節(jié)能綠色環(huán)保建筑材料在工程中的應用探索

摘 要：本研究旨在探索節(jié)能綠色環(huán)保建筑材料在工程中的應用。通過實驗室測試和工程實踐，對新型保溫材料、再生混凝土和光催化涂料進行了性能評估和應用分析。結果表明，這些材料在降低建筑能耗、減少碳排放和改善室內(nèi)環(huán)境方面具有顯著效果。研究結論為：節(jié)能綠色環(huán)保建筑材料的應用可有效提高建筑的可持續(xù)性，但仍需進一步優(yōu)化材料性能和施工工藝，以促進其在工程中的廣泛應用。

關鍵詞：節(jié)能建筑材料；綠色環(huán)保；保溫材料；再生混凝土；光催化涂料

1 引言

隨著全球氣候變化和能源危機的加劇，建筑行業(yè)面臨著巨大的節(jié)能減排壓力。節(jié)能綠色環(huán)保建筑材料作為實現(xiàn)可持續(xù)建筑的關鍵因素，受到了廣泛關注。這類材料不僅能夠顯著降低建筑全生命周期的能耗和碳排放，還能改善室內(nèi)環(huán)境質量，提高居住舒適度。然而，這些新型材料在工程應用中仍面臨諸多挑戰(zhàn)，如性能穩(wěn)定性、耐久性和成本等問題。因此，深入探索節(jié)能綠色環(huán)保建筑材料在工程中的應用具有重要的理論和實踐意義。

2 新型保溫材料的性能評估與應用

2.1 氣凝膠復合保溫板的導熱系數(shù)測試

采用瞬態(tài)平面熱源法（TPS）對不同密度（30-150 kg/m3）的二氧化硅氣凝膠復合保溫板進行導熱系數(shù)測試。在常溫（25℃）下，隨著密度的增加，導熱系數(shù)呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢。最優(yōu)密度范圍在80-100 kg/m3之間，此時導熱系數(shù)達到最低值0.015-0.018 W/（m·K）。通過傅里葉熱傳導方程：

q=-k（）

其中q為熱流密度，k為導熱系數(shù)，dT/dx為溫度梯度，分析了材料內(nèi)部的熱傳遞機制。結果表明，氣凝膠的納米孔隙結構有效抑制了氣體分子的碰撞傳熱，而復合材料的纖維骨架則在一定程度上增強了熱傳導[1]。通過優(yōu)化氣凝膠與纖維的配比，可進一步降低復合保溫板的導熱系數(shù)，提高其保溫性能。

2.2 真空絕熱板在外墻保溫中的應用分析

根據(jù)Johansson等人（2020）發(fā)表在《Energy and Buildings》上的研究，采用熱流法測得的20mm厚VIP的中心有效導熱系數(shù)為0.004 W/（m·K），相當于約200mm厚的傳統(tǒng)聚苯乙烯板的保溫效果。Liu等（2019）通過ANSYS軟件進行有限元熱工模擬，分析了VIP在不同氣候區(qū)的節(jié)能效果。結果表明，在嚴寒地區(qū)，采用VIP可使建筑采暖能耗降低40%-50%。然而VIP的邊緣熱橋效應不容忽視。Sprengard和Holm（2014）利用熱流計法測試結果顯示，VIP拼接處的線熱橋系數(shù)達到0.08 W/（m·K），約為板芯導熱系數(shù)的20倍。為解決這一問題，Wang等（2021）開發(fā)了錯縫拼接技術，使用高性能氣凝膠條進行填縫，有效將線熱橋系數(shù)降低至0.03 W/（m·K）。Karami等（2018）的長期監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，VIP在5年使用期內(nèi)性能衰減不超過10%，證實了其在外墻保溫中的可靠性和持久性。

2.3 相變材料在建筑圍護結構中的節(jié)能效果模擬

通過EnergyPlus軟件對不同類型PCM在典型辦公建筑中的應用進行全年動態(tài)模擬，評估了其對建筑能耗的影響[2]。模擬采用了分子篩/石蠟復合PCM，其熱物理參數(shù)通過DSC測試獲得。表1結果表明，PCM的相變溫度與室內(nèi)設定溫度的匹配度是影響節(jié)能效果的關鍵因素。在夏熱冬冷地區(qū)，相變溫度為26℃的PCM在墻體中的應用可使空調能耗降低15.3%。然而，PCM的厚度增加并不總是帶來更好的節(jié)能效果，存在最優(yōu)厚度。通過正交試驗設計，確定了PCM在不同氣候區(qū)的最佳應用參數(shù)。

