郅晓

绿色建筑材料通常是指对环境影响较小或对环境无负面影响的建筑材料[1]，虽然不存在绝对意义的绿色建材，但随着建材制备技术的不断进步，工业固体废弃物建材化资源利用基础理论和应用技术的深入研究，建筑材料长期性能的逐步提升，部分建筑材料的生产和使用过程中对环境的不良影响正在逐渐降低。与此同时，建筑全生命周期温室气体排放仍占排放总量的较大比例，如美国约43%的温室气体排放来自于建筑全生命周期[2]，我国则有50%以上为建筑全生命周期排放[3]。建筑全生命周期温室气体排放中，约12%来自建筑使用过程中的供热或空调系统，剩余的大部分是建筑材料生产过程中产生的[4]。政府间气候变化专门委员会（IPCC）[5]报告中指出需在2030年达到温室气体排放较2010年降低45%的目标。我国“十四五”规划建议和2035远景目标中，提出了推进重点行业和重要领域绿色化改造，发展绿色建筑；在温室气体排放方面，明确要求制定2030年前碳排放达峰行动方案[6]。同时，建筑材料对建筑物室内空气质量的影响较大，而人们80%的时间在建筑物内[7]。因此，进一步提升建筑材料绿色化水平是本领域科学研究和产业发展的重要方向。典型的绿色建筑材料往往具有可再生性、良好的耐久性能、生产中无有害副产物、原料中使用工业固废、生产过程中节水节能、使用过程中节能等特征[8]。“十三五”期间，我国设立了国家重点研发计划“绿色建筑及建筑工业化”领域专项，其中，绿色建材方面针对工业及城市固废和地域性原材料制备绿色建材、建筑垃圾资源化利用、高性能结构材料、装饰装修材料和外围护结构材料分别设立了专项进行研究和示范应用。本文对包含先进基础建材、工业和城市固废制備绿色建材、室内装饰装修材料污染物检测等绿色建筑材料以及相应的检测方法等的研究和技术应用现状和进展进行了综述。

1 水泥

水泥是土木工程建设中重要的建筑材料，水泥生产过程中排放的温室气体约占排放总量的6%～7%[9]。预计到2050年，全球水泥生产量仍将维持在40亿t以上（见图1），而我国水泥产量虽将逐步降低，但仍将维持在一个较高的水平。因此，降低单位水泥生产碳排放是较少水泥生产碳排放总量的唯一途径，也是提升水泥绿色化程度的重要手段。近年来，研究者和工业界通过提高熟料生产热能效率、使用替代燃料、增加水泥中辅助性胶凝材料比例、发展高贝利特特种水泥等手段降低水泥生产碳排放，提升水泥绿色化水平[10]。

1.1 热能效率

降低单位水泥产品能耗是提升水泥绿色化水平的重要方法之一。截至2018年底，我国1 681条熟料生产线中69.84%为2500t/d以上熟料产能生产线[11]，提高单条熟料生产线产能可有效促进单位熟料能耗，2018年单位熟料标准煤耗为110kg，较2016年降低9kg。近年来，低能耗烧成和新型粉磨技术的开发也对水泥生产能效提升起到积极的作用，如天津水泥工业设计研究院开发了六级组合重构预热预分解系统和生料辊压机终粉磨技术，并对供风系统和篦板结构进行了优化，实现了熟料标煤耗≤93kg/t[12]。水泥熟料生产过程中的余热再回收利用是降低水泥生产综合能耗的有效手段，南京凯盛开能环保能源有限公司开发了智能控制的水泥窑余热发电系统，该系统使用后，吨水泥产品发电28.11kWh，同时实现了降低碳排放量的目标[13]。相关研究显示[14，15]，水泥窑富氧燃烧有望成为降低熟料生产碳排放和推动碳捕集和贮存的突破性技术，国外已采用富氧燃烧技术的熟料生产企业，如美国Cemexs Victorville、California Portlands Mojave、Hercules，平均提产8%～10%，燃料消耗降低3%～5%[16]。国内外学者针对回转窑表面余热回收进行了一些研究，设计了不同封闭程度的集热器[17]，对进一步加强水泥窑余热回收利用有积极作用，但在提升热交换效率方面仍需深入研究。此外，随着信息和互联网技术的发展，通过水泥生产数字化、智能化改造实现资源能源的有效控制，也是未来提升水泥生产能效重要途径。

