绿色建筑材料在土木结构耐久性设计中的应用研究

杨凯，王珍吾

(井冈山大学建筑工程学院，吉安 343000)

1 前言

随着社会的发展，人们对建筑质量的要求日益提高。据统计，我国建筑安全事故中，超过70%的事故原因与结构设计及材料选择相关。土木结构作为建筑的重要组成部分，其耐久性直接影响着建筑寿命。因此，如何提高土木结构的耐久性，成为当下建筑行业亟待解决的问题。

2 绿色建筑材料的分类及特点

绿色建筑材料按原料来源可以分为三大类：自然材料、工业副产品材料和复合材料。第一类是直接利用自然材料，如泥土、木材、竹子等。泥土具有良好的热储存性能，其热导率仅为0.87 W/（m·K），是理想的墙体保温材料；木材来源广泛可再生，杉木的抗压强度可达到56 MPa，松木的抗拉强度可达到88 MPa；竹子生长迅速，密度仅为0.4 g/cm3～0.7 g/cm3，抗压强度高达40 MPa，可制成地板、墙板等装饰材料。这类材料原料可再生，加工过程污染小，完全符合绿色环保的要求；第二类是利用各种工业副产品。这类材料是由各类工业生产过程中产生的副产品或废弃物开发利用而得到的绿色建材，如粉煤灰、矿渣、尾矿砂、炉渣等。这类材料弥补了自然材料力学性能不足的缺点，它们大量存在，原本需要额外处理，再利用不仅节约资源且降低成本。例如，粉煤灰可用于生产轻质墙体材料、砖、板材等；第三类是工业合成材料，是经复配组合后制成的新材料。表1 为常见的几种工业合成绿色建材。

表1 常见的几种工业合成绿色建材

绿色建材是一种集环保、高性能、可持续发展多重优点于一体的创新型材料。绿色建材在生产过程中对环境影响较小，可降低资源消耗，其生命周期各阶段的碳排放量也较传统材料更低。例如，利用碎石残渣、粉煤灰等工业废弃物制成的混凝土新材料，可以有效利用废弃资源，减少采矿过程对环境的破坏。绿色建材本身含有的VOC 排放量低，使用后可改善室内环境质量，降低“室内污染”[1]。就材料性能而言，绿色建材通常比传统建材有更高的强度和耐久性，并具有较好的保温隔热性能。

3 绿色建筑材料对土木结构耐久性的影响

3.1 提高土木结构的抗腐蚀性

土木结构中很多材料长期受到外界环境的影响后，会发生不同形式的腐蚀反应。以混凝土结构中的钢筋腐蚀为例，钢筋容易受到氯离子的影响，氯离子可以渗透到混凝土内部，破坏钢筋周围的受保护性氧化膜，使钢筋暴露在空气和水分中，这会促进金属离子的溶解，钢筋发生阳极溶解反应如下：

同时，氧分子在钢筋表面发生还原反应如下：

上述反应会导致钢筋周围pH 值升高，继而破坏混凝土与钢筋之间的黏结。绿色建筑材料中含有矿物掺合料等可替代部分水泥的材料，这些材料具有吸附氯离子的能力，可以减缓氯离子对钢筋的侵蚀作用。某些绿色建材可生成稳定的钝化膜覆盖在钢筋表面，防止钢筋直接接触腐蚀介质。利用工业副产物精炼的轻质骨料也可以提高混凝土结构的密实性，降低氯离子的渗透性。针对钢结构腐蚀问题，可以采用无机涂料等绿色涂料对钢材表面进行预处理，生成致密耐久的防腐蚀涂层，从而提高钢结构的使用寿命。相较于未处理的钢材，氟碳涂料处理过的钢材，在3.5%NaCl 溶液中经过15 天腐蚀后，腐蚀深度从120μm 减缓到80μm，抗腐蚀性能提高了33%。

3.2 提高土木结构的抗冻融性

在寒冷地区，土木结构材料会遭受冻融循环的影响，这会对建筑结构的稳定性和使用寿命产生不利影响[2]。水进入毛细孔内，在低温条件下形成冰晶，冰晶的体积比液态水体积增加9%，这会在结构内部产生较大的膨胀压力。根据相关研究，混凝土在一次冻融循环中，抗压强度会下降5%左右，图1 为冻融循环对混凝土抗压强度的影响。

图1 冻融循环对混凝土抗压强度的影响

长期冻融循环会导致混凝土出现开裂、剥落、龟裂等损伤，严重影响建筑结构的承载力，钢材也会在冻融循环中发生锈蚀。传统的防冻措施如空气泡混凝土、塑性混凝土等材料的抗冻融性有一定的局限性。绿色建材中的一些新型混凝土材料能够有效改善结构的抗冻融性能。例如，采用绿色固化材料部分替代水泥，可提高孔隙率，增大抗冻融隔温层；采用液态氮处理可得到较佳的细孔结构，水分不易积聚，冰晶膨胀压力显著下降。钢材方面，添加纳米二氧化硅涂层，可提高钢材的耐蚀性，冻融循环300 次后锈蚀率低于0.1%。

3.3 提高土木结构的抗震性

在地震发生时，土木结构会受到地震波产生的动态作用，导致结构产生振动甚至破坏。因此，提高土木结构的抗震性对于保证结构安全至关重要[3]。土木结构的抗震性能主要取决于其刚度、韧性、延性、能量消耗能力等。刚度较大的结构，其自振周期T 越短，可避开地震波的长周期成分，从而减小地震反应。自振周期T 可以表示为：

