绿色建材在当代土木工程中的应用
中国矿业大学建筑工程学院
张雷
摘要：介绍绿色建材的定义，特征于分类，对现代土木工程中出现的绿色建筑材料做归纳，阐述绿色建材的功能及应用前景，对现在市场上绿色建材存在的问题做出分析并提出解决办法。
关键字：土木工程材料，绿色建材，前景，问题
一 引言
土木工程材料是土木建筑的基础，合理地使用土木工程材料，充分发挥材料的性能不仅对土木工程的安全，实用，美观，舒适等有重要影响，并且还会对自然环境产生很大的影响，因此随着人们对环境保护和可持续发展的越来越重视，绿色建材也得到了更加广泛的使用，成为了当代土木材料发展的一大趋势。传统的土木工程材料包括：钢材、木材、砌筑材料、气硬性无机胶凝材料等等，但是其生产，利用及回收过程中会消耗大量的资源并且带来严重的环境问题，因此人们开始寻找既能满足材料性能要求，又不破坏环境并且能合理改善建筑环境的生态建材——“绿色建材”。绿色建材的首次提出是在1988国际材料科学研讨会上，1992年联合国召开了环境于发展大会并于1994年可持续发展小组，随后国际标准化机构ISO也开始讨论和制定环境谐和制品的标准化(ECP)，大大推动了国际绿色建材的发展。我国于20世纪九十年代开始了绿色建材的研究和宣传，并开始制定相关的标准。1999年召开了首届全国绿色建材发展于应用研讨会，有力促进了我国绿色建材的发展。2005年10月建设部、科技部印发绿色建筑技术导则、我国〈绿色建筑评价标准〉GB/T 50378—2006要求：在建筑的全寿命周期内，最大限度地节约资源(节能、节地、节水、节材)、保护环境和减少污染，为人们提供健康、适用和高效的使用空间，与自然和谐共生的建筑，并制定了未来建材工业循环再生、协调共生、持续自然发展的原则。
二 绿色建材的定义，特性，分类及评价标准。
绿色建材的至今没有较为统一的定义，传统的定义为于生态环境相协调的建筑材料。1992年国际学术界给绿色建材定义为：在原料采取、产品制造、应用过程和使用以后的再生循环利用等环节中对地球环境负荷最小和对人类身体健康无害的建筑材料。
不论对于绿色建材怎样定义，其一般都公认有如下基本特征：
1、在生产过程中，以高新技术为基础，尽可能少地使用天然资源和能源，大量采用尾矿、废渣和废液等废弃物。不产生过量的有毒有害物质或废料。不得使用甲醛、卤化物或芳香族碳氢化合物，产品中不得含有汞、铝、铬及其化合物。大掺量粉煤灰混凝土可以说是这个方面的一个例子。
2、采用低能耗的制造工艺和不污染环境的生产技术。如环保型高性能贝利特水泥(C2S为熟料的主要矿物，含量大于60％)，其烧成温度为1200~C~1250~C，节能25％ ，CO2排放量减少25％以上。
3、在产品配制和生产过程中，不得使用甲醇、卤化物溶剂或芳香族碳氢化合物，产品中不得含有汞及其化合物，不得用铅、镉、铬及其化合物的颜料和添加剂。
4、产品不仅不能损害人体健康，而应有益于身体健康，具有多功能化，如抗菌、除臭、隔热、防火、防射线、抗静电等。如在建筑卫生陶瓷的釉料或涂料中加入少量TiOz光催化剂、银铜离子型抗菌剂、稀土激活抗菌剂等可以制成具有抗菌、防霉功能的建筑卫生陶瓷或涂料。
5、产品可循环或回收利用，不产生二次污染物。例如木结构建筑，低污染、可循环、环境友善。
绿色建材常见的分类有：
1.基本型。满足使用性能要求和对人体无害的材料，这是建材的最基本的要求。在其生产及配制程中不得超标使用对人体有害的化学物质，产品中也不能含有过量的有害物质如甲醛、氨气、VOC 等。
2.节能型。采用低能耗的制造工艺，如采用免烧低温合成以及降低热损失，提高热效率，充分利用原料等新工艺新技术和新设备，产品能够大幅度节约能源。如节能20%以上的保温材料等。
