环境材料与绿色建材

环境材料与绿色建材 王新友 (同济大学材料科学与工程学院) 摘 要 简要介绍了正在兴起的环境材料与环境材料学.指出绿色建材是建筑材料今后 中长期可持续发展的目标,较为系统地总结了绿色建材的研究进展与发展趋势. 关键词 建筑材料; 绿色建材; 环境材料 中图法分类号 TU 5 收稿日期: 1997-10-29 作者:男, 1964年生,教授,博士生导师.同济大学材料科学与工程学院,上海, 200092. 1) 见金宗哲等.论中国的绿色建材. 1996年亚洲可持续发展问题中日讨论会论文集. 1~ 10. 材料科学与技术涉及面十分广泛,是基础科学与工程科学融合的产物. 随着科学技术的发展, 原来各类相对独立的材料已经相互渗透、相互结合,形成多学科交叉格局. 高新技术的发展、资源和 能源的有效利用、通讯与信息的进步、工业产品质量的提高与环境的改善、人民生活水平的提高等 莫不与材料密切相关.从材料的 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 、制备、加工、检测至器件的制造、使用, 直至材料的回收等,已 形成了材料社会化的大循环, 是一个具有强烈可持续发展特征的大系统,可以认为全社会的人们都 在自觉或不自觉地置身于这个材料大循环中[ 1] . 建筑材料作为建筑业的物质基础,在国民经济中占有重要地位. 建筑材料量大面广, 其生产与 应用的各个过程都与人类的生活和工作息息相关.同时, 在它的寿命周期的各个环节中, 从原材料 的开采、选择,到产品的制备、使用、废弃以及回收利用,无不显示出它们与资源、能源和环境有着密 切而广泛的关系.因此,建筑材料很容易对人类的生存环境、健康安全造成损害和威胁. 但是,如果 我们在发展建筑材料的同时能坚持走可持续发展的道路,坚持建筑材料的发展与环境友好相处,保 持建筑材料的环境协调性,建筑材料必将得到加速发展, 阔步迈向绿色建材的新时代,最终开发出 生态建材,为人类创造健康、舒适、美观的生存与工作空间. 建筑材料作为我国的传统基础产业,在建国后得到了的巨大的发展.为了满足不断增长的社会 需求,其品种、数量日益增多, 质量不断提高. 我国建筑材料已经成为一个庞大的产业,其中许多产 品的产量现已居世界首位.以水泥为例,我国 1993, 1994和 1995年的水泥年产量分别为 3. 7亿吨、 4亿吨和 4. 46亿吨,每年增长率约为 10%,粘土砖在 1995年的年产量也达到了 5 700多亿块 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 砖.然而,在中国建材工业达到了/大0的同时,也应该看到,长期以来由于建筑材料品种单调、技术 落后、质量较差和效益过低的状态未能根本好转, 中国建材工业的/大0的发展在很大程度上是以能 源、资源的过度消耗和环境污染为代价的. 1995年, 由于生产水泥消耗了 6 340万吨标准煤,电耗为 490亿 kWh,在水泥生产过程中, SO2, CO2,粉尘的排放量分别为 45万吨、2. 4亿吨和1 060万吨,破 坏土地面积约为 1亿平方米; 同年,由于生产粘土砖煤耗为 6 800万吨,破坏土地的面积为 36亿平 方米,占地面积为 40亿平方米,在粘土砖的生产过程中, SO2 的年排放量为 68万吨, CO2 的年排放 量为 136万吨1) .因此,要保持建筑材料的可持续发展就应寻求新的发展道路,提高生产技术水平, 提高能源、资源的综合利用率,保护环境,减少污染. 由上可知, 我国当今建材工业突出的问题和矛盾是: 一方面建材工业高速发展,建材产品数量 巨大,建材企业遍布全国;另一方面是建材工业技术水平相对落后,产品水平和档次不高,集约化生 产程度较低、效益差.