行业新闻 hangyenews
您现在所在的位置首页 > 行业新闻 > 国外实践对我国建材新兴产业的启示

国外实践对我国建材新兴产业的启示

发布时间:2014/02/24 行业新闻 浏览次数:35

      国际上建筑材料科学的发展,主要体现在3个方面,一个是传统材料的回归,第二是现有材料的改进,第三是研发新的材料。通过对国外建材工业发展历程的研究,能够对当前中国建材联合会发起的建材工业新兴产业发展的定义、实现途径和方式,有一定的启迪。

  传统材料的回归

  通过国际上的考察发现,发达国家的主要建筑结构材料的历史沉淀,主要还是以石材和木材为主。

  (一)愈久弥坚的石材

  发达国家的许多古代或过去遗留下来的建筑,大多数是石头结构。以罗马城为代表,包括英国和欧洲的许多古代城堡或现代的著名建筑,都是石头建筑的典范。

  石头建筑可以历时几百年到几千年,只要没有大的破坏性地震或战争性破坏,可以说石头建筑是长寿建筑的同义词。

  即便是东方的建筑,我们能看到的许多标志性建筑,都是石头结构的杰作,包括许多印度和东南亚国家的历史及现代的标志性建筑。

  石头建筑的耐久性好,但是价格昂贵,所以许多普通的建筑不得不采用其作为内外装饰用;能用作结构的建筑实在是凤毛麟角。

  但是,如果实行保护性开采技术,在多山的地区,发展石材建筑或石结构建筑,从长寿命及能耗或低碳等现代可持续发展的理念来衡量,石材是相对可再生的材料之一。西方人保留和发展石材或称石头结构建筑,其道理还是值得深思和借鉴的。

  (二)万古长青的木材

  发达国家,特别是欧美日等发达国家,木结构建筑几乎占了民用建筑结构的50%以上;在北美,木结构建筑甚至占了民用住宅的80%以上。

  木结构的建筑的好处颇多,不但抗震,有利于居民的健康,保温性能好,还可以储存二氧化碳,材料可以再生,废弃物可以循环利用,被全世界普遍认为是最好的可持续发展的绿色建筑材料。

  发达国家坚持以利用木材为主要的建筑材料,主要依赖于其资源优势。自二战以后,特别是石油危机以后,发达国家人口普遍零增长,加之努力倡导可持续发展理念,坚持森林的砍伐率低于森林的生长率的原则,森林覆盖率普遍高于世界平均值30%以上,森林自我满足与平衡,同时美国和加拿大等国家的森林生长率普遍大于砍伐率,木材出现过剩,不得不出口到中国等森林资源严重匮乏的国家。

  日本战后森林覆盖率和中国差不多,但是坚持可持续发展理念;60多年后,森林覆盖率已经达到65%以上,成为名副其实的森林之国。

  北欧的芬兰森林覆盖率为70%左右,据说全国的木材使用量一个晚上就可以长出来,可见森林的覆盖率高了以后,生长能力是多么强大。

  根据我们测算,如果我国的森林覆盖率从目前的20%提高到35%左右,也就是世界的平均森林覆盖率,我国的木材使用量就可以每年实现自给自足。目前我国的木材已经50%以上进口,大约是1.7亿立方米左右。如果将森林覆盖率提高到30%以上,每年长出来的森林就可以够我国自己用了。起码农村地区实现木结构建筑,也就是50%左右的人口实现木结构建筑,这是传统建筑材料产业的复兴,也是中华民族的伟大复兴的战略发展需要。建材行业如果改变发展战略,与国家一起努力,恢复发展木结构建筑体系,无疑是行业的一项重大的战略性转变。但是,这涉及到的不仅仅是建材行业,也涉及到林业和建筑等行业,不是自身的力量可以左右的。

  培育和发展木结构建筑和材料体系,既是新兴战略性产业,也是古老的建筑材料产业的回归。毕竟,中华民族是木结构建筑的老祖宗。看一下仍然健在的故宫就知道了,那里的木结构建筑仍然辉煌地挺立着,已经有将近600年的历史了。

