生态建筑材料

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(大连理工大学 建设工程学部，辽宁 大连 116024)

引言

材料是社会进步的物质基础，推动了社会的进步，创造了巨大的社会财富。但从资源、能源和环境的角度看，材料的开采、加工、使用和废弃的过程是一个不断破坏人类赖以生存的环境的过程[1]。大量的统计数据表明，我国单位产品的资源消耗和能耗比发达国家要高很多倍。这反映出我国在材料的生产过程中有大量的原材料变成了废品，不仅浪费了资源、能源，而且造成了环境污染。

建筑材料是建筑业的物质基础，在国民经济的发展中占有很大比重。在材料领域，建筑材料所占的比重最大，而且能耗高、产生的垃圾量大[2-4]。建筑材料的生产及使用与人们的生活和工作息息相关，人们容易受到建筑材料的影响和危害。使用不合格的建筑材料造成的灾难事故，有害物质含量超标的室内装修材料对人体造成的危害令人触目惊心[5]。虽然我国的传统建材如水泥、陶瓷、玻璃、钢材的总产量均位居世界第一位[1]，但我国建材行业走的是一条高污染、高能耗和高资源消耗的路子。要保持建材行业的可持续发展，满足人们对生活环境和生活质量的要求，必须走生态建材之路。

1 生态建筑材料

生态建筑材料不是单纯的建材品种，而是对建材所具有的“健康、环保、安全”等属性的评价[6]。

1.1 生态建筑材料的概念

生态建筑材料也称绿色建筑材料、环保建筑材料，是指在原材料的获取、材料的制备、材料的使用和材料的废弃再利用等过程中，对环境产生的负荷最小且对人的健康有益的材料。

1.2 生态建筑材料的特点

生态建筑材料的概念来自于生态环境材料，所以其特征主要表现在：首先是节约资源和能源；其次是环境污染小，避免温室效应和破坏臭氧层；再次是容易回收和循环再利用。与传统的建筑材料相比，生态建筑材料具有以下几个显著的特点：

(1)原材料的选取尽可能少用天然材料，多用废弃物。

(2)采用先进的生产工艺，减少材料生产过程中的能源消耗和污染。

(3)在材料生产过程中不添加对人体和环境有害的物质。

(4)材料的设计是以提高人的生活质量和改善环境为目的。

(5)副产品容易回收和循环利用，环境负荷小。

党的十九大报告指出，要完善职业教育和培训体系，深化产教融合、校企合作；要建设知识型、技能型、创新型劳动者大军，弘扬劳模精神和工匠精神，营造劳动光荣的社会风尚和精益求精的敬业风气。这为职业教育发展指明了方向，规划了前景。职业教育站在新起点，要担当新使命，把握新要求，实现新作为。

(6)具有地方特色，降低运输能耗。

(7)包装材料尽量少。

1.3 生态建筑材料的分类

不同的研究者对生态建筑材料的分类不同。有研究者认为可分为：天然建材、循环再生建材、低环境负荷建材和环境功能性建材[7-8]；也有研究者认为在此基础上还应加上利用可再生能源的复合型建材[9]；还有一些研究者认为根据生态建材的性能分为：节能型、利废环保型、安全舒适型、保健型和特殊环境型[10]。

2 无机生态建筑材料

2.1 生态水泥

水泥是一种重要的建筑材料，当今社会的发展离不开水泥，从工业与民用建筑、公路、铁路到架桥等，这些建筑设施极大地改善了人们的生活。但是水泥行业也给资源、能源以及环境带来了很多负面的影响。每生产1 t水泥要消耗大约2 t的石灰石，0.4 t的标准煤，同时排放约1 t的CO2，还有含NOx和SO2的粉尘和烟尘[11]。我国的水泥产量在2013年上半年已高达10.96亿t[12]。据此计算，水泥行业消耗了大量的资源和能源，排放了大量的有害物质，对人类的健康造成了威胁，也带来了巨大的环境负担。但同时我们也应该看到，水泥生产时的高温环境可以安全有效地处理垃圾，且水泥行业可以消耗大量的工业废料，如粉煤灰、矿粉、硅粉、煤矸石、钢渣等。可见水泥行业挑战与机遇共存，发展生态水泥是水泥行业的正确方向。

