幾種新型綠色建筑材料在土木工程中的應(yīng)用淺析

徐雯雯 陳金林＊ 閆貴海 姚志東 杜巍 王寶玉

（1.中冶建筑研究總院（深圳）有限公司，廣東 深圳 518055；2.中冶建筑研究總院有限公司，北京 100088）

0 引言

建筑材料行業(yè)作為典型的能源資源承載型產(chǎn)業(yè)，能源消費總量約占全國能源消費總量的7%[1]。傳統(tǒng)的建筑材料不僅浪費大量資源，還會造成環(huán)境污染。

1988 年，第一屆國際材料科學(xué)研究會上首次提出“綠色建筑材料”的概念[2]。2016年，中國建材聯(lián)合會提出，綠色建筑材料是指在原料選用、開采加工、產(chǎn)品制造、產(chǎn)品應(yīng)用過程中，能夠有效利用廢棄物，少用天然資源和能源，資源可循環(huán)再利用的，不僅性能功能符合建筑物等配置的要求，而且全生命期內(nèi)與生態(tài)環(huán)境和諧，對人類健康無害的建筑材料[3]。

與傳統(tǒng)的建筑材料相比，綠色建筑材料的內(nèi)涵可歸納為以下五方面：（1）全生命周期內(nèi)，盡可能減少能源消耗和碳排放；（2）原材料少使用不可再生的自然資源，多使用工業(yè)廢料和生物基材料等；（3）采用先進的生產(chǎn)工藝，保證建材質(zhì)量和降低能源消耗；（4）產(chǎn)品應(yīng)滿足建筑功能要求，且對人體無害；（5）服役結(jié)束后，產(chǎn)品可以回收利用或者無公害降解。

近年來，國家出臺了一系列支持綠色低碳建筑材料發(fā)展的相關(guān)政策，一些新型綠色低碳建筑材料紛至沓來。本文選擇兩種生物基建筑材料和兩種工業(yè)固體廢物建筑材料，從生產(chǎn)工藝、基本性能和工程應(yīng)用等角度進行簡單分析。

1 生物基綠色建筑材料

生物基材料是指利用可再生生物質(zhì)，包括農(nóng)作物、樹木和其他動植物的內(nèi)含物及其殘體為原料，通過生物、化學(xué)及物理的手段制造的材料[4]。2021年，安徽省發(fā)展和改革委員會印發(fā)的《支持生物基新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展若干政策》明確指出：鼓勵有條件的市在建筑材料等重點領(lǐng)域開展生物基新材料示范應(yīng)用。2022年，國家發(fā)展改革委印發(fā)的《“十四五”生物經(jīng)濟發(fā)展規(guī)劃》中指出，發(fā)展高性能生物環(huán)保材料。

生物基材料具有可再生、可降解、綠色環(huán)保的特點，在“雙碳”目標和自然資源日益枯竭的背景下，具有極大的市場前景。現(xiàn)對對軟木（Cord）和漢麻混凝土（Hempcrete）這兩種生物基綠色建筑材料進行介紹。

1.1 軟木（Cord）

軟木是一種輕質(zhì)、可再生和可降解的環(huán)保材料，具有降噪、絕熱、減壓和減震的作用。然而，軟木行業(yè)也產(chǎn)生了大量廢物[5]（顆?；蛘叻蹓m），已有不少學(xué)者研究軟木廢料在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用并取得了重要成果。

隔離軟木（insulation cork board）僅以軟木為原材料，以自身產(chǎn)生的樹脂為“膠凝材料”，無任何添加劑；此外，膨脹軟木顆粒、粉塵等加工過程中產(chǎn)生的廢物也能100%被重復(fù)利用[6]。隔離軟木的工作性能受到熱阻熱導(dǎo)率、防火性、耐久性、含水率、表觀密度和彎曲剛度等因素的影響。歐洲規(guī)范——《EN 13170-2012》[7]，規(guī)定了膨脹軟木產(chǎn)品在建筑物隔熱方面的相關(guān)要求。同時，隔離軟木以較低價格和導(dǎo)熱系數(shù)，可用于建筑外墻、內(nèi)墻、空心墻及家庭裝修等。軟木橡膠復(fù)合材料兼具橡膠的高回彈性和軟木的可壓縮性，可運用于組合結(jié)構(gòu)的阻尼層和絕熱層。其中，軟木-氯丁橡膠材料不僅具有極高的耐油性和耐熱性，還具有較強的抗拉能力。軟木顆粒替代水泥砂漿中的砂子[8]、軟木顆粒摻入混凝土[9]都能夠降低試件的導(dǎo)熱系數(shù)，但都會導(dǎo)致試件的抗壓強度降低。