  (三)不断改进的塑料建材

  当前,全世界用于建筑的塑料已超过1200万吨,约占塑料总消费量的20%,仅次于包装用塑料,居第二位。塑料建材是建材工业中冉冉升起的一颗新星,具有以下几个特点:一是价格较低,可替代大量的钢材和铝材;二是与传统建材相比,塑料建材能耗低,能节约大量能源;三是塑料建材具有很多优异性能,适合建筑师开创较新的设计和采用新型安装技术;四是塑料建材如管材、窗框异型材、隔热材料、装饰材料等的标准检测方法,施工安装规范等已经建立并完善。长期使用证明,这些材料的质量和寿命均能满足建筑材料的要求。随着中国近几年房地产业的迅猛增长,国家对基础设施投入加大,中国的塑料建材业已成为塑料行业中仅次于包装的第二大支柱产业,年均增速超过15%。近几年来,中国塑料建材行业加快了研发和推广应用步伐,行业生产规模不断扩大,技术水平稳步提高,尤其是塑料型材、管材已经进入稳定成熟的增长时期,并成为应用最好的塑料建材品种。中国30%以上的地区应用了新型塑料管材,发展快的一些省市已经达到了90%。东北三省、内蒙古等地的一些城镇,40%以上的新建住宅都使用了塑料门窗,青岛、大连80%以上的新建住宅使用了塑料窗。

QQ图片20140208091617

  现有材料的更新换代

  (一)超高性能混凝土

  全世界除了水泥以外,使用量最大的建材是混凝土。在传统工艺下,水泥是混凝土的主要原材料。因此,降低混凝土用量首先是要减少水泥用量,其次应提高混凝土结构的耐久性,延长建筑物的使用寿命。另外,还要在混凝土中充分利用建筑垃圾,减少建筑垃圾产生的二次污染。受新材料技术中结构材料复合化和绿色技术的影响,混凝土材料必将朝着高性能化、智能化和绿色化的方向发展。

  我国混凝土的高性能化还有很大的提升空间。目前,我国工程建设上最常用的是C30、C40混凝土,使用C60和C80的较少,更不用说C100以上的了,这与发达国家相差甚远。而混凝土的高性能化与耐久性有着密切的关系,通过高性能化可以增强混凝土的耐久性,从而延长建筑物的使用寿命,减少重修带来的材料使用问题,这也是减排的重要途径。

  UHPC(ultrahighperformanceconcrete),超高性能混凝土,具有较高的密实性和抗侵蚀性能,使得其耐久性大为增强,寿命可以比普通混凝土提高5到10倍。UHPC中的RPC(reactivepowderconcrete)活性粉末混凝土,强度能达到200~300兆帕,强度和体积可以与钢筋媲美。表1表明在相同力学功能的前提下,RPC混凝土材料比钢筋、预应力混凝土和纤维增强混凝土材料更具有尺寸减少或重量减轻的优势。

  UHPC能使建筑增加5到10倍的长寿命的特点,也使所谓的5倍因子或10倍因子的理论得以实现。因此,发展超高性能混凝土,是建材和建筑行业提高资源效率、提高碳的生产率,实现生产方式的转变,破解资源、能源和环境约束,实现循环经济、低碳经济和知识经济的统一,保障国民经济实现资源节约型和环境友好型转变,顺利实现跨越式绿色发展和可持续发展的切实可行的实用技术路线。

  另外一种国外研究较多的UHPC称为ECC(EngineeredCompositeConcrete)即功能性混凝土材料,能使混凝土材料的韧性高于普通混凝土的上百倍。ECC的发展,是传统材料的进一步完善和改性,可以弥补传统水泥基材料的先天性弱点和不足,应该是材料科学进一步发展的重点方向之一。RPC和ECC目前在发达国家开始有规模地开展应用,在我国应用仅有极少案例。加拿大魁北克的Sherbrooke步行桥,世界上首个使用RPC的结构桥,跨距60m,中间不需要桥墩。日本东京27层建筑采用ECC材料作为连接梁。

