生态建筑材料研究开发新技术评述

2012-08-07刘国志

河南建材 2012年6期

刘国志

中铁十五局集团有限公司沙特分公司（471013）

生态建筑材料指健康型、环保型、安全型的建筑材料。其具有良好的使用性能，对资源和能源消耗少，对生态环境污染小，可再生资源利用率高，在设计、生产、使用到再生循环利用的生命周期全过程中与生态环境相协调。此类材料具有如下特点∶1）先进性，即能为人类开拓更广阔的活动范围。2）环境协调性，即能使人类的活动范围同外部环境尽可能协调。3）舒适性，即能使人类生活更繁荣、舒适[1]。生态建材主要包括天然建材、循环再生建材、低环境负荷建材和环境功能性建材等。

1 生态建材发展的基本原则[2]

生态建材要从材料的生产原料、生产过程、使用过程、使用工程和废料处理5个主要环节综合考虑它对生态平衡的利弊关系，除满足建筑材料的基本实用性外，还要能够维护人体健康、保护环境。其基本原则∶1）建立建筑材料生命周期(LCA)的理论和方法。2）以最低资源和能源消耗、最小环境污染的代价生产传统建筑材料。3）发展大幅度减少建筑能耗的建材制品。4）开发具有高性能长寿命的建筑材料。5）发展具有改善居室生态环境和保健功能的建筑材料。6）开发工业废弃物再生资源化技术。7）发展能治理工业污染、净化修复环境或能扩大人类生存空间的新型建筑材料。8）扩大可用原料和燃料范围。

2 国内外生态建材研究开发新技术

自20世纪60年代，很多的建筑师就开始使用生态建材，尤其是欧美的一些发达国家，在生态材料的研制方面取得了显著的成效。

2.1 天然建材

天然建材包括天然矿物、木材、土材、剑麻等。近年来木材在发达国家重新得到发展和应用，特别是经过特殊处理的胶合木，在保持了木材的传统美观和设计强度的同时,还具有超强的耐火能力、绝缘性和尺寸稳定性能，可制作大跨度的直线或拱形构建，适用于建造各种不同类型的公共建筑，成为一种很有前途且利于环保的新型建材。在可持续发展要求之下木构建筑再次显示了它极其旺盛的生命力。欧洲一些具有先进意识的建筑大师们已成功地探索了当代木构建筑的发展。而我国如能正确理解木构建筑体系这种新发展、重新认识木建构文化传统，将为我国的建筑文化发展提供十分有意义的新思想[3]。

2.2 循环再生建材

选择使用能够循环使用和再利用的建筑材料，是生态建筑设计的另一个考虑因素。实际上现在建筑材料的耐久性与以前相比已经有了很大的提高，循环使用不会有安全上的隐患。如旧建筑的改造其实就属于建筑材料的再利用，这一方面会保持历史的延续性,另一方面又可以节省大量的能源消耗。建筑材料的循环利用则是针对那些无法再利用的材料经过特殊的加工处理,可以用来生产建筑材料，进行循环利用，这虽然也要消耗一定的能源，但是对于资源的节约使用,特别是稀缺资源的节约作用，总体来说利大于弊。同时，这对于减少建筑废弃垃圾、减少对自然系统的破坏都有重要意义。2004年在上海建成的生态示范楼中就使用了一种名为“再生骨料混凝土”的材料，即可把炼矿废渣、建筑垃圾制成骨料,其再生混凝土新料用量只有普通混凝土的1/3,但强度却毫不逊色[4]。

2.3 低环境负荷建材

指在其寿命周期的整个过程中具有低的环境负荷值，即对环境的负面影响相对最小。传统的建材产品的生产消耗大量的能源、资源，环境负荷非常严重。减少环境负荷和利用工业废弃物生产高性能的建筑材料是生态建材的一个重要方面。具有代表性的新型材料有；节能、节资源、环保型水泥、低水泥耗量的高性能绿色混凝土以及利用工业废弃物生产的高性能建筑材料等等，其优点在于；有效地利用废弃物为原料，降低烧成温度，节约能源，同时也减少了CO2、SO2、粉尘等有毒物质的排放量。

2.4 环境功能性建材

具有净化、治理、修复环境，不形成二次污染，易于回收或再生等特性和功能。目前正在研究开发中或已取得阶段性成果的这类材料主要有；光催化分解氮氧化物、除臭、杀菌的生态建材；抗菌、防霉的建筑卫生陶瓷和涂料；具有红外辐射保健功能的内墙涂料；可调湿度的建筑内墙板等。

1）节能调温建材

在建筑物采用节能设计的基础上，建筑节能材料的应用研究成为建筑节能的研究方向之一。调温材料是利用相变材料在相变点附近低于相变点吸热，高于相变点放热的性质，将能量储存起来，达到节能调温的目的。隔热材料在建筑墙体中使用，使建筑物与外界减少能量交换，达到节能目的。

2）舒适功能建材[5]

