綠色建筑材料在土木結構耐久性設計中的應用研究

楊凱，王珍吾

(井岡山大學建筑工程學院，吉安 343000)

1 前言

隨著社會的發展，人們對建筑質量的要求日益提高。據統計，我國建筑安全事故中，超過70%的事故原因與結構設計及材料選擇相關。土木結構作為建筑的重要組成部分，其耐久性直接影響著建筑壽命。因此，如何提高土木結構的耐久性，成為當下建筑行業亟待解決的問題。

2 綠色建筑材料的分類及特點

綠色建筑材料按原料來源可以分為三大類：自然材料、工業副產品材料和復合材料。第一類是直接利用自然材料，如泥土、木材、竹子等。泥土具有良好的熱儲存性能，其熱導率僅為0.87 W/（m·K），是理想的墻體保溫材料；木材來源廣泛可再生，杉木的抗壓強度可達到56 MPa，松木的抗拉強度可達到88 MPa；竹子生長迅速，密度僅為0.4 g/cm3～0.7 g/cm3，抗壓強度高達40 MPa，可制成地板、墻板等裝飾材料。這類材料原料可再生，加工過程污染小，完全符合綠色環保的要求；第二類是利用各種工業副產品。這類材料是由各類工業生產過程中產生的副產品或廢棄物開發利用而得到的綠色建材，如粉煤灰、礦渣、尾礦砂、爐渣等。這類材料彌補了自然材料力學性能不足的缺點，它們大量存在，原本需要額外處理，再利用不僅節約資源且降低成本。例如，粉煤灰可用于生產輕質墻體材料、磚、板材等；第三類是工業合成材料，是經復配組合后制成的新材料。表1 為常見的幾種工業合成綠色建材。

表1 常見的幾種工業合成綠色建材

綠色建材是一種集環保、高性能、可持續發展多重優點于一體的創新型材料。綠色建材在生產過程中對環境影響較小，可降低資源消耗，其生命周期各階段的碳排放量也較傳統材料更低。例如，利用碎石殘渣、粉煤灰等工業廢棄物制成的混凝土新材料，可以有效利用廢棄資源，減少采礦過程對環境的破壞。綠色建材本身含有的VOC 排放量低，使用后可改善室內環境質量，降低“室內污染”[1]。就材料性能而言，綠色建材通常比傳統建材有更高的強度和耐久性，并具有較好的保溫隔熱性能。

3 綠色建筑材料對土木結構耐久性的影響

3.1 提高土木結構的抗腐蝕性

土木結構中很多材料長期受到外界環境的影響后，會發生不同形式的腐蝕反應。以混凝土結構中的鋼筋腐蝕為例，鋼筋容易受到氯離子的影響，氯離子可以滲透到混凝土內部，破壞鋼筋周圍的受保護性氧化膜，使鋼筋暴露在空氣和水分中，這會促進金屬離子的溶解，鋼筋發生陽極溶解反應如下：

同時，氧分子在鋼筋表面發生還原反應如下：

上述反應會導致鋼筋周圍pH 值升高，繼而破壞混凝土與鋼筋之間的黏結。綠色建筑材料中含有礦物摻合料等可替代部分水泥的材料，這些材料具有吸附氯離子的能力，可以減緩氯離子對鋼筋的侵蝕作用。某些綠色建材可生成穩定的鈍化膜覆蓋在鋼筋表面，防止鋼筋直接接觸腐蝕介質。利用工業副產物精煉的輕質骨料也可以提高混凝土結構的密實性，降低氯離子的滲透性。針對鋼結構腐蝕問題，可以采用無機涂料等綠色涂料對鋼材表面進行預處理，生成致密耐久的防腐蝕涂層，從而提高鋼結構的使用壽命。相較于未處理的鋼材，氟碳涂料處理過的鋼材，在3.5%NaCl 溶液中經過15 天腐蝕后，腐蝕深度從120μm 減緩到80μm，抗腐蝕性能提高了33%。