  随着UHPC的不断普及,未来的建材和建筑产品的寿命和功能将不断延长,功能将更加多样,满足人们的不同嗜好和消费需求。这些都将成为更加绿色、环保、健康和可持续发展的新材料。

  (二)高档烧结材料

  社会在进步、科技在发展,人们在要求更好更舒适的居住条件的同时,也更加注重环境的保护和低碳经济发展及绿色可持续发展,这就给烧结墙材产品提出了更高的要求。因此,各发达国家均在烧结建材产品的开发和应用方面给予了极大的关注和高度重视,新型烧结墙体屋面材料得到了飞速发展。

  第一,高度保温隔热的烧结砌块或砖的发展得到了经济发达国家的普遍的重视,当然这与建筑物节能的要求不断提高有极大的关系;第二,充分利用烧结产品耐久性好、装饰功能强、永不退色、使用功能好及使用期的尺寸长期稳定等特点发展的各种规格和品种的清水墙装饰砖、铺地砖、广场砖等;第三,大尺寸、高孔洞率的楼板砌块得到了普遍的应用和发展;第四,预制的空心砖墙板(复合砖墙板)及大型条板砖也得到了很大发展;第五,各种规格及用途(分室及分户、承重与非承重)的隔墙空心砌块或砖;第六,高挡次连锁式烧结屋面瓦的大发展;第七,烧结的新型外墙用干挂装饰陶板(节能构造形式)及遮阳空心砖板或条。

  这些高性能烧结墙体材料的使用,极大地提高了建筑物的绿色舒适性和保温节能性,同时也极大地降低了生产中的制造能耗、资源消耗,很好地解决了应用和生产中的环境污染等影响可持续发展的问题。

  以其中主要的烧结保温隔热砌块为例。单层砌块自保温外墙体系使用的产品是具有高度隔热保温性能的轻质砌块或砖,或称为通墙厚砌块(自保温),其容重为550~900kg/m3,导热系数为λ=0.08~0.16W/(m·k)。由于墙的基体是烧结材料,和砂浆的结合性能非常好,因此外墙的饰面可以采用多种装饰方法。根据德国、瑞士、奥地利等国家的测定,这种结构的热工性能K值可达到0.20~0.33W/(m2·k)(高于我国京津地区的建筑节能65%的1.5~2.5倍)。这种结构的优点是隔热与蓄热的比例是相等的,施工(装配)容易,结构安全性好,且在服务寿命终结后所用材料的分离毫无问题,具有非常好的再回收利用潜力。而且这种结构在现阶段也是造价最低的一种低能耗建筑结构体系。30多年前,欧洲对烧结保温隔热砌块就制定了非常完备的建筑墙体应用标准体系,并在建筑中已普遍使用。优良的保温隔热砌块,其特征是相对复杂的几何形状、相对较小的容重(比重)及较大的孔洞率和外形尺寸、非常高的烧结能源使用效率。烧结保温砌块在设计上使用了榫槽连接,具有很好的结构稳定性、方便施工。仅德国现在使用的烧结砌块有几十个品种,几乎每种都有自身的商标或商品名称,法国、瑞典和芬兰已将密度小于500kg/m3的砌块投人市场,产品具有极低的吸水率和极好的保温隔热性能。

  最新形式的烧结砌块是在砌块的两个相对的面上同时进行精确的研磨,以保证砌筑时极薄的灰缝。再就是在孔洞内填充无机的保温隔热材料(如膨胀珍珠岩、膨胀蛭石、矿棉),可获得更低K值的墙体。这种填充是在工业机器人的辅助下自动完成的,该项产品和填充工艺已经开始向世界各地推广。

  国外另一种新型烧结墙材的形式是内隔墙使用的空心砌块。由于建筑物内隔墙材料的需求量非常大,特别是住宅建筑,所以发达国家都非常重视内隔墙材料,如西欧各国均在内隔墙用烧结空心砖、空心砌块等方面研究开发了许多种产品。内隔墙用空心砌块或砖又分为分户墙用及分室墙用的不同性能、厚度的产品。

