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止于至善

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关于我

闻宝联,工学博士,教授级高工,天津市市政工程研究院副总工程师,同济大学、天津大学校外硕士导师,新加坡《urban transportation &construction》杂志副主编,中国土木工程学会混凝土质量专业委员会委员,中国土木工程学会混凝土耐久性专业委员会委员,中国建筑业协会混凝土分会专家组成员,中国腐蚀与防护学会建筑工程专业委员会委员,中国商品混凝土企业联合会专家委员会主任委员,中国硅酸盐学会混凝土与水泥制品协会理事,数十项国家重点工程混凝土专项技术指导。

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天然微集料的功能与集成  

2015-04-07 13:50:40|  分类: 建筑节能与绿色建 |  标签: |举报 |字号 订阅

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当前材料的发展趋势可以归纳为以下几个特点:复合化、多功能化、智能化、低维化和设计、工艺、功能一体化。材料通过复合可得到新的功能或使之多功能化,甚至智能化。目前,广泛使用的普通建材在功能方面存在如下问题,①功能单一;②热损失大;③环境协调性差;④含有害物质。

要解决建筑材料在功能方面存在的不足,必须加大力度,开发研制符合生态和环境要求的新型功能型建材。发展生态建材必须加强建材功能原理 的研究,包括基础理论和工艺原理的研究。近几十年来,在研究结构材料取得巨大成就的同时,特别注意对具有特殊物理、化学和生物学特性材料的研究,即功能材 料的研究。有人把功能材料(特别是智能材料)的研制称为现代炼丹术,是对传统材料科学的挑战。

建筑材料的功能化研究受到越来越广泛的重视,特别是与仿生结构功能和环境协调功能相联系的功能建材(即生态建材),已成为21世纪建材发展的重要方向[1]
建筑材料的生态功能是指建筑材料在使用过程中所表现出的与生态学和环境学相联系的一系列属性。微集料是指材料中能够显示特定功能,并在复合、叠加后产生功能协同效应
的独立组元。

1 生态多功能型建材是21世纪建筑业的主导材料
1.1 环境协调材料符合人们改善居住条件的要求

居室是人类生活的主要空间,人们一生中的绝大部分时间是在室内度过的。随着社会的进步和经济的发展,人们对居室的要求不再仅仅是遮风避雨、维持生存,而是追求更为舒适和
有利身心健康的条件,这已是世界建筑发展的方向。
当前用于室内的装饰、装修材料的施工和使用过程中挥发和散发着有害的气体和物质,这些气体和物质污染室内空气,并引起多种疾病,影响着人们的身 体健康。建筑材料的毒性和对人体健康的危害体现在它的制造、使用和后期处理的全过程。由于大多数人有90%的时间都是在室内渡过,所以减少室内污染尤为重 要。

目前,世界上许多发达国家都投入很大力量研究开发建筑材料的生态功能。除利用仿生学原理制造各种各样的结构材料外,业已开发出可以抗菌、除臭的光催化杀菌、防霉陶瓷,可
控离子释放型抗菌玻璃,电致臭氧除臭、杀菌陶瓷等新型陶瓷装饰材料和卫生洁具。这些材料用于居室,尤其是厨房、厕所等细菌易于繁殖滋生的地方,是改善居室生活环境的理想材料,也是公共场所理想的装饰、装修材料。

建材的生态功能可充分发挥其环境协调作用。例如:具调温、调湿、吸收二氧化碳的建筑材料可达到调节居室内小环境的能力,使人类居住条件 更为优越;具防火、防水、隔音、调光等功能的建筑材料,可使居室感到更有安全感、舒适感。建筑材料的环境协调功能的研究是改善人们生活条件,构筑舒适宜人 的生存空间所不可缺少的,将成为21世纪最具活力的研究内容之一,有着广阔的应用前景[2]

我国人口多、密度大、居住密集,这更需要经常保护和改善室内小环境。为了创造人类健康和长寿的小环境,开发抗菌材料、吸臭材料、调温、调湿材料和有利于健康的其它功能材料是非常必要的。目前国际上已开发了有抗菌性能并无毒的乳胶漆、涂料、抗菌面砖和卫生陶瓷等。
利用仿生原理还可生产智能建材,它是一种能“感觉”出周围环境的变化并能针对环境的变化采取相应对策的材料。当外界的压力、声音、温度、光波、电磁波等物理量的变化时,它将产生新的自适应变化,进而显示其功能。如调色、调温、储热、储电、主动质量阻尼技术等。