调湿材料首先在日本发展和应用起来。日本首先将调湿材料应用于博物馆、资料馆、图书馆和书库等大型建筑中，对文物保护起到了很好的效果。近年来，日本已将调湿材料应用到民用住宅。我国从1990年开始调湿材料的研究，但至今没有形成产品，中国建筑材料科学研究院现在从事调湿材料的开发研究。调湿材料主要有木纤维、天然吸湿性材料（如石膏）、天然多孔矿物材料（如硅藻土、蛭石、海泡石等）和其它非晶多孔材料等。

3）健康功能建材

室内环境的污染主要包括微生物污染、有害化学气体污染和物理污染。根据不同的污染物，利用不同机理来净化室内环境是室内环境健康材料所必须的。

4）抗菌建材-抑制微生物污染[6]

抗菌材料首先在日本发展起来,在我国2003年的SARS流行告诉人们发展抗菌材料的重要性。中国建筑材料科学研究院是国内较早开始抗菌材料研究单位之一，其在抗菌建材方面的工作也反映了抗菌材料和抗菌建材在我国的发展过程。国内，目前抗菌材料已经制订和正在制订的标准共有4个，《抗菌塑料标准》于2003年10月开始实行,《抗菌剂标准》正在由抗菌协会制订过程中。抗菌建材中的抗菌剂主要为无机抗菌剂,主要包括离子型抗菌剂、金属盐抗菌剂和纳米半导体催化材料。金属盐抗菌剂主要应用于抗菌陶瓷、纳米半导体催化材料和金属离子抗菌剂主要用于涂料和其它日用品。

5）空气净化功能建材-减少室内空气的化学污染[7]

净化空气材料主要包括吸附材料和纳米半导体光催化材料。除了由于建筑材料、装饰装修材料和吸烟以及家用洗涤剂、杀虫剂带来的污染外,人体的排泄和分泌物也是影响室内空气质量的一个重要因素。室内空气的污染以有机气体为主。所以，氧化分解和吸附分解是治理室内空气污染的主要机理。利用TiO2的光催化作用除臭、抗菌、净化空气，是净化室内空气污染，改善环境质量的主要科技方法。科技界不断对纳米TiO2进行改性研究，使吸收光向长波方向移动，量子效率增加，太阳能利用率增加。由于纯催化材料产生的羟基自由基对有机高分子材料的氧化分解作用，影响了其在涂料等有机材料中的应用，但随着科技的进步，许多TiO2的复合材料相继出现，如用无机材料包覆TiO2，用其它的无机矿物材料担载TiO2的研究都取得了较好的效果，并开始应用于建材。

6）防噪音、防射线建材—减弱物理污染

住宅中采用隔音材料，对维护人的身心健康具有重要意义。采用多孔材料和压电热电材料，能够吸收声波能量减小噪音，吸收电磁辐射减小电磁污染的作用。

7）产生负离子功能建材（森林功能建材）—提升室内空气质量

细菌、原生物、高标植物、昆虫、动物和人对空气离子都有反应。例如，无论正离子还是负离子都能抑制固体界面上的细菌和霉菌的生长，对悬浮在小水滴中的细菌产生致命的影响，减少空气气溶胶中细菌的数量。空气负离子可以促进人体心脏细胞的繁殖，而正离子则减缓其繁殖。影响室内空气负离子浓度的因素包括人员密度、污染物浓度、家用电器装饰材料的使用等。一些建筑材料，特别是涂料具有诱发空气产生负离子，改善室内空气质量的功能。

2.5 利用可再生能源的复合型材料

1）TIM[8]

20世纪90年代出现了一种透明绝热材料，简称TIM。可将TIM与外墙复合成透明隔热墙，简称TIW。TIW由保护玻璃、遮阳卷帘、TIM层、空气间层、吸热面层和结构墙体组成。不仅可以得到太阳辐射热，还可以得到TIM的反射能。TIM层在黑色吸热面外侧，在冬季可阻止吸热面向室外散热，在夏季可避免室外过多的热量进入室内。玻璃内的遮阳卷帘（卷帘外表面为高反射面）可调节抵达墙面的太阳辐射量。

2）玻璃材料

在这一领域陆续出现了吸热玻璃、热反射玻璃、低辐射玻璃、电敏感玻璃、调光玻璃、电磁波屏蔽玻璃等。可将它们组合成复合的构造形式来达到生态建筑的保温和采光要求。

3）太阳能光电材料[9]

太阳能电池可与建筑材料和构件融为一体，形成一种崭新的建筑材料，如太阳能光电屋顶、太阳能电力墙及太阳光电玻璃。可以获取更多的阳光产生更多的能量；不会影响建筑的整体美观；集多个功能于一身，如装饰、保温、发电、采光等等。

3 结语

发展生态建材不仅可以解决传统建材的环境、资源问题,还能为社会的可持续发展作出贡献，也是提高我国建材科技水平、促进建材行业技术进步、实现我国建材工业可持续发展的根本途径。当前生态建材发展的趋势为∶多功能化、复合化、传统建材与环境功能建材一体化。单一建材的特性和功能往往难以满足生态建筑对建材综合性能的要求，材料复合化技术可以通过加和效应、光催化效应和耦合乘积效应，开发出传统的建材并不存在的新功能。