗量的高性能綠色混凝土以及利用工業(yè)廢棄物生產(chǎn)的高性能建筑材料等等，其優(yōu)點(diǎn)在于；有效地利用廢棄物為原料，降低燒成溫度，節(jié)約能源，同時(shí)也減少了CO2、SO2、粉塵等有毒物質(zhì)的排放量。

2.4 環(huán)境功能性建材

具有凈化、治理、修復(fù)環(huán)境，不形成二次污染，易于回收或再生等特性和功能。目前正在研究開發(fā)中或已取得階段性成果的這類材料主要有；光催化分解氮氧化物、除臭、殺菌的生態(tài)建材；抗菌、防霉的建筑衛(wèi)生陶瓷和涂料；具有紅外輻射保健功能的內(nèi)墻涂料；可調(diào)濕度的建筑內(nèi)墻板等。

1）節(jié)能調(diào)溫建材

在建筑物采用節(jié)能設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，建筑節(jié)能材料的應(yīng)用研究成為建筑節(jié)能的研究方向之一。調(diào)溫材料是利用相變材料在相變點(diǎn)附近低于相變點(diǎn)吸熱，高于相變點(diǎn)放熱的性質(zhì)，將能量儲存起來，達(dá)到節(jié)能調(diào)溫的目的。隔熱材料在建筑墻體中使用，使建筑物與外界減少能量交換，達(dá)到節(jié)能目的。

2）舒適功能建材[5]

調(diào)濕材料首先在日本發(fā)展和應(yīng)用起來。日本首先將調(diào)濕材料應(yīng)用于博物館、資料館、圖書館和書庫等大型建筑中，對文物保護(hù)起到了很好的效果。近年來，日本已將調(diào)濕材料應(yīng)用到民用住宅。我國從1990年開始調(diào)濕材料的研究，但至今沒有形成產(chǎn)品，中國建筑材料科學(xué)研究院現(xiàn)在從事調(diào)濕材料的開發(fā)研究。調(diào)濕材料主要有木纖維、天然吸濕性材料（如石膏）、天然多孔礦物材料（如硅藻土、蛭石、海泡石等）和其它非晶多孔材料等。

3）健康功能建材

室內(nèi)環(huán)境的污染主要包括微生物污染、有害化學(xué)氣體污染和物理污染。根據(jù)不同的污染物，利用不同機(jī)理來凈化室內(nèi)環(huán)境是室內(nèi)環(huán)境健康材料所必須的。

4）抗菌建材-抑制微生物污染[6]

抗菌材料首先在日本發(fā)展起來,在我國2003年的SARS流行告訴人們發(fā)展抗菌材料的重要性。中國建筑材料科學(xué)研究院是國內(nèi)較早開始抗菌材料研究單位之一，其在抗菌建材方面的工作也反映了抗菌材料和抗菌建材在我國的發(fā)展過程。國內(nèi)，目前抗菌材料已經(jīng)制訂和正在制訂的標(biāo)準(zhǔn)共有4個，《抗菌塑料標(biāo)準(zhǔn)》于2003年10月開始實(shí)行,《抗菌劑標(biāo)準(zhǔn)》正在由抗菌協(xié)會制訂過程中。抗菌建材中的抗菌劑主要為無機(jī)抗菌劑,主要包括離子型抗菌劑、金屬鹽抗菌劑和納米半導(dǎo)體催化材料。金屬鹽抗菌劑主要應(yīng)用于抗菌陶瓷、納米半導(dǎo)體催化材料和金屬離子抗菌劑主要用于涂料和其它日用品。

5）空氣凈化功能建材-減少室內(nèi)空氣的化學(xué)污染[7]

凈化空氣材料主要包括吸附材料和納米半導(dǎo)體光催化材料。除了由于建筑材料、裝飾裝修材料和吸煙以及家用洗滌劑、殺蟲劑帶來的污染外,人體的排泄和分泌物也是影響室內(nèi)空氣質(zhì)量的一個重要因素。室內(nèi)空氣的污染以有機(jī)氣體為主。所以，氧化分解和吸附分解是治理室內(nèi)空氣污染的主要機(jī)理。利用TiO2的光催化作用除臭、抗菌、凈化空氣，是凈化室內(nèi)空氣污染，改善環(huán)境質(zhì)量的主要科技方法?？萍冀绮粩鄬{米TiO2進(jìn)行改性研究，使吸收光向長波方向移動，量子效率增加，太陽能利用率增加。由于純催化材料產(chǎn)生的羥基自由基對有機(jī)高分子材料的氧化分解作用，影響了其在涂料等有機(jī)材料中的應(yīng)用，但隨著科技的進(jìn)步，許多TiO2的復(fù)合材料相繼出現(xiàn)，如用無機(jī)材料包覆TiO2，用其它的無機(jī)礦物材料擔(dān)載TiO2的研究都取得了較好的效果，并開始應(yīng)用于建材。