  新材料研究与发展

  (一)新品种胶凝材料

  从目前水泥行业已研发出的新型水泥产品来看,其中部分产品在适宜条件下,将有可能替代一定比例的普通硅酸盐水泥。本文将分别介绍目前正在研发中的新型水泥产品。

  1.Calera

  Calera是美国加利福尼亚的一家致力于将CO2转换为胶凝材料的公司,所采用的工艺原理主要通过液相沉淀产生矿化作用,将废气CO2通过含有高比例钙和镁盐的溶液,促进不溶性盐从溶液中沉淀析出。该工艺从本质上来看主要模仿“海工水泥”的生产工艺,用珊瑚生产贝类材料和礁石,这种生物体通过提取海水中的钙和镁离子,在环境气温与气压下形成碳酸盐。

  Calera工艺具有两项关键的环境优势:首先,可以充分利用来自于传统发电厂排放的CO2;生产过程中使用的水同样来自于其他工业行业产生的副产品。从生产用原材料来看,Calera水泥实际上并不存在局限性,海洋占地球表面积的70%,海水中含有数以亿吨计的钙和镁。此外,根据统计数据,2006年美国2775家发电厂的CO2排放量就已达到25亿吨。

  生产过程中产生的脱除钙和镁之后的海水适用于生产清洁水,还可以重新返回海里。但采用Calera工艺生产碳酸钙水泥并不会避免所有的CO2排放,根据Calera公司提供的数据,采用此种工艺每生产一吨水泥将减少0.5吨CO2的排放。

  2.Celitement(才利特水泥)

  Celitement是Celitement股份有限公司的龙头产品,该公司由Schwenk集团于2009年在德国卡尔斯鲁厄理工学院(KIT)成立。

  Celitement依赖传统的水泥材料,但生产原料石灰石的用量远低于普通硅酸盐水泥,因此可以降低能耗,并相应的节约成本和降低CO2排放。

  Celitement的生产工艺主要是将氧化钙与多种不同的硅酸盐以1:4的比例混合后,在150℃~300℃的高压釜中加热生成水化硅酸钙,随后与硅酸盐进一步混合,并在反应磨中粉磨生成Celitement。火山灰和普通硅酸水泥熟料同样也可以加入Celitement中,这样生产的产品具有与普通硅酸盐水泥相似的性能,也容易按照普通硅酸盐水泥的使用方法进行应用。

  与普通硅酸盐水泥相比,Celitement具有许多优点:采用低温生产工艺,减少了碳酸钙的用量,因此CO2的排放量较低;应用范围与普通硅酸盐水泥相似,并且具有较低的孔隙率,具有耐久性和抗化学侵蚀性。

  2010年8月公司开始动工兴建位于德国的试验工厂。该新型水泥产品正在开发中,如果大规模生产成功,据报道可以节能和减少二氧化碳排放50%以上。

  3.Cenin

  Cenin是一家利用工业副产品生产“超级”水泥替代材料的英国公司,位于英国Stormy、Bridgend和Wales,自2008年开始生产。该产品的产生过程经历了15年的学术研究。目前,该公司向最终用户提供两种不同的产品:Cenin半干型产品(SDP)和Cenin湿铸产品(WCP)。

  CeninSDP由符合《欧洲标准197-1:2000第一部分》要求的火山灰类材料钙质粉煤灰制成,其生产过程的CO2排放量较低。钙质粉煤灰是一种可以水化和凝硬性的材料,含有氧化钙(CaO)、二氧化硅(SiO2)、氧化铝(Al2O3)、少量氧化铁(Fe2O3)及其他成份,主要用于砖石工程,包括铺砌砖,具有较高的早期强度。CeninWCP是一种潜在的水硬性材料,同样也属于钙质火山灰类。应特别说明的是,上述两种产品的生产工艺都不需要煅烧,因此CO2的排放量均较低。两种产品的生产工艺都已经申请专利保护。