中国的建材工业面临着战略决策,这种决策影响着我国今后相当长一段时期 第 1 卷第 1 期 1998 年 3 月 建 筑 材 料 学 报 JOURNAL OF BUILDING MATERIALS Vol. 1 No. 1 Mar. 1998 内建材业的持续、高速发展,也将在一定程度上影响和制约我国建筑业的整体水平乃至人们生活空 间和生活质量. 这种战略选择就是走由大变强的发展道路,实现我国建材业由低到高的质的跨越, 从技术上来说, 就是大力发展新型建筑材料以及面向 21世纪的绿色建材. 1 环境材料与环境材料学 1. 1 人类面临的环境问题 由于工业的高度发展,生产力水平大幅度提高,各类产品大量生产,导致对资源、能源的极大消 耗和对过时损坏物品的大量废弃. 这一状况随着世界经济, 尤其是发展中国家经济相继进入高速增 长期日益加剧, 由此造成的资源、能源短缺会日益严重. 预计到 2070 年, 全球将会出现金属资源的 枯竭,到 21世纪末,将会出现石油、天然气等石化燃料的枯竭(附图) [ 2] .同时,现代工业生产中释放 有害气体,如 CO2等,覆盖于地球 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 面,将产生严重的温室效应,致使地球气温升高、海平面上升, 地球上大面积的沿海发达地区将被淹没.因此,人类面临的环境形势十分严峻. 附图 人类面临的环境问题 表 1 1994年工业固体废弃物排放量对比 比较内容 中国 美国 日本 德国 英国 工业固体废弃物人均 排放量/ kg#(人#d) - 1 1. 72 1. 30 1. 00 0. 90 0. 30 就我国来说,环境问题十分突出,废气、废水、 固体废弃物的排放量急剧增加.表 1列出了 1994 年有关国家工业固体废弃物排放量对比[ 2] , 表 2 为 1993年我国工业固体废弃物主要来源及综合 利用率1) .空气污染在我国许多城市十分严重,在 全国 600多座城市中,大气质量符合国家一级标准的不足 1% ,酸雨的程度和范围不断扩大,全国 每年排放污水 360亿吨, 除 70%工业废水和不到 10%的生活污水外, 其余污水未经任何处理直接 排入江河湖海, 致使水质严重恶化. 1)见: Li Shuqing. The present situat ion and developm ent t rend of Chinacs resources comprehensive ut ilizat ion. C-MRS Ecom-Con fc 95 Proceedings. Xican, 1995, 350~ 353. 表 2 1993年我国工业固体废弃物主要来源及综合利用率 来 源 数量/万 t 处理情况/万 t再生利用量 处理数量 废弃数量 综合利用率 / % 累计废弃量/万 t (至 1993年底) 采矿工业 27 531 5 866 7 076 14 589 21. 3 416 425 发电供电供热及石油加工 10 250 3 925 4 324 2 001 38. 3 56 288 钢铁工业 10 017 6 290 733 2 994 62. 8 59 516 化学工业 3 877 2 657 585 635 68. 5 9 431 建筑工业 1 104 824 193 87 74. 6 2 793 木泥制造 309 265 039 5 85. 8 1 927 其它 8 621 4 999 2 770 6 354 - 49 996 全国累计 61 708 24 826 15 720 26 665 40. 2 596 576 89 第 1 期 王新友: 环境材料与绿色建材 1. 2 材料与环境、资源、能源[ 3] 材料作为经济发展的基础与先导,为社会带来了巨大的物质财富,推动了人类文明的进程.然 而,从资源、能源和环境角度 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 , 材料的提取、生产、使用与废弃过程又是一个不断消耗和破坏人 类赖以生存空间的过程.