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生态建筑材料特性-生态建筑(第三版)

时间:2023-08-18 理论教育 版权反馈
【摘要】:木材、石材和砖是传统的建筑材料。在高层建筑中也有与混凝土混用的。最近,钛也成为一种建筑材料。混凝土材料带来的最大的环境问题是水泥生产过程中释放的二氧化碳。这种“生态水泥”一方面能节约能源,另一方面可将建筑物本身作为接受碳的容器。生态水泥浇筑的混凝土到最终完全碳化时,其中每吨混凝土都将吸收0.4 t二氧化碳。目前,市场上还有各种“玻璃砖”出售,主要用于建筑外表包装,并有一定的透光性和抗弯、抗扭能力。

生态建筑材料特性-生态建筑(第三版)

(1)木材石材和砖。

木材、石材和砖是传统的建筑材料。木材的强度和硬度与外力作用的方向有关:当作用方向与其纹理平行时,则强度和硬度都很大;当作用方向与其纹理垂直时,就易沿着纹理裂开。木材的剪切模量与切变强度都较低,当其含水时,强度和弹性都会下降,在负重下会变形,因此在抗弯、抗剪、抗变形、防潮、防虫、防火等方面都有不足之处。从生态的角度看,木材是自然可再生的、健康的、便于循环利用的材料,应该尽量加以运用。但是,由于全世界森林面积在不断减小,因此木材的应用应限制在可持续供应的条件下。实际上,很多国家的森林面积稀少,森林是受到保护的,因此木材变得十分珍贵。新的技术为木材的应用提供了新的发展机遇,目前各种胶合板、纤维板、木屑板、刨花板等得到了广泛应用,但有些黏结剂对人体健康是不利的。

传统的砖是用黏土烧制而成的,由于会损坏土壤,破坏良田,在我国已禁用。代替传统黏土砖的是普通混凝土空心砌块、混凝土与轻质骨料混合的空心砌块,如加气混凝土块、粉煤灰空心砌块、多孔陶粒空心砌块,还有玻璃砖砌块,以及废木质纤维制成的砌块和土坯等,它们多由废料和可再循环的成分组成,对于环境保护和节约能源都起到了一定作用。

石材由于重量大,抗弯能力、抗拉能力、抗震能力极弱,故在现代、后现代和当代建筑中,很少用其作承重结构,但它却应用于一些特殊的地方,例如,作为幕墙的覆盖层挂于钢架上,用于地板铺砌、雕刻和装饰等。石材也是一种自然材料,可回收利用,但有些石材具有放射性,人造石材中的添加剂往往影响人体的健康。

(2)金属材料

金属材料包括铁、钢、铝、铜、钛等及它们的合金,大多是能循环利用的,而且边角料也有价值。含碳量的增加提高了钢材的硬度和抗拉强度,但影响了钢合金的韧性和可焊接性。目前,钢主要用在单层建筑、单跨和多跨以及高层建筑中作框架结构。在高层建筑中也有与混凝土混用的。钢与其他金属一样,面临着氧化和腐蚀等问题,因此,后来发展了合金和镀涂层技术,形成不锈钢或防腐钢。铝的模量大概是钢的三分之一,在压力作用下铝制品的挠曲性比钢制品大。铝的防腐性能高于钢,导热性和热膨胀性也高于钢。铝制品的制作除了与钢制品制作有相同的工艺——铸造、热冷轧、机械加工外,还可以挤压成型,从而为各种造型创造提供可能。铝比钢轻得多,但抗压、抗拉方面不及钢,比钢容易受到劳损。目前,大多数的空间框架采用钢材,但也有一些用铝材;波形钢板和铝板是用于覆盖、屋顶、吊顶和永久模板的常用材料,也用于侧窗、天窗、圆顶等。最近,钛也成为一种建筑材料。钛最大的优点是其热膨胀率非常低,硬度非常高,近似于不锈钢,而且极不容易失去光泽,因此在法国建筑师保罗·安德鲁设计的我国北京国家大剧院中,采用了钛覆层。

尽管金属的含能比其他材料高一些,但是金属所固有的再利用特性、耐久性以及低维护需求,使得其更适宜运用于高环境质量的建筑设施内。回收利用废弃钢材需要的能量是从铁矿石中提取钢铁所需能量的20%,而铝的回收利用所消耗的能量只是从铁铝氧化石中提炼所需能量的5%。世界上有55%的铝制品都是用作可再生资源水力发电电力生产的。采用当前先进的再循环技术,钢铁和铝生产的能耗可以减少50%~70%,污染可以减少85%[136]

(3)混凝土和玻璃。(www.xing528.com)

