資源枯竭與新型建筑材料的開發(fā)

郝 建 民

(太原建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)督站，山西 太原 030009)

資源枯竭與新型建筑材料的開發(fā)

郝 建 民

(太原建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)督站，山西 太原 030009)

為了實(shí)現(xiàn)建筑材料節(jié)能、節(jié)土、利廢和環(huán)保的發(fā)展目標(biāo)，提出了開發(fā)應(yīng)用先進(jìn)實(shí)用技術(shù)和高新技術(shù)，對混凝土和墻體材料等產(chǎn)品生產(chǎn)原材料及生產(chǎn)工藝進(jìn)行了改造和升級，促使建筑材料工業(yè)的生產(chǎn)能耗降低。

海砂，再生骨料，輕質(zhì)砌塊，墻體材料，泡沫磚

地球上的資源是有限的，許多資源是不可再生的。盡管人類已經(jīng)把目光投向宇宙，試圖在地球以外的空間尋求到新的資源和能源，但是短時間內(nèi)沒有太大希望。建筑材料的生產(chǎn)和使用量大，消耗資源多，因此土木建筑工程基本上是人類破壞大自然的罪魁禍?zhǔn)?。例如，每年全世界混凝土的生產(chǎn)和使用量約為90億t，為此就要開采大量的礦山進(jìn)行混凝土的生產(chǎn)。我國實(shí)心黏土磚的產(chǎn)量大約是每年5 300億塊，因此要挖掘10億畝～15億畝耕地來獲得黏土磚的原材料，其中還不包括磚窯、成品等所占用的土地。因此，人類應(yīng)開發(fā)出新的建筑材料來替代破壞河山所產(chǎn)生的建筑材料，選擇一種新型建筑材料既能提高混凝土的耐久性又能改善混凝土的各種性能，并且對環(huán)境的破壞達(dá)到最小。

1 混凝土粗細(xì)骨料

早在150多年前，混凝土的問世讓人們看到混凝土的原材料容易得到并且原材料價格低廉，深受人們的青睞。但是大量的開采自然資源不僅使地球表面千瘡百孔，并且生產(chǎn)水泥和石子所帶來的環(huán)境污染和生態(tài)破壞等問題也越來越嚴(yán)重。當(dāng)前，大量的山川被采平，骨料生產(chǎn)已經(jīng)出現(xiàn)危機(jī)，尋找新的資源成為目前的當(dāng)務(wù)之急。

1.1 利用海砂的可能性

因?yàn)楹Ｉ暗馁Y源很豐富，用海砂取代石砂和河砂作為混凝土中細(xì)骨料是解決資源緊缺的有效途徑。由于海砂中含有大量的氯離子和大量的鹽分，嚴(yán)重影響混凝土的耐久性，并且這些鹽分和氯離子的存在會對混凝土中的鋼筋造成腐蝕。海砂中還含有貝殼類動物的尸體和其他雜質(zhì)，因此選擇海砂還應(yīng)經(jīng)過一定處理方可使用。目前一些國家使用海砂，都是經(jīng)過清水清洗篩分之后再使用。當(dāng)使用散水自然清洗法時，大約清洗1 m3海砂需要0.2 m3的淡水；當(dāng)使用機(jī)械清洗法時，大約清洗1 m3海砂需要1.5 m3的淡水。從中可見使用散水自然清洗法較機(jī)械清洗法省水，但是沒有機(jī)械清洗法效果好[1]。還有一種方法就是自然置放法，這種方法較為經(jīng)濟(jì)并且節(jié)省資源和能源，它的原理就是通過晾曬和通風(fēng)使海砂表面的氯離子和鹽分結(jié)晶最后篩余得到可以使用的工程用砂，但是這種方法需要大面積的場地并且置放時間長達(dá)2個月之久，難以滿足施工速度的要求。日本是一個資源和能源都嚴(yán)重緊缺的國家，因此在海砂的利用方面日本已經(jīng)達(dá)到了工業(yè)化生產(chǎn)水平，1995年時日本的海砂年產(chǎn)量已經(jīng)高達(dá)5 000萬t以上，這與日本河砂資源嚴(yán)重缺乏、島國的自然地理位置有很大關(guān)系。

