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(大連理工大學 建設工程學部，遼寧 大連 116024)

引言

材料是社會進步的物質(zhì)基礎，推動了社會的進步，創(chuàng)造了巨大的社會財富。但從資源、能源和環(huán)境的角度看，材料的開采、加工、使用和廢棄的過程是一個不斷破壞人類賴以生存的環(huán)境的過程[1]。大量的統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，我國單位產(chǎn)品的資源消耗和能耗比發(fā)達國家要高很多倍。這反映出我國在材料的生產(chǎn)過程中有大量的原材料變成了廢品，不僅浪費了資源、能源，而且造成了環(huán)境污染。

建筑材料是建筑業(yè)的物質(zhì)基礎，在國民經(jīng)濟的發(fā)展中占有很大比重。在材料領域，建筑材料所占的比重最大，而且能耗高、產(chǎn)生的垃圾量大[2-4]。建筑材料的生產(chǎn)及使用與人們的生活和工作息息相關，人們?nèi)菀资艿浇ㄖ牧系挠绊懞臀：?。使用不合格的建筑材料造成的災難事故，有害物質(zhì)含量超標的室內(nèi)裝修材料對人體造成的危害令人觸目驚心[5]。雖然我國的傳統(tǒng)建材如水泥、陶瓷、玻璃、鋼材的總產(chǎn)量均位居世界第一位[1]，但我國建材行業(yè)走的是一條高污染、高能耗和高資源消耗的路子。要保持建材行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，滿足人們對生活環(huán)境和生活質(zhì)量的要求，必須走生態(tài)建材之路。

1 生態(tài)建筑材料

生態(tài)建筑材料不是單純的建材品種，而是對建材所具有的“健康、環(huán)保、安全”等屬性的評價[6]。

1.1 生態(tài)建筑材料的概念

生態(tài)建筑材料也稱綠色建筑材料、環(huán)保建筑材料，是指在原材料的獲取、材料的制備、材料的使用和材料的廢棄再利用等過程中，對環(huán)境產(chǎn)生的負荷最小且對人的健康有益的材料。

1.2 生態(tài)建筑材料的特點

生態(tài)建筑材料的概念來自于生態(tài)環(huán)境材料，所以其特征主要表現(xiàn)在：首先是節(jié)約資源和能源；其次是環(huán)境污染小，避免溫室效應和破壞臭氧層；再次是容易回收和循環(huán)再利用。與傳統(tǒng)的建筑材料相比，生態(tài)建筑材料具有以下幾個顯著的特點：

(1)原材料的選取盡可能少用天然材料，多用廢棄物。

(2)采用先進的生產(chǎn)工藝，減少材料生產(chǎn)過程中的能源消耗和污染。

(3)在材料生產(chǎn)過程中不添加對人體和環(huán)境有害的物質(zhì)。

(4)材料的設計是以提高人的生活質(zhì)量和改善環(huán)境為目的。

(5)副產(chǎn)品容易回收和循環(huán)利用，環(huán)境負荷小。

黨的十九大報告指出，要完善職業(yè)教育和培訓體系，深化產(chǎn)教融合、校企合作；要建設知識型、技能型、創(chuàng)新型勞動者大軍，弘揚勞模精神和工匠精神，營造勞動光榮的社會風尚和精益求精的敬業(yè)風氣。這為職業(yè)教育發(fā)展指明了方向，規(guī)劃了前景。職業(yè)教育站在新起點，要擔當新使命，把握新要求，實現(xiàn)新作為。

(6)具有地方特色，降低運輸能耗。

(7)包裝材料盡量少。

1.3 生態(tài)建筑材料的分類

不同的研究者對生態(tài)建筑材料的分類不同。有研究者認為可分為：天然建材、循環(huán)再生建材、低環(huán)境負荷建材和環(huán)境功能性建材[7-8]；也有研究者認為在此基礎上還應加上利用可再生能源的復合型建材[9]；還有一些研究者認為根據(jù)生態(tài)建材的性能分為：節(jié)能型、利廢環(huán)保型、安全舒適型、保健型和特殊環(huán)境型[10]。

2 無機生態(tài)建筑材料

2.1 生態(tài)水泥

水泥是一種重要的建筑材料，當今社會的發(fā)展離不開水泥，從工業(yè)與民用建筑、公路、鐵路到架橋等，這些建筑設施極大地改善了人們的生活。但是水泥行業(yè)也給資源、能源以及環(huán)境帶來了很多負面的影響。每生產(chǎn)1 t水泥要消耗大約2 t的石灰石，0.4 t的標準煤，同時排放約1 t的CO2，還有含NOx和SO2的粉塵和煙塵[11]。我國的水泥產(chǎn)量在2013年上半年已高達10.96億t[12]。據(jù)此計算，水泥行業(yè)消耗了大量的資源和能源，排放了大量的有害物質(zhì)，對人類的健康造成了威脅，也帶來了巨大的環(huán)境負擔。但同時我們也應該看到，水泥生產(chǎn)時的高溫環(huán)境可以安全有效地處理垃圾，且水泥行業(yè)可以消耗大量的工業(yè)廢料，如粉煤灰、礦粉、硅粉、煤矸石、鋼渣等?？梢娝嘈袠I(yè)挑戰(zhàn)與機遇共存，發(fā)展生態(tài)水泥是水泥行業(yè)的正確方向。