1.2 替代原料燃料

水泥熟料生产过程使用替代原料燃料对水泥绿色生产和废弃物资源化利用均有重要意义。欧洲水泥工业中替代燃料的使用率较高，2018年达到了43%，而全球水泥工业中替代燃料的使用比例仅为6%[18]。众多研究表明，水泥回转窑在协同处置工业和城市废弃物方面较其他工业窑炉有优势，尤其是水泥窑的碱性和氧化环境对替代燃料和原料中重金属离子的固化有正面作用。但是，替代燃料中氯离子（Cl-）、硫酸根（SO42-）、钠离子（Na+）、钾离子（K+）等离子对熟料烧成过程和熟料质量均有影响。因此，替代燃料组成及其预处理、熟料烧成工艺参数调整等方面的研究是提高替代燃料原料使用率的重要前提。国内水泥窑协同处置城市生活垃圾有中材模式、海螺模式和华新模式，采用中材模式的首条示范线在江苏溧阳于2013年正式投运，其生活垃圾处理能力为459t/d，该模式流程图如图2所示。

1.3 辅助性胶凝材料（SCMs）

辅助性胶凝材料（SCMs）通常为具有水化活性或火山灰活性的工业废弃物、天然火山灰材料和其他活性矿物，最常用的辅助性胶凝材料有粉煤灰、矿渣、硅灰等，辅助性胶凝材料生产能耗和二氧化碳排放均低于水泥熟料。因此，水泥中掺入辅助性胶凝材料取代部分熟料是降低水泥碳排放的重要手段。辅助性胶凝材料的早期水化活性均低于熟料中的阿利特相，而在水化反应后期，辅助性胶凝材料的水化程度逐步提升，对硬化水泥浆体后期强度和水泥石微结构密实程度提高有重要作用。因此，辅助性胶凝材料可通过提高混凝土长期性能而降低混凝土生命周期碳排放（见图3）。在欧洲和北美，由于燃煤电厂和钢铁生产企业的逐步关停，粉煤灰、矿粉等常用辅助性胶凝材料面临逐步紧缺的问题[19]，国内燃煤电厂主要分布在西北地区，东部地区粉煤灰也相对紧缺。国内外研究者均在探索新型的辅助性胶凝材料，如天然火山灰材料、煅烧粘土、石灰石粉、生物质灰、垃圾焚烧灰、钢渣、铜渣等[20]。“十三五”期间，科技部在大宗工业固废制备低成本、低碳胶凝材料方面设立了多个项目，涉及钢渣、脱硫石膏、CFB粉煤灰、建筑垃圾细粉、赤泥等多种固废，形成了多种低熟料或无熟料胶凝材料体系。

1.4 特种水泥

硫铝酸盐水泥在1970年代在中国首次在工程中应用[22]，由于其成本较高，一直只在特殊工程中使用。但是，硫铝酸盐生产中碳排放较硅酸盐水泥低，研究者和工业界仍将硫铝酸盐水泥作为未来低碳水泥的重要发展方向[23]，尤其高贝利特硫铝酸盐水泥，则被视作有望取代或部分取代硅酸盐水泥熟料的膠凝材料体系[24]。此外，高贝利特硅酸盐水泥熟料由于其烧成过程中低碳酸钙需求、低能耗和低烧成温度的特性，二氧化碳和氮氧化物排放也低于普通硅酸盐熟料，目前是低热水泥的研究方向之一。我国在硫铝酸盐水泥和低热硅酸盐水泥方面的研究和应用方面处于国际领先水平，成功研制了低热大坝水泥、低热微膨胀水泥、海工高抗蚀水泥等多个种类，并在国家重大工程中得到应用。

2 低碳混凝土

降低混凝土生产及服役过程中碳排放的方法主要有减少混凝土中熟料和胶凝材料使用量、利用固体废弃物等低环境负荷原材料、提升混凝土性能延长混凝土服役寿命和中和吸收二氧化碳等。“十三五”期间，科技部立项了“极端环境下长寿命混凝土制备及应用研究”“水泥基高性能结构材料关键技术研究与应用”“地域性天然原材料制备建筑材料的关键技术研究与应用”等多个重点研发计划项目，从混凝土原材料、制备技术、长期性能和结构性能等多方面提升混凝土品质，减少混凝土对环境的影响。研究者认为低碳混凝土包含高粉煤灰掺量混凝土（HVFAC）、超高性能混凝土（UHPC）、超高强混凝土（UHSC）、高强混凝土（HSC）、自密实混凝土（SCC）、轻质混凝土（LWC）和低聚物混凝土（GPC）[25]。例如，高粉煤灰掺量混凝土（HVFAC）中粉煤灰掺量为胶凝材料用量的40%～50%[26]，其主要缺点为早期强度较低，但新拌状态时工作性能、可泵性、抗开裂等方面均表现优异。超高性能混凝土（UHPC）抗压强度通常为120～200Mpa，最高可达800Mpa，抗拉强度为6～10Mpa，弹性模量为40～70GPa，国内桥梁工程中已有较多的应用[27]。UHPC制备方面，提出了基于性能需求的UHPC纳观→微观→细观→宏观多尺度调控理论，构筑了强键合的流变调控聚合物外加剂、微纳米降粘功能材料、无机膨胀材料和有机减缩外加剂，形成了系列UHPC主动调控方法与功能化制备技术。UHPC结构性能和应用方面，建立了UHPC单、多轴本构模型，构建了UHPC构件的设计理论，研发了具有自重轻、装配率高、施工快捷、耐久性好、少维护、造价有竞争力等优点的3类UHPC装配式桥梁结构体系和可显著提升后浇节点区域施工效率和抗震性能的新型UHPC装配式建筑框架结构。