6）防噪音、防射線建材—減弱物理污染

住宅中采用隔音材料，對維護(hù)人的身心健康具有重要意義。采用多孔材料和壓電熱電材料，能夠吸收聲波能量減小噪音，吸收電磁輻射減小電磁污染的作用。

7）產(chǎn)生負(fù)離子功能建材（森林功能建材）—提升室內(nèi)空氣質(zhì)量

細(xì)菌、原生物、高標(biāo)植物、昆蟲、動物和人對空氣離子都有反應(yīng)。例如，無論正離子還是負(fù)離子都能抑制固體界面上的細(xì)菌和霉菌的生長，對懸浮在小水滴中的細(xì)菌產(chǎn)生致命的影響，減少空氣氣溶膠中細(xì)菌的數(shù)量。空氣負(fù)離子可以促進(jìn)人體心臟細(xì)胞的繁殖，而正離子則減緩其繁殖。影響室內(nèi)空氣負(fù)離子濃度的因素包括人員密度、污染物濃度、家用電器裝飾材料的使用等。一些建筑材料，特別是涂料具有誘發(fā)空氣產(chǎn)生負(fù)離子，改善室內(nèi)空氣質(zhì)量的功能。

2.5 利用可再生能源的復(fù)合型材料

1）TIM[8]

20世紀(jì)90年代出現(xiàn)了一種透明絕熱材料，簡稱TIM。可將TIM與外墻復(fù)合成透明隔熱墻，簡稱TIW。TIW由保護(hù)玻璃、遮陽卷簾、TIM層、空氣間層、吸熱面層和結(jié)構(gòu)墻體組成。不僅可以得到太陽輻射熱，還可以得到TIM的反射能。TIM層在黑色吸熱面外側(cè)，在冬季可阻止吸熱面向室外散熱，在夏季可避免室外過多的熱量進(jìn)入室內(nèi)。玻璃內(nèi)的遮陽卷簾（卷簾外表面為高反射面）可調(diào)節(jié)抵達(dá)墻面的太陽輻射量。

2）玻璃材料

在這一領(lǐng)域陸續(xù)出現(xiàn)了吸熱玻璃、熱反射玻璃、低輻射玻璃、電敏感玻璃、調(diào)光玻璃、電磁波屏蔽玻璃等?？蓪⑺鼈兘M合成復(fù)合的構(gòu)造形式來達(dá)到生態(tài)建筑的保溫和采光要求。

3）太陽能光電材料[9]

太陽能電池可與建筑材料和構(gòu)件融為一體，形成一種嶄新的建筑材料，如太陽能光電屋頂、太陽能電力墻及太陽光電玻璃?？梢垣@取更多的陽光產(chǎn)生更多的能量；不會影響建筑的整體美觀；集多個功能于一身，如裝飾、保溫、發(fā)電、采光等等。

3 結(jié)語

發(fā)展生態(tài)建材不僅可以解決傳統(tǒng)建材的環(huán)境、資源問題,還能為社會的可持續(xù)發(fā)展作出貢獻(xiàn)，也是提高我國建材科技水平、促進(jìn)建材行業(yè)技術(shù)進(jìn)步、實(shí)現(xiàn)我國建材工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的根本途徑。當(dāng)前生態(tài)建材發(fā)展的趨勢為∶多功能化、復(fù)合化、傳統(tǒng)建材與環(huán)境功能建材一體化。單一建材的特性和功能往往難以滿足生態(tài)建筑對建材綜合性能的要求，材料復(fù)合化技術(shù)可以通過加和效應(yīng)、光催化效應(yīng)和耦合乘積效應(yīng)，開發(fā)出傳統(tǒng)的建材并不存在的新功能。

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