  虽然火山灰类材料本身不具有胶凝性,却可以通过水化作用与硅酸盐水泥发生化学反应,提高产品的性能。因此每吨水泥的熟料用量较少,可以显著降低CO2排放。事实上,如果将所有生产因素都考虑进去,Cenin所生产出的水泥替代产品的CO2排放量可以低至43kg/t。

  除此之外,Cenin的产品及特点可以根据客户的要求进行调整。例如,在炎热的气候条件下具有较低的水化热;在严寒的气候条件下具有较高的水化热。

  4.CemStar

  CemStar是获得德州工业有限公司(TXI)专利授权的胶凝材料生产工艺,产品具有与普通硅酸盐水泥相同的化学成分。生产所用材料包括一定比例的高炉矿渣,但与高炉矿渣水泥的生产工艺不同,CemStar是将矿渣加入水泥窑煅烧,而不是与普通硅酸盐水泥熟料一起粉磨。因此,采用该工艺生产的普通硅酸盐水泥产量要高于传统生产厂。

  矿渣的化学成分与普通硅酸盐水泥熟料十分相似,含有硅酸盐、铝硅酸盐和硅铝酸钙等成分。除此之外,由于其熔点低,在窑内并不需要更多的燃料。根据TXI的数据,每向窑内添加一吨矿渣,普通硅酸盐水泥的产量就会增加一吨,可以相应减少约一吨CO2排放。

  上世纪90年代,CemStar将许可证颁发给其他几家美国生产商,在美国已有许多家工厂采用此种利用矿渣生产水泥的工艺。工厂采用此种工艺后可以将产量提高8%~15%,CO2排放量降低5%~10%,节能量约15%。

  5.C-Fix

  C-Fix由皇家荷兰/壳牌集团及UKM公司的合资企业C-Fixbv公司生产,虽然并不是矿物类产品,却可以在某些应用领域替代普通硅酸盐水泥,从而降低一定的CO2排放。C-Fix是一种热塑性粘结材料,与骨料、砂子和填充剂混合后生成“低碳混凝土”。

  C-Fix由炼油剩下的副产品泥浆制成。如果按照传统的处置方式,为了符合废弃物处置法律的要求,泥浆需在精炼厂进行简单的燃烧,但这一过程除了产生CO2外并无其他的效益。C-Fixbv公司则开发出了一种将此种泥浆加热至200℃,并与骨料和砂子混合的工艺,根据公布的数据显示,使用1tC-Fix将避免2.5tCO2排放。C-Fix制备过程中并不需要使用水,因此具有二次环境效益。

  C-Fix目前主要作为工业地坪材料在市场上进行销售,产品性能介于混凝土和沥青之间,还在海堤防御、屋面砖和污水管道方面有所应用。但由于其为热塑性材料,因此不适用于炎热的气候条件,目前也未能在承重方面有所应用。

  6.Eco-Cement

  Eco-Cement是塔斯马尼亚TecEcoPty公司已注册商标的产品,它采用类似于水泥化学的传统方法进行生产。然而,通过使用碳酸镁和碳酸钙作为原料,与普通硅酸盐水泥相比具备两项明显优势:首先,脱二氧化碳反应使碳酸镁转换为氧化镁(MgO)所需要的能量显著少于钙的反应,这意味着回转窑可以在650℃~750℃的温度下运行,显著降低了燃料消耗及CO2的排放量。此外,较低的燃烧温度还促进了可再生能源的使用,例如采用太阳能与化石燃料相结合。其次,Eco-Cement比普通硅酸盐水泥孔隙率高,可以迅速吸收空气中的CO2,因此这种材料在使用初期几个月内的碳排放为负值。

  该产品在强度和耐化学性等许多方面都可以与普通硅酸盐水泥进行比较,比普通硅酸盐水泥具有更高的抗氯化物和抗硫酸盐性及较低的收缩性。除这些优势外,Eco-Cement生产所需的设备与目前普通硅酸盐水泥生产厂使用的设备基本相同,可以在现有的水泥厂生产。该产品目前在开展试验的基础上可以用作非结构性建筑材料,包括砌块、铺路材料、透水路面以及其它透水性水泥制品。