3.循环型。制造和使用过程中利用新工艺新技术，大量使用尾矿废渣污泥垃圾等废弃物以达到循环利用的目的。如日本用下水道污泥制造生态水泥、用垃圾焚烧渣灰生产陶质绿色建材等，产品可循环或回收利用率达90%以上，真正做到变废为宝，降低了对环境的污染。
4.健康型。产品的设计是以改善生活环境提高生活质量为宗旨，产品为对人体健康有利的非接触性物质，具有抗菌防霉除臭隔热调温调湿消磁防射线抗静电产生负离子等功能。
对于绿色材料的评价并没有统一的标准，一些国家采用LCA （Life-cycle assessment）法，即寿命全程评价法。LCA是指一个产品从原料取得阶段开始到最终废弃物处理的全过程中对社会和环境影响的评价方法，将整个过程换算成C 或CO2的量进行计算，以开发利用环境负荷为最小的产品为目的。日本于1992 年环境厅组织研究环境负荷评价法之后，1992 年和1993 年先后成立了日本LCA 研究会，Ecomaterial 研究会。
因环境评价的需要发展起来的LCA 法已发展到制定国际标准的阶段，并进一步研究评价与材料设计密切结合的能够指导绿色建材的设计。
三 常见的绿色建材在土木工程中的应用
本文按照土木工程材料功能分类，从结构材料和功能材料两方面来介绍绿色建材在其领域的应用。
1． 结构材料
传统的结构用建筑材料有木材、石材、粘土砖、钢材和混凝土，现代结构用材料主要是钢材和混凝土。
1）.木材、石材，这两种材料是自然界提供给人类最直接的建筑材料，不经加工或通过简单的加工就可用于建筑。木材和石材消耗自然资源，由于木材是可再生的永续的材料，如果自然界木材的生长量与人类的消耗量相平衡，那么木材是最绿色的建筑材料。石材虽然消耗了矿山资源，但由于它的耐久性较好，生产能耗低，重复利用率高，可以说它也具有绿色建筑材料的特征。
目前能大规模取代木材的新型绿色建材还不是很多，其中应用较多的一种绿色建材是竹材人造板。我国是森林资源贫乏的国家,但我国的竹类资源十分丰富,素有“竹子王国”的美誉，因此好多人把竹材资源看作是替代木材的好的后备资源。
竹材人造板是以竹材为原料,经过一系列的机械和化学加工,在一定的温度和压力下,借助胶粘剂或竹材自身的结合力的作用,胶合而成的板状材料，具有强度高、硬度大、韧性好、耐磨等优点,可用替代木材作建筑模板等。竹材人造板按竹片法可分为竹材胶合板、竹材集成地板、竹材集成材。按竹蔑法可分为竹编胶合板、竹帘胶合板、竹蔑层压板、竹材胶合模板。按竹材碎料法可分为竹材刨花板。按复合法可分竹木复合胶合板、竹木复合层积材、竹木复合地板等。
其主要物理性能有：1.含水率低。2.干缩，膨胀率较低。3. 密度小，约为715 kN/ m3 ,是混凝土密度的1/ 4 ,砖墙砌体的1/ 3，轻质高强。4. 导热系数约为0.14～0.18 W/ (m ·K) ,低于粘土砖、混凝土,是冬暖夏凉理想材料。
其力学性能于其他材料的比较见下表
表1 竹材人造板力学性能比较
名称 力学性能
| 竹胶合板 40 ×250 (mm2) | 竹胶合板 50 ×250 (mm2) | 常用树种木材 | C25混凝土 |
静弯曲强度(MPa) | 95 | 81 | 13~17 | 11.9 |
弹性模量(MPa) | 14700 | 21900 | 10000 | 28000 |
由于竹结构具有如上所述的众多优点, 绿色建材——竹材人造板在土木工程领域的应用前景广阔。
2）.粘土砖，其能耗是比较低的，但它是以破坏良田为代价且是不可恢复的，可以说是最不绿色的建筑材料。20世纪90年代开始限制使用粘土砖到如今粘土砖已禁止生产和使用。
