生態建筑材料研究開發新技術評述

劉國志

中鐵十五局集團有限公司沙特分公司（471013）

生態建筑材料指健康型、環保型、安全型的建筑材料。其具有良好的使用性能，對資源和能源消耗少，對生態環境污染小，可再生資源利用率高，在設計、生產、使用到再生循環利用的生命周期全過程中與生態環境相協調。此類材料具有如下特點∶1）先進性，即能為人類開拓更廣闊的活動范圍。2）環境協調性，即能使人類的活動范圍同外部環境盡可能協調。3）舒適性，即能使人類生活更繁榮、舒適[1]。生態建材主要包括天然建材、循環再生建材、低環境負荷建材和環境功能性建材等。

1 生態建材發展的基本原則[2]

生態建材要從材料的生產原料、生產過程、使用過程、使用工程和廢料處理5個主要環節綜合考慮它對生態平衡的利弊關系，除滿足建筑材料的基本實用性外，還要能夠維護人體健康、保護環境。其基本原則∶1）建立建筑材料生命周期(LCA)的理論和方法。2）以最低資源和能源消耗、最小環境污染的代價生產傳統建筑材料。3）發展大幅度減少建筑能耗的建材制品。4）開發具有高性能長壽命的建筑材料。5）發展具有改善居室生態環境和保健功能的建筑材料。6）開發工業廢棄物再生資源化技術。7）發展能治理工業污染、凈化修復環境或能擴大人類生存空間的新型建筑材料。8）擴大可用原料和燃料范圍。

2 國內外生態建材研究開發新技術

自20世紀60年代，很多的建筑師就開始使用生態建材，尤其是歐美的一些發達國家，在生態材料的研制方面取得了顯著的成效。

2.1 天然建材

天然建材包括天然礦物、木材、土材、劍麻等。近年來木材在發達國家重新得到發展和應用，特別是經過特殊處理的膠合木，在保持了木材的傳統美觀和設計強度的同時,還具有超強的耐火能力、絕緣性和尺寸穩定性能，可制作大跨度的直線或拱形構建，適用于建造各種不同類型的公共建筑，成為一種很有前途且利于環保的新型建材。在可持續發展要求之下木構建筑再次顯示了它極其旺盛的生命力。歐洲一些具有先進意識的建筑大師們已成功地探索了當代木構建筑的發展。而我國如能正確理解木構建筑體系這種新發展、重新認識木建構文化傳統，將為我國的建筑文化發展提供十分有意義的新思想[3]。

2.2 循環再生建材

選擇使用能夠循環使用和再利用的建筑材料，是生態建筑設計的另一個考慮因素。實際上現在建筑材料的耐久性與以前相比已經有了很大的提高，循環使用不會有安全上的隱患。如舊建筑的改造其實就屬于建筑材料的再利用，這一方面會保持歷史的延續性,另一方面又可以節省大量的能源消耗。建筑材料的循環利用則是針對那些無法再利用的材料經過特殊的加工處理,可以用來生產建筑材料，進行循環利用，這雖然也要消耗一定的能源，但是對于資源的節約使用,特別是稀缺資源的節約作用，總體來說利大于弊。同時，這對于減少建筑廢棄垃圾、減少對自然系統的破壞都有重要意義。2004年在上海建成的生態示范樓中就使用了一種名為“再生骨料混凝土”的材料，即可把煉礦廢渣、建筑垃圾制成骨料,其再生混凝土新料用量只有普通混凝土的1/3,但強度卻毫不遜色[4]。

2.3 低環境負荷建材

指在其壽命周期的整個過程中具有低的環境負荷值，即對環境的負面影響相對最小。傳統的建材產品的生產消耗大量的能源、資源，環境負荷非常嚴重。減少環境負荷和利用工業廢棄物生產高性能的建筑材料是生態建材的一個重要方面。具有代表性的新型材料有；節能、節資源、環保型水泥、低水泥耗量的高性能綠色混凝土以及利用工業廢棄物生產的高性能建筑材料等等，其優點在于；有效地利用廢棄物為原料，降低燒成溫度，節約能源，同時也減少了CO2、SO2、粉塵等有毒物質的排放量。

2.4 環境功能性建材

具有凈化、治理、修復環境，不形成二次污染，易于回收或再生等特性和功能。目前正在研究開發中或已取得階段性成果的這類材料主要有；光催化分解氮氧化物、除臭、殺菌的生態建材；抗菌、防霉的建筑衛生陶瓷和涂料；具有紅外輻射保健功能的內墻涂料；可調濕度的建筑內墻板等。

1）節能調溫建材

在建筑物采用節能設計的基礎上，建筑節能材料的應用研究成為建筑節能的研究方向之一。調溫材料是利用相變材料在相變點附近低于相變點吸熱，高于相變點放熱的性質，將能量儲存起來，達到節能調溫的目的。隔熱材料在建筑墻體中使用，使建筑物與外界減少能量交換，達到節能目的。

2）舒適功能建材[5]

調濕材料首先在日本發展和應用起來。日本首先將調濕材料應用于博物館、資料館、圖書館和書庫等大型建筑中，對文物保護起到了很好的效果。近年來，日本已將調濕材料應用到民用住宅。我國從1990年開始調濕材料的研究，但至今沒有形成產品，中國建筑材料科學研究院現在從事調濕材料的開發研究。調濕材料主要有木纖維、天然吸濕性材料（如石膏）、天然多孔礦物材料（如硅藻土、蛭石、海泡石等）和其它非晶多孔材料等。

