煤基高性能炭素材料在建筑中的应用

□□ 李 季

(赛鼎工程有限公司，山西 太原 030032)

引言

煤炭资源是我国重要的自然资源之一，在社会经济发展中作出了突出的贡献。以煤炭为原材料，可以生产出沥青基碳纤维、活性碳纤维、炭分子筛、复合材料等高性能碳素材料。这些煤基高性能炭素被应用于建筑工程领域，在质量、环保、电力等方面发挥着重要的作用。因此，研究分析煤基高性能炭素材料在建筑中的应用具有重要意义。

1 煤基高性能炭素材料及性能

1.1 煤基高性能炭素材料

所谓炭素材料特指具有一定性能的炭制品和石墨制品。它们是以无烟煤、焦煤等作为主要原材料经过煅、焙和石墨化等加工而成。炭素材料除了本身的C元素之外，往往还具备微量的H、O、N等元素。常见的煤基高性能炭素材料包括有活性炭、炭分子筛、纳米碳材料等，被广泛应用于冶金、化工、机械、国防以及建筑等领域。

与普通活性炭相比，煤基超级活性炭的活性提高约3倍，是活性炭发展的绿色通道；一步法制活性炭的优势在于其简单的生产流程、产品的低烧蚀率或高回收率、可以期望除灰作用的综合效应来补偿其相对较高的成本缺陷,使之成为有实用价值的生产工艺。煤沥青基活性炭纤维和烃气相生长法生产活性炭纤维使炭纤维获得广泛应用，成为开发煤层甲烷和煤气化产品中烃的新途径。煤基纳米结构材料制备工艺的深入研究与精煤工艺的结合有望降低纳米结构材料的成本，从而使之得到更好的应用。

1.2 煤基高性能炭素材料性能

(1)耐高温性强。煤基高性能炭素材料在无氧环境中，能承受1 000 ℃以上的高温，且机械强度远高于其常温下的强度。如在室温环境中，煤基高性能炭素材料的平均强度约为20 MPa，而在高温环境中(2 500 ℃以上)其强度可以达到40 MPa以上。

(2)耐腐蚀性。煤基高性能炭素材料的耐腐蚀性较强，有机溶液或者无机溶液中，均不会出现溶解。即便是在强酸、强碱溶液中也具有较好的稳定性。

(3)无毒性。煤基高性能炭素材料具有无毒、无腐蚀性的特点，碳分子结构相对稳定，这使得以其为主要成分的材料稳定性更强，且具有一定的吸附性，是一种绿色环保材料。

1.3 常见的煤基高性能炭素材料

(1)聚甲醛。以无烟煤作为固体材料，甲醛作为主要气化剂，通过煤气化可以生产聚甲醛。聚甲醛(POM)作为一种工程塑料，在硬度、强度等方面的物理性能不弱于金属材料。相比较于金属材料，聚甲醛的低摩擦系数、耐热特点使得其韧性、疲劳性以及蠕变性相对尼龙材料更强，同时非金属材质也使得聚甲醛的电绝缘性优于金属材料。

(2)聚甲氧基二甲醚。聚甲氧基二甲醚也是无烟煤气化产品之一，主要利用无烟煤、甲醛、甲缩醛等来完成生产。聚甲氧基二甲醚是一种具有极强溶解性能的溶剂。在建筑工程领域，经常会用于建筑涂料来提升建筑物的美感，但建筑涂料本身具有一定的污染性，释放的污染气体会对人身产生损害。利用聚甲氧基二甲醚的无毒、高溶解特点，在建筑涂料中可以有效降解污染物，提升建筑材料的环保性能。

(3)聚乙烯。聚乙烯是一种热塑性树脂，其稳定性高、耐低温、耐酸碱以及电绝缘性使得其被广泛应用于各种行业。包括包装覆膜、电线绝缘、管材生产、绳缆鱼网等。在建筑工程中，无烟煤生产的聚乙烯随处可见，已经成为替代传统金属管材的重要材料。

(4)无烟煤残渣。无烟煤经过气化反应后，在高温燃烧后会产生大量的飞灰，危害人体健康和污染环境。这种飞灰经过处理就是所谓的粉煤灰。粉煤灰的孔隙率大约在60%～75%之间，粒径普遍<300 μm，具有高吸附性、亲水性以及表面化学活性等优点。在混凝土、砂浆以及工程回填中应用广泛。

2 常见煤基高性能炭素材料的建筑领域应用

2.1 煤基活性炭

活性炭作为一种多孔材料，可以通过木材、椰壳、煤炭等制作而成，相比较木质、椰壳等材料制作而成的活性炭，煤基活性炭的比表面积更大，且吸附性更强，同时煤基活性炭具有较高的化学稳定性和热稳定性，能够在强酸、强碱、高温、高热中存在。利用煤基活性炭的这些特征，可以对污水、饮用水的净化处理，或者吸附室内的有害气体，对空气进行净化。在建筑工程领域，煤基活性炭主要用途有以下两个方面：

(1)水净化系统。在建筑节能工程中，经常会对日常用水、雨水等进行回收再利用。在对雨水、日常废水进行净化过程中，可以通过活性炭的强吸附性能，将污染物进行吸附，从而完成中水的制作，再被应用到小区的绿化带浇灌、厕所冲洗等方面。如图1所示。

