綠色環(huán)保材料在建筑工程領(lǐng)域中的應用

金智鵬 盛冬發(fā)

(西南林業(yè)大學土木工程學院，云南 昆明 650224)

1 綠色環(huán)保建筑材料概述

綠色環(huán)保建筑材料是一種從生產(chǎn)制備到建筑應用以及到達其使用壽命后還可循環(huán)利用的一種材料。生產(chǎn)所應用的為對環(huán)境危害較小或無危害的原材料，在其投入建筑應用過程中，其性能與普通建材相比有更明顯的性能，達到使用壽命后可進行回收處理，減少了對環(huán)境的污染，有利于環(huán)境保護和人體健康。進入新世紀以來，各個國家特別是經(jīng)濟較為發(fā)達的西方國家都十分重視開發(fā)和使用綠色環(huán)保建材，倡導節(jié)能減排和低碳生活。而對于發(fā)展中國家，如較為貧困的非洲地區(qū)，由于科學技術(shù)相對落后，環(huán)保意識也相對較弱，導致環(huán)保建材開發(fā)速度相對緩慢。我國作為最大的發(fā)展中國家，隨著人們環(huán)保意識的增強，綠色建筑材料的開發(fā)速度正在不斷加快，已經(jīng)取得了顯著的成效。如北京2008年奧林匹克運動會提出的“綠色奧運”的口號，再到已經(jīng)結(jié)束的北京2022年冬奧會，此次冬奧組委與國際奧委會確定的11個冬奧場館已全部通過綠色建筑認證。但部分技術(shù)仍處于探索階段，隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展，相信未來綠色建材必將在我國得到廣泛地應用。

2 綠色環(huán)保建筑材料的分類與應用

建筑材料綠色發(fā)展化已成為時代趨勢，節(jié)能和環(huán)保的技術(shù)創(chuàng)新將成為行業(yè)發(fā)展的熱點話題。綠色環(huán)保建筑材料不僅滿足了建筑施工需求，還在一定程度上減輕了對環(huán)境資源的破壞，能夠合理運用新型建筑材料是建筑行業(yè)對環(huán)境的最大保護。綠色環(huán)保建筑材料根據(jù)其使用要求不同可分為新型混凝土材料、保溫隔熱建筑材料和防水類綠色建筑材料等。下面就現(xiàn)階段我國普遍應用的綠色環(huán)保建筑材料進行介紹。

2.1 新型混凝土材料

新型混凝土材料主要用于墻體中。墻體作為主要承重構(gòu)件，其材料目前多采用混凝土，在現(xiàn)代土木工程建設(shè)中混凝土的作用不容小覷，但普通混凝土材料不能滿足當今社會的綠色環(huán)保理念。為了減少建筑材料損耗和降低成本的需要，出現(xiàn)了一系列具有獨特性能優(yōu)勢的新型墻體材料，這些材料在工程中得到了廣泛應用。在保證墻體功能的基礎(chǔ)上，綠色新型墻體材料還可以使墻體施工滿足綠色環(huán)保特點，從而更加有效的實現(xiàn)綠色環(huán)保建筑材料的應用。建筑工程中新型混凝土材料主要包括模網(wǎng)混凝土、加氣混凝土和合成纖維混凝土。這三種新型混凝土材料的性能對比如表1所示，從表1可以看出，三種新型混凝土的導熱系數(shù)比普通混凝土小，具有良好的保溫隔熱效果。加氣混凝土導熱系數(shù)最低可作為最理想的保溫隔熱材料；合成纖維混凝土抗拉強度最高可更好地滿足工程強度需求；而模網(wǎng)混凝土在隔熱和抗拉強度方面也有不錯的表現(xiàn)，可作為一種保溫性能良好的新型墻體材料。

表1 常規(guī)混凝土與新型混凝土性能對比

模網(wǎng)混凝土是用鍍鋅鋼板網(wǎng)，在支座或有集中荷載處設(shè)置條狀加強件和折鉤拉筋，并在其內(nèi)部澆筑混凝土的三維網(wǎng)架結(jié)構(gòu)[1]。建筑模網(wǎng)混凝土采用由法國建筑材料和結(jié)構(gòu)專家杜朗夫婦共同發(fā)明的蒂枇建筑模網(wǎng)技術(shù)(DIPY Formwork)。建筑模網(wǎng)內(nèi)部特殊構(gòu)造產(chǎn)生滲濾效應、消除容器效應、增韌效應和限裂效應等特殊效應。大量的試驗和實際施工表明，其獨特結(jié)構(gòu)使得施工過程中混凝土具有自動流平以及在自身重力作用下能夠完全填充模版的特點，可免于振搗，減少了原料浪費，節(jié)省了大量時間。同時這種混凝土還可適應較大粉煤灰摻量，具有抗震性好、建筑節(jié)能性能優(yōu)異等特點。在建筑模網(wǎng)墻體施工中可以不使用模板，而且在澆筑的混凝土中可摻加一定比例的工業(yè)廢料和建筑垃圾，其前景十分廣泛，實用價值也會進一步提升。例如，美國已完工的玻尼維爾壩與蒙大拿州俄馬壩，其施工過程中添加了粉煤灰，在能夠減少水泥用量降低成本的同時增強了大壩裂紋防滲強度和后期工程質(zhì)量。因此，混凝土中粉煤灰等一些工業(yè)廢料的添加，減少水泥生產(chǎn)使用中對環(huán)境的污染、溫室效應和全球變暖等不利影響，使模網(wǎng)混凝土兼具社會效益和經(jīng)濟效益。