生態(tài)水泥是指利用固體廢棄物及其焚燒物為原料，應用一定的工藝制成的無公害水泥。生態(tài)水泥的生產(chǎn)方式主要有兩種：一是提高原材料的利用程度；二是應用科學的方法尋找新的水泥生產(chǎn)原料[11，13]。

2.1.1 高貝利特水泥

高貝利特水泥屬于硅酸鹽水泥系列，其生產(chǎn)工藝和原材料與硅酸鹽水泥大致相同[14]。硅酸鹽水泥熟料煅燒過程中的熱耗主要包括兩個方面：一是碳酸鈣的分解；二是高溫礦物的生成，主要是阿利特的生成。傳統(tǒng)硅酸鹽水泥熟料的燒成溫度一般為1 450 ℃，其中貝利特的含量為20%～30%；而高貝利特水泥熟料中的貝利特含量為50%～55%，貝利特的燒成溫度為1 200～1 250 ℃，所以生產(chǎn)高貝利特水泥可以節(jié)約大量的燃料，降低CO2、SO2以及NOx的排放。另外，高貝利特水泥原料中鈣質(zhì)原料的含量較低，可減少石灰石的用量，也可選用品質(zhì)較低的石灰石。

2.1.2 少熟料和無熟料水泥

少熟料和無熟料水泥是指在水泥中少使用或不使用硅酸鹽水泥熟料的一類水泥。我國每年產(chǎn)生大量的工業(yè)廢渣，如粉煤灰、礦渣、火山灰、硅灰、鋼渣、煤矸石以及石灰石粉等。經(jīng)過國內(nèi)外學者的研究，采用混合材取代部分水泥熟料已經(jīng)有了較完善的技術標準。在歐洲，摻混合材的水泥占水泥總產(chǎn)量的一半以上[14]。在我國，摻混合材的水泥的應用也十分廣泛。摻混合材不僅節(jié)約了能源，使廢渣得到了二次利用，而且在某些方面可以改善水泥的性能。

少熟料水泥中的混合材通常需要在水泥水化產(chǎn)生的Ca(OH)2的作用下進行二次水化反應，無熟料水泥通常需要添加堿組分來激發(fā)水化反應。無熟料水泥方面研究比較多的有堿礦渣水泥、石膏礦渣水泥、鋼渣礦渣水泥以及砌筑水泥等。

2.1.3 低溫再生水泥

我國正大力發(fā)展基礎建設，這必然會導致建筑垃圾的大量產(chǎn)生，保守估計，我國每年廢棄的混凝土要達到近億噸[16]。國內(nèi)外學者對廢棄混凝土利用途徑的研究主要集中在制備再生水泥和再生骨料。低溫再生水泥是從廢棄混凝土中分離出水泥石粉末，在650～700 ℃下煅燒所得到的水泥。再生水泥降低了水泥行業(yè)的能耗，而且高效地利用了廢棄混凝土。胡曙光等[16-17]研究發(fā)現(xiàn)不同溫度下煅燒得到的膠凝材料對水泥水化的影響不同，其中在650 ℃下煅燒得到的膠凝材料可以加快水泥的水化和改善水泥的凝結(jié)硬化性能。

2.2 生態(tài)陶瓷

2.2.1 抗菌陶瓷

微生物可以降解有機物，但是微生物的存在也對人類的生存造成了威脅。1996年，在日本全國范圍內(nèi)爆發(fā)的病原性大腸桿菌感染事件，2003年我國發(fā)生的非典和近年來的禽流感，這些事件的發(fā)生使得抗菌材料越來越受到人們的重視?？咕沾墒翘沾僧a(chǎn)品在原有的基礎上添加了抗菌新功能的陶瓷材料[18]?？咕沾筛鶕?jù)抗菌劑的種類可以分為3種：金屬離子摻雜型抗菌陶瓷、光催化型抗菌陶瓷和其他抗菌陶瓷?？咕沾傻纳a(chǎn)方法有兩種：一種是在干燥胚體的表面添加抗菌劑；另一種是在陶瓷所施加的釉中添加抗菌劑。金屬離子抗菌劑主要是Ag+和Cu2+，其作用機理是這些金屬離子可以固結(jié)生物體中的蛋白質(zhì)。我國有很多學者對TiO2光催化抗菌陶瓷進行了研究[19-22]，TiO2是一種典型的半導體氧化物，光照射使TiO2表面產(chǎn)生空穴，這種空穴與表面吸附水或OH-發(fā)生反應生成·OH?！H可以氧化大部分的有機物和部分無機物，生成對環(huán)境無害的CO2和H2O。其他抗菌陶瓷主要是通過多種抗菌劑復合使用，產(chǎn)生良好的抗菌效果。胡海泉等[23]研究了光觸媒系和銀系的復合抗菌陶瓷，發(fā)現(xiàn)其在黑暗中24 h內(nèi)的殺菌率為100%。

