生態(tài)建筑材料

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(大連理工大學(xué) 建設(shè)工程學(xué)部，遼寧 大連 116024)

引言

材料是社會(huì)進(jìn)步的物質(zhì)基礎(chǔ)，推動(dòng)了社會(huì)的進(jìn)步，創(chuàng)造了巨大的社會(huì)財(cái)富。但從資源、能源和環(huán)境的角度看，材料的開(kāi)采、加工、使用和廢棄的過(guò)程是一個(gè)不斷破壞人類(lèi)賴(lài)以生存的環(huán)境的過(guò)程[1]。大量的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，我國(guó)單位產(chǎn)品的資源消耗和能耗比發(fā)達(dá)國(guó)家要高很多倍。這反映出我國(guó)在材料的生產(chǎn)過(guò)程中有大量的原材料變成了廢品，不僅浪費(fèi)了資源、能源，而且造成了環(huán)境污染。

建筑材料是建筑業(yè)的物質(zhì)基礎(chǔ)，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展中占有很大比重。在材料領(lǐng)域，建筑材料所占的比重最大，而且能耗高、產(chǎn)生的垃圾量大[2-4]。建筑材料的生產(chǎn)及使用與人們的生活和工作息息相關(guān)，人們?nèi)菀资艿浇ㄖ牧系挠绊懞臀：ΑＪ褂貌缓细竦慕ㄖ牧显斐傻臑?zāi)難事故，有害物質(zhì)含量超標(biāo)的室內(nèi)裝修材料對(duì)人體造成的危害令人觸目驚心[5]。雖然我國(guó)的傳統(tǒng)建材如水泥、陶瓷、玻璃、鋼材的總產(chǎn)量均位居世界第一位[1]，但我國(guó)建材行業(yè)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(yè)的可持續(xù)發(fā)展，滿(mǎn)足人們對(duì)生活環(huán)境和生活質(zhì)量的要求，必須走生態(tài)建材之路。

1 生態(tài)建筑材料

生態(tài)建筑材料不是單純的建材品種，而是對(duì)建材所具有的“健康、環(huán)保、安全”等屬性的評(píng)價(jià)[6]。

1.1 生態(tài)建筑材料的概念

生態(tài)建筑材料也稱(chēng)綠色建筑材料、環(huán)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(guò)程中，對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的負(fù)荷最小且對(duì)人的健康有益的材料。

1.2 生態(tài)建筑材料的特點(diǎn)

生態(tài)建筑材料的概念來(lái)自于生態(tài)環(huán)境材料，所以其特征主要表現(xiàn)在：首先是節(jié)約資源和能源；其次是環(huán)境污染小，避免溫室效應(yīng)和破壞臭氧層；再次是容易回收和循環(huán)再利用。與傳統(tǒng)的建筑材料相比，生態(tài)建筑材料具有以下幾個(gè)顯著的特點(diǎn)：

(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(jìn)的生產(chǎn)工藝，減少材料生產(chǎn)過(guò)程中的能源消耗和污染。

(3)在材料生產(chǎn)過(guò)程中不添加對(duì)人體和環(huán)境有害的物質(zhì)。

(4)材料的設(shè)計(jì)是以提高人的生活質(zhì)量和改善環(huán)境為目的。

(5)副產(chǎn)品容易回收和循環(huán)利用，環(huán)境負(fù)荷小。

黨的十九大報(bào)告指出，要完善職業(yè)教育和培訓(xùn)體系，深化產(chǎn)教融合、校企合作；要建設(shè)知識(shí)型、技能型、創(chuàng)新型勞動(dòng)者大軍，弘揚(yáng)勞模精神和工匠精神，營(yíng)造勞動(dòng)光榮的社會(huì)風(fēng)尚和精益求精的敬業(yè)風(fēng)氣。這為職業(yè)教育發(fā)展指明了方向，規(guī)劃了前景。職業(yè)教育站在新起點(diǎn)，要擔(dān)當(dāng)新使命，把握新要求，實(shí)現(xiàn)新作為。

(6)具有地方特色，降低運(yùn)輸能耗。

(7)包裝材料盡量少。

1.3 生態(tài)建筑材料的分類(lèi)

