徐雯雯 陈金林＊ 闫贵海 姚志东 杜巍 王宝玉

（1.中冶建筑研究总院（深圳）有限公司，广东 深圳 518055；2.中冶建筑研究总院有限公司，北京 100088）

0 引言

建筑材料行业作为典型的能源资源承载型产业，能源消费总量约占全国能源消费总量的7%[1]。传统的建筑材料不仅浪费大量资源，还会造成环境污染。

1988 年，第一届国际材料科学研究会上首次提出“绿色建筑材料”的概念[2]。2016年，中国建材联合会提出，绿色建筑材料是指在原料选用、开采加工、产品制造、产品应用过程中，能够有效利用废弃物，少用天然资源和能源，资源可循环再利用的，不仅性能功能符合建筑物等配置的要求，而且全生命期内与生态环境和谐，对人类健康无害的建筑材料[3]。

与传统的建筑材料相比，绿色建筑材料的内涵可归纳为以下五方面：（1）全生命周期内，尽可能减少能源消耗和碳排放；（2）原材料少使用不可再生的自然资源，多使用工业废料和生物基材料等；（3）采用先进的生产工艺，保证建材质量和降低能源消耗；（4）产品应满足建筑功能要求，且对人体无害；（5）服役结束后，产品可以回收利用或者无公害降解。

近年来，国家出台了一系列支持绿色低碳建筑材料发展的相关政策，一些新型绿色低碳建筑材料纷至沓来。本文选择两种生物基建筑材料和两种工业固体废物建筑材料，从生产工艺、基本性能和工程应用等角度进行简单分析。

1 生物基绿色建筑材料

生物基材料是指利用可再生生物质，包括农作物、树木和其他动植物的内含物及其残体为原料，通过生物、化学及物理的手段制造的材料[4]。2021年，安徽省发展和改革委员会印发的《支持生物基新材料产业发展若干政策》明确指出：鼓励有条件的市在建筑材料等重点领域开展生物基新材料示范应用。2022年，国家发展改革委印发的《“十四五”生物经济发展规划》中指出，发展高性能生物环保材料。

生物基材料具有可再生、可降解、绿色环保的特点，在“双碳”目标和自然资源日益枯竭的背景下，具有极大的市场前景。现对对软木（Cord）和汉麻混凝土（Hempcrete）这两种生物基绿色建筑材料进行介绍。

1.1 软木（Cord）

软木是一种轻质、可再生和可降解的环保材料，具有降噪、绝热、减压和减震的作用。然而，软木行业也产生了大量废物[5]（颗粒或者粉尘），已有不少学者研究软木废料在建筑领域的应用并取得了重要成果。

隔离软木（insulation cork board）仅以软木为原材料，以自身产生的树脂为“胶凝材料”，无任何添加剂；此外，膨胀软木颗粒、粉尘等加工过程中产生的废物也能100%被重复利用[6]。隔离软木的工作性能受到热阻热导率、防火性、耐久性、含水率、表观密度和弯曲刚度等因素的影响。欧洲规范——《EN 13170-2012》[7]，规定了膨胀软木产品在建筑物隔热方面的相关要求。同时，隔离软木以较低价格和导热系数，可用于建筑外墙、内墙、空心墙及家庭装修等。软木橡胶复合材料兼具橡胶的高回弹性和软木的可压缩性，可运用于组合结构的阻尼层和绝热层。其中，软木-氯丁橡胶材料不仅具有极高的耐油性和耐热性，还具有较强的抗拉能力。软木颗粒替代水泥砂浆中的砂子[8]、软木颗粒掺入混凝土[9]都能够降低试件的导热系数，但都会导致试件的抗压强度降低。

软木在我国建筑领域的应用面临着以下问题：

（1）软木主要来源是欧洲西南部和非洲西北部的栓皮槠（Quercus suber）。而栓皮栎（Quercus variabilis）是中国特有的珍贵用材树种[10]，生长缓慢、容重高、硬度大、杂质含量较多，与国外的栓皮槠相比品质较差[11]；

（2）相对于秸秆类建筑材料，软木每隔9~12年才能从栓皮槠（栎）的树皮中提取，回报周期长；

（3）相对于力学性能优良的竹、木等建筑材料，软木主要运用于墙体、地板等非承重的围护结构体系。

1.2 汉麻混凝土（Hempcrete）

汉麻混凝土是生物纤维（汉麻杆芯）和胶凝材料（石灰）形成的复合材料。汉麻在生长和碳化反应过程中吸收的二氧化碳，多于建造过程中总排放的二氧化碳，可认为是负碳建筑材料[12]。与其他秸秆类建筑材料相比，汉麻纤维中含有大量的二氧化硅，能够和混凝土中的水泥、水泥硅酸盐中的水泥水化硅酸钙混合，提高混凝土的各龄期强度。汉麻混凝土轻质高强、抗震性能好、不易开裂，固化以后仍保留大量气孔，是优秀的隔音材料。汉麻混凝土具有良好的热绝缘性和高热惯性，能够很好地适应昼夜温差较大的环境。虽然秸秆是汉麻混凝土的原材料之一，但它仍具有良好的防火性和天然的防霉防虫性[13]。

