绿色环保建筑材料在工程中的应用研究

2022-05-04薛晗

建材发展导向 2022年8期

薛晗

(云南省建筑材料科学研究设计院有限公司，云南昆明 650221)

为响应国家绿色环保的号召，建筑材料行业纷纷加快技术研发，采用对环境友好的原材料，依靠高科技手段，把生产重点从传统的产品产量移向现在的清洁生产质量。传统的建筑材料通常使用不可再生资源，比如矿石、煤炭、石油等，对环境造成了无法修复的破坏。相比之下，绿色环保的建筑材料使用的原材料通常是居民生活垃圾、城市废弃物等材料，这样不仅不可减少对不可再生资源的使用，有利于生态保护，还可以降低生产厂家的采购成本。绿色环保的建筑材料有着无污染、能耗低、功能多的特点，包括生态水泥、环保再生混凝土、节能光电幕墙等，可广泛应用于各种建筑工程中，受到广大消费者的青睐，有利于建材行业发展，契合国家可持续发展战略。

1 绿色环保建筑材料的特点

依赖于科技的进步和清洁生产过程，绿色环保建筑材料有着无污染、能耗低、功能多的特点。

1.1 无污染

绿色环保建筑材料在研发过程中秉承着环保节能的理念，在生产中使用居民生活垃圾和城市废弃物等作为原材料。在应用于建筑工程过程中，注重对项目周围的生态系统的维护。既减轻了对环境的污染，也减少了对业主身体健康的威胁。

1.2 能耗低

绿色环保建筑材料在原料上使用的多数是生活和工业废弃垃圾，属于对资源的循环利用，有效降低了工程项目对不可再生资源的消耗，降低了施工成本。且绿色环保建筑材料采用的都是更加现代化的高科技手段，相同的工程量，绿色环保建筑材料的消耗量要低于传统建筑材料的消耗量。

1.3 功能多

绿色环保建筑材料是多种工艺融合在一起的生产材料，不仅兼具传统建筑材料的优势，在安全性、实用性、耐用型、经济性等方面都要优于传统材料，还能够降低生产成本，优化建筑施工的质量，提升建筑的使用年限，提升业主居住的安全感和幸福感。

2 绿色环保建筑材料的种类

目前，建筑市场上越来越多的生产厂家开始加大对绿色环保建筑材料的研究投入，节能环保材料的种类也比较多，在建筑施工中也得到越来越广泛的应用。下面将对常见的节能环保建筑材料进行探讨。

2.1 生态水泥

随着城市的发展，人们生活水平得到提高，城市中形成了许多废弃物，包括：工业废弃物、城市建筑垃圾、污水污泥等。对这些废弃物处理的传统的方式是进行填埋或者焚烧，然而这些处理手段并不能完全消除对生态环境的污染。要想再深一步减少对环境造成的污染，最好的方式是对这些固体废弃物进行再次加工利用。

生态水泥和传统的水泥的生产原料不同，采用城市固体废弃物为原料。城市固体废弃物包含的内容十分多，可作为水泥代用原料的有造纸焚烧灰、高炉矿渣、粉煤灰、废石膏、高炉矿渣以及下水道污泥等，可作为水泥代用燃料的有废油、旧轮胎、废塑料、废橡胶、活性炭污泥等。国内成功利用城市固体废弃物作为水泥原料生产生态水泥的研究生产机构很多，比如：金隅集团、北京水泥厂用水泥窑余热干化污泥的技术生产水泥，上海水泥厂利用污泥替代黏土，同济大学利用污泥煅烧水泥熟料等。城市固体废弃物焚烧后产生的烧却灰，主要的化学成分与普通水泥原料石灰石、硅砂等含有的成分相同，比如SiO、AlO、FeO、CaO等。生态水泥的制备工艺与普通水泥基本相同，经过粉碎、处理、配料、烧成等工序烧制而成。0.5t城市固体废弃物烧结灰，加上0.3t下水道污泥，再加上0.3t用来调整化学成分的天然原料。经过生料制备和烧成工序后可以得到0.85t的熟料，最后在制成工序掺入0.15t石膏，粉磨后即成1t的生态水泥。

由于生态水泥在制备过程中，所采用的原材料成本更低，产生的CO含量更低，但是其性能与传统水泥能保持一致，大大降低城市垃圾给环境造成的影响，进一步有效控制环境破坏程度，更加符合可持续发展的需求。