3 工业和城市固废制备绿色建材

我国固废排放量巨大，资源化利用制备建材是固废大宗消纳的有效途径。随着新型城镇化建设和战略性新兴产业加速发展，新型固废不断产生、总量快速增加、组分日趋复杂，综合利用难度加大。《关于重点产业布局调整和产业转移的指导意见》《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》等国家政策均要求建材产业向节能、利废的绿色建材方向发展。“十三五”期间，针对城市污泥资源化制备建材过程中脱水困难、能耗高、难以大规模利用的问题，开发城市污泥（含水率80%）多级深度脱水和除臭技术，研制污泥基造孔材料复合矿化垃圾制备节能烧结墙体材料；开发快速无机胶凝技术，制备污泥基保温材料[28]。

针对我国生活垃圾焚烧灰渣和污染土壤重金属含量高、资源化利用率低的现状，开发垃圾焚烧灰渣和污染土壤制备轻集料关键技术；研究垃圾焚烧灰渣和污染土壤的基本特性，揭示重金属离子在轻集料制备和工程应用过程中的迁移、转化、固化机制，开发轻集料制备协同重金属离子固化技术；明确高掺量垃圾焚烧飞灰、污染土壤制备轻集料的组成设计方案，揭示烧结热动力学过程对产品性能、重金属离子固化和污染物排放的影响规律[29，30]。针对低活性锂渣的基本特性，选择以锂渣为原料制备轻质高强保温材料。揭示锂渣粉的物理化学改性机制，建立锂渣基碱激发材料的聚合反应模型，研究碱激发锂渣粉制备高强碱激发材料的工艺技术；提出锂渣基轻质高强多孔材料制备中加压发泡与孔结构调控的关键技术；研发大掺量锂渣基轻质高强保温材料和轻量化装饰墙板的工艺技术[31]。针对非活性尾矿难以资源化利用的问题，选取黄金尾矿、菱镁尾矿、粉煤灰硅钙渣等为研究对象，研究非活性高硅固废物相特征对颗粒表面低温接枝活化与交联增韧调控；研究高硅固废非平衡态表面活化、增韧、发泡一体化演化机理研究；高硅尾渣基轻质材料有机接枝发泡对保温隔热性能的关系及作用机理研究；分析粉煤灰硅钙渣的矿相结构特点，重点突破高碱体系下杂质含量控制及晶型定向调控技术，开发粉煤灰高硅固废低温苛化、静态水热两步工艺制备高活性硅酸钙粉体填料机制[32]。

4 室内装饰装修材料污染物控制与测试方法

我国在污染物散发检测标准和散发标识体系方面与欧美发达国家相比，存在一定差距。“十三五”期间针对室内材料和物品污染物散发使人们身体健康面临严重威胁这一亟待解决的重大难题，围绕“建筑室内材料和物品挥发性有机物（VOCs）、半挥发性有机物（SVOCs）污染源散发机理及释放速率预测模型”为研究目标，提出了逸出因子和阻隔因子作为散发特性参数，针对5种类型的典型室内材料和物品，研究了VOCs、SVOCs散发速率随时间变化关系，建立了基于逸出因子和阻隔因子的散发速率预测模型，实现对典型建材VOCs、SVOCs散发速率的预测[33]。针对不同形态和特征的室内材料和物品建立嗅觉分析标准方法；建立VOCs、SVOCs化学浓度-气味浓度和气味强度定量转化模型，实现基于化学浓度对混合污染物气味浓度和气味强度的准确预测，并结合传感器阵列和模式识别技术研制电子鼻气味检测单元，实际了用于室内材料和物品气味散发的快速测定[34-36]。针对现场材料表面污染物散发检测需求，研制内循环风室加速材料表面污染物散发采集，研制微型GC—PID检测仪和甲醛、TVOC在线监测模块，结合电子鼻检测单元，建立了用于室内材料和物品污染物散发原位智能快速检测的新型装置和技术方法[37，38]。

5 结语

“十三五”期间，绿色建筑材料的研究主要围绕“节能、环保、安全”的重要科学问题，在低碳水泥生产、绿色混凝土、工业固体废弃物资源化利用和装饰装修材料污染物检测等方面取得了显著的进展。迎接“十四五”建筑材料将继续发力“高端化、绿色化、智能化、国际化”发展方向。通过建材生产智能化、产品綠色化的升级，聚焦核心技术开发和标准提升，不断满足智慧城市、数字交通、智能家居等的需求，用新材料建设我们的美好未来！

10.19599/j.issn.1008-892x.2020.06.005

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