3.2 提高土木結構的抗凍融性

在寒冷地區，土木結構材料會遭受凍融循環的影響，這會對建筑結構的穩定性和使用壽命產生不利影響[2]。水進入毛細孔內，在低溫條件下形成冰晶，冰晶的體積比液態水體積增加9%，這會在結構內部產生較大的膨脹壓力。根據相關研究，混凝土在一次凍融循環中，抗壓強度會下降5%左右，圖1 為凍融循環對混凝土抗壓強度的影響。

圖1 凍融循環對混凝土抗壓強度的影響

長期凍融循環會導致混凝土出現開裂、剝落、龜裂等損傷，嚴重影響建筑結構的承載力，鋼材也會在凍融循環中發生銹蝕。傳統的防凍措施如空氣泡混凝土、塑性混凝土等材料的抗凍融性有一定的局限性。綠色建材中的一些新型混凝土材料能夠有效改善結構的抗凍融性能。例如，采用綠色固化材料部分替代水泥，可提高孔隙率，增大抗凍融隔溫層；采用液態氮處理可得到較佳的細孔結構，水分不易積聚，冰晶膨脹壓力顯著下降。鋼材方面，添加納米二氧化硅涂層，可提高鋼材的耐蝕性，凍融循環300 次后銹蝕率低于0.1%。

3.3 提高土木結構的抗震性

在地震發生時，土木結構會受到地震波產生的動態作用，導致結構產生振動甚至破壞。因此，提高土木結構的抗震性對于保證結構安全至關重要[3]。土木結構的抗震性能主要取決于其剛度、韌性、延性、能量消耗能力等。剛度較大的結構，其自振周期T 越短，可避開地震波的長周期成分，從而減小地震反應。自振周期T 可以表示為：

其中m 為結構質量，k 為結構剛度。韌性好的結構，能吸收較多的地震能量，延遲結構損壞，延性好的結構能夠承受較大變形而不會突然破壞。結構抗震設計中常用結構節間位移角θ 來表示結構延性，θ 越大，表示延性越好。結構抗震設計中也會計算結構的延性系數μ，用于評價結構的延性水平，μ 可以表示為：

其中θy為結構產生屈服時的位移角，μ 越大表示延性越好。綠色建材中的一些新型復合材料可以極大地提高結構的抗震性能。例如，鋼纖維混凝土的抗拉強度可提高幾十倍，延性可提高數十倍，使其具有良好的韌性和延性。在地震作用下，鋼纖維可有效約束混凝土內的微裂縫擴展，增強混凝土的韌性、延性和能量消耗能力，提高抗震等級。

4 綠色建筑材料在土木結構耐久性設計中的應用

4.1 綠色建筑材料在混凝土結構中的應用

混凝土結構中通常使用高性能混凝土和自修復混凝土提升土木結構耐久性。高性能混凝土指的是抗壓強度高于C60 的混凝土，它具有高強度、高延性、高抗滲性和高抗裂性等特點[4]。高性能混凝土的抗壓強度可達100 MPa～150 MPa，抗拉強度可達10MPa～12 MPa，具有較高的承載能力。高性能混凝土內部的微觀結構更為致密，膠凝材料用量較高，礦物摻合料細度好，水灰比低，混凝土內部空隙少，水滲透系數低至10 m/s～12 m/s，抗滲性能明顯提高，提高了混凝土結構的抗腐蝕性和防水性。高性能混凝土的延性好，抗裂能力強，混凝土開裂后仍能傳力，防止裂縫進一步擴展，提高了抗震性能。在土木工程結構設計中，采用高性能混凝土可顯著提升橋梁、涵洞、地基等土木結構的整體耐久性。例如，在橋梁工程中使用高性能混凝土，可減小橋梁板橋厚度，提高橋梁整體剛度，增強橋梁的承載能力和抗震性能。