21世纪民用建筑所使用的材料应该是具有多功能的、促进健康和提高生活质量的生态建筑材料。
1.2 微集料的功能开发与应用是提高21世纪建筑综合功能的主要发展方向

地球上生活着各种各样的动物和植物,它们以其精巧的躯体结构和特异的生存功能给建筑材料功能的研究以新的、有益的启示。建材仿生可从生物躯体的组织结构、化学成分、色彩及生态特征等方面获得生态功能的原理,并应用于建筑材料的生产。

在建材的结构和功能上,人们利用仿生学原理,取得了很大的成效。例如模仿蜂巢的组织结构,生产出了轻质高强、保温隔热的蜂窝泡沫商品混凝土、 加气商品混凝土、泡沫玻璃等等。在仿生方面人们应用一定结构的装饰材料,可将风、光等对建筑产生负面影响的能量,转化为高层建筑环境所需能量的一部分,化 害为利,变废为宝,创造更富有活力的生存与行为环境,并满足节能的要求;在色彩和质感上,人们也利用仿生原理,研究出千姿百态、五彩缤纷的建筑材料,可缓 解人们的情绪和压力,达到调节氛围的作用;在成分上,生物的组成并非复杂,其构筑也是在低温下进行的,这给人们很大的启示,并促使人们寻找化学组成简单、 工艺简单并节省能量、减少环境污染的新型技术。又如,人们利用荷叶的出污泥而不染的特性,研制出自净和防污渍防水材料和涂料。

我国是能源消耗大国,建筑能耗占全国能源消耗总量的四分之一,比发达国家高三倍。使用保温隔热材料,降低墙体材料的导热系数,采用高新技术开发利用太阳能,加强建筑保温是节能降耗的最有效措施之一。

日本把太阳电池与外墙和瓦片一体化后解决了阴影时太阳电池的转换效率以及贮能系统等一系列问题,并提出2600万户太阳住宅的计划。因 此,研究太阳能贮热的墙体和屋面、光电发电、致冷墙体和屋面等高新技术,是进一步提高电热转换率、节约能源、降低成本的有效措施。因此,建材微集料功能的 开发与应用,直接影响到建筑的节能、降耗和资源消耗。微集料的功能开发与应用是提高。

21世纪建筑综合功能的主要发展方向。

2 微集料功能集成是生态建材实现多功能化的根本问题

微集料的功能问题,是生态建材的基因问题;微集料复合后的功能集成问题,是生态建材多功能化或功能复合化的关键问题。

建材生态功能的研究涉及许多基础学科,如晶体结构学、能态学、热学、光学、生物拟态学、环境学等。材料具备一定的生态功能是基于成分、结构或复合构造与复合界面的不同特性,这些特性可归属为化学、物理或结构效应引起的,且具备一定的规律。
建材微集料生态功能的研究应向微观和宏观两极发展。宏观水平的研究,从仿生发展到构造材料的结构,进而获得高的结构强度、轻质、保温、隔热、隔 音及其他性能。微观水平的研究,从组成材料的矿物个体,乃至深入到分子、原子的层次。微集料功能集成的定向性变化需从宏观水平和微观水平上进行综合研究。

建筑材料生态功能主要涉及材料的一次功能,即材料具有输出的能量与输入的能量属于同种形式的属性,如力学功能、声学功能、热学功能等;也涉及材料的二次功能,即高次功能,这类材料输出的能量与输入的能量属于不同种形式的属性,如光电转换功能,光分解反应功能等。

2.1 微集料结构仿生功能与集成
2.1.1 生物拟态学与仿生材料

仿生学已有悠久的历史,并有大量的由生物拟态学的启示开发的仿生材料。早期飞机的就是模拟蜻蜒飞行设计的。现在人类已能够设计制造更高 性能的结构材料、功能材料、智能材料,并且将在不同尺度上制造材料(如纳米级~分子级等)。解剖学研究表明,动物或人的皮是具多功能结构的典型智能生物材 料之一,具有可弯曲变形、调节温度、防水、阻止化学物质和细菌进入及自修复等功能的复杂层状组织。比利时的建筑师与工程师模仿变色蜥蜴的皮肤具有对环境能 作出反应的特点,在建筑界面外装置一层遮阳百叶作双层皮,通风管道置于双层皮中。夏天可阻挡阳光,减少冷气负荷,冬天双层皮又可作日光采集器,加热空气, 预热空调。这既达到了装饰的目的,又达到了节能的目的。