不同的研究者對(duì)生態(tài)建筑材料的分類(lèi)不同。有研究者認(rèn)為可分為：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[7-8]；也有研究者認(rèn)為在此基礎(chǔ)上還應(yīng)加上利用可再生能源的復(fù)合型建材[9]；還有一些研究者認(rèn)為根據(jù)生態(tài)建材的性能分為：節(jié)能型、利廢環(huán)保型、安全舒適型、保健型和特殊環(huán)境型[10]。

2 無(wú)機(jī)生態(tài)建筑材料

2.1 生態(tài)水泥

水泥是一種重要的建筑材料，當(dāng)今社會(huì)的發(fā)展離不開(kāi)水泥，從工業(yè)與民用建筑、公路、鐵路到架橋等，這些建筑設(shè)施極大地改善了人們的生活。但是水泥行業(yè)也給資源、能源以及環(huán)境帶來(lái)了很多負(fù)面的影響。每生產(chǎn)1 t水泥要消耗大約2 t的石灰石，0.4 t的標(biāo)準(zhǔn)煤，同時(shí)排放約1 t的CO2，還有含NOx和SO2的粉塵和煙塵[11]。我國(guó)的水泥產(chǎn)量在2013年上半年已高達(dá)10.96億t[12]。據(jù)此計(jì)算，水泥行業(yè)消耗了大量的資源和能源，排放了大量的有害物質(zhì)，對(duì)人類(lèi)的健康造成了威脅，也帶來(lái)了巨大的環(huán)境負(fù)擔(dān)。但同時(shí)我們也應(yīng)該看到，水泥生產(chǎn)時(shí)的高溫環(huán)境可以安全有效地處理垃圾，且水泥行業(yè)可以消耗大量的工業(yè)廢料，如粉煤灰、礦粉、硅粉、煤矸石、鋼渣等?？梢?jiàn)水泥行業(yè)挑戰(zhàn)與機(jī)遇共存，發(fā)展生態(tài)水泥是水泥行業(yè)的正確方向。

生態(tài)水泥是指利用固體廢棄物及其焚燒物為原料，應(yīng)用一定的工藝制成的無(wú)公害水泥。生態(tài)水泥的生產(chǎn)方式主要有兩種：一是提高原材料的利用程度；二是應(yīng)用科學(xué)的方法尋找新的水泥生產(chǎn)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(chǎn)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(guò)程中的熱耗主要包括兩個(gè)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(tǒng)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(chǎn)高貝利特水泥可以節(jié)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(zhì)原料的含量較低，可減少石灰石的用量，也可選用品質(zhì)較低的石灰石。

2.1.2 少熟料和無(wú)熟料水泥

少熟料和無(wú)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(lèi)水泥。我國(guó)每年產(chǎn)生大量的工業(yè)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(jīng)過(guò)國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究，采用混合材取代部分水泥熟料已經(jīng)有了較完善的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。在歐洲，摻混合材的水泥占水泥總產(chǎn)量的一半以上[14]。在我國(guó)，摻混合材的水泥的應(yīng)用也十分廣泛。摻混合材不僅節(jié)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(chǎn)生的Ca(OH)2的作用下進(jìn)行二次水化反應(yīng)，無(wú)熟料水泥通常需要添加堿組分來(lái)激發(fā)水化反應(yīng)。無(wú)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(guó)正大力發(fā)展基礎(chǔ)建設(shè)，這必然會(huì)導(dǎo)致建筑垃圾的大量產(chǎn)生，保守估計(jì)，我國(guó)每年廢棄的混凝土要達(dá)到近億噸[16]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)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(yè)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(fā)現(xiàn)不同溫度下煅燒得到的膠凝材料對(duì)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(jié)硬化性能。