如我国的钢铁冶金生产中, 9 000万吨钢铁的能耗占工业能耗的 11% ,排 行能耗大户之首,排放废水、废气占工业排放量的 13%至 14%, 为仅次于化工的第二污染大户.统 计表明,我国单位数量产品的能耗与资源消耗比先进工业国家高得多,资源再生利用率低, 社会最 终产品只是原料投入的 30% ,大部分原料变成了废弃物, 既消费了宝贵的资源,又污染了环境. 1. 3 环境材料学 鉴于世界上日益严峻的环境问题以及以往材料的生产、使用和废弃过程对此负有重大责任,日 本东京大学山本良一教授提出了/环境材料0的概念,指出环境材料应具有先进性、舒适性和环境协 调性[ 4] . 中国材料学者也敏锐地认识到环境材料概念的科学性, 并将此研究深化逐渐形成一门新 学科 ) ) ) 环境材料学[ 5] ,研究成果处于世界领先水平. 所谓环境材料是对资源和能源消耗少,生态环境影响小, 再生循环利用率高,或可降解使用的 具有优异使用性能的新型材料.迄今为止的传统材料主要追求的是材料的使用性能,而环境材料所 追求的不仅仅是优异的使用性能,而且从材料制造、使用、废弃直到再生的整个寿命周期中必须具 备与生态环境的协调共存性、舒适性,因此环境材料实质上赋予了传统结构材料、功能材料以特别 优异的环境协调性[ 6] . 环境材料学其含义存在两个层次的认识,一是研究材料的开发、生产、应用、再生、废弃等整个 生命周期与环境之间关系的综合性学科,目的是使材料(周期)与环境相互协调与适应;另一方面研 究如何从材料科学的角度解决环境问题,具有明显的技术性. 可以认为, 环境材料是面向 21世纪的先进材料,开发环境材料可以很好地解决资源、能源危机 和环境污染问题. 2 新型建材与绿色建材 2. 1 建筑材料可持续发展道路 ) ) ) 新型建材 建筑材料历史悠久、品种繁多、使用广泛,在建筑工程中建材费用通常占工程总造价的一半以 上,同时, 建筑材料可能受各种外力和处于恶劣环境中,如风吹、日晒、雨淋、磨损、腐蚀等,性能会逐 渐发生变化,因此在建筑材料的开发应用中必须兼顾技术性能和经济性. 所谓新型建筑材料是相对于传统的砖瓦、灰、砂、石而言的,是近几十年来现代技术发展的产 物.新型建筑材料是以多种多样的原材料,用先进的加工方法, 制成适合于现代建筑 要求 对教师党员的评价套管和固井爆破片与爆破装置仓库管理基本要求三甲医院都需要复审吗 , 具有轻 质、高强、多功能等主要特征的现代建筑材料.新型建材具有节约能源、保护环境、综合利用开发废 弃物资源、节约土地等优势,是建筑材料上档次、上水平的发展潮流, 是建筑材料可持续发展的必由 之路. 2. 1. 1 新型建筑材料与节能[ 7, 8] 我国的建筑节能过去一直没有受到足够的重视, /九五0期间平均每年消耗在建筑上的能源将 近 3亿吨标准煤,占全国一次性能源生产总量的 25% ,其中建筑材料的能耗占据了较大部分. 能耗 大是传统建筑材料工业的显著特点,它包含两层含义, 一是制造能耗大,二是使用能耗大,后者因延 续到建筑物使用寿命全过程, 因此能耗远大于前者,一般为 7至 16倍.解决这个问题的关键是发展 新型建筑材料, 提高新型建材在整个建材业中的比重, 其中,发展和推广新型墙体材料尤其重要. 我国在发展新型建材方面已取得了一定的进步,开发了一些低生产能耗的材料品种,如粘土空 心砖、混凝土空心砖、加气混凝土、石膏建筑、玻璃纤维增强水泥制品等;同时,也发展了一些隔热保 温材料及制品, 如矿棉、玻璃棉、膨胀珍珠岩等.新型墙体材料是新型建筑材料的十分重要的组成部 分,这不仅仅是因为它具有巨大的节能潜力,而且可望逐渐代替 90%以上的目前仍大量使用的小 90 建 筑 材 料 学 报 第 1 卷 块粘土砖. 2. 1. 