粘土砖的绿色替代建材的主要发展方向是利用工业废渣替代部分或全部天然粘土资源的新型建材。
我国近年工业废渣年排放量近10亿吨，累计总量已达66 亿吨，利用率却仅有40%．而实际上绝大部分工业废渣均可作为粘土砖的原料，加以利用则可节约土地，节省能源，保护环境。如利用粉煤灰可生产粉煤灰烧结砖、粉煤灰蒸压砖、粉煤灰蒸压灰砂砖、粉煤灰硅酸盐砌块等。利用煤矸石可生产烧实心砖和空心砖，采用蒸压养护又可生产煤矸石砖、煤矸石空心砌块，采用煤矸石作为骨料还可生产煤矸石轻骨料砼小型空心砌块等。利用尾矿类废料，如铁、铝、铜及各种稀土、非金属矿尾矿等，可作为原料生产砖、小型混凝土空心砌块、蒸压灰砂砖等。利用其他废渣如炉渣、炼铁矿渣、钢渣、冶金化工企业排出的高炉水淬矿渣、电石渣、冶炼厂排出的赤泥等，通过采用不同的生产工艺，与其他材料相混合，可生产烧结砖、蒸压砖、加气混凝土、内外墙板等。
由于工业废渣来源丰富，其力学性能普遍优于粘土砖，并且可以满足不同使用环境的要求，所以具有广阔的应用前景。
3）.钢材，表2为几种建筑材料生产过程中的环境性能比较，可以看出，耗能和环境污染物排放上钢材是最多的。
表2几种材料生产过程中的环境性能比较
材料种类 | 强度N/mm2 | 燃料能耗GJ/m3 | S02排放量kg/m3 | C02排放量kg/m3 | 粉尘排放量kg/m3 |
钢材 | 240 | 236 | 14 | 5 | 320 |
玻璃 | 30 | 56 | 3．2 | — | — |
粘土砖 | 7．5 | 11 | 1．8 | — | 9 |
灰砂砖 | 7．5 | 4．9 | 0．4 | — | 9 |
木材 | 14 | 2．4 | 28 | — | — |
混凝土 | 13 | 5 | 6．3 | 1．0 | l20 |
由于钢材的不可替代性，因此“绿色钢材”主要发展方向是在生产过程中如何提高钢材的绿色指标上下功夫，研究发展新技术、新生产工艺，努力降低生产能耗，减少污染物排放，对生产过程中产生的废弃物资源化，加快钢材的绿色化进程。
4）.混凝土，由水泥和集料组成，是复合材料，它的生产能耗主要是由水泥生产造成的。而传统的水泥生产需要消耗大量的资源与能量，并且对环境的污染较大，所以水泥生产工艺的改善是绿色混凝土发展的重要方向。目前水泥绿色生产工艺主要采用新型干法生产工艺取代落后的立窑等工艺。
现今土木工程使用的绿色混凝土主要有低碱性混凝土，多孔混凝土，植被混凝土，护坡植被混凝土，透水性混凝土，吸收分解NOx的光催化混凝土，生态净水混凝土等。其中应用较为广泛的是多孔混凝土。
多孔混凝土也称为无砂混凝土，它只有粗骨料，没有细骨料，直接用水泥作为黏结剂连接粗骨料，它具有连续空隙结构的特征，其透气和透水性能良好，连续空隙可以作为生物栖息繁衍的地方，而且可以降低环境负荷。多孔混凝土按其气孔结构形成的方式不同,又可分为泡沫混凝土和加气混凝土两大类。
多孔混凝土的主要性能有：1.多孔轻质，由于孔隙引入大量空气(孔隙率达70 %～80 %) ,大大降低了材料密度。2.保温隔热，多孔混凝土的导热系数明显低于传统建筑材料，其于普通混凝土导热系数比较见表3。3.耐火隔音，多孔混凝土是一种极好的吸音材料,与实心砖墙相比,吸音能力大约是实心砖墙的5～10 倍。4.多孔混凝土具有很好的耐久性，其长期强度稳定。
表3 传统建筑材料与多孔混凝土性能对照表
种类 | 密度(kg/m3) | 导热系数(W/ m·K) | 孔径(mm) |
红砖 | 1600～1800 | 0.34~0.81 | — |
普通混凝土 | 1900～2600 | 1.63~1.74 | — |
泡沫混凝土 | 300～1600 | 0.08~0.34 | 0.5~2 |