加氣混凝土是由水泥、石灰、粉煤灰按一定比例組成的，因其用途多樣、綠色環(huán)保已被廣泛用于建筑施工中[2]。加氣混凝土砌塊重量輕、隔熱，在多功能內(nèi)墻、屋頂和地板上表現(xiàn)良好。可用于外墻圍欄、內(nèi)墻隔斷、私人住宅的平屋頂，也可用于工業(yè)設(shè)施的屋面和外墻，此外，還可作為4層及以下混合結(jié)構(gòu)的承重墻，是各種鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)外墻的最佳材料。目前，這是唯一一種可以滿足50%節(jié)能要求的產(chǎn)品[3]。它的輕質(zhì)(表現(xiàn)密度一般在300kg/m3～800kg/m3)和多孔性(孔隙率一般在40%～80%)決定了其在生成過程中的材料和能源消耗更小，污染物排放更少。與傳統(tǒng)建材相比，可有效降低建材生產(chǎn)對環(huán)境的污染，減少了地球環(huán)境的負擔。綠色節(jié)能理念的發(fā)展為加氣混凝土砌塊開辟了更大的空間。該種材料優(yōu)勢明顯，如保溫性、吸聲性、耐火性以及可加工性。通過合理使用，可顯著提高建筑施工的質(zhì)量[4]。因其材質(zhì)較為均勻，不含有粗糙骨料，所以耐火性比普通混凝土優(yōu)越。Tanaca研究了加氣混凝土的耐火性能，研究表明加氣混凝土在烘烤后水淬，在濕狀態(tài)下其殘余強度有35%，而在烘干后其殘余強度高達75%。建筑物中使用耐火性混凝土可在一定范圍內(nèi)減少火災的發(fā)生。可加工性使其在建筑施工中結(jié)合具體應用需求進行改變，具有可循環(huán)利用和省時省工等特點[5]。因此，無論從現(xiàn)場施工還是長期維護角度，合理使用加氣混凝土砌塊都可顯著減少施工量，從而降低了施工過程中的污染風險。

合成纖維混凝土是在普通混凝土中摻入合成纖維的一種混凝土，早在古代就已經(jīng)有用草筋粘土磚和紙筋灰制造出來的纖維增強復合材料。即使在現(xiàn)在，它仍然可作為一種廉價的合成復合材料。常見的有鋼纖維、耐堿玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維、聚丙烯纖維或尼龍合成纖維混凝土等。合成纖維能夠有效改善混凝土性能，而且成本不高，結(jié)構(gòu)和性能可以有很大的改變，具有很高的性價比。有研究表明：鋼纖維摻量體積分數(shù)在1%～2%左右，混凝土的抗拉強度可提高40%～80%，塑性變形能力大幅提高。近年來，合成纖維混凝土先后在上海東方明珠電視塔、地鐵工程及體育場等重大工程中應用，均已取得了顯著性成果。在混凝土或者砂漿基料中加入適當EBS-P聚丙烯纖維，可讓混凝土和砂漿材料迅速地均勻混合[6]，同時也減少了內(nèi)外墻裂縫的出現(xiàn)和增長，防止雨水和水的滲透，降低防水涂料的成本，延長使用壽命，降低維護保養(yǎng)的高昂成本，體現(xiàn)了綠色建材的價值[7]。

2.2 保溫隔熱材料

我國建筑規(guī)模龐大，建筑能耗較高。因此，建筑隔熱保溫是實現(xiàn)建筑節(jié)能和降耗減排的重要手段。2021中國建筑節(jié)能與安全專家論壇上，中國建筑科學研究院建筑防火研究所研究員季廣其等專家一致認為，研發(fā)制備高效節(jié)能且經(jīng)濟合理的復合保溫板材，可解決現(xiàn)階段我國寒冷地區(qū)民用建筑環(huán)保問題。傳統(tǒng)的保溫隔熱材料巖棉板和玻璃棉是主流傳統(tǒng)保溫材料，其用量大、普及廣，但這類材料缺點也多，排水效果差，經(jīng)不住長期的遇水沖刷，易發(fā)泡發(fā)脆，長期使用下來會變厚。綠色保溫材料如納米氣凝膠具有優(yōu)良的絕熱性能和聲絕熱性能，其絕熱粉體在常溫常壓下總熱導率小于0.015(W/m·K)，砌塊的總導熱系數(shù)小于0.013(W/m·K)，真空條件下粉體的總導熱系數(shù)小于0.003W/(m·K)，砌塊的總導熱率小于0.007(W/m·K)，為目前世界上高溫隔熱領(lǐng)域?qū)嵯禂?shù)最低的材料之一，可開發(fā)成完全可回收的綠色建筑材料。在建筑節(jié)能領(lǐng)域具有廣泛的潛在應用價值[8]。納米SiO2氣凝膠自身不能燃燒，具有防止火焰穿透性能，可長期抵抗火焰的直接燃燒。不會在火場中釋放有毒氣體，降低危急情況下對生命的威脅[9]。使用SiO2納米氣凝膠作為墻體保溫隔熱材料，可有效減少房屋內(nèi)部熱量損失，一定程度上可降低供熱需求，達到節(jié)能減排效果。另一方面其阻燃特性增大了火災下建筑物主體結(jié)構(gòu)完整保存的概率，從維護角度看，符合“可持續(xù)”要求。

