基于绿色建筑宜居性的新型建材研发与工程应用分析

本文针对与建筑宜居性密切相关的新型建材制备与应用关键技术进行了较为深入的研究，并将研发的各项技术成果集成应用于中国建筑技术中心林河三期等重要工程，获得了良好的经济和社会效益，实现了预期的技术创新目标
第 1 章 绪论

1.1 研究背景

1.1.1 建筑宜居性与当代建筑发展的基本特征

  建筑，从主要功能上讲它是人类生活与生产的场所。1929 年中外考古学家在中国北京周口店的洞穴中发现了远古人类生存痕迹，从中推断出至少 50 万年以前人类已开始在洞穴里居住。但这些远古的人类居所并非建筑，只有在后来人类靠自身的智慧和劳动，运用材料和一定科学知识构建出能够满足居住功能需要的环境设施，建筑才得以真正出现。在漫长的人类发展过程中，建筑宜居性始终是人类追逐的梦想，同时也是人类文明不同阶段在建筑中的重要体现。纵观整个世界建筑发展史，随着人类对自然界认识的逐渐深化、建造技术的不断进步，建筑自身形成了更加完善和复杂的系统、建筑功能不断地提高，建筑宜居性也在不断向更高水平需求和更广内涵范围延伸。从远古人类仅关注栖身之处的人身安全、御寒防暑、遮挡风雨等基本生存需求，到农耕时代“天人合一”思想在建筑中的体现以及风水学的兴起，在关注居住建筑安全性的基础上，建筑使用功能扩展到了宗教和政治需要，建筑内部的居住功能也得到了改善。在工业化时代，人类对建筑的需求已不仅是在居住、宗教、政治方面，更成为人类物质生产和产品交换的场所。当人类进入到现代社会，建筑不仅关注人身安全性、生活便利性和居住舒适性，更进一步发展到追求人类身心健康和个人价值实现的层面。1996 年联合国第二次人居会议首次明确提出“宜居性是指空间、社会和环境的特点与质量”，要求人人要有适当的住房，居住社区要可持续发展。中国政府也于 2005 年首次提出“宜居城市”的概念并积极在国家相关建设活动中加以推进实施，强调“要采取有效措施，进一步改善居住环境，满足人民群众物质、文化、精神和身体健康的需要，切实提高人民群众的居住和生活质量。”建筑作为构成宜居城市的基本单元，所谓建筑的宜居性是指建筑及环境在安全性、舒适度、适宜性等方面特别适宜人类身心健康发展的需求。建筑宜居性是以人类活动行为为中心视角对建筑科学的再定义，它区别于传统的建筑功能定义和技术定义，是在人居环境科学、可持续建筑、绿色建筑、健康建筑等理念的基础上进一步发展与完善补充。从上述基本理念和价值观出发，研究和分析当代建筑及其建造过程

1.2 本论文的主要研究工作

1.2.1 研究目标

  本论文首先以全面改善建筑的节能、节材、节地、节水、环保等 5 大要素，突出改善建筑内外环境，提升建筑宜居性作为总体研究目标，通过材料与部品技术的自主研发，获得能够显著改善建筑内外环境提升宜居性的配套技术与产品系列，进而与存量的绿色材料技术进行集成，打造出独特的绿色建筑系统性解决方案。并最终在工程项目中进行综合应用，实现一种主要以绿色建材与部品技术为特色的绿色建筑综合技术创新。

1.2.2 主要研究内容

1.2.2.1 各分项技术与建筑宜居的关联性分析

  微孔混凝土除了具有保温隔热、耐久、防火等优点外，还有热惰性值大的特点，也就是当室内停止供暖，微孔混凝土储存的热量释放出来，室内温度不会很快地下降，而是逐渐降低，使居住者对环境温度变化有一个适应过程；反之也一样，当室内剧烈供暖，室内温度也不会很快上升，而是逐渐升高，居住者同样有个适应的过程。所以微孔混凝土墙材做成的围护结构比有机材料有更好的宜居性。降温涂料可以显著降低建筑屋顶和外立面夏季的表面温度，降低从屋顶和外立面进入室内的热量，进而降低室内温度。在不使用空调的情况下，提高居住环境的热舒适度；在使用空调的情况下，可以大幅降低夏季的制冷能耗。光触媒空气净化涂料不仅能够起到内部装饰的作用，还可以消除甲醛和一氧化氮等室内有害健康的有机挥发性物质，大幅提高居住舒适度和健康。透水混凝土铺装和植生混凝土铺装在充足的太阳光照射下，多孔结构能大量吸收太阳热，缓解了环境的燥热，对“热岛效应”有削峰作用；而在夜晚，又将吸进去的热释放出来，缓和温度的快速下降，增加了居住环境的舒适感。同时透水混凝土保持了类似于自然地面的降水循环功能，维持了环境的湿度，因此，透水混凝土除了补充地下水资源的功能外，在维持环境温湿度，创造宜居室外环境方面也有很大作用

