高分子建筑材料的概述及其標準化研究*

彭 軍，楊育農(nóng)，謝宇芳，張 云，鄧思娟，周如青

(1 廣州合成材料研究院有限公司,廣東廣州 510665；2 杭州娃哈哈集團設(shè)備工程部，浙江杭州 310018)

人類使用和生產(chǎn)建筑材料歷史非常悠久,在生產(chǎn)力落后的時代,采用泥土和石頭等天然無機材料以及樹木和茅草等天然高分子材料建造洞穴和茅草房來擋風、避雨和休息。隨著人類社會的進步和生產(chǎn)力的發(fā)展,利用自然界的材料相繼開發(fā)生產(chǎn)了磚、瓦、灰、砂、石、陶瓷和木材等建筑材料,滿足了繁衍生息的需要,并創(chuàng)造了許許多多的有文化和藝術(shù)性的建筑,諸如古希臘的奧林匹克遺址、古羅馬的斗獸場、德國科隆雙尖大教堂、中國的故宮和法國的埃菲爾鐵塔,這些都是人類利用材料創(chuàng)造文化的結(jié)晶。雖然磚、瓦、灰、砂、石、陶瓷和木材等建筑材料屬于傳統(tǒng)建筑材料,但是在我國使用已有數(shù)千年的歷史,近代的水泥、鋼材、玻璃材料獲得廣泛的應(yīng)用。人類社會進入二十世紀后,科學技術(shù)得到了迅速發(fā)展,特別是三大材料之一的高分子材料獲得突飛猛進的發(fā)展,高分子材料作為建筑材料也應(yīng)運而生,已經(jīng)在建筑領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用,并且成為建筑材料行業(yè)新的經(jīng)濟增長點[1]。

建筑材料是在建筑工程中所應(yīng)用的各種材料。建筑材料種類繁多,按照成分大致分為:(1)金屬材料,包括黑色金屬材料和有色金屬材料；(2)無機非金屬材料,如天然石材、燒土制品、水泥、混凝土及硅酸鹽制品等；(3)高分子材料,包括天然高分子材料、合成高分子材料為主要成分的新型建筑材料[2]。建筑材料從使用上可分為結(jié)構(gòu)材料和功能材料。結(jié)構(gòu)材料包括木材、竹材、石材、水泥、混凝土、金屬、磚瓦、陶瓷、玻璃、工程塑料、復合材料等。功能材料中的裝飾材料包括涂料、油漆、鍍層、貼面、瓷磚、具有特殊效果的玻璃等；功能材料中的專用材料是指具有防水、防潮、防腐、防火、阻燃、隔音、隔熱、保溫、密封等功能的材料。

1 高分子建筑材料的概況

自改革開放以來,我國的建筑業(yè)獲得了前所未有的發(fā)展,整個建筑市場異?；钴S,建筑材料日新月異,特別是高分子建筑材料的市場需求量非常巨大,因此,采用高分子材料生產(chǎn)的建筑材料產(chǎn)品層出不窮。高分子建筑材料從物理形態(tài)和用途來分,主要包括:塑料建筑材料、涂料建筑材料、纖維建筑材料、黏合劑建筑材料。與此同時,國外的高分子建筑材料發(fā)展也很快,品種繁多,功能多樣,質(zhì)量優(yōu)良,用途廣泛,因此,建筑界稱高分子建筑材料是繼水泥、鋼材、木材之后的第四大建筑材料,其中,塑料建材所占的比重最大,涂料建材位居第二位,其他排序依次為膠黏劑建材、橡膠建材和纖維建材。

人類社會進入二十世紀后,科學技術(shù)得到了迅速發(fā)展,特別是作為支撐人類社會發(fā)展的三大材料之一的高分子材料,新技術(shù)和新產(chǎn)品層出不窮。在此背景下,高分子建筑材料應(yīng)運而生,并已經(jīng)在建筑領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用,成為了建筑材料行業(yè)新的經(jīng)濟增長點。高分子材料的優(yōu)點在建筑材料領(lǐng)域中被進一步地利用,并且發(fā)揮著越來越重要的作用。以高分子材料為主的新型建筑材料,主要包括建筑塑料、建筑涂料、建筑膠粘劑、建筑纖維及建筑防水密封材料等類型,在一定范圍內(nèi)可以成為鋼材、木材、水泥、陶瓷等高耗能傳統(tǒng)材料的替代品[3]。此外,高分子建筑材料在裝飾效果、耐腐蝕性、綠色節(jié)能以及使用壽命等方面具有顯著的優(yōu)越性,使得高分子材料和建筑材料完美結(jié)合、相得益彰。