2.3 綠色防水材料

現(xiàn)如今，國內(nèi)對于建筑防水密封性能已經(jīng)提出了更高的要求。在建筑施工中防水作為不可缺少的技術(shù)要求，已受到人們愈來愈強的重視。為達到更好的防水目的，進而制造了一些新型建筑防水材料，主要包括合成高分子和JS復合防水兩種綠色防水材料。

合成高分子防水材料以合成高分子材料為主體，摻入適量化學助劑和填料，經(jīng)混煉、壓延或擠出工藝制成的片狀防水材料，也稱為防水片材。防水材料作為集約高效的建筑防護體系，起著至關(guān)重要的作用。傳統(tǒng)的瀝青基防水材料因其成本低在建筑中使用較為常見，但同時也存在一些缺點。相比之下，作為綠色改良型材料高聚物改性瀝青防水卷材具有更出色的性能。這種防水卷材防滲入性能和抗老化功能都非常明顯，因此得到較為普遍的應用。材料使用壽命可達20年之久，在一定時間內(nèi)減少了資源損耗，滿足工程施工中的綠色環(huán)保要求。由于其優(yōu)良的耐熱性，使用溫度范圍為-25℃～100℃，適用于溫差較大及高溫地區(qū)，伸長率可達1500%，具有優(yōu)良的抗疲勞性和延伸性以及抗撕裂性，可適用于高層建筑和一些振動較大的工業(yè)企業(yè)中。產(chǎn)品可根據(jù)設(shè)計要求和用戶需要調(diào)配色彩，在具有極佳的隔熱保溫性能上，也有裝飾美化的效果。從使用角度來看，符合“綠色環(huán)保”特點，使得綠色環(huán)保材料能夠更加合理地應用。

JS復合防水材料是指聚合物的水泥防水材料。這種材料具有優(yōu)良的環(huán)保性能，由水泥、石英砂，包括一些碳酸鈣和其他材料組合而成。不僅如此，配比簡單、原材料選擇范圍廣等特點使其價值得到很好體現(xiàn)，滿足了綠色環(huán)保材料應遵循的合理性原則。施工方便、操作簡單，可有效地縮短工程工期。同時它的耐高溫性和抗凍性也有不錯的表現(xiàn)，溫度達到140℃后，性能也不會縮減，所以可廣泛用于道路或橋梁的防水施工中。JS防水乳膠因其表現(xiàn)為白色具有明顯的熱反射效果，使用中不會產(chǎn)生任何有毒物質(zhì)，可添加顏料改變顏色后裝飾屋頂和外墻，在實際使用過程中，能夠有效減少對人體產(chǎn)生的危害，減少室內(nèi)環(huán)境對人們生活的不利影響，符合環(huán)境保護的理念。

3 結(jié) 語

綜上所述，人們對于低碳環(huán)保生活方式的重視程度愈來愈高，節(jié)能環(huán)保材料的全面推廣已成為必然趨勢。建筑材料作為施工建設(shè)中的物質(zhì)基礎(chǔ)和不可缺少的一部分。應順應時代發(fā)展需求，加大綠色環(huán)保建筑材料的研究與應用。社會發(fā)展正朝著五位一體的理念不斷邁進，傳統(tǒng)建筑行業(yè)想要在市場競爭中站穩(wěn)腳跟，就必須結(jié)合自身優(yōu)勢，采用傳統(tǒng)和新型綠色環(huán)保建材相結(jié)合的方式。在工程施工中對出現(xiàn)的問題進行合理的分析、對綠色建材進行較為詳細的介紹以便于合理使用綠色環(huán)保材料，施工人員也應增強推廣綠色建材的意識。

現(xiàn)階段，綠色環(huán)保材料正如雨后春筍般涌現(xiàn)出來。本文對目前一些大量使用的綠色環(huán)保建筑材料進行簡要分類，對各類綠色環(huán)保建筑材料的主要特征進行了簡要介紹。相信隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展，綠色環(huán)保材料一定會層出不窮，更好地服務于工程建設(shè)、更好地提升居民生活質(zhì)量并促進環(huán)境的改善。