軟木在我國建筑領(lǐng)域的應(yīng)用面臨著以下問題：

（1）軟木主要來源是歐洲西南部和非洲西北部的栓皮櫧（Quercus suber）。而栓皮櫟（Quercus variabilis）是中國特有的珍貴用材樹種[10]，生長緩慢、容重高、硬度大、雜質(zhì)含量較多，與國外的栓皮櫧相比品質(zhì)較差[11]；

（2）相對于秸稈類建筑材料，軟木每隔9~12年才能從栓皮櫧（櫟）的樹皮中提取，回報周期長；

（3）相對于力學(xué)性能優(yōu)良的竹、木等建筑材料，軟木主要運用于墻體、地板等非承重的圍護結(jié)構(gòu)體系。

1.2 漢麻混凝土（Hempcrete）

漢麻混凝土是生物纖維（漢麻桿芯）和膠凝材料（石灰）形成的復(fù)合材料。漢麻在生長和碳化反應(yīng)過程中吸收的二氧化碳，多于建造過程中總排放的二氧化碳，可認為是負碳建筑材料[12]。與其他秸稈類建筑材料相比，漢麻纖維中含有大量的二氧化硅，能夠和混凝土中的水泥、水泥硅酸鹽中的水泥水化硅酸鈣混合，提高混凝土的各齡期強度。漢麻混凝土輕質(zhì)高強、抗震性能好、不易開裂，固化以后仍保留大量氣孔，是優(yōu)秀的隔音材料。漢麻混凝土具有良好的熱絕緣性和高熱慣性，能夠很好地適應(yīng)晝夜溫差較大的環(huán)境。雖然秸稈是漢麻混凝土的原材料之一，但它仍具有良好的防火性和天然的防霉防蟲性[13]。

漢麻混凝土在歐洲和北美迅速推廣。20世紀90年代，漢麻纖維復(fù)合材料應(yīng)用于法國某木結(jié)構(gòu)古建筑的翻新——在木結(jié)構(gòu)周圍澆筑漢麻石灰混合物，證明了該復(fù)合材料的耐久性[14]。21世紀初，在英國的圣埃德蒙茲伯里市建造了16座傳統(tǒng)住宅和2座漢麻石灰的試驗住宅，旨在比較兩種住宅體系的優(yōu)劣之處。2022年，漢麻混凝土亮相北京冬奧賽場。英國國家農(nóng)業(yè)聯(lián)盟（NFU）發(fā)布的《農(nóng)業(yè)2040年目標：實現(xiàn)凈零碳》報告指出，農(nóng)民種植的工業(yè)大麻可用于生產(chǎn)漢麻纖維混凝土。工業(yè)大麻不僅在生長過程中利用光合作用吸收二氧化碳，它的秸稈被切碎制成建筑構(gòu)件后還能繼續(xù)吸收二氧化碳。漢麻纖維混凝土的研發(fā)與應(yīng)用，有利于推動農(nóng)業(yè)與建筑業(yè)相結(jié)合，推動可持續(xù)發(fā)展，實現(xiàn)“雙碳”目標。

漢麻混凝土在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用具有以下難題：

（1）漢麻（工業(yè)大麻）在某些國家依然屬于禁止種植的經(jīng)濟作物。例如，我國漢麻的種植加工需嚴格按照政府的相關(guān)文件（如：《云南省工業(yè)大麻種植加工許可規(guī)定》）進行申請；

（2）與傳統(tǒng)混凝土結(jié)構(gòu)相比，漢麻混凝土缺少成套的設(shè)計方法和規(guī)范。

2 工業(yè)固體廢物綠色建筑材料

工業(yè)固體廢物是指在工業(yè)生產(chǎn)活動中產(chǎn)生的固體廢物[15]，可分為一般工業(yè)廢物和工業(yè)有害固體廢物。我國工業(yè)固體廢物存在種類繁多、成分復(fù)雜、產(chǎn)生量大和綜合利用率低的特點[16]。但是，工業(yè)固體廢物含有大量的有價礦物和金屬，而且經(jīng)過適當?shù)墓に囂幚?，可成為工業(yè)原料或能源。2020年修訂的《中華人民共和國固體廢物污染環(huán)境防治法》指出，固體廢物污染環(huán)境防治堅持減量化、資源化和無害化的原則。本節(jié)對鐵基化合物（Ferrock）和堿激發(fā)膠凝材料兩種工業(yè)固體廢物建筑材料進行介紹。

2.1 Ferrock

Ferrock是鐵粉、二氧化硅源（碎玻璃、粉煤灰等）和少量的草酸（催化劑）混合均勻所形成的鐵基化合物。與傳統(tǒng)波特蘭水泥相比，F(xiàn)errock的原材料95%是回收材料，不需要高溫煅燒和研磨。它的主要優(yōu)點包括：采用回收材料，吸收二氧化碳，固化快，強度高，抗彎性能好和耐腐蝕等[17]。