  7.城市固体废弃物焚烧炉灰水泥

  可以通过两种工艺来利用城市固体废弃物焚烧炉灰(MSWIA)生产水泥。首先,可以在水泥产品中直接替代普通硅酸盐水泥熟料(最高替代量可达50%),在日本已有相关的实践;其次,作为原料入窑煅烧,采用城市固体废弃物焚烧炉灰生产水泥所需的窑温为1350℃,低于生产普通硅酸盐水泥所需的1450℃~1550℃,这在一定程度上降低了燃料的消耗量,因此降低了生产过程中CO2的排放量。除特殊品种的水泥外,大部分城市固体废弃物焚烧炉灰水泥产品的性能与普通硅酸盐水泥相似,因此可以在某些应用领域代替普通硅酸盐水泥。

  城市固体废弃物焚烧炉灰中的有害成分,如二恶英和氯化物,在800℃以上的高温环境中燃烧并分解,为了保证二恶英不再重新生成,熟料在烧成后迅速冷却至250℃以下。镉、锌、铅和铜等有害金属元素作为熟料的成分,通过进一步的处理,可以脱除这些金属进行精炼和再利用。但城市固体废弃物焚烧炉灰水泥在日本的生产没有大面积推广,主要有几个方面的原因:一是成本高,二是工艺复杂,三是人们对这样的水泥不愿意接受。

  8.Novacem

  Novacem是一家以英国伦敦帝国理工学院为基础成立的公司,致力于研发利用镁化学代替钙化学的技术,此项技术与TecEco相比先进之处在于采用硅酸镁代替碳酸镁,在升高温度(180℃)和压力(15MPa)下使硅酸盐加速碳化(产生MgCO3),生成复合碳酸镁,随后采用与TecEco相似的煅烧工艺。

  Novacem生产的水泥产品含50%~80%的氧化镁和水化碳酸镁成分,在应用过程中强度发展较快。此种水泥产品仍处于发展阶段,但目前已可以适用于低等级、无承重领域的应用,例如生产圬工制品。

  9.RockTron

  RockTron是一家处置燃煤电厂副产物粉煤灰的英国公司。粉煤灰处置工艺为,首先采用泡沫漂浮的方法将粉煤灰中的硅酸铝和铁从碳中分离出来,然后用磁选机将铁从硅酸铝中分离出来,将处理后的硅酸铝进行粉磨和分级,最后加入普通硅酸盐水泥。

  处理后的硅酸铝材料可以1:1替代熟料,降低水泥中熟料的比例。通过去除90%的碳,该材料可以用于生产无熟料水泥,降低渗透性,提高长期强度并降低了碱硅反应的风险。预计每生产50万吨处置后的粉煤灰,可减排CO2约45万吨。

  RockTron在英国有两家工厂,其中一家拥有全规模生产设备,年产量为80万吨,另外一家实验厂的产量为3.2t/h。除此之外,公司还计划新建两家年产能为80万吨的工厂来扩大产能。

  目前公司的产品主要包括两种含有普通硅酸水泥熟料和CenTron成分的水泥,以及一系列应用于特殊领域的轻质水泥。

  10.SlagStar

  SlagStar是奥地利WopfingerBaustoffindustrie公司开发的非普通硅酸盐水泥产品,目前已在50个国家申请了专利。从本质上来说,它是一种新型的硫酸盐水泥,由粒状高炉矿渣、碱性硫酸盐、石膏及其他外加剂组成。SlagStar生产过程中不需要煅烧,因此每吨产品比CEMIII水泥减排73%~90%的CO2。

  SlagStar比普通硅酸盐水泥具有更高的抗压强度和更好的抗硫酸盐性,因此适用于恶劣的土壤或腐蚀性工业应用。

  采用SlagStar生产混凝土的水化热仅为9℃,比传统混凝土产品低75%,适用于安装过程中需要避免热膨胀的工程项目,例如堤坝工程。该产品已经建立欧盟标准,并应用到一些大的工程项目。