2.2 生態(tài)陶瓷

2.2.1 抗菌陶瓷

微生物可以降解有機(jī)物，但是微生物的存在也對(duì)人類(lèi)的生存造成了威脅。1996年，在日本全國(guó)范圍內(nèi)爆發(fā)的病原性大腸桿菌感染事件，2003年我國(guó)發(fā)生的非典和近年來(lái)的禽流感，這些事件的發(fā)生使得抗菌材料越來(lái)越受到人們的重視?？咕沾墒翘沾僧a(chǎn)品在原有的基礎(chǔ)上添加了抗菌新功能的陶瓷材料[18]?？咕沾筛鶕?jù)抗菌劑的種類(lèi)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(chǎn)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(jī)理是這些金屬離子可以固結(jié)生物體中的蛋白質(zhì)。我國(guó)有很多學(xué)者對(duì)TiO2光催化抗菌陶瓷進(jìn)行了研究[19-22]，TiO2是一種典型的半導(dǎo)體氧化物，光照射使TiO2表面產(chǎn)生空穴，這種空穴與表面吸附水或OH-發(fā)生反應(yīng)生成·OH?！H可以氧化大部分的有機(jī)物和部分無(wú)機(jī)物，生成對(duì)環(huán)境無(wú)害的CO2和H2O。其他抗菌陶瓷主要是通過(guò)多種抗菌劑復(fù)合使用，產(chǎn)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(fù)合抗菌陶瓷，發(fā)現(xiàn)其在黑暗中24 h內(nèi)的殺菌率為100%。

2.2.2 陶瓷透水磚

在城市化進(jìn)程中，水泥混凝土和瀝青路面越來(lái)越多，這些路面由于透水性差帶來(lái)了很多問(wèn)題，如雨天排水不及時(shí)易引發(fā)事故、雨水進(jìn)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(yè)廢料、建筑垃圾及生活垃圾為原料，經(jīng)過(guò)粉碎、壓制成型、低溫?zé)傻裙ば蛑频玫木哂幸欢ǖ耐杆δ艿慕ㄖ牧蟍24]，將其應(yīng)用于城市路面不僅可以緩解城市排水系統(tǒng)的壓力，而且可以吸收車(chē)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(chǎn)品完全達(dá)到了透水磚的技術(shù)指標(biāo)。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(dá)0.10 cm/s，磚的強(qiáng)度可達(dá)12.1 MPa。

2.3 生態(tài)玻璃

2.3.1 自潔玻璃

自潔玻璃是指表面具有納米級(jí)光催化劑TiO2薄膜，在光照作用下能自發(fā)地分解表面大部分有機(jī)污染物和部分無(wú)機(jī)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(yáng)光作用下，TiO2半導(dǎo)體以其特有的強(qiáng)氧化性使污染物分解成相應(yīng)的無(wú)害物質(zhì)，不會(huì)污染環(huán)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(shí)間，發(fā)現(xiàn)礬離子注入能量為90 keV、摻雜濃度為6×106ions/cm2時(shí)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(fù)合膜，試驗(yàn)結(jié)果表明，在同樣的日照條件下，ZnFeO4-TiO2復(fù)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(zhì)為主要原料，經(jīng)過(guò)粉碎磨細(xì)、添加發(fā)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(jīng)熔融、發(fā)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(wú)機(jī)隔熱材料相比，泡沫玻璃具有導(dǎo)熱系數(shù)小、不燃、不吸水、可鋸可釘、強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)。很多學(xué)者對(duì)泡沫玻璃這種生態(tài)材料進(jìn)行了研究，方榮利等[34]利用粉煤灰研制泡沫玻璃，通過(guò)試驗(yàn)得到了各原料的配合比，制得的泡沫玻璃質(zhì)輕、高強(qiáng)、保溫性能好，為粉煤灰的利用開(kāi)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(yōu)配合比，并對(duì)發(fā)泡劑、助溶劑等添加劑的摻量進(jìn)行了優(yōu)化，在優(yōu)化條件下可制得氣孔分布均勻的泡沫玻璃。

3 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)人口眾多，人均資源嚴(yán)重不足，可持續(xù)發(fā)展已經(jīng)成為社會(huì)發(fā)展的方向，發(fā)展生態(tài)建筑材料得到了廣大建材研究人員的認(rèn)可。發(fā)達(dá)國(guó)家在生態(tài)建筑和生態(tài)材料方面的研究比我國(guó)起步早，有很多經(jīng)驗(yàn)值得我們學(xué)習(xí)。我們可以避免發(fā)達(dá)國(guó)家在生態(tài)建筑材料研究方面走過(guò)的彎路，減少資源浪費(fèi)和環(huán)境污染。另外，不同國(guó)家生態(tài)建筑材料的標(biāo)準(zhǔn)不同，我們應(yīng)根據(jù)中國(guó)國(guó)情及資源特點(diǎn)發(fā)展中國(guó)特色的生態(tài)建筑材料。

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