1.2 再生骨料

使用廢棄混凝土破碎篩分后得到的骨料作為混凝土中的骨料使用在我國已經(jīng)有了一段時間的發(fā)展，目前再生骨料使用最多的是再生粗骨料，由于再生細(xì)骨料吸水率較高導(dǎo)致混凝土的水灰比較大，大幅度的降低混凝土的強(qiáng)度，因此一般建筑領(lǐng)域很少使用再生細(xì)骨料作為混凝土的原材料使用。再生粗骨料由于還具有較高強(qiáng)度因此被普遍使用，但是由于再生粗骨料強(qiáng)度的離散性和不確定性，工程實(shí)際中很少使用100%的再生粗骨料替代天然粗骨料，一般都是替代30%的天然粗骨料使用，選擇這種取代率的原因之一是當(dāng)再生粗骨料的取代率為30%時，混凝土的各種強(qiáng)度下降最少，和0%的取代率的混凝土強(qiáng)度基本持平。目前再生粗骨料具體使用于道路上作為路基路面等的實(shí)際工程中[2]。

1.3 人造骨料

人造骨料一般是使用工業(yè)廢渣和下水道污泥作為原材料，加入高爐礦渣、電爐氧化礦渣等按照一定比例拌合均勻后煅燒而成[3]。煅燒過后的熔融物質(zhì)經(jīng)過急速冷卻后會形成玻璃體結(jié)構(gòu)，質(zhì)地堅(jiān)硬，可以作為混凝土中的粗骨料使用。這些人造骨料不僅強(qiáng)度高而且質(zhì)地較輕，可以作為輕骨料使用，很大幅度降低了混凝土的自重。

2 新型墻體材料

黏土磚是幾千年來我國和歐洲等國傳統(tǒng)的墻體材料。黏土磚性能穩(wěn)定，耐久性好，兼承重、裝飾和保溫于一體，并且已經(jīng)形成了成熟的結(jié)構(gòu)體系和施工方法。但是由于地球表面耕地面積日益減少，黏土磚的生產(chǎn)和使用開始受到限制。歐洲各國近年來已經(jīng)逐步用空心磚取代了90%以上的實(shí)心磚的使用。從1997年開始，我國部分地區(qū)已經(jīng)明確規(guī)定不允許再使用實(shí)心黏土磚。因此，開發(fā)可取代黏土磚的新型墻體材料勢在必行。目前國內(nèi)外的研究成果和正在開發(fā)的新型墻體材料主要有以下幾種。

2.1 新型墻體材料

1)黏土空心磚。黏土空心磚的原材料仍然采用黏土，但是做成中空形狀，能減少黏土磚的使用量，節(jié)省燒結(jié)所用燃料，同時減輕墻體自重，改善墻體保溫性能和隔音性能?？招酿ね链u分為豎孔空心磚和水平孔空心磚兩種。豎孔空心磚孔洞率在15%以上，通常用來砌筑承重墻。水平孔空心磚的孔洞率一般在30%以上，由于其自重輕并且強(qiáng)度較低，因此通常用于非承重墻[4]。與實(shí)心黏土磚相比，空心黏土磚可節(jié)省黏土20%～30%，節(jié)省燃料10%～20%，用空心黏土磚砌筑的墻體，比實(shí)心黏土磚墻體自重減輕1/3左右，工作效率提高了40%，工程造價降低20%左右，并且能有效改善墻體的熱工性能。因此，發(fā)達(dá)國家非常重視空心黏土磚的發(fā)展，歐美等國家空心黏土磚已經(jīng)占磚總產(chǎn)量的70%～80%。空心黏土磚是節(jié)省土地資源、保護(hù)耕地和生態(tài)環(huán)境的重要途徑。

2)其他黏土質(zhì)磚。除空心黏土磚之外，人們還開發(fā)了以其他黏土質(zhì)材料取代部分黏土的燒結(jié)磚。例如，以火力發(fā)電廠排出的粉煤灰為主要原料，摻入適量的黏土燒制的粉煤灰磚，以煤矸石為原料，根據(jù)其含碳量和可塑性進(jìn)行適當(dāng)配料燒制的煤矸石磚，不僅可以取代大部分黏土，焙燒時基本不需要用煤，或用少量的煤，因此降低了燒制黏土磚時所需的能耗[5]。以粉煤灰、煤矸石等工業(yè)廢料為原料生產(chǎn)磚，既節(jié)省了土地資源，同時又減少了工業(yè)廢渣的污染和堆放，還可節(jié)省大量的燃料煤，一舉三得。此外，還有以頁巖為主要原料燒制而成的頁巖磚。

3)垃圾磚。為節(jié)省黏土資源，同時減少垃圾污染，瑞士研制成功了一種以垃圾為原材料的墻體材料——垃圾磚。這種垃圾磚的原材料是將城市固體垃圾搗碎，加水與石灰、水泥等膠凝材料攪拌后，干燥并硬化后形成顆粒狀，再以此為骨料制成隔熱、隔聲和防潮的磚塊[6]。用這種方法處理垃圾比直接焚燒的成本低，又可減少垃圾焚燒造成的環(huán)境污染，同時又節(jié)省了制磚的黏土資源，可謂一舉兩得。