生态水泥是指利用固体废弃物及其焚烧物为原料，应用一定的工艺制成的无公害水泥。生态水泥的生产方式主要有两种：一是提高原材料的利用程度；二是应用科学的方法寻找新的水泥生产原料[11，13]。

2.1.1 高贝利特水泥

高贝利特水泥属于硅酸盐水泥系列，其生产工艺和原材料与硅酸盐水泥大致相同[14]。硅酸盐水泥熟料煅烧过程中的热耗主要包括两个方面：一是碳酸钙的分解；二是高温矿物的生成，主要是阿利特的生成。传统硅酸盐水泥熟料的烧成温度一般为1 450 ℃，其中贝利特的含量为20%～30%；而高贝利特水泥熟料中的贝利特含量为50%～55%，贝利特的烧成温度为1 200～1 250 ℃，所以生产高贝利特水泥可以节约大量的燃料，降低CO2、SO2以及NOx的排放。另外，高贝利特水泥原料中钙质原料的含量较低，可减少石灰石的用量，也可选用品质较低的石灰石。

2.1.2 少熟料和无熟料水泥

少熟料和无熟料水泥是指在水泥中少使用或不使用硅酸盐水泥熟料的一类水泥。我国每年产生大量的工业废渣，如粉煤灰、矿渣、火山灰、硅灰、钢渣、煤矸石以及石灰石粉等。经过国内外学者的研究，采用混合材取代部分水泥熟料已经有了较完善的技术标准。在欧洲，掺混合材的水泥占水泥总产量的一半以上[14]。在我国，掺混合材的水泥的应用也十分广泛。掺混合材不仅节约了能源，使废渣得到了二次利用，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产生的Ca(OH)2的作用下进行二次水化反应，无熟料水泥通常需要添加碱组分来激发水化反应。无熟料水泥方面研究比较多的有碱矿渣水泥、石膏矿渣水泥、钢渣矿渣水泥以及砌筑水泥等。

2.1.3 低温再生水泥

我国正大力发展基础建设，这必然会导致建筑垃圾的大量产生，保守估计，我国每年废弃的混凝土要达到近亿吨[16]。国内外学者对废弃混凝土利用途径的研究主要集中在制备再生水泥和再生骨料。低温再生水泥是从废弃混凝土中分离出水泥石粉末，在650～700 ℃下煅烧所得到的水泥。再生水泥降低了水泥行业的能耗，而且高效地利用了废弃混凝土。胡曙光等[16-17]研究发现不同温度下煅烧得到的胶凝材料对水泥水化的影响不同，其中在650 ℃下煅烧得到的胶凝材料可以加快水泥的水化和改善水泥的凝结硬化性能。

2.2 生态陶瓷

2.2.1 抗菌陶瓷

微生物可以降解有机物，但是微生物的存在也对人类的生存造成了威胁。1996年，在日本全国范围内爆发的病原性大肠杆菌感染事件，2003年我国发生的非典和近年来的禽流感，这些事件的发生使得抗菌材料越来越受到人们的重视。抗菌陶瓷是陶瓷产品在原有的基础上添加了抗菌新功能的陶瓷材料[18]。抗菌陶瓷根据抗菌剂的种类可以分为3种：金属离子掺杂型抗菌陶瓷、光催化型抗菌陶瓷和其他抗菌陶瓷。抗菌陶瓷的生产方法有两种：一种是在干燥胚体的表面添加抗菌剂；另一种是在陶瓷所施加的釉中添加抗菌剂。金属离子抗菌剂主要是Ag+和Cu2+，其作用机理是这些金属离子可以固结生物体中的蛋白质。我国有很多学者对TiO2光催化抗菌陶瓷进行了研究[19-22]，TiO2是一种典型的半导体氧化物，光照射使TiO2表面产生空穴，这种空穴与表面吸附水或OH-发生反应生成·OH。·OH可以氧化大部分的有机物和部分无机物，生成对环境无害的CO2和H2O。其他抗菌陶瓷主要是通过多种抗菌剂复合使用，产生良好的抗菌效果。胡海泉等[23]研究了光触媒系和银系的复合抗菌陶瓷，发现其在黑暗中24 h内的杀菌率为100%。