3）健康功能建材

室內環境的污染主要包括微生物污染、有害化學氣體污染和物理污染。根據不同的污染物，利用不同機理來凈化室內環境是室內環境健康材料所必須的。

4）抗菌建材-抑制微生物污染[6]

抗菌材料首先在日本發展起來,在我國2003年的SARS流行告訴人們發展抗菌材料的重要性。中國建筑材料科學研究院是國內較早開始抗菌材料研究單位之一，其在抗菌建材方面的工作也反映了抗菌材料和抗菌建材在我國的發展過程。國內，目前抗菌材料已經制訂和正在制訂的標準共有4個，《抗菌塑料標準》于2003年10月開始實行,《抗菌劑標準》正在由抗菌協會制訂過程中。抗菌建材中的抗菌劑主要為無機抗菌劑,主要包括離子型抗菌劑、金屬鹽抗菌劑和納米半導體催化材料。金屬鹽抗菌劑主要應用于抗菌陶瓷、納米半導體催化材料和金屬離子抗菌劑主要用于涂料和其它日用品。

5）空氣凈化功能建材-減少室內空氣的化學污染[7]

凈化空氣材料主要包括吸附材料和納米半導體光催化材料。除了由于建筑材料、裝飾裝修材料和吸煙以及家用洗滌劑、殺蟲劑帶來的污染外,人體的排泄和分泌物也是影響室內空氣質量的一個重要因素。室內空氣的污染以有機氣體為主。所以，氧化分解和吸附分解是治理室內空氣污染的主要機理。利用TiO2的光催化作用除臭、抗菌、凈化空氣，是凈化室內空氣污染，改善環境質量的主要科技方法。科技界不斷對納米TiO2進行改性研究，使吸收光向長波方向移動，量子效率增加，太陽能利用率增加。由于純催化材料產生的羥基自由基對有機高分子材料的氧化分解作用，影響了其在涂料等有機材料中的應用，但隨著科技的進步，許多TiO2的復合材料相繼出現，如用無機材料包覆TiO2，用其它的無機礦物材料擔載TiO2的研究都取得了較好的效果，并開始應用于建材。

6）防噪音、防射線建材—減弱物理污染

住宅中采用隔音材料，對維護人的身心健康具有重要意義。采用多孔材料和壓電熱電材料，能夠吸收聲波能量減小噪音，吸收電磁輻射減小電磁污染的作用。

7）產生負離子功能建材（森林功能建材）—提升室內空氣質量

細菌、原生物、高標植物、昆蟲、動物和人對空氣離子都有反應。例如，無論正離子還是負離子都能抑制固體界面上的細菌和霉菌的生長，對懸浮在小水滴中的細菌產生致命的影響，減少空氣氣溶膠中細菌的數量。空氣負離子可以促進人體心臟細胞的繁殖，而正離子則減緩其繁殖。影響室內空氣負離子濃度的因素包括人員密度、污染物濃度、家用電器裝飾材料的使用等。一些建筑材料，特別是涂料具有誘發空氣產生負離子，改善室內空氣質量的功能。

2.5 利用可再生能源的復合型材料

1）TIM[8]

20世紀90年代出現了一種透明絕熱材料，簡稱TIM。可將TIM與外墻復合成透明隔熱墻，簡稱TIW。TIW由保護玻璃、遮陽卷簾、TIM層、空氣間層、吸熱面層和結構墻體組成。不僅可以得到太陽輻射熱，還可以得到TIM的反射能。TIM層在黑色吸熱面外側，在冬季可阻止吸熱面向室外散熱，在夏季可避免室外過多的熱量進入室內。玻璃內的遮陽卷簾（卷簾外表面為高反射面）可調節抵達墻面的太陽輻射量。

2）玻璃材料

在這一領域陸續出現了吸熱玻璃、熱反射玻璃、低輻射玻璃、電敏感玻璃、調光玻璃、電磁波屏蔽玻璃等。可將它們組合成復合的構造形式來達到生態建筑的保溫和采光要求。

3）太陽能光電材料[9]

太陽能電池可與建筑材料和構件融為一體，形成一種嶄新的建筑材料，如太陽能光電屋頂、太陽能電力墻及太陽光電玻璃。可以獲取更多的陽光產生更多的能量；不會影響建筑的整體美觀；集多個功能于一身，如裝飾、保溫、發電、采光等等。

3 結語

發展生態建材不僅可以解決傳統建材的環境、資源問題,還能為社會的可持續發展作出貢獻，也是提高我國建材科技水平、促進建材行業技術進步、實現我國建材工業可持續發展的根本途徑。當前生態建材發展的趨勢為∶多功能化、復合化、傳統建材與環境功能建材一體化。單一建材的特性和功能往往難以滿足生態建筑對建材綜合性能的要求，材料復合化技術可以通過加和效應、光催化效應和耦合乘積效應，開發出傳統的建材并不存在的新功能。

[1]周曦,李湛東.生態設計新論[M].南京:東南大學出版社,2003.

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[6]許杰青.淺談生態建筑材料的發展[J].建筑與規劃理念,2006(3):15～18.

[7]馮雅.生態環境的建筑設計[J].建筑學報,1996(6):22～26.

[8]Hatfie1d,James C.Encapsu1ation of phase change materia1s[J].US 4708812,1987:456～461.

[9]Sa1yer Iva1 O.Bui1ding products incorporating phase change materia1s and method of making same[J].US 5755216,1998:333～340.