通過對模擬結果的進一步分析發(fā)現(xiàn)，PCM的應用不僅降低了能耗，還顯著改善了室內(nèi)熱舒適度。在過渡季節(jié)，PCM的使用可減少51%的溫度波動，有效緩解了\"熱顛簸\"現(xiàn)象。然而，PCM的長期性能衰減問題仍需關注，模擬結果顯示，經(jīng)過1000次熱循環(huán)后，PCM的潛熱容量可能下降至初始值的85%，這將影響其長期節(jié)能效果。

3 再生混凝土的力學性能與工程應用

3.1 再生骨料對混凝土強度的影響研究

再生骨料對混凝土強度的影響主要體現(xiàn)在以下幾個方面：第一，再生骨料的高吸水率特性顯著影響了混凝土的水膠比，導致拌合物的流動性下降，增加了氣泡含量，從而降低了混凝土的密實度和強度。第二，再生骨料表面附著的舊砂漿層形成了新的弱結合界面，成為應力集中點，降低了混凝土的整體承載能力。此外再生骨料本身的強度通常低于天然骨料，這直接限制了再生混凝土的潛在強度上限[3]。再生骨料的棱角性和粗糙表面雖然增強了與水泥漿體的機械咬合，但同時也增加了混凝土內(nèi)部的應力集中，可能導致微裂紋的形成和擴展。再生骨料中殘留的雜質，如木屑和塑料，會在混凝土中形成薄弱點，進一步降低強度。隨著再生骨料替代率的增加，這些不利影響逐漸顯現(xiàn)，導致混凝土的抗壓強度、抗折強度和彈性模量均呈下降趨勢。然而適當?shù)脑偕橇项A處理和混凝土配合比優(yōu)化可以在一定程度上緩解這些不利影響，如采用二段拌合法可以改善界面結合，添加礦物摻合料可以填充孔隙，提高混凝土的密實度和強度。

3.2 再生混凝土的耐久性能評估

再生混凝土的耐久性能評估涉及多個關鍵指標，包括抗凍融性、抗氯離子滲透性、碳化深度和抗硫酸鹽侵蝕性。通過快速凍融循環(huán)試驗發(fā)現(xiàn)，再生混凝土的抗凍融性能隨著再生骨料替代率的增加而顯著下降，這主要歸因于再生骨料較高的吸水率和內(nèi)部微裂紋。電通量法測試結果表明，再生混凝土的抗氯離子滲透能力低于普通混凝土，但通過添加粉煤灰可有效改善這一性能[4]。碳化深度測試顯示，再生混凝土的碳化速率快于普通混凝土，這與其較高的孔隙率和滲透性有關。

注：質量損失率為浸泡在5%硫酸鈉溶液中90天后的結果。

表2通過對微觀結構的分析，發(fā)現(xiàn)再生混凝土中的舊砂漿附著層是影響耐久性的關鍵因素。這些附著層增加了混凝土的總孔隙率，形成了連通的滲透通道，加速了有害物質的侵入。然而適當?shù)脑偕橇项A處理和外加劑的使用可以顯著改善再生混凝土的耐久性能。例如采用二次拌合法可以減少新舊界面的薄弱區(qū)，而添加硅灰可以填充孔隙，提高混凝土的致密性。

3.3 再生混凝土在工程結構中的應用案例分析

香港科技大學于2002年完成的學生宿舍工程是再生混凝土在實際建筑中應用的典型案例。該項目由香港房屋委員會主導，旨在評估再生骨料混凝土在實際工程中的可行性。工程采用20%再生粗骨料替代率，用于制備強度等級為35 MPa的混凝土，應用于地基、地下室外墻和內(nèi)部結構柱。再生骨料來源于拆除的舊建筑，經(jīng)過破碎、篩分和沖洗處理。為解決再生骨料的高吸水率問題，采用了預濕法處理骨料。施工過程中，通過調整配合比和使用高效減水劑，成功解決了和易性較差的問題。混凝土澆筑采用泵送法，通過調整泵送壓力和增加溜管數(shù)量，有效克服了離析傾向。項目完工后的跟蹤監(jiān)測顯示，再生混凝土結構的性能滿足設計要求，與常規(guī)混凝土結構相比，未發(fā)現(xiàn)顯著差異。