汉麻混凝土在欧洲和北美迅速推广。20世纪90年代，汉麻纤维复合材料应用于法国某木结构古建筑的翻新——在木结构周围浇筑汉麻石灰混合物，证明了该复合材料的耐久性[14]。21世纪初，在英国的圣埃德蒙兹伯里市建造了16座传统住宅和2座汉麻石灰的试验住宅，旨在比较两种住宅体系的优劣之处。2022年，汉麻混凝土亮相北京冬奥赛场。英国国家农业联盟（NFU）发布的《农业2040年目标：实现净零碳》报告指出，农民种植的工业大麻可用于生产汉麻纤维混凝土。工业大麻不仅在生长过程中利用光合作用吸收二氧化碳，它的秸秆被切碎制成建筑构件后还能继续吸收二氧化碳。汉麻纤维混凝土的研发与应用，有利于推动农业与建筑业相结合，推动可持续发展，实现“双碳”目标。

汉麻混凝土在建筑领域的应用具有以下难题：

（1）汉麻（工业大麻）在某些国家依然属于禁止种植的经济作物。例如，我国汉麻的种植加工需严格按照政府的相关文件（如：《云南省工业大麻种植加工许可规定》）进行申请；

（2）与传统混凝土结构相比，汉麻混凝土缺少成套的设计方法和规范。

2 工业固体废物绿色建筑材料

工业固体废物是指在工业生产活动中产生的固体废物[15]，可分为一般工业废物和工业有害固体废物。我国工业固体废物存在种类繁多、成分复杂、产生量大和综合利用率低的特点[16]。但是，工业固体废物含有大量的有价矿物和金属，而且经过适当的工艺处理，可成为工业原料或能源。2020年修订的《中华人民共和国固体废物污染环境防治法》指出，固体废物污染环境防治坚持减量化、资源化和无害化的原则。本节对铁基化合物（Ferrock）和碱激发胶凝材料两种工业固体废物建筑材料进行介绍。

2.1 Ferrock

Ferrock是铁粉、二氧化硅源（碎玻璃、粉煤灰等）和少量的草酸（催化剂）混合均匀所形成的铁基化合物。与传统波特兰水泥相比，Ferrock的原材料95%是回收材料，不需要高温煅烧和研磨。它的主要优点包括：采用回收材料，吸收二氧化碳，固化快，强度高，抗弯性能好和耐腐蚀等[17]。

大多数现有的建筑材料必须经过特殊处理，才能保证在不同环境下的耐久性，但Ferrock化学性质稳定，具有防锈蚀、抗氧化、防紫外辐射和防腐蚀的性能。因此，Ferrock可用于海洋工程，如防波堤，海堤，码头，结构桩，基础和其他暴露在海水中的结构。Ferrock还可以用于给排水的管道。这种铁基化合物不受污水中硫化氢、硫酸等成分的影响，然而这些成分会腐蚀普通的水泥管道。与混凝土结构相比，Ferrock韧性更好，在截面对准和安装过程中损伤更小，可以更好地实现管道连接[18]。此外，Ferrock 试件在CO2环境中的强度增加，有利于在工业区这类场所的应用[19]。

Ferrock大面积商用也面临着一些问题：

（1）Ferrock绝大部分原材料是可回收材料，其供应和价格容易受到其他行业的影响；

（2）Ferrock的研究不够全面，在建筑行业的运用也十分有限，需不断进行科学研究和工程试验。

2.2 碱激发胶凝材料

碱激发胶凝材料是由一种或多种含有铝和硅的氧化物组成的矿物组分与一种或多种激发剂组成[20]。以工业废料为原材料的碱激发胶凝材料[21]，具有机械性能优异、耐高温、原料丰富且价格低廉、生产工艺简单等特点[22]，其二氧化碳排放量只占普通硅酸盐水泥的9%[23]，其能源消耗也只是普通硅酸盐水泥的10%[24]。

20 世纪50 年代，前苏联的学者Glukhovsky 研发了可供实际工程使用的碱激发胶凝材料。据报道，1989年以前在苏联使用了超过3×106m3的碱激发混凝土[25]。进入21世纪以来，欧洲对碱激发材料的研究兴趣再次高涨；澳大利亚和中国则开展了商业化生产的尝试[26]。在规范和标准方面，前苏联和乌克兰先后颁布了60余部，涵盖了各个领域，如原材料成分、水泥成分、混凝土配合比设计、制造工艺、结构和设计以及在特殊领域使用的建议[22]。近几年来，我国也陆续制定了《用于耐腐蚀水泥制品的碱矿渣粉煤灰混凝土（GB/T 29423-2012）》和《碱矿渣混凝土应用技术标准》（JG/T 439-2018）。

然而，值得注意的是：碱激发胶凝材料的原材料来源广泛，性能和品质波动大，使得生产工艺不固定，产品性能和质量难以控制，无法形成一套标准的生产线。所以，虽然大致掌握了反应机理和基本性能发展规律，但目前仅应用于少数工程[26]。

3 结束语

本文基于绿色建筑材料的内涵，介绍了几种新型绿色建筑材料的性能和应用情况。新型绿色建筑材料在生产工艺、基本性能和工程应用等方面进行了大量的研究，但目前工程运用非常有限，为实现大规模工业生产，需注意以下几个问题：

（1）原材料来源应丰富，不能过分受制于其他行业；同时，来源不应过于广泛，使得品质差异大，导致生产工艺复杂，难以形成标准的生产线。

（2）采用先进的生产工艺技术，不仅可以节省原材料消耗、提高劳动效率，还能大幅降低能源消耗和碳排放。

（3）新型绿色建筑材料的研发需要材料学科和土木工程学科的统筹配合。不仅注重材料组成、反应机理等材料科学领域的研究，还需加强构件性能和结构整体性能等土木工程领域的研究。

（4）新型绿色建筑材料需满足建筑性能功能要求，同时服役结束后可以回收利用或者无害降解。