混凝土在中国的建筑业中有着不可比拟的重要地位。从可持续性的角度来看,混凝土具有很多优良的性质,比如高强度、蓄热性、耐久性和较高的反射系数,并且易于就地取材,不需要内外表面的饰面材料,不会释放影响室内空气质量的气体,不但容易清洗,也不易渗透,可以预防虫害和防火。混凝土也可以具有渗透性,浇筑于留空的地面上,可以让水直接渗透到地下,从而减少对雨水处理系统的需求。混凝土材料带来的最大的环境问题是水泥生产过程中释放的二氧化碳。混凝土混合料的9%~14%为水泥,而生产水泥的二氧化碳释放量仅次于煤炭燃烧的释放量。每生产1 t的粉状水泥,就要生产同等质量的二氧化碳。当然,在混凝土元件的寿命周期内,水泥也可以重新吸收其生产过程中产生的二氧化碳的20%,从而在一定程度上减轻了这种不良影响。减少因水泥生产对大气污染的办法,一是降低混凝土混合料中水泥的含量,在水泥中加入粉煤灰或炉渣等废料,就可将生产水泥排放的二氧化碳减少20%~30%。二是寻找代替普通混凝土的新型材料。据报道,澳大利亚塔斯马尼亚州首府霍巴特的技术专家约翰·哈里斯(John Harrison)研制出一种以碳酸镁盐为基础的“生态水泥(eco-cement)”。这种“生态水泥”一方面能节约能源,另一方面可将建筑物本身作为接受碳的容器。生态水泥浇筑的混凝土到最终完全碳化时,其中每吨混凝土都将吸收0.4 t二氧化碳。根据哈里斯的观点,利用碳化过程可以从空气中吸收大量的碳,生态混凝土建造的高楼类似于生长中的树木,可以稳定地吸收空气中的碳。哈里斯估计,如果用生态水泥取代目前普遍使用的硅酸盐水泥的总使用量的80%,将最终减少10亿吨的二氧化碳排放量。

玻璃通常是透明或半透明的,它在建筑的空间分割、光热控制等方面有着重要的功能。玻璃在很早以前就为人所知,但直到19世纪,由于价格昂贵,其应用仍受到限制。后来,平板玻璃生产技术的大规模发展,以及弹性密封剂、弹塑性密封剂、各种固定装置和系统的研发,使玻璃利用得以普及。为了控制光热,人们开发了变色玻璃、热反射玻璃、吸热玻璃以及加有涂层的Low-E玻璃(请参阅8.2.5“窗户的日照与遮阳”);为了增加玻璃的安全性,科学家们研制了钢化玻璃,从而降低了玻璃打碎带来的危害风险。目前,市场上还有各种“玻璃砖”出售,主要用于建筑外表包装,并有一定的透光性和抗弯、抗扭能力。玻璃在建筑中主要用于建筑门窗、幕墙以及玻璃顶采光。近些年来,建筑的玻璃外表面已经发展成为高科技构件——“多层的”或“智能化的”建筑外皮,能更有效地供热、通风、制冷、照明等。玻璃建筑结构为建筑师和工程师在建筑设计和建筑外观上提供了一个十分重要的合作领域

尽管玻璃在生产时需要消耗大量能量,但其替代产品也是能源密集型材料。此外,除玻璃砖外,玻璃使用时通常都是很薄的玻片,较混凝土板可以省出大量空间,相比之下,其能耗也没有混凝土那么高。玻璃还应用于被动式和主动式太阳能利用系统中,减少建筑人工采暖和制冷能耗;玻璃与蓄热体结合使用,常用于被动式太阳房中稳定室内温度;玻璃还可应用于烟囱效应中促进热压式自然通风。玻璃也是一种整体或者部分可回收利用的材料。

(4)塑料和纤维。

塑料由石油或天然气原料制成,在其生产过程中要用到有毒的和可能有危险的物质。大部分塑料是可再循环利用的,但是,因为有各种各样的塑料在混用,很难将它们分开,所以,目前的再循环率并不高。在建筑中应用的塑料主要有三类:一是热塑性塑料,包括聚氯乙烯PVC、聚乙烯PE、聚丙烯PP、聚苯乙烯PS等;二是热固性树脂,包括聚亚胺酉旨PU、环氧树脂等;三是弹性体,如各种合成橡胶等。塑料的弹性系数通常很低,因此,应用于建筑中时,其硬度主要来自于其形成的形状而不是材料本身,故塑料常用于三维表面结构,如圆顶、筒壳或折板。为了增强塑料的硬度,人们使用了特定形状的纤维增强板,如槽形构架、夹层结构等。在塑料结构的设计中,形变和温度(即使仅仅只比通常的高出一点)是极为重要的。有些塑料不怎么能经受风雨,也就是说它们会随着外界环境的影响而变化。有些塑料对细裂纹很敏感,即在材料表面上或表面下出现网状细小裂缝。裂纹产生会有多种原因,例如,超重的压力是引起裂纹的常见原因。许多塑料都是易燃的,一些特殊的合成物都要求防止接触火源。

塑料制品在建筑中主要用于玻璃装配,天窗采光,屋顶,热、声音和水绝缘,壳罩和覆层,侧窗和门,照明等。

纤维材料分有机和无机两大类。玻璃纤维、岩棉纤维等属于无机纤维。有机纤维又可分天然纤维和人造纤维。木质纤维是人们常用的一种有机天然纤维。在建筑中人工合成的纤维及其制品主要有聚氯乙烯和聚四氟乙烯涂层玻璃纤维、聚酯纤维。吊顶大多由涂层纤维或四氟乙烯薄膜制成。聚氯乙烯涂层聚酯纤维曾大多应用于欧洲,聚四氟乙烯涂层玻璃纤维广泛地用于北美。大型建筑物总是要有一个结构框架或其他承重结构,这些都是由混凝土、钢或其他非塑料材料来制成的,但在充气式轻型大跨度建筑物中,塑料和纤维材料则扮演主要角色。

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