  近年来,许多公司、科研院所及水泥生产企业已经研发出大量潜在普通硅酸盐水泥的替代产品,同普通硅酸盐水泥相比,大部分新型水泥产品的价格在初始阶段较高,用户对产品的性能不太熟悉,并且需要开发产品供应链及进一步完善并符合现有标准。因此,目前普通硅酸盐水泥仍具有很多方面的优势,但随着环境压力的增加,普通硅酸盐水泥生产企业仅采取现有的提高能效和使用替代燃料等措施并不能满足要求,那么就需要采取调整水泥品种等新的措施,届时水泥生产企业也将进行全新的定义,不再是特指普通硅酸盐水泥生产企业,而将指广义的胶凝材料生产企业。

  (二)结构自保温复合墙体材料

  结构自保温复合墙体材料将成为建筑墙体材料的主流,复合墙体包括主体结构和辅助结构两部分,其中主体结构用于承重、自承重或空间限定,辅助结构用于满足特殊的功能要求,如保温、隔热、隔声、防火及防潮、放腐蚀等要求。复合墙体具有综合性强、使用效率高等特点,对改善墙体性能、改善室内空间环境及建筑节能等具有重要的意义。复合墙体是对传统的单一材料墙体的突破,随着科学技术的不断提高和新材料的不断开发,复合墙体的形式与内容不断更新。目前我国使用的复合墙体主要以保温复合外墙为主。

  (三)奇妙的功能材料

  我们常见的水泥、玻璃、陶瓷,都是无机非金属材料,这一类材料已经有长远的历史了。近年来发展迅速的是另一类无机非金属材料,又叫无机功能材料。这是一些具有特殊功能、特殊性质的新型材料,如半导体材料、激光材料、超导材料、磁性材料、电子材料、压电材料、光电材料等。它们在现代科学技术领域中,有各种神奇妙用。

  例如,半导体材料可以做成晶体管、集成电路及各种半导体器件,对发展电子工业和电子计算机有着重要的作用。利用小小的硅片做成的集成电路,可以装配成每秒能运算一亿五千万次的巨型电子计算机,还可以做成一个肥皂盒那么大小的电视机。

  用红宝石、石榴石这样的激光材料,可以制成激光器,产生威力强大的激光束,既可击落遥远的敌方导弹和飞机,又可做成精巧的激光手术刀,在人的内脏甚至眼球内部作精细的手术。激光通讯可使万里之外的朋友、亲人之间互相联系,象面对面谈话一样的方便。

  光电材料是一种能把光能转换成电能的功能材料。光电材料可以用来制造“电眼”,或机器人的“眼睛”,进行遥控、遥测和自动控制,操纵于房屋之中,动作于万里之外。它还可以用来制造太阳能电池,利用太阳光来发电。目前太阳能电池效率还比较低,如果能找到一种效率高得多、成本低得多的光电材料,太阳能发电就可以大规模推广。

  (四)生物质建材及秸秆建材

  从资源量方面考虑,秸秆做建材的潜力比较大。各种报道均显示,中国每年的秸秆产量为7亿多吨。这些秸秆的用处,一是农民用做薪柴,包括直接使用或制作生物质燃气或沼气,都属于能源利用范畴;二是作为青储饲料;三是秸秆还田,在机械收割的过程中就地破碎,实在无法处理的,就干脆一把火了之;四是制作建筑材料。我们关心的是制作建筑材料,如果没有更好的处理办法,制作生态建筑材料是一个很好的选择,比焚烧秸秆要有利得多。

  秸秆不但资源充足,而且遍布性好,到处都可以找到相应的资源。主要粮食产区的玉米、小麦、水稻、大豆和棉花等作物,都有比较丰富的秸秆资源可以开发利用。有人做过预测,说中国每年的人造板材1亿多吨,如果把秸秆利用率提高到10%以上,就可以满足这些板材对资源的需求,进而节省大量的木材和森林资源。

  此外,从资源的稳定性预期方面看,秸秆资源也是比较安全的。由于中国人口众多,粮食问题将始终困扰着民族的发展。为了保证民生的安全,中国的粮食种植面积只能保持稳定,不能大幅度减少。因此,秸秆资源的保障程度没有大的问题。