黨的十九大已明確指出,中國特色社會主義進入新時代,我國經(jīng)濟已由高速增長階段轉(zhuǎn)向高質(zhì)量發(fā)展階段,我國的社會主要矛盾已經(jīng)轉(zhuǎn)化為人民日益增長的美好生活需要與不平衡不充分的發(fā)展之間的矛盾。而高分子建筑材料的安全性與可靠性體現(xiàn)了人們對美好生活的向往,同時助力高分子建筑材料實現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展?！笆濉逼陂g是我國經(jīng)濟重要的結(jié)構(gòu)調(diào)整和轉(zhuǎn)型時期,人們對環(huán)境和健康安全更加關(guān)注,與環(huán)境保護、健康安全相關(guān)的標準和標準化工作引起了人們的高度重視。為此,我國推出的供給側(cè)改革、工業(yè)“2025”和“一帶一路”等一系列政策就是讓企業(yè)為市場提供高安全性和可靠性的產(chǎn)品。

2 高分子建筑材料的分類及特征

根據(jù)高分子建筑材料的概念,按照高分子材料的種類分為以下五大類:塑料建筑材料、橡膠建筑材料、纖維建筑材料、涂料建筑材料、黏合劑建筑材料。依據(jù)高分子建筑材料的使用,可分為高分子結(jié)構(gòu)建筑材料和高分子功能建筑材料。

塑料建筑材料分為塑料管材管件、塑料門窗框、裝飾裝修材料、隔熱材料、地下供暖設(shè)施、塑料地板、塑料天花板、塑料墻板、電子電器等；橡膠建筑材料分為減震材料、隔熱材料、密封材料、防水卷材等；涂料建筑材料分為內(nèi)外墻建筑涂料、防水涂料、防腐涂料、防火涂料、地坪涂料等；黏合劑建筑材料分為建筑結(jié)構(gòu)密封膠、建筑密封膠、化學灌漿材料等；纖維建筑材料分為土工布、無紡布土工布、無紡布減震材料、化學纖維地毯等[4]。

高分子建筑材料在我國的發(fā)展速度迅猛,其主要原因在于它具有優(yōu)良的可預制、質(zhì)量輕、高強度、多功能、易施工等特點,其性能特點主要如下:

(1)重量很輕,便于施工。塑料管道的質(zhì)量僅為鑄鐵管的1/10～1/8,可以大大減輕了施工時的勞動強度,提高了安裝工效。

(2)耐腐蝕,抗蟲蛀霉爛。適宜于潮濕、腐蝕環(huán)境或有白蟻的地區(qū)使用。

(3)功能多樣,提高了居住質(zhì)量。降低噪聲和隔熱:安裝有塑料門窗的居室,可以降低噪聲3dB～4dB,室內(nèi)溫度可提高1℃～2℃。塑料管材內(nèi)壁光滑,不易附著雜物,液體流動暢通,并且具有良好的沖擊韌性,在寒冷季節(jié)不易凍裂。彈性防水和密封材料具有優(yōu)良的防水、防滲和密封性性能,提高了防水工程質(zhì)量。高分子混凝土外加劑使混凝土速凝、緩凝和早強,提高其流動性,可防止鋼筋銹蝕,節(jié)省了水泥,制備了高質(zhì)量的混凝土.

(4)施工方便,提高工效。隧道、礦坑和混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)生裂縫和滲漏后,注入環(huán)氧樹脂和聚氨酯等高分子灌漿材料,即可形成隔斷并止水；鐵路和公路路基以及房屋地基下陷,注入高分子材料灌漿材料后很快使基礎(chǔ)得到加固,快速簡便施工、提高了工作效率。裝飾和裝修材料,如塑料門窗、隔斷、護墻板、掛鏡線、窗簾盒、壁紙、地板及飾面材料,美化了居住環(huán)境。

(5)節(jié)約能源。多年來鋼鐵產(chǎn)量一直是衡量國家工業(yè)發(fā)展水平的標志。隨著科學技術(shù)的高度發(fā)展,高分子材料、有色金屬材料和無機非金屬材料在許多領(lǐng)域正在取代傳統(tǒng)的鋼材,使材料工業(yè)發(fā)生了重大的變化。塑料建材是一種低能耗材料,無論是生產(chǎn)過程,還是使用過程都具有顯著的節(jié)能效果。美國塑料工業(yè)協(xié)會調(diào)查資料表明,1997 年美國生產(chǎn)塑料管材91 萬噸,相當于880萬噸的金屬管道,后者的生產(chǎn)能耗為前者的4.9 倍[5]。在使用能耗方面,塑料給水管由于摩擦系數(shù)小,可以節(jié)電50%。在建筑節(jié)能方面,通常房屋有30%～ 50%的熱量是通過門窗縫隙散失的。據(jù)中國建筑科學研究院測定,北京地區(qū)冬季采暖期,單層塑料門窗的能耗僅為單層鋼窗能耗的三分之一；綜合所有因素來分析,采用塑料窗的房屋比鋼窗或鋁窗的可節(jié)省采暖能耗35% 以上[6]。泡沫塑料隔熱材料應(yīng)用于原油集輸系統(tǒng)的保溫以及冷庫、冷藏車的隔熱保冷均具有顯著的節(jié)能效果。