2 新型建筑材料与节地[ 8] 生产粘土砖大量毁坏可耕地, 据估计,建国 40多年来,由于烧制粘土砖瓦毁坏的耕地达 13万 公顷以上.我国人口众多,可耕地面积相对较少,与加、澳、美等国相比明显偏少,也远低于世界人均 耕地面积(表 3) .同时, 我国的人均耕地面积呈逐年降低之势(表 4) , 耕地过少的形势十分严峻.因 此,发展和推广新型建筑材料对于节地有重大的意义. 表 3 部分国家人均耕地面积(公顷) 1) 澳大利亚 2. 97 加拿大 0. 53 原苏联 0. 88 美 国 0. 87 埃 及 0. 06 日 本 0. 04 1) 世界人均耕地面积为 0. 33公顷. 表 4 我国人均耕地面积(公顷数)变化 年份 人均耕地面积 年份 人均耕地面积 1952 0. 19 1975 0. 11 1957 0. 17 1980 0. 10 1965 0. 14 1986 0. 09 1970 0. 12 另外,由于大量使用粘土砖使得我国与一些先进工业国家的墙体材料产品相比,不仅存在花色 较少、质量档次较低等问题,更主要的问题是产品结构分布差,导致使用者对传统建材产品有所依 赖.因此, 在我国大力推广应用新型建筑材料,不仅仅是技术上的问题,而且要与习惯势力抗争,这 些工作远非建材行业所能及, 它需要整个建筑业、社会甚至政府的关心和帮助. 2. 1. 3 新型建筑材料与利废 建筑材料使用量大面广,在它的使用过程中, 一方面有可能由于技术水平低, 操作使用不当等 原因而不断地耗费能源、毁坏农田、污染环境,但另一方面也可能由于提高技术水平,不断开发新产 品而大量地使用工业废弃物, 为环境的改善作出巨大的贡献. 目前,我国的建材生产中,使用最多的原材料是粘土、石灰石和砂石,平均每年开采 50亿吨以 上,破坏了大量的土地和资源. 另一方面, 我国的工业废渣和生活垃圾的每年产出量达到了 20亿 吨,其中工业废渣的产出量在 1995年超过了 6. 5亿吨,累计堆存 66亿吨, 占地面积 5. 5亿平方米, 造成严重的环境污染和土地、资源的浪费.为了解决这些问题,已将建材工业与废物利用结合起来, 如在水泥、混凝土中掺入粉煤灰、矿渣和硅灰;利用煤渣、煤矸石和粉煤灰为主要材料制作新型墙体 材料等.这不仅减少了环境污染和资源浪费、节约了堆场面积和灰场建设费用, 而且,许多废弃物对 建筑材料有明显的改性作用,有很好的技术经济效果.由此可见,新型建筑材料必然要走巨大工业 废渣利用之路. 总之,新型建筑材料在土地、资源的综合利用、工业废渣资源化和减少环境污染上大有可为. 2. 2 建筑材料可持续发展目标 ) ) ) 绿色建材 2. 2. 1 定义 所谓绿色建材, 是指对人体、周边环境无害的健康型、环保型、安全型的建筑材料.从广泛含义 上讲,绿色建材不是单独的建材品种,而是对建材/健康、环保、安全0属性的评价,应该对生产原料、 生产过程、施工过程、使用过程及废弃物处理五大环节作分项评价和综合评价. 2. 2. 2 意义 随着物质生活水平提高, 人类对居住环境的要求越来越严格,早在 70年代末,科学家们就已着 手研究建筑材料释放的气体对室内空气的影响及其对人体的危害程度.大量研究表明,除了人类活 动的影响外,造成室内空气质量优劣主要有两大因素:通风和建筑材料(包括装饰材料和家具等) . 其中建筑材料可能是一种很严重的污染源,例如, 从人造板中能散发出甲醛;从 PVC中可能散发出 增塑剂等. 挥发性有机物( VOC)更是普遍存在于室内建筑材料中.同时,由于现代化空气调节设备 的使用,导致室内外的空气交换量大大减少, 建筑材料释放的挥发性有机化合物被大量浓缩,造成 更严重的室内空气的污染,对人体健康的威胁也更大. 专家指出, 长期处于含有 VOC 气体的环境 中,在感官方面会造成人体视觉、听觉受损;在感情方面造成神经质、应激性、忧郁症和冷淡症;在认 91 第 1 期 王新友: 环境材料与绿色建材 识功能方面造成长期和短期记忆混淆、迷向; 在运动功能方面造成握力变弱,不协调和振颤.