加气混凝土 | 300～800 | 0.11～0.23 | 0.1~0.8 |
多孔混凝土的主要品种有：水泥-石灰-粉煤灰加气混凝土，水玻璃泡沫混凝土，快硬低收缩泡沫混凝土，陶粒水泥泡沫混凝土，加气石膏陶粒混凝土，粉煤灰泡沫混凝土，耐热泡沫混凝土，泡沫塑料混凝土，地面用泡沫混凝土等。
2． 功能材料
目前国内外各种功能材料迅速发展，材料种类繁多，用途广泛，正在形成一个规模宏大的高技术产业群，有着十分广阔的市场前景和极为重要的战略意义。世界各国均十分重视功能材料的研发与应用，它已成为世界各国新材料研究发展的热点和重点，也是世界各国高技术发展中战略竞争的热点。在全球新材料研究领域中，功能材料约占 85 % 。我国高技术（863）计划、国家重大基础研究（973）计划、国家自然科学基金项目中均安排了许多功能材料技术项目（约占新材料领域70%比例），并取得了大量研究成果。除了利用材料的某些特殊功能外，如防水、装饰、保温等，具有新的功能的材料也不断涌现，主要包括储氢材料、梯度功能材料、智能材料、功能陶瓷材料、超导材料、信息材料、光学功能材料、功能复合材料、分离材料、生物医用等。
绿色功能材料主要体现在一下三个方面：
1).节能功能材料。如各类新型保温隔热材料，常见的产品主要有聚苯乙烯复合板、聚氨酯复合板、岩棉复合板、钢丝网架聚苯乙烯保温墙板等，，这些产品具有很好的保温隔热性能。节能保温玻璃如中空玻璃、太阳能热反射玻璃等。
2).充分利用天然能源的功能材料，将太阳能发电、热能利用与建筑外墙材料、窗户材料、屋面材料和构件一体化，形成一种崭新的建筑材料，成为建筑材料发展方向。如太阳能光电屋顶、太阳能电力墙、太阳能光电玻璃等。
3). 改善居室生态环境的绿色功能材料，如健康功能材料（抗菌材料、负离子内墙涂料）、调温内墙材料、调湿内墙材料、调光材料、电磁屏蔽材料等。
四 绿色建材市场存在的问题
随着绿色建材应用的不断普及，绿色建材市场暴露出的问题也日益明显。这些问题主要表现在以下四个方面：
1．无材不“绿”。由于国家和普通消费者对绿色建材越来越重视，许多建材厂商为了博取消费者的青睐，竞相打起了“绿色”，“健康”，“环保”建材的旗号，使得建材市场一片“绿色”。
2．绿色建材认证和检测过程存在漏洞。，虽然建材市场绿色建材产品很多，但大多鱼龙混杂，真正经得起检验的绿色建材并不算太多，据了解，市场上将近70% 以上的建材无产品检验报告，而且大多是委托检测报告，缺少正规检测机构的检测。其次是认证不规范，目前国家在绿色建材认证和管理方面的相关法律还不完善是造成这一现象的主要原因。
3．存在认识的误区。许多人把绿色建材和新型建材等同起来，绿色建材不等于新型建材。新型建材是相对于传统建材在能源资源消耗、环境污染破坏和材料性能、功能等方面的发展而提出的，而绿色建材跳出了节约能源、保护环境的范畴，从材料的全生命周期和可持续发展的角度对建材进行定义。新型材料从全生命周期考虑不一定绿色，而传统材料也不是一定不绿色。
4．绿色建材行业缺乏良好的发展环境。绿色建材与建筑，施工，建材等行业是密不可分的，由于绿色建材发展的法律法规不完善，各行业间缺乏协调合作，没有统一的规划，缺乏约束力。
针对以上四个方面的问题，为营造良好的绿色建材市场环境，应着力解决从法律和政策上严格规范绿色建材的生产，认证，检测，销售和使用的各个环节。加强信息宣传，普及绿色建材基本知识等。绿色建材是实现建筑材料可持续发展的关键，因此，营造良好的绿色建材市场环境，促进绿色建材产业的健康发展迫在眉睫。
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