自修復混凝土是在普通混凝土基礎上添加了特殊的自修復成分，這種混凝土具有檢測損傷和自動修復的能力。目前常見的自修復混凝土有兩大類：膠膠復合材料自修復混凝土和微膠囊修復混凝土。膠膠復合材料是將修復膠體填充于混凝土內部空隙和微裂縫中；微膠囊材料則是將聚合物封裝在毫米級膠囊中，分散于混凝土基體，當混凝土開裂時膠囊破裂，修復材料得以釋放并填充裂縫[5]。

4.2 綠色建筑材料在鋼結構中的應用

鋼結構的抗腐蝕性直接關系到建筑的耐久性和使用壽命。采用綠色建材來提高鋼結構的抗腐蝕性，是建筑可持續發展的重要途徑。鍍鋅板是目前應用較為廣泛的綠色建材之一,鋼材表面鍍上鋅層，能夠形成牢固的鈍化膜，從而阻止鋼材與空氣及水分接觸，大大提高了抗腐蝕性。鍍鋅板的鋅層厚度每增加1μm，其抗腐蝕壽命可延長1.5 倍。目前市場上主流的鍍鋅板鋅層厚度為275 g/m2，使鋼材的使用壽命可延長至100 年以上。在鋼結構建筑中，大面積采用鍍鋅板制作樓板、墻板、屋面等，既可發揮綠色材料的優勢，也可顯著提升鋼結構的整體耐久性。氟碳涂層是新型的綠色涂料，可用于鋼結構的抗腐蝕處理。它利用氟素的特性形成穩定的碳氟鍵，使涂層表面極難被氧化或水解，從而阻隔鋼材與外界環境的接觸。與傳統的環氧涂料相比，氟碳涂層的耐候性更佳，涂層厚度0.1 mm 即可使鋼材使用壽命延長20 年以上。氟碳涂層可噴涂于鋼結構表面，如鋼柱、鋼梁等，能有效提升鋼結構的長期抗腐蝕性能。聚氨酯涂料廣泛用于鋼結構防腐領域, 它利用雙組分聚合反應形成穩定的網絡結構，并富含羥基、氨基等官能團，可與鋼材表面形成牢固的化學鍵合。這種涂層具有極強的耐候性、耐化學性和機械性，可使鋼材的耐腐蝕性提高10 倍以上。

4.3 綠色建筑材料在砌筑結構中的應用

砌筑結構作為一種傳統的土木建筑形式。普通砌筑材料如天然石材、粘土磚在使用壽命方面存在缺陷，較易受到風化剝蝕、溫濕度變化等自然因素的影響，從而降低結構的整體耐久性。應用綠色環保的建筑材料對提升砌筑結構的抗候性能具有重要意義。首先，采用混凝土中摻入工業副產物處理后的輕質骨料等可再生材料，可降低混凝土的自重,并改善工藝性能，提高抗壓強度至30 MPa 以上，從而增強混凝土砌塊的抗風化、抗滲透能力。此外，輔以高性能界面處理劑進行表面處理，可形成劃痕自修復保護膜，抑制裂縫擴散，提高結構抗沖擊能力。除此之外，采用混凝土外加化學摻合料或無機復合表面涂料，可賦予砌塊光催化功能，降解沉積在表面的污染物，起到自清潔作用，提高抗污染能力。

5 結論

綜上所述，本文對綠色建筑材料的分類、特點及其在土木結構耐久性設計中的應用進行了較為系統的研究。研究表明，綠色建材的使用可以提高土木結構的抗腐蝕性、抗凍融性和抗震性，在混凝土結構、鋼結構和砌體結構中的應用效果顯著。這為推廣綠色建材的使用，提高建筑結構的耐久性提供了理論依據。今后還需進一步研究不同綠色建材的配比設計及其經濟效益，以實現綠色建材在土木結構中的大規模應用，有效服務于綠色和可持續發展的建筑事業。