因此, 对人类生存环境健康、安全、无害的建筑材料已成为国内外人士关注的热点[ 9~ 11] . 2. 2. 3 研究内容 因为绿色建材范围广泛,所以需要研究的内容很多, 如 VOC 浓度的测定、对人类环境的影响, 对人体健康的影响、室内环境的测量、指标体系的建立、绿色建材的研制开发和绿色建材的应用等, 其中,挥发性有机化合物 VOC 的浓度是评价绿色建材的最重要的指标之一.研究开发和应用绿色 建材时要考虑的内容有: 建材对地球臭氧层的破坏程度、掺入的废渣对环境的影响、是否有利于保 护树木和改善生态环境, 以及减少 CO2 的排放、放射性的影响、有害化学物质的影响和电磁污染的 影响等. 2. 2. 4 测试与评价 绿色建材测试和评价方案的设计需要综合考虑建材对人类环境、健康、安全的影响, 许多部门 现在都已对绿色建材定出了自己的指标,这些指标应综合体现在建材行业的产品中.建材产品是与 一般商品不同的产品,它既有产品标准,可以在市场上销售,又不是最终消费品,有的还需要有应用 技术标准并经过加工、安装成为整个建筑物成品的一个部分.根据建材产品的这个特征, 以及尚难 以在近十年内使上万种建材产品全部达到绿色建材标准的现状,建议分绿色建材产品评价系统和 公共、商业建筑装饰后对绿色建材综合评价系统两个方面.绿色建材的测试指标一般可以分为两 类:第一类为单项理化指标,包括放射性强度、甲醛含量等;第二类为复合测试指标,包括挥发物含 量、人类感觉试验、耐燃等级、氧指数、废物利用率、木材取代性和节能效果等.绿色建材的评价指标 也可以分为两类:第一类为卫生类评价指标, 包括放射性强度和甲醛含量等.在这类指标中,有一项 不合格就不符合绿色建材的标准. 第二类为复合类评价指标,包括挥发物总含量、人类感觉试验、耐 燃等级和综合利用指标. 在这类指标中,如果有一项指标不好,并不一定排除出绿色建材范围. 2. 2. 5 研究进展[ 11, 12] 建筑材料的新型化绿色化是人类对建筑材料这一古老领域的迫切需求,也是建筑材料可持续 发展的中长期目标. 经过多年的科学研究工作表明:室内空气的污染主要来自于室内表面材料的散 发.材料的散发程度由两个方面决定,即散发率和散发时间, 表 5列出了住宅中气相有机化合物的 典型散发率.长时间的有机化合物的散发会很大程度地影响室内环境,而适宜的室内环境是健康建 筑最重要的条件,它包括环境温度、相对湿度、空气流速和空气质量.为此,国际上的一些发达国家 表 5 住宅中气相有机化合物的典型散发率 散发源(建筑材料) 龄期 散发系数/ mg#( m2#h) - 1 假设面积/ m2 散发率/ mg#h- 1 硅酮密封膏A < 10 h 13 0. 2 3 硅酮密封膏 Ac 10~ 100 h < 2 0. 2 < 0. 4 地板粘结剂 B < 10 h 220 10 2 200 地板粘结剂 Bc 10~ 100 h < 5 10 < 50 地板蜡 C < 10 h 80 50 4 000 地板蜡Cc 10~ 100 h < 5 50 < 250 木材着色剂 D < 10 h 10 10 100 木材着色剂 Dc 10~ 100 h < 0. 1 10 < 1 聚氨酯木材抛光剂 E < 10 h 9 10 90 聚氨酯木材抛光剂 Ec 10~ 100 h < 0. 1 10 < 1 地板罩光漆或清漆 - 1 50 50 木屑板中的甲醛G 2年 0. 2 100 20 木屑板中的甲醛 Gc 新 < 1 100 200 层压板中的甲醛 新 1 100 100 粗纸板 - 0. 13 100 10 石膏板 - 0. 026 100 3 墙纸 - 0. 1 100 10 92 建 筑 材 料 学 报 第 1 卷 就建筑材料对室内空气的影响进行了全面、系统的基础性的研究工作,并制定了严格的法规. 