  秸秆建材之所以引起人们的重视,除了其资源丰富可以稳定利用外,另一个原因是由于它的材料特性符合循环经济的发展理念,是一种绿色和可持续的建筑材料。

  可再生性是秸秆建材的突出特点。可再生,就可持续,生生不息,没有穷尽,是人们追求的目标。秸秆建材的可再生性比起树木来说,还有其更大的优点。树木资源,即便是速生林,没有10年以上的树龄一般是不适合作为资源来开发的。而秸秆不是这样,秸秆的形成只有一年的时间,当年种植,当年见效。对以年为基本经济核算单位的现代社会来说,秸秆建材的可再生性,对决定其市场地位和竞争优势的经济要素来说,优势十分明显。

  从建筑的发展趋势来看,未来的建筑更加注重节能和环保。秸秆建材不但资源可再生,而且对制作隔热保温材料有其独特的功能。这种性能是由秸秆建材的植物纤维构成所决定的,包括使用后废弃物的处理也十分安全和环保。

  秸秆建材的局限性是它的强度一般比较低(当然也可以深度加工),比较适合做非承重的墙体材料。但这个市场已经足够大,适度开发就会有相当大的规模,不影响它的重要性和推广价值。

  秸秆建材目前最大的问题是技术问题。尽管国内外同行已经对秸秆建材产品进行了多年的研究和开发,不少产品也相继问世和应用。但是,市场的普遍感觉是,目前还没有出现十分定型的产品或者说是性能被普遍认可的建材产品。

  在产品的实际开发和市场化运作中,秸秆的收购、运输、储存、破碎、加工、干燥、防水、防霉和糖分处理等方面,还没有很好的系统解决方案,影响着秸秆建材的普及和推广。

  目前有一种稻草板墙体。稻草墙体主要是指用稻草等农作物秸秆制成的板作为墙体。稻草板以洁净的天然稻草或麦草等农作物秸秆为原料,以异氰酸酯树脂为胶粘剂,通过切草和粉碎两道工序,把秆状农作物加工成碎料状的原料,采用喷蒸等特殊处理方法,固化为不含甲醛的人造板材,密度越高,硬度越大。中等密度的稻草板可作墙体材料,高等密度其他秸秆材料还可以做地板。农作物秸秆工程利用技术已经成熟,生产成本与粘土实心砖基本相当,使用功能却更加环保、节能、节土,是节能建筑中很好的建筑墙体材料。

  将稻草板作为墙体有很多优点。一是保温、隔热性能良好,用其建造的住房冬暖夏凉。在我国北方地区,冬天取暖过冬,如采用稻草板作为屋面及墙体,其容重为413kg/m3,仅为粘土实心砖的1/5,其保温隔热性能大大优于粘土实心砖建筑,可以大大节约燃煤取暖所用的费用。二是隔音效果好,还具有保湿和释放氧气的功能,经特殊处理后还能防火、防水、防腐等。三是用稻草板建成的房屋重量轻,降低了基础的承重荷载,并具有良好的抗震性能。四是稻草板采用异氰酸酯树脂作为胶粘剂,不含甲醛,达到甲醛零排放的最高环保标准。用稻草板建房,就生态方面来说,具有变废为宝、保护土地资源、保护环境的优势。我国是农业大国,稻麦资源十分丰富,大量稻草被弃置农田,很多地区则采用焚烧的处理方式,不仅浪费资源,而且污染环境。如改用稻草板为主要材料建造新式住宅,原料丰富,价格便宜,可以降低建筑成本。因此,用稻草板建房对我国目前的能源状况来说,有利于生态节能也具有良好的经济效益,也能积极促进我国的新农村建设和和谐社会的构建。

  总体上看来,秸秆建材具有较大的发展潜力,特别是在建筑的节能、轻质化、抗震、隔音、施工便利、绿色和可持续发展等方面,但是需要解决的问题还不少,仍然需要进一步加大投入和研发的力度。