生物材料的微观组织和性能关系的研究为材料合成技术提供了许多新思想。研究发现,尽管是同一种材料,但其组织形态差异很大,有的可提供 极高的力学性能,科学家对昆土兰果壳的研究发现,它所以极难形成裂纹的原因是坚硬的果壳含有纤维束,而且是任意方向的,几乎100%占据了壳的空间,在整 体上形成各向同性体。这种结构的结果是不存在任何薄弱的环节使裂纹得以传播。这表明在微集料型建筑材料中,纤维型集料必须在各个方向上无定向分布才能达到 最佳的强度,或者尽可能使纤维状矿物在材料中无择优取向性生长。前者的原理可应用于玻璃纤维等作集料的墙体材料或其它建材制品中,后者的原理可应用于石膏 及微孔硅酸钙等制做墙体材料或其它建材制品中。

蜜蜂用蜂蜡建造的巢穴强度高、保温、隔热、吸音、透气性好;贝壳在化学成分上95%是碳酸钙(文石),5%是有机质,两者粘结成在构造上呈曲面型强度很高的整体,而且并不需要高温烧结。其抗张强度高达100兆帕,远大于水泥。 这给人类一重要启示。目前人类使用的主要胶凝材料或为无机或为有机胶凝材料,且存在前者强度低、成本高,后者毒性大、安全性低的问题。美国国家实验室已研 制出一种高强度聚合物水泥,它是用水溶性糖醛醇的聚合物制成的,组分少,工艺简单,可用于快速修补公路、桥梁和机场跑道。我国古代劳动人民利用石灰和糯米 糊制作的胶凝材料,耐久性高,强度高。

以上表明生物拟态学在建材生产中占有十分重要的位置,应加强研究,努力开拓发展仿生建材技术与产品。仿生建材中微集料(如昆土兰果壳中的单根纤维)的功能研究非常重要,但微集料功能的集成规律(尤如昆土兰果壳中所有纤维的无定向均匀交织排布)研究,同样应受到特别的重视。

2.1.2 多孔微集料的功能集成是节能降耗型建材功能的前提

我国是能源消耗大国,应用保温隔热材料,加强建筑保温是建筑节能降耗的最有效措施之一。据统计,我国用于采暖年能耗111亿吨标准煤,比发达国家高3倍,外墙传热系数高4~5倍。因此,解决传热系数小于1W/m2·K的墙体材料是建筑节能降耗的关键。

自然界产出的某些天然矿物或岩石,由于它们具有密度小、热导率低而具有良好的保温、隔热功能,如纤蛇纹石石棉、纤维水镁石、纤维状海泡 石及浮岩、硅藻土、火山凝灰岩等;部分矿物或岩石自然状态不具有上述功能,如:蛭石、珍珠岩、黑耀岩、页岩等;它们的焙烧加工产物具备上述功能,如膨胀蛭 石、膨胀珍珠岩、膨胀页岩等;现在已开发生产出多种具有上述功能的人工集料,如陶粒、岩棉、微孔硅酸钙、漂珠等。具有保温、隔热功能的材料同时具备轻质、 吸音的功能。

上述天然矿物岩石材料或人工合成材料其共同的功能属性是多孔。但它们各自的微孔特征是不同的,包括孔的大小、形状、连通情况等。研究同 种微集料气孔的大小、形状、连通性与热导性、吸声率等的关系以及对轻质、保温、隔热性而言,功能之间的影响,研究多种微集料复合后即功能集成后热导性、吸 声率等变化以及集成功能的变化,探讨最佳配方,并从理论上总结集成规律,以指导节能降耗型功能建材的生产。

蛭石的可改造性与工业利用前期研究结果表明,作为多孔性微集料膨胀蛭石具有良好的轻质、保温、隔热、阻燃、吸音及吸收/放出水分(调节湿度)等多种功能,是建材多功能体的典型材料之一,但这些功能的集成规律和与其它属性不同的微集料复合和集成功能的研究还需要进一步深入[3]