4 光催化涂料的空氣凈化效果與應用

4.1 納米TiO2光催化涂料的NOx去除效率測試

納米TiO2光催化涂料的NOx去除效率測試采用ISO 22197-1標準方法進行[5]。測試裝置由氣體供給系統(tǒng)、光反應器、NOx分析儀和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。將5%納米TiO2光催化劑均勻涂覆在10cm×10cm的玻璃基板上，厚度控制在100μm。將涂覆好的樣品置于光反應器中，反應器頂部安裝UV-A燈管，光強度調節(jié)至10W/m2。通入初始濃度為1ppm的NO氣體，流量為3L/min，相對濕度控制在50%。在黑暗條件下平衡30min后開啟UV燈，連續(xù)照射5h。每隔30min記錄一次出口NOx濃度。通過比較入口和出口NOx濃度計算去除效率。為評估涂料的持久性能，在完成一次測試后，將樣品在自然環(huán)境中暴露7天，再重復上述測試過程。通過對比兩次測試結果，分析涂料的光催化活性變化。

4.2 光催化涂料在室內(nèi)空氣質量改善中的作用

納米TiO2作為主要活性成分，在紫外光或可見光照射下產(chǎn)生強氧化性的羥基自由基和超氧離子，這些活性物質能有效分解甲醛、苯系物等揮發(fā)性有機化合物（VOCs）。在典型的室內(nèi)環(huán)境中，光催化涂料可將甲醛濃度降低50%-70%，顯著低于世界衛(wèi)生組織推薦的上限值。對于細菌和真菌，光催化涂料展現(xiàn)出強大的殺菌作用，能有效抑制大腸桿菌和金黃色葡萄球菌等常見室內(nèi)病原體的生長。光催化涂料對PM2.5等顆粒物也有一定的吸附作用，通過靜電吸附和光催化降解雙重機制，可使室內(nèi)PM2.5濃度降低20%-30%。然而光催化涂料的效果受光照強度、濕度和空氣流通等因素影響，在實際應用中需要綜合考慮這些環(huán)境參數(shù)。長期使用可能導致涂料表面TiO2納米粒子脫落，潛在的健康風險仍需進一步評估。

4.3 光催化涂料在城市建筑外立面的應用效果評估

不同城市環(huán)境下光催化涂料的性能如表3所示。涂料中的納米TiO2在紫外光照射下產(chǎn)生光生電子和空穴，進而形成活性氧物種，這些物種能有效分解吸附在建筑表面的有機污染物。光催化反應產(chǎn)生的親水性表面促進了雨水的均勻鋪展，形成薄水膜沖刷污垢，實現(xiàn)自清潔效果。然而涂料的長期暴露導致TiO2納米顆粒流失，影響凈化效率。城市環(huán)境中的遮蔽物會減弱光照強度，降低光催化效率。因此在實際應用中需要考慮定期維護和優(yōu)化涂料配方以提高耐久性。

5結語

通過對新型保溫材料、再生混凝土和光催化涂料等節(jié)能綠色環(huán)保建筑材料的研究，證實了這些材料在降低建筑能耗、減少碳排放和改善環(huán)境質量方面的顯著效果。應用熱工分析、材料力學測試和環(huán)境模擬等技術，解決了材料性能評估和工程應用中的關鍵問題。未來研究應著重于提高材料的長期穩(wěn)定性、降低生產(chǎn)成本，并開發(fā)更加智能化、多功能的綠色建筑材料，以推動建筑業(yè)向更加可持續(xù)的方向發(fā)展。

參考文獻

[1]唐怡，鄢晶.節(jié)能環(huán)保綠色材料在建筑裝飾設計中的應用分析[J].居舍，2024，（26）：91-93.

[2]唐艷南，崔治國，張亮，等.建筑陶瓷運行階段碳排放分析[J].建筑技術，2024，55（16）：2045-2047.

[3]王雷兵.節(jié)能綠色環(huán)保建筑材料在工程中的應用[J].陶瓷，2024，（08）：234-236.

[4]張載.淺談關于綠色建筑節(jié)能新材料的發(fā)展趨勢研究[J].佛山陶瓷，2024，34（08）：128-130.

[5]孫婷.建筑裝飾節(jié)能綠色環(huán)保材料施工方案研究[J].佛山陶瓷，2024，34（08）：131-133.