丹麦、 挪威已推出/健康建材0的标准,上海已成立绿色建材展示促销中心, 同济大学材料科学与工程学院 将绿色建材列入重点建设发展的学科领域之一,正在系统、深入地开展绿色建材的研究. 3 建筑材料的发展趋势 为了创造更好的生存和生活质量, 对建筑材料的要求日益提高, 建筑材料的发展总原则应该 是:具有健康、安全、环保的基本特征,满足轻质、高强、耐用、多功能的优良技术性能和美观的美学 功能;此外,建筑材料还必须符合节能、节地、利废三个条件. 在经历了传统建材和新型建材两个阶段后,建筑材料将迈向绿色建材新时代,并最终达到环境 建材和生态建材阶段,为人类拥有美好的生活作出巨大的贡献. 参 考 文 献 1 师昌绪主编.材料大词典.北京:化学工业出版社, 1994.序言 2 王天民,徐金城,左铁镛.环境材料的概念和我国开展环境材料研究的必要性和紧迫性.兰州大学学报, 1996, 32(环境材料专 辑) : 10~ 16 3 左铁庸.材料产业可持续发展与环境保护.兰州大学学报, 1996, 32(环境材料专辑) : 1~ 9 4 山本良一著.环境材料.王天民等译.北京:化学工业出版社, 1996 5 Ding Peidao, Zuo Tieyong, Liu Jianglong. Study on materia-l evironment theory. In : MRS-J, eds. Proceedings of Int Conf on Ecobalance, Tsukuba, Japan. T sukuba, Japan: MRS-J, 1994. 68~ 71 6 马 荣,乔冠军,金志浩.环境材料学新探.兰州大学学报, 1996, 32(环境材料专辑) : 28~ 31 7 陶有生.我国节能建筑材料发展概况.中国建材, 1996, ( 12) : 41~ 43 8 全国新型建筑材料情报信息网主编.现代与未来的国内外新型建筑材料.北京:中国建材工业出版社, 1995 9 上海市绿色建材展示促销中心.积极发展/ 绿色建材0.上海建材, 1995, ( 4) : 11, 12 10 刘瑞栋,黄玉英. / 绿色建材0对人类环境影响和评价系统的探讨.上海建材, 1995, ( 4) : 13~ 16 11 全国新型建筑材料情报信息网主编.现代与未来的国内外新型建筑材料.北京:中国建材工业出版社, 1995. 23~ 29 12 王新友.建筑材料:迈向绿色新时代.见:诸大建主编.为了上海的明天 ) ) ) 上海可持续发展的理论与实践.上海: 同济大学出 版社, 1997. 414~ 421 Ecomaterials and Green Building Materials Wang X inyou ( Colleg e of Materials Science and Engineering, Tongji Univ ersity, Shanghai, 200092) Abstract The concepts of ecomaterials and materia-l environment theory are briefly introduced in this paper. It is pointed out that the green building materials is the m id and long term development target of the building materials, and the development t rend of the green building materials is forecast . Key words building materials; green building materials; ecomaterials 93 第 1 期 王新友: 环境材料与绿色建材