其中m 为结构质量，k 为结构刚度。韧性好的结构，能吸收较多的地震能量，延迟结构损坏，延性好的结构能够承受较大变形而不会突然破坏。结构抗震设计中常用结构节间位移角θ 来表示结构延性，θ 越大，表示延性越好。结构抗震设计中也会计算结构的延性系数μ，用于评价结构的延性水平，μ 可以表示为：

其中θy为结构产生屈服时的位移角，μ 越大表示延性越好。绿色建材中的一些新型复合材料可以极大地提高结构的抗震性能。例如，钢纤维混凝土的抗拉强度可提高几十倍，延性可提高数十倍，使其具有良好的韧性和延性。在地震作用下，钢纤维可有效约束混凝土内的微裂缝扩展，增强混凝土的韧性、延性和能量消耗能力，提高抗震等级。

4 绿色建筑材料在土木结构耐久性设计中的应用

4.1 绿色建筑材料在混凝土结构中的应用

混凝土结构中通常使用高性能混凝土和自修复混凝土提升土木结构耐久性。高性能混凝土指的是抗压强度高于C60 的混凝土，它具有高强度、高延性、高抗渗性和高抗裂性等特点[4]。高性能混凝土的抗压强度可达100 MPa～150 MPa，抗拉强度可达10MPa～12 MPa，具有较高的承载能力。高性能混凝土内部的微观结构更为致密，胶凝材料用量较高，矿物掺合料细度好，水灰比低，混凝土内部空隙少，水渗透系数低至10 m/s～12 m/s，抗渗性能明显提高，提高了混凝土结构的抗腐蚀性和防水性。高性能混凝土的延性好，抗裂能力强，混凝土开裂后仍能传力，防止裂缝进一步扩展，提高了抗震性能。在土木工程结构设计中，采用高性能混凝土可显著提升桥梁、涵洞、地基等土木结构的整体耐久性。例如，在桥梁工程中使用高性能混凝土，可减小桥梁板桥厚度，提高桥梁整体刚度，增强桥梁的承载能力和抗震性能。

自修复混凝土是在普通混凝土基础上添加了特殊的自修复成分，这种混凝土具有检测损伤和自动修复的能力。目前常见的自修复混凝土有两大类：胶胶复合材料自修复混凝土和微胶囊修复混凝土。胶胶复合材料是将修复胶体填充于混凝土内部空隙和微裂缝中；微胶囊材料则是将聚合物封装在毫米级胶囊中，分散于混凝土基体，当混凝土开裂时胶囊破裂，修复材料得以释放并填充裂缝[5]。

4.2 绿色建筑材料在钢结构中的应用

钢结构的抗腐蚀性直接关系到建筑的耐久性和使用寿命。采用绿色建材来提高钢结构的抗腐蚀性，是建筑可持续发展的重要途径。镀锌板是目前应用较为广泛的绿色建材之一,钢材表面镀上锌层，能够形成牢固的钝化膜，从而阻止钢材与空气及水分接触，大大提高了抗腐蚀性。镀锌板的锌层厚度每增加1μm，其抗腐蚀寿命可延长1.5 倍。目前市场上主流的镀锌板锌层厚度为275 g/m2，使钢材的使用寿命可延长至100 年以上。在钢结构建筑中，大面积采用镀锌板制作楼板、墙板、屋面等，既可发挥绿色材料的优势，也可显著提升钢结构的整体耐久性。氟碳涂层是新型的绿色涂料，可用于钢结构的抗腐蚀处理。它利用氟素的特性形成稳定的碳氟键，使涂层表面极难被氧化或水解，从而阻隔钢材与外界环境的接触。与传统的环氧涂料相比，氟碳涂层的耐候性更佳，涂层厚度0.1 mm 即可使钢材使用寿命延长20 年以上。氟碳涂层可喷涂于钢结构表面，如钢柱、钢梁等，能有效提升钢结构的长期抗腐蚀性能。聚氨酯涂料广泛用于钢结构防腐领域, 它利用双组分聚合反应形成稳定的网络结构，并富含羟基、氨基等官能团，可与钢材表面形成牢固的化学键合。这种涂层具有极强的耐候性、耐化学性和机械性，可使钢材的耐腐蚀性提高10 倍以上。

4.3 绿色建筑材料在砌筑结构中的应用

砌筑结构作为一种传统的土木建筑形式。普通砌筑材料如天然石材、粘土砖在使用寿命方面存在缺陷，较易受到风化剥蚀、温湿度变化等自然因素的影响，从而降低结构的整体耐久性。应用绿色环保的建筑材料对提升砌筑结构的抗候性能具有重要意义。首先，采用混凝土中掺入工业副产物处理后的轻质骨料等可再生材料，可降低混凝土的自重,并改善工艺性能，提高抗压强度至30 MPa 以上，从而增强混凝土砌块的抗风化、抗渗透能力。此外，辅以高性能界面处理剂进行表面处理，可形成划痕自修复保护膜，抑制裂缝扩散，提高结构抗冲击能力。除此之外，采用混凝土外加化学掺合料或无机复合表面涂料，可赋予砌块光催化功能，降解沉积在表面的污染物，起到自清洁作用，提高抗污染能力。

5 结论

综上所述，本文对绿色建筑材料的分类、特点及其在土木结构耐久性设计中的应用进行了较为系统的研究。研究表明，绿色建材的使用可以提高土木结构的抗腐蚀性、抗冻融性和抗震性，在混凝土结构、钢结构和砌体结构中的应用效果显著。这为推广绿色建材的使用，提高建筑结构的耐久性提供了理论依据。今后还需进一步研究不同绿色建材的配比设计及其经济效益，以实现绿色建材在土木结构中的大规模应用，有效服务于绿色和可持续发展的建筑事业。