2.2.2 陶瓷透水砖

在城市化进程中，水泥混凝土和沥青路面越来越多，这些路面由于透水性差带来了很多问题，如雨天排水不及时易引发事故、雨水进入地下水的渠道受阻使得地下水水位下降。陶瓷透水砖是以工业废料、建筑垃圾及生活垃圾为原料，经过粉碎、压制成型、低温烧成等工序制得的具有一定的透水功能的建筑材料[24]，将其应用于城市路面不仅可以缓解城市排水系统的压力，而且可以吸收车辆噪声[25]。吕淑珍等[26]以萤石尾矿和珍珠岩废矿粉为原料制得陶瓷透水砖，该产品完全达到了透水砖的技术指标。殷海荣等[27]利用陶瓷废料、黏土、废玻璃为原料制得陶瓷透水砖，其透水速度可达0.10 cm/s，砖的强度可达12.1 MPa。

2.3 生态玻璃

2.3.1 自洁玻璃

自洁玻璃是指表面具有纳米级光催化剂TiO2薄膜，在光照作用下能自发地分解表面大部分有机污染物和部分无机污染物的玻璃[28]。自洁玻璃表面具有超亲水性、亲油性和光催化性。在阳光作用下，TiO2半导体以其特有的强氧化性使污染物分解成相应的无害物质，不会污染环境[29-30]。刘欣等[31]研究了用矾离子缩短Activ玻璃表面的TiO2薄膜的亲水性光致时间，发现矾离子注入能量为90 keV、掺杂浓度为6×106ions/cm2时玻璃的光致亲水性最佳。王承遇等[32]采用溶胶-凝胶法离心镀膜工艺在玻璃表面制备ZnFeO4-TiO2复合膜，试验结果表明，在同样的日照条件下，ZnFeO4-TiO2复合膜自洁玻璃的光催化效率比TiO2膜自洁玻璃高出4倍以上。

2.3.2 泡沫玻璃

泡沫玻璃是一种以废玻璃或其他各种富含玻璃相的物质为主要原料，经过粉碎磨细、添加发泡剂等材料，均匀混合形成配合料，再将其放置在特定模具中，经熔融、发泡、退火等工艺加工而成的气孔占体积80%～90%的隔热、隔声材料[33]。与其他无机隔热材料相比，泡沫玻璃具有导热系数小、不燃、不吸水、可锯可钉、强度高等优点。很多学者对泡沫玻璃这种生态材料进行了研究，方荣利等[34]利用粉煤灰研制泡沫玻璃，通过试验得到了各原料的配合比，制得的泡沫玻璃质轻、高强、保温性能好，为粉煤灰的利用开辟了新途径；涂欣等[35]以废玻璃、脱镁硼泥为主要原料，探索了制作泡沫玻璃的最优配合比，并对发泡剂、助溶剂等添加剂的掺量进行了优化，在优化条件下可制得气孔分布均匀的泡沫玻璃。

3 结语

我国人口众多，人均资源严重不足，可持续发展已经成为社会发展的方向，发展生态建筑材料得到了广大建材研究人员的认可。发达国家在生态建筑和生态材料方面的研究比我国起步早，有很多经验值得我们学习。我们可以避免发达国家在生态建筑材料研究方面走过的弯路，减少资源浪费和环境污染。另外，不同国家生态建筑材料的标准不同，我们应根据中国国情及资源特点发展中国特色的生态建筑材料。

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