2.2 环保再生混凝土

目前，建筑施工过程中的剩余混凝土和拆除废旧建筑物的废弃混凝土数量巨大，其中在拆除废旧建筑物的过程中产生的废弃混凝土高达40%左右。而在城市发展和乡村改造建设中，比如道路施工、地铁建设，对混凝土的需求量在持续增长。这些废弃混凝土如果不加以解决利用，将会对环境造成严重的污染，对资源造成严重的浪费。

环保再生混凝土便用这些废弃混凝土代替石灰石成为生产骨料。在生产过程中，先把废弃混凝土经过清洗和破碎。目前，废弃混凝土的破碎技术比较成熟，针对破碎原料粒径的不同，破碎类型也不同，分为3种（见表1）。

表1 废弃混凝土破碎类型

在处理废弃混凝土的过程中，筛除淘汰了废弃混凝土中所包含的软质颗粒，改善了颗粒不规则的情况，但产生的棱角效应、粗糙度增加和固定性增强的效应则被保留，更加优化了粗骨料的质量。由于废弃混凝土中获取的骨料经过了反复的筛析处理，再生粗骨料自身的强度得到了进一步提升，比原混凝土具有更多的优良特性，比如吸水率提高、表面微孔多、水硬性等。把经过处理所得的砂浆集料重新加入混凝土之中，进行均匀的搅拌，会产生全新的结晶共生水泥浆，进一步增加了混凝土的密实度，增强了砂浆集料与水泥石的粘结力。环保再生混凝土技术大大降低了能源耗量，减少了资源浪费。

2.3 节能光电幕墙

玻璃幕墙通常应用于现代建筑中，但传统的玻璃幕墙在实际的办公、居家使用中，存在一些弊端。据统计，我国的一些大型城市的建筑能耗约为城市总能耗的25%。虽然在性能上实现了夏季吸热冬季散热，但是带来了极大的能源消耗。

光电幕墙是一种新型的节能幕墙，是利用光电转换的原理，通过安装光电池和光电板，把吸收的太阳能转换为日常所需的电能。在使用光电池过程中，不会产生任何噪音和污染，且使用寿命长。光电板属于膜片型光电池，它的外观看起来更像是带有颜色的玻璃，外表美观。一部分阳光通过光电板照入室内，保证了室内的采光，另一部分阳光通过光电转化原理，把太阳能转化为电能。太阳能通过光电板转化的电能为直流电，光电池先把这些直流电保存，随后再利用变电装置把直流电转化为交流电，供业主日常使用。在安装光电板时，通常与建筑外观有一定的倾斜比例，这样不仅可以起到遮阳的效果，还更有利于收集利用太阳能。光电幕墙不仅具备了传统玻璃幕墙的采光、隔音、保暖和装饰性能，还兼具了发电的功能，降低了居住成本。而且光电幕墙的发电过程不会形成任何的噪音和有害物质，体现了目前工业发展的环保节能趋势。

3 绿色环保建筑材料的应用

3.1 生态水泥的用途

生态水泥一般分为2种，一种是普通型生态水泥，另一种是快硬型生态水泥，化学成分比例（见表2）。

表2 生态水泥的化学成分比例表(%)

普通型生态水泥在制备初期，可以通过控制原料中氯和碱的比例，在烧结过程中，氯被灰固结，最终降低生态水泥产品的含氯量，约0.1%。由于含氯量较低，普通型生态水泥应用范围较广，可以用于一切混凝土中。

快硬型生态水泥在加水后熟料中的氯铝酸钙立即水化形成钙矾石（3CaO·AlO·CaSO·32H0），同时硅酸三钙立即水化成为水化硅酸钙（C-S-H），早期强度高，比传统水泥的凝固时间短，属于快硬水泥。在施工过程中，可以添加缓凝剂，或者与普通水泥混用来延长凝固时间。另外，由于快硬型生态水泥含氯量较高，约1%，一般用与耐氯混凝土构件和素混凝土中，还可以用于湿地沼泽等软弱地基中，作为地基加固加固剂使用。

3.2 再生混凝土的应用

废旧混凝土经过破碎后作为粗骨料或者细骨料与其他材料混合后制成再生混凝土，作为建筑工程材料应用比较广泛。通常应用于工程中的再生混凝土包括再生混凝土小型砌块、再生混凝土砖、再生混凝土碎渣等。