(6)節(jié)約木材和鋼材。我國是森林資源匱乏的國家之一,前些年由于過度開采濫伐,很多林區(qū)已經(jīng)到了無可采伐的地步。針對此種狀況,國家采取退耕還林和立法等措施,使我國的森林覆蓋率從1980 年的12.0% 提高到2018 年年底的22.96%,但是考慮到植被和保護生態(tài)等因素,采伐量仍然有限,木材的供需矛盾在相當長時間內(nèi)仍舊很突出[7]。經(jīng)濟全球化之后,雖然可以靠進口來解決,但是很多國家為了保護本國生態(tài)環(huán)境,正在逐步減少木材的采伐和出口,所以,在我國用高分子材料代替木材和鋼材將是一項長期艱巨的任務(wù)。建筑行業(yè)是節(jié)約木材和鋼材的重點行業(yè),這正好為發(fā)展高分子建筑材料提供了很好機遇。

3 高分子建筑材料的綠色發(fā)展態(tài)勢

高分子建筑材料是高分子材料和助劑經(jīng)過加工成型設(shè)備制造而成的。由于它是由聚合物和有機和/ 或無機化合物,甚至含有金屬材料組成,人們所擔心的問題主要有兩個方面,其一是高分子建筑材料的耐老化性能和壽命；其二是高分子建筑材料中含有的揮發(fā)性小分子有機化合物是否對人體健康和自然環(huán)境造成危害。目前,我國開展綠色建筑的星級評價,對上面兩個方面的技術(shù)指標提出了更高的要求。我國高分子建筑材料產(chǎn)品重點要解決的問題就是制造過程和產(chǎn)品質(zhì)量做到安全性和可靠性高,實現(xiàn)高分子建筑材料的高質(zhì)量發(fā)展[8]。高分子建筑材料的安全性和可靠性體現(xiàn)在材料的制造和使用過程中。

第一,在高分子建筑材料制造過程中要做到三個方面:一是在制造過程節(jié)約能源,降低能耗；二是在制造過程中沒有廢氣、廢液和廢渣的排放,做到零排放；三是在制造過程工藝安全可靠,沒有危險性。

第二,高分子建筑材料在產(chǎn)品質(zhì)量方面:首先要做到物理安全性高,要求產(chǎn)品阻燃防火、抗靜電、無輻射、隔熱和降噪；其次是健康(生理)和環(huán)境(生態(tài))安全性高,要求產(chǎn)品在制造和使用過程中沒有或者符合法律法規(guī)重金屬離子和揮發(fā)性小分子有機化合物釋放；三是要做到可靠性高,要求產(chǎn)品耐老化和壽命長,甚至和建筑物同等壽命,從而達到建筑設(shè)計要求。

總之,高分子建筑材料通過科技創(chuàng)新,其整體技術(shù)和產(chǎn)品質(zhì)量標準達到國際先進水平,乃至世界領(lǐng)先水平,方可實現(xiàn)高分子建筑材料行業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展,以滿足人民對美好生活的需要。

4 高分子建筑材料的標準化

我國的高分子建筑材料標準是以國家標準、行業(yè)標準和地方標準為主要體系,其中,國家標準有強制性標準和推薦性標準,行業(yè)標準有化工行業(yè)、建材行業(yè)和建筑行業(yè)標準,地方標準有涉及我國的省市自治區(qū)和地級市的標準,這些標準幾乎覆蓋了所有的高分子建筑材料,可以滿足建筑業(yè)的發(fā)展需求。2018 年1 月1 日新修訂的《標準化法》施行后,相繼制定了一部分團體標準。

隨著市場體系和機制的不斷完善和經(jīng)濟全球化力度的持續(xù)加大,市場化的團體標準和企業(yè)標準將占據(jù)越來越重要的地位,將會得到市場的更加積極的認可和廣泛的使用。與此同時,隨著人們法治意識、安全意識、健康意識和環(huán)保意識的逐漸增強,強制性國家標準將走向法律的軌道,確保實現(xiàn)美麗中國和美好生活。而團體標準是市場自主制定的標準,是我國標準化改革的重要方面,也是經(jīng)濟全球化的必然趨勢,是新型標準體系中最具有活力和創(chuàng)新性的部分。在對團體標準的管理上,對團體標準不設(shè)行政許可,由社會組織和產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟自主制定發(fā)布,通過市場競爭優(yōu)勝劣汰[9]。

人們對高分子建筑材料的需求將關(guān)注其安全性和可靠性。建筑材料的安全性主要涉及物理安全性、健康安全性和環(huán)境安全性,可靠性主要涉及耐老化性能和壽命。在物理安全性方面,要求高分子建筑材料具有優(yōu)良的阻燃防火性能、隔熱隔音性能、抗靜電性能、防輻射性能,屬于非危險化學品。在健康安全性和環(huán)境安全性方面,要求高分子建筑材料在生產(chǎn)和使用過程中含有的重金屬離子和小分子有機揮發(fā)物的含量很低,最好是含量極其低。在可靠性方面,要求高分子建筑材料的壽命與建筑物的設(shè)計壽命同等,甚至超過七十年。高分子建筑材料要實現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展,科技創(chuàng)新驅(qū)動是原生動力,高水平的標準是制高點。從未來發(fā)展的角度來看,今后高分子建筑材料標準將以團體標準為主體。