2.2.2 陶瓷透水磚

在城市化進程中，水泥混凝土和瀝青路面越來越多，這些路面由于透水性差帶來了很多問題，如雨天排水不及時易引發(fā)事故、雨水進入地下水的渠道受阻使得地下水水位下降。陶瓷透水磚是以工業(yè)廢料、建筑垃圾及生活垃圾為原料，經(jīng)過粉碎、壓制成型、低溫燒成等工序制得的具有一定的透水功能的建筑材料[24]，將其應用于城市路面不僅可以緩解城市排水系統(tǒng)的壓力，而且可以吸收車輛噪聲[25]。呂淑珍等[26]以螢石尾礦和珍珠巖廢礦粉為原料制得陶瓷透水磚，該產(chǎn)品完全達到了透水磚的技術指標。殷海榮等[27]利用陶瓷廢料、黏土、廢玻璃為原料制得陶瓷透水磚，其透水速度可達0.10 cm/s，磚的強度可達12.1 MPa。

2.3 生態(tài)玻璃

2.3.1 自潔玻璃

自潔玻璃是指表面具有納米級光催化劑TiO2薄膜，在光照作用下能自發(fā)地分解表面大部分有機污染物和部分無機污染物的玻璃[28]。自潔玻璃表面具有超親水性、親油性和光催化性。在陽光作用下，TiO2半導體以其特有的強氧化性使污染物分解成相應的無害物質(zhì)，不會污染環(huán)境[29-30]。劉欣等[31]研究了用礬離子縮短Activ玻璃表面的TiO2薄膜的親水性光致時間，發(fā)現(xiàn)礬離子注入能量為90 keV、摻雜濃度為6×106ions/cm2時玻璃的光致親水性最佳。王承遇等[32]采用溶膠-凝膠法離心鍍膜工藝在玻璃表面制備ZnFeO4-TiO2復合膜，試驗結(jié)果表明，在同樣的日照條件下，ZnFeO4-TiO2復合膜自潔玻璃的光催化效率比TiO2膜自潔玻璃高出4倍以上。

2.3.2 泡沫玻璃

泡沫玻璃是一種以廢玻璃或其他各種富含玻璃相的物質(zhì)為主要原料，經(jīng)過粉碎磨細、添加發(fā)泡劑等材料，均勻混合形成配合料，再將其放置在特定模具中，經(jīng)熔融、發(fā)泡、退火等工藝加工而成的氣孔占體積80%～90%的隔熱、隔聲材料[33]。與其他無機隔熱材料相比，泡沫玻璃具有導熱系數(shù)小、不燃、不吸水、可鋸可釘、強度高等優(yōu)點。很多學者對泡沫玻璃這種生態(tài)材料進行了研究，方榮利等[34]利用粉煤灰研制泡沫玻璃，通過試驗得到了各原料的配合比，制得的泡沫玻璃質(zhì)輕、高強、保溫性能好，為粉煤灰的利用開辟了新途徑；涂欣等[35]以廢玻璃、脫鎂硼泥為主要原料，探索了制作泡沫玻璃的最優(yōu)配合比，并對發(fā)泡劑、助溶劑等添加劑的摻量進行了優(yōu)化，在優(yōu)化條件下可制得氣孔分布均勻的泡沫玻璃。

3 結(jié)語

我國人口眾多，人均資源嚴重不足，可持續(xù)發(fā)展已經(jīng)成為社會發(fā)展的方向，發(fā)展生態(tài)建筑材料得到了廣大建材研究人員的認可。發(fā)達國家在生態(tài)建筑和生態(tài)材料方面的研究比我國起步早，有很多經(jīng)驗值得我們學習。我們可以避免發(fā)達國家在生態(tài)建筑材料研究方面走過的彎路，減少資源浪費和環(huán)境污染。另外，不同國家生態(tài)建筑材料的標準不同，我們應根據(jù)中國國情及資源特點發(fā)展中國特色的生態(tài)建筑材料。

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