4)泡沫磚。美國開發(fā)了一種泡沫磚，其重量為普通黏土磚的40%，隔熱性能是普通水泥混凝土的3倍。這種泡沫磚采用可膨脹的聚苯乙烯為原料，將聚苯乙烯按比例加入膨脹劑中，通入蒸汽，并充分?jǐn)嚢?，使聚苯乙烯顆粒內(nèi)部的烷氣體迅速膨脹、放出，形成一種聚苯乙烯泡沫珠，這種泡沫珠的密度僅為原來的1/10左右。以這種輕質(zhì)的聚苯乙烯泡沫珠為主要材料，加入適量的水泥、礦粉、細(xì)骨料和少量的水，并加入化學(xué)膠凝劑，將聚苯乙烯泡沫珠粘結(jié)成團(tuán)，然后在模具中成型為塊體材料，放入磚窯中干燥24 h即成為塊狀的泡沫磚。泡沫磚的砌筑方法與普通黏土磚相同，砌筑好后需要在墻體的兩面涂上一層丙烯酸水泥砂漿，這種墻體的抗壓強(qiáng)度優(yōu)于普通黏土磚墻，而且與丙烯酸水泥砂漿形成密實(shí)的防滲層，抗裂性能極強(qiáng)。

2.2 新型墻體結(jié)構(gòu)的開發(fā)

傳統(tǒng)的墻體以砌筑結(jié)構(gòu)為主，以黏土磚、各種砌塊為基本單元材料，并且砌筑時需要用砂漿等膠結(jié)材料將塊體材料粘結(jié)，形成砌筑整體。這種墻體結(jié)構(gòu)自重大，消耗大量自然資源和能源，施工速度慢，而且墻體內(nèi)部沒有設(shè)置保溫層，保溫隔熱性能較差，所以砌筑的墻體無論從哪個角度分析都不具有可持續(xù)發(fā)展性，必須開發(fā)新的墻體結(jié)構(gòu)。目前，在歐美和日本等發(fā)達(dá)國家，建筑物的主體骨架大多采用框架結(jié)構(gòu)，墻體采用由外墻板、保溫層和內(nèi)墻板復(fù)合而成的板材，從根本上取代黏土磚墻體。

3 結(jié)語

使用河砂、再生骨料和人造骨料等可以減少對自然資源的浪費(fèi)，同時可以提高對建筑垃圾和生活垃圾的利用率。大力發(fā)展新型墻體材料，減少黏土使用量，保護(hù)我國耕地面積，減少能源的消耗以及對環(huán)境的污染。發(fā)展新型建材，使用工業(yè)廢棄物和城市建筑垃圾等制造混凝土用骨料，使再生資源成為一種新型開發(fā)技術(shù)。

[1] 陳 堅(jiān),胡 毅.我國海砂資源的開發(fā)與對策[J].海洋地質(zhì)動態(tài),2005(7):4-8.

[2] 許岳周,石建光.再生骨料及再生骨料混凝土的性能分析與評價[J].混凝土,2006(7):41-46.

[3] 馮乃謙.人造輕骨料的試制與研究[J].新型建筑材料,1995(12):19-22.

[4] 李臨平,吳志根,李增耀，等.黏土空心磚結(jié)構(gòu)優(yōu)化的數(shù)值模擬[J].工程熱物理學(xué)報,2008(5):845-849.

[5] 王瑞榮,寧成立.煤矸石燒結(jié)磚生產(chǎn)技術(shù)[J].新型建筑材料,2007(7):32-33.

[6] 楊久俊,張茂亮,張 磊，等.非蒸養(yǎng)建筑垃圾磚的制備研究[J].混凝土與水泥制品,2007(2):53-55.

Resource depletion and the development of new building materials

HAO Jian-min

(TaiyuanSupervisionStationofConstructionProjectQuality,Taiyuan030009,China)

In order to realize the energy saving, saving soil and waste utilization and environmental protection goal of building materials, this paper put forward the development and application practical and high-tech technology, made transformation and upgrading to concrete and wall materials and other products production raw materials and production process, prompted the production energy consumption reduce of building materials industry.

sand, recycled aggregate, lightweight block, wall material, foam brick

1009-6825(2014)35-0135-02

2014-10-08

郝建民(1973- )，男，高級工程師

TU506

A