大多數(shù)現(xiàn)有的建筑材料必須經(jīng)過特殊處理，才能保證在不同環(huán)境下的耐久性，但Ferrock化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，具有防銹蝕、抗氧化、防紫外輻射和防腐蝕的性能。因此，F(xiàn)errock可用于海洋工程，如防波堤，海堤，碼頭，結(jié)構(gòu)樁，基礎(chǔ)和其他暴露在海水中的結(jié)構(gòu)。Ferrock還可以用于給排水的管道。這種鐵基化合物不受污水中硫化氫、硫酸等成分的影響，然而這些成分會腐蝕普通的水泥管道。與混凝土結(jié)構(gòu)相比，F(xiàn)errock韌性更好，在截面對準和安裝過程中損傷更小，可以更好地實現(xiàn)管道連接[18]。此外，F(xiàn)errock 試件在CO2環(huán)境中的強度增加，有利于在工業(yè)區(qū)這類場所的應(yīng)用[19]。

Ferrock大面積商用也面臨著一些問題：

（1）Ferrock絕大部分原材料是可回收材料，其供應(yīng)和價格容易受到其他行業(yè)的影響；

（2）Ferrock的研究不夠全面，在建筑行業(yè)的運用也十分有限，需不斷進行科學(xué)研究和工程試驗。

2.2 堿激發(fā)膠凝材料

堿激發(fā)膠凝材料是由一種或多種含有鋁和硅的氧化物組成的礦物組分與一種或多種激發(fā)劑組成[20]。以工業(yè)廢料為原材料的堿激發(fā)膠凝材料[21]，具有機械性能優(yōu)異、耐高溫、原料豐富且價格低廉、生產(chǎn)工藝簡單等特點[22]，其二氧化碳排放量只占普通硅酸鹽水泥的9%[23]，其能源消耗也只是普通硅酸鹽水泥的10%[24]。

20 世紀50 年代，前蘇聯(lián)的學(xué)者Glukhovsky 研發(fā)了可供實際工程使用的堿激發(fā)膠凝材料。據(jù)報道，1989年以前在蘇聯(lián)使用了超過3×106m3的堿激發(fā)混凝土[25]。進入21世紀以來，歐洲對堿激發(fā)材料的研究興趣再次高漲；澳大利亞和中國則開展了商業(yè)化生產(chǎn)的嘗試[26]。在規(guī)范和標準方面，前蘇聯(lián)和烏克蘭先后頒布了60余部，涵蓋了各個領(lǐng)域，如原材料成分、水泥成分、混凝土配合比設(shè)計、制造工藝、結(jié)構(gòu)和設(shè)計以及在特殊領(lǐng)域使用的建議[22]。近幾年來，我國也陸續(xù)制定了《用于耐腐蝕水泥制品的堿礦渣粉煤灰混凝土（GB/T 29423-2012）》和《堿礦渣混凝土應(yīng)用技術(shù)標準》（JG/T 439-2018）。

然而，值得注意的是：堿激發(fā)膠凝材料的原材料來源廣泛，性能和品質(zhì)波動大，使得生產(chǎn)工藝不固定，產(chǎn)品性能和質(zhì)量難以控制，無法形成一套標準的生產(chǎn)線。所以，雖然大致掌握了反應(yīng)機理和基本性能發(fā)展規(guī)律，但目前僅應(yīng)用于少數(shù)工程[26]。

3 結(jié)束語

本文基于綠色建筑材料的內(nèi)涵，介紹了幾種新型綠色建筑材料的性能和應(yīng)用情況。新型綠色建筑材料在生產(chǎn)工藝、基本性能和工程應(yīng)用等方面進行了大量的研究，但目前工程運用非常有限，為實現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)，需注意以下幾個問題：

（1）原材料來源應(yīng)豐富，不能過分受制于其他行業(yè)；同時，來源不應(yīng)過于廣泛，使得品質(zhì)差異大，導(dǎo)致生產(chǎn)工藝復(fù)雜，難以形成標準的生產(chǎn)線。

（2）采用先進的生產(chǎn)工藝技術(shù)，不僅可以節(jié)省原材料消耗、提高勞動效率，還能大幅降低能源消耗和碳排放。

（3）新型綠色建筑材料的研發(fā)需要材料學(xué)科和土木工程學(xué)科的統(tǒng)籌配合。不僅注重材料組成、反應(yīng)機理等材料科學(xué)領(lǐng)域的研究，還需加強構(gòu)件性能和結(jié)構(gòu)整體性能等土木工程領(lǐng)域的研究。

（4）新型綠色建筑材料需滿足建筑性能功能要求，同時服役結(jié)束后可以回收利用或者無害降解。