第 2 章 轻质微孔混凝土及其墙材制备技术研究

2.1 引言

  目前，在围护结构保温体系中，EPS、XPS 板等因材料成本低、保温性能好而被广泛使用，但这些材料也存在一些依靠自身难以克服的缺点，主要是易燃、易脱落和耐久性问题。全国已发生多起 EPS、XPS 外保温板的火灾和脱落事故，有的甚至造成了重大生命财产的损失；聚苯板由于其有机物的特点所决定，随着时间推移会发生降解和萎缩，在应用于建筑围护结构的 10 多年后其保温隔热效果会逐渐下降，不能与建筑物同寿命。而以矿物棉（岩棉）为代表的无机保温材料有一定市场份额，但在施工时容易产生碎末，对施工人员的皮肤有刺激性或随呼吸吸入影响健康，研发能克服上述缺点的无机保温材料及其制品正为市场所企盼[25]。本论文研究的微孔混凝土（ceramsite foamed concrete-CFC）是由微孔基材和以陶粒作为轻骨料复合制备而成，由于其含有大量的微小孔隙，具有热绝缘的属性。特别是本论文研究的制备技术大大优化了其结构，可使其基材封闭孔隙率达到 30%以上，加上陶粒的微小孔隙（平均孔径约 1 mm），总的封闭孔隙率可达到60%以上，具有良好的保温隔热性能，由于其由全无机材料构成，不仅消除了火灾隐患，而且可以与建筑物寿命，解决了围护结构保温层的耐久性和在建筑物服务年限内热工性能稳定的问题，进而保证了建筑物长期的节能效果。在本章研究的第二阶段，将微孔混凝土与钢筋混凝土结合，研发了装饰保温结构一体化多功能墙材，大大提高了建筑部品生产和挂装施工效率，实现了节能与建筑工业化的有机结合，增加了建筑的绿色元素。微孔混凝土中的孔隙率和孔隙结构特征与其热工性能有着密切的关系，封闭的微小孔隙和足够的孔隙率将赋予其良好热工性能，而达到这一性能的关键是保证气泡的稳定性，这就必须从原材料的性能、微孔混凝土制备技术和浇筑过程入手，做好每一个环节。

2.2 CFC 原材料的技术要求

  与普通混凝土不同的是，微孔混凝土由于气泡的大量存在于其中，增加了对各种因素的敏感性，原材料是其中重要一环。本研究在历时数年试验研究过程中，总结了原材料与微孔混凝土性能特别是其中泡沫稳定性的密切相关性，对原材料提出了必要的性能要求。

2.2.1 胶凝材料

2.2.1.1 水泥

  水泥是在微孔混凝土中最主要的胶凝材料，常用的有硅酸盐系列水泥、硫铝酸盐系列水泥或铝酸盐系列水泥等，所选用的水泥必须符合现行国家标准。由于浆体中泡沫的稳定性与水泥的水化硬化进程快慢相关，所以一般采用 42.5 等级以上的水泥，水泥性能指标必须符合国家相关标准的规定。在环境气温较高的夏季可优先选用混合材含量高的水泥，或使用矿物掺合料；在寒冷季节或对混凝土早期强度有要求的条件下的施工，则可以使用硫铝酸盐等快硬水泥或高强度等级的普通硅酸盐系列水泥。

2.2.1.2 辅助胶凝材料

  辅助性胶凝材料具有改善拌合物性能、降低水化热、减少收缩和提高力学性能等作用，常用的辅助性胶凝材料有粉煤灰、硅灰、矿渣粉和稻壳灰等。适当采用辅助胶凝材料除改善物理力学性能外，还可降低成本。

（1）粉煤灰 粉煤灰是微孔混凝土制备中常用的辅助胶凝材料，质量好的粉煤灰有良好的稳泡作用[26-27]，掺量一般 20%左右，特殊情况下超过 40%，所选用粉煤灰的质量等级应不低于Ⅱ级。

（2）硅灰 硅灰对微孔混凝土有早强效果，而且也有一定的稳泡效果和增稠作用，在制备的 CFC 密度较低，且需要强度发展快的情况下，应尽量采用，一般掺量 5%左右即可。但采用热养护的情况下，应优先选用粉煤灰，而不是选用硅灰，因硅灰会使水泥水化放热峰提前，增加开裂风险。