再生混凝土小型砌块可以应用于项目边界围墙、建筑非承重墙体处。项目边界围墙的作用为围护项目、分隔区域和保护隐私。通常，围墙的上部采用金属隔墙，材料为型钢或者铸铁，下部采用小型砌块筑成。也有少数的项目边界围墙全部由小型砌块筑成。但是总体来说项目边界围墙的整体高度都较低，使用再生混凝土小型砌块代替原生混凝土砌块将不会影响到围墙的围护、分隔及保护隐私的作用。建筑非承重墙体的作用主要是分隔室内格局，不具备承重荷载的作用，对建筑的整体安全性能不构成威胁。再生混凝土小型砌块代替自然资源加工的混凝土砌块构筑建筑非承重墙体处，可以起到基本的分隔和围护作用，对建筑的整体隔音、保温防水性能基本没有影响。

再生混凝土还可以制成空心砖和实心砖。城市的人行道基本上以行人为主，少数时候会有自行车行驶，不会有汽车行驶，因此人行道的荷载较低，可以使用再生混凝土空心砖铺设。另外，再生粗骨料的吸水率（3.3）比天然粗骨料的吸水率（1.4）高2.34倍，制成的再生混凝土空心砖透水性好，铺设在人行道还可以加速地面水渗入到地表中，缓解特大降水给城市道路带来的压力，有利于建设“海绵城市”。再生混凝土还可以制实心砖，替代模板作为砖胎膜。砖胎膜是指用混凝土砖砌筑成的模板，用于定型浇铸的混凝土。砖胎膜主要用于地下部位，比如底板侧壁或者地下井坑等。地下部位的砖胎膜都要做防水处理，这种防水方式为外防水，需要在垫层上做防水层并将防水层先附着在混凝土墙的侧壁上。如果采用木板作为模板，木质的伸缩性能可能会引起防水层开裂，进而导致浇筑完成的混凝土侧壁防水层开裂，极大影响了地下建筑的防水防潮作用。而且，砖胎膜只是作为模板，不作任何荷载承重作用，因此再生混凝土完全还可以制成实心砖代替原生材料作为砖胎膜使用。

废旧混凝土经过打碎后产生不同粒径的混凝土碎渣，这些再生混凝土碎渣可以有效应用到建筑基础及道路面层中。建筑基础中的一个重要工程就是碎石垫层，通常是由不同粒径的级配碎石和素土组成。一般来说，级配碎石是通过对矿山资源的开采加工制成。由于建筑工程对级配碎石的需求量大，无疑加重了不可再生资源的消耗程度。废旧混凝土经过加工破碎得到的不同粒径粗骨料，其表面密度（2655kg/m）与天然粗骨料的表面密度（2670kg/m）大致相同，可以替代同级别天然级配碎石使用。另外，再生混凝土碎渣还可以用于道路建设中。

3.3 节能光电幕墙的应用

节能光电幕墙是将光电与建筑结合的一种光伏技术，除了兼有传统玻璃幕墙的保温、隔音、采光和美观作用外，还能够把太阳能转化为电能供日常使用，不仅能够节约资源，还可以降低业主的生活成本。

节能光电幕墙通常安装于建筑物受太阳照射时间较长的位置，以保证光电转化性能最大化。在安装光电幕墙中，单晶硅太阳能、多晶硅太阳能和非晶硅薄膜太阳能电池可以搭配使用，要考虑到太阳的入射角度，一般来说，太阳入射角度越小越好。光电幕墙建筑一体化技术，不仅节约了用地，基建等费用，还省去了玻璃幕墙所需的建筑装饰材料。采用简单回收法对光电幕墙建筑一体化进行估算后可以看出，从长远角度来看，采用高效、低价的光伏技术，加上公共电网价格上涨的因素，光电幕墙的简单回收期预计在10～20年。由于光电幕墙是依靠光能转化电能的技术，不同地理位置，不同的太阳光照时长将会是影响光电幕墙发挥作用的关键。而恰好昆明靠近北回归线，地处低纬度，海拔较高，日照时间相对比同纬度的其他城市要长。据统计，昆明夏至晴天时的日照时间长达14h，冬至虽然白昼时间较短，但是晴天时的日照时间也有10h。另外加上昆明晴天多，雨天少，使用节能光电幕墙将会更加节省能源，有利于生态环境保护。