隔热保温功能材料涉及多种学科,如传热学等。多孔性微集料功能研究的关键是材料的热物性质的机理的研究,包括热导、热膨胀、热辐射等。 研究表明,固体材料的热物理性质取决于它们晶格振动或热振动。从量子理论出发,可以用声子来描述固体中的晶格振动。固体材料的热导率主要取决于声子的平均 自由程。多孔性微集料的热物理性质与固体材料的热物理性质的形成机理有其共同的方面,但差别仍很大,其机理的研究与微集料的多孔性特征等有关。前期结果表 明多孔性微集料热物理性质除受孔的形状大小、连通性的因素影响外,还与孔的组合规律性、构成多孔微集料的晶格对称性、原子量、弹性及密度等因素有关。

多孔微集料的研究除对建筑节能降耗及改善微环境有重要意义外,还对轻质、高强及吸声、隔音材料的研究具有重要的意义。

2.2 微集料环境协调功能与集成规律研究

环境与人存在基本的能量和物质的转换关系、循环关系。环境协调材料就是在人一定的活动空间内调整光、热、空气、水分等媒质维持良好的状态,达到人与环境的能量与物质供需平衡状态,使居住环境舒适、人体处于一种健康状态。

1、调整微气候环境材料:采用带有天然或人工微孔如沸石、海泡石、坡缕石、硅藻土等材料:利用这种材料的“呼吸”功能、贮热功能、水———水蒸汽转换功能、调整小空间的气温、湿度变化和热辐射影响。其原理是利用多孔材料对分子大小不同的气体如O2、CO2、H2O蒸汽选择性吸附、脱附、透过的原理或不同相转换和热熔大的特点,调节空气中的CO2的浓度、水蒸汽的百分比和室内温度。这类材料研究的关键是调整的辐度和各种调整功能的衔接与一体化。

2、净化微环境材料:噪声、电磁辐射(从紫外———可见———红外———微波)粉尘与活性有机物污染等对人居住空间和人身健康带来危 害。利用噪声和电磁辐射均是波的形成的污染特征,采用相应孔级级配吸收波的方式消除对听觉、皮肤、器官的损伤。吸波、滤波和抵抗波破坏性是这类材料研究的 难点,研究材料孔结构与分布与波能的关系是解决该类材料应用的前提。开发重点应是选用天然多孔材料和人工带孔材料。针对天然多孔材料和纤维材料中有强吸附 作用、强脱水作用、机械刺入作用以及贵金属离子和短波长光线的杀伤作用研制吸附脱尘、吸附杀伤活性生物材料。例如利用硅灰石、纤维海泡石吸附、刺入作用杀 伤寄生虫、细菌等。又如利用Ag/沸石对芽胞杆菌、绿脓杆菌、沙门氏菌、葡萄球菌、大肠杆菌、霍乱等病菌,尤其是对肝炎病毒有良好灭杀效果(日本正在试验 用在O-157病菌的灭杀上)及稳定期长、使用广泛、安全性好、无毒、高效的特点,制成多功能微粒系列、复粒系列,可广泛以膜、纤维、板块、颗粒的形式交 叉组合,这种多功能微集料具有杀菌性广泛、耐热性高、使用方便的特点。

Cu基、Zn基、Ag基固体杀菌系列微集料可组装在陶瓷基、有机基等装饰材料上发挥它们的杀菌作用。如利用泡沫固定多功能微集料使其在潮湿、阳光不充分的地方缓慢释放杀菌因子达到消除霉菌的目的。

二氧化氯具有放出原子氧的功能,是一种负氧离子化学剂,用多孔材料固定载附系列微集料,可组装在室内空调系统中清新空气,仿造回归大自然的感觉。另外,利用改型多孔材料如Ag/沸石对NOx的选择性吸附功能可以交换居室环境中低浓度NOx,并利用其对N2O、NO+可逆吸附及NO-、NO3不可逆吸附功能,利用太阳能或电子辐射再生。该功能微集料是解决尾气污染的有效途径[4]

3 结论

1、生态建材与天然微集料功能与集成应抓住生态建材功能的“基因”微集料的光、热、电、磁、波等以及结构、界面、复合等方面进行开发研究并把这些功能进行集成。

2、生态建材的微集料功能与集成开发研究主要侧重于微集料如下方面:结构仿生功能开发研究;环境协调功能开发研究;不同微集料功能的集成规律与技术开发。
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