图1 雨水净化系统

(2)空气净化系统。有些建筑工程材料会释放出甲醛、氨等有害气体，危害居住在建筑物中人的身体健康。利用煤基活性炭分子结构大小的孔隙，过滤环境空气中的有机挥发气体,进而提高环境空气的纯净度，改善建筑物的室内污染现状。

2.2 沥青基碳纤维

以煤作为生产原料可以生产出多种各行业所需的材料，其中煤沥青是应用相对较广的材料之一。沥青基碳纤维是通过对煤焦油进行蒸馏之后制作而成的一种材料，具有较高的碳含量，从性能方面来讲，煤沥青具有防水、防潮、耐腐蚀、抗氧化等性能。因此。在建筑工程中其主要应用如下：

(1)环氧树脂沥青基涂料。这种涂料主要是在环氧树脂中加入了煤基高性能碳素材料，再与玻璃纤维形成一种具有较高粘结力、化学稳定和电绝缘的防腐涂料。工程应用过程中，经常将环氧树脂沥青基涂料涂抹于建筑基础工程的混凝土表面，在施工过程中首先对混凝土的表面基层进行清理，而然后涂抹一层防腐涂料和基层处理剂，最后涂刷环氧树脂沥青涂料，如图2所示。这样可以有效提高混凝土的抗腐蚀性能，尤其是一些具有强腐蚀性的环境当中，采用该材料可以解决混凝土构件的腐蚀、侵蚀等问题，提高了建筑工程的使用寿命。

图2 环氧树脂沥青基涂料屋面工程

(2)乳化沥青。相比较普通的沥青材料，乳化沥青的水乳性特点使得其在应用过程中更容易减少资源的浪费，有助于降低材料应用过程中有害气体的排放，具有节能环保等优势。作为煤基高性能碳素材料制作而成的材料，乳化沥青在建筑工程领域主要应用于防水、防腐等方面。在防水方面，由乳化沥青制作而成的防水材料，无毒、无污染且不会发生中毒、火灾等事故，施工安全系数相对较高，减少了对施工人员的伤害，通常被应用于屋面的防水工程。在防腐方面，乳化沥青对于一般腐蚀性的地下水、地下环境都有着较好的稳定性，同时也能防止大气中的一些具有腐蚀性气体对建筑结构的侵蚀。通常在施工过程中搭配苯甲酸钠和亚硝酸钠用于建筑工程的金属管道防腐，搭配醋酸苯氯等用于建筑工程的木材防腐。

2.3 煤基高分子复合材料

该材料是以煤作为主要原材料，通过与高分子聚合物，如聚乙烯、聚丙烯等混合处理所形成的材料，不同的高分子聚合物具有不同的材料特性，被应用于建筑材料、环保等诸多领域，具体应用如下：

(1)塑钢。以聚甲醛为主的塑钢是建筑领域应用较多的新型材料之一。塑钢已经成为传统铜、锌等金属材料的最佳替代品，门窗、护栏、吊顶材料中均有塑钢的应用。塑钢的多腔结构不仅建立了门窗内部的排水腔，有助于水的快速排出，减少了门窗受腐蚀的几率，而且塑钢的导热系数远低于金属，根据有关研究数据表明，采用塑钢门窗的建筑物，室内温度在夏季要比金属采用门窗的房间低5～7 ℃，冬季则要高出7～15 ℃。塑钢材料可以采用焊接工艺施工，加上中空玻璃的应用，可以提升门窗的降噪效果，在建筑中应用塑钢门窗，显著提高了建筑物的隔声效果，且相比较传统的建筑门窗，塑钢的价格远低于铜、铝等金属，降低了建筑工程的整体成本。如图3所示。

图3 塑钢材料在门窗上的应用

(2)PE管。该管材是煤炭与聚乙烯通过煤气化反应制作而成的材料，相比较传统的管材，PE管具有韧性好、密度低、强度高、耐腐蚀、绝缘性能好等特点，常被用于管材、覆膜等领域。在建筑工程中，PE管可作为排水管道，也可作为供热管道，在电线电缆中作为保护穿线管材应用。PE管的绝缘性减少了漏电事故，也有助于降低建筑工程的整体成本。

(3)建筑材料。煤基高性能碳素材料中的粉煤灰填充孔隙能力强，应用于混凝土，可以显著改善混凝土的水胶比，增强混凝土的强度。在砂浆中添加粉煤灰材料，一方面能够利用粉煤灰的颗粒特点，减少砂浆的用水量，从而改变砂浆的物理结构，有助于水化空间的形成；另一方面粉煤灰中含有大量的硅铝酸钙，在砂浆中与Ca(OH)2产生化学反应，可形成胶凝物质，有助于砂浆强度的提升。同时粉煤灰具备多孔隙的特点，在砂浆泌水的过程中，粉煤灰会漂浮在砂浆上层区域，提升了砂浆上表面的强度。

3 结语

综上所述，煤炭作为我国重要的能源和资源，其被广泛地应用于各行各业。在建筑工程领域，以煤炭为主制作而成的煤基高性能碳素材料在建筑工程的防水、防腐蚀、门窗、给排水以及电气等工程中得到大量的应用，在提升了建筑施工质量的同时，也解决了建筑工程高能耗、高污染的问题，推动了建筑行业的发展。