超低能耗建筑發(fā)展下生土建筑材料探究

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摘要：傳統(tǒng)的建筑材料在生產(chǎn)以及使用過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一定的污染，同時(shí)也會(huì)消耗大量的資源。為了有效降低建筑對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的影響，減少建筑能耗和降低溫室效應(yīng)，建筑行業(yè)應(yīng)大力推廣節(jié)能環(huán)保、造價(jià)低廉的傳統(tǒng)建筑——生土建筑。本研究選取陜北地區(qū)原狀生土復(fù)合材料，基于大量不同配比的材料測(cè)試，確定生土結(jié)構(gòu)改性最優(yōu)配比，分析生產(chǎn)工藝的可行性；對(duì)復(fù)合生土建筑材料安全性、耐久性能進(jìn)行測(cè)定，確定滿足建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的材料要求；對(duì)當(dāng)?shù)厣两ㄖ牧线M(jìn)行實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，發(fā)現(xiàn)該材料的性能缺陷，選取當(dāng)?shù)氐母男圆牧蠈?duì)生土建筑材料進(jìn)行改性，系統(tǒng)分析復(fù)合生土建筑材料改性后的性能；應(yīng)用對(duì)比分析法，確定綜合性能最優(yōu)的改性生土建筑材料，分析和評(píng)價(jià)改性生土建筑材料的節(jié)能環(huán)保特性。

關(guān)鍵詞：超低能建筑；生土建筑材料；材料實(shí)驗(yàn)

生土建筑材料屬于一種傳統(tǒng)的建筑材料，長(zhǎng)久以來(lái)被認(rèn)為是一種落后地區(qū)所應(yīng)用的建筑材料，但是在現(xiàn)代材料科學(xué)不斷發(fā)展的背景下，生土建筑材料的環(huán)保優(yōu)勢(shì)以及成本優(yōu)勢(shì)再次為人們所認(rèn)知。傳統(tǒng)的生土建筑材料經(jīng)過(guò)改良優(yōu)化之后，具有優(yōu)異的性能，成為超低能耗建筑的基礎(chǔ)材料。傳統(tǒng)生土建筑材料雖然具有保溫性能較強(qiáng)、成本較低等優(yōu)點(diǎn)，但是缺點(diǎn)也十分明顯。因此，在應(yīng)用生土建筑材料，發(fā)展超低能耗建筑的過(guò)程中，相關(guān)人員需要進(jìn)一步加強(qiáng)生土建筑材料改良研究，以確保生土建筑材料的性能符合實(shí)際要求，充分發(fā)揮生土建筑材料的節(jié)能環(huán)保作用，促進(jìn)建筑行業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

1超低能耗建筑發(fā)展概述

超低能耗建筑是基于綠色建筑理念的一種新型建筑形式，該建筑類型主要通過(guò)應(yīng)用具有良好保溫隔熱性能的建筑材料，達(dá)到保持室內(nèi)溫度、降低能源消耗的目的。我國(guó)的第一個(gè)被動(dòng)式超低能耗建筑出現(xiàn)在上海，該建筑是外國(guó)專業(yè)團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的。當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)對(duì)超低能耗建筑的研究較少，因此該建筑沒(méi)有引起廣泛關(guān)注。超低能耗建筑真正在我國(guó)引起關(guān)注是在2013年，當(dāng)時(shí)中國(guó)和德國(guó)合作的“在水一方”項(xiàng)目充分展示了該建筑在節(jié)能環(huán)保方面的優(yōu)越性。此后，超低能耗建筑快速發(fā)展，截至2020年，超低能建筑面積在新建建筑面積中已經(jīng)占到50%左右。在超低能耗建筑發(fā)展的過(guò)程中，我國(guó)綠色建筑材料領(lǐng)域也取得了較大的發(fā)展，為超低能耗建筑的發(fā)展創(chuàng)造了良好的條件，目前，具有超低能耗特征的建筑已經(jīng)占據(jù)了相當(dāng)大的比例。該建筑能源消耗非常小，在調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度方面，它采用了性能良好的保溫層材料以及熱量循環(huán)系統(tǒng)，能夠在較低耗能的情況下保證室內(nèi)溫度恒定。因此，在當(dāng)前的發(fā)展階段，生土建筑材料已經(jīng)成為國(guó)家重點(diǎn)發(fā)展的建筑材料之一。

2生土建筑材料研究的意義

2.1全生命周期低能耗

我國(guó)是傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)大國(guó)，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的過(guò)程中產(chǎn)生了大量的麥秸稈和稻草。這些農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的副產(chǎn)品往往被應(yīng)用于肥料制造以及焚燒發(fā)電等方面。這些材料的處理方式存在較大的弊端，同時(shí)也會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境造成影響，而將這些材料作為新型生土建筑材料應(yīng)用于超低能耗建筑中，不僅能夠充分發(fā)揮相關(guān)材料的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，還能夠避免資源浪費(fèi)。生土建筑材料取自天然土，在應(yīng)用的過(guò)程中不會(huì)對(duì)周邊環(huán)境造成影響，同時(shí)也促進(jìn)了資源的循環(huán)利用。使用后的生土建筑材料還可以通過(guò)打碎的方式重新進(jìn)入生態(tài)循環(huán)，具有較為明顯的環(huán)保優(yōu)勢(shì)。此外，用來(lái)配置生土建筑材料的麥秸稈生長(zhǎng)周期短，能夠進(jìn)入生態(tài)循環(huán)，取材方便，在超低能耗建筑中具有比較大的優(yōu)勢(shì)。

2.2生態(tài)宜居的現(xiàn)代建筑

與建筑材料相比，現(xiàn)代生土建筑材料具有更加良好的性能，它消除了傳統(tǒng)生土建筑材料的諸多弊端，在應(yīng)用的過(guò)程中，將生土建筑材料與現(xiàn)代結(jié)構(gòu)科學(xué)相融合，進(jìn)一步提高了建筑空間的合理性與靈活性，能夠滿足不同用戶的需求。此外，現(xiàn)代生土建筑材料具有優(yōu)異的物理化學(xué)性質(zhì)，能夠長(zhǎng)期使用。生土本身不僅具有良好的保溫性，還能夠調(diào)節(jié)空氣濕度。因此，應(yīng)用生土建筑材料能夠有效減少建筑的能源消耗，進(jìn)一步提高居住空間的舒適度。

2.3具有較高的經(jīng)濟(jì)效益

利用生土和秸稈材料制作而成的生土砌塊，具有造價(jià)較低、工藝簡(jiǎn)單、節(jié)能環(huán)保、易于推廣等優(yōu)點(diǎn)。因此，生土砌塊是村鎮(zhèn)建筑領(lǐng)域中具有廣闊前景的墻體材料。研究現(xiàn)代生土磚砌體建筑，有利于完善我國(guó)的綠色建筑體系，創(chuàng)新我國(guó)現(xiàn)代被動(dòng)式超低能耗建筑理論，規(guī)范被動(dòng)式超低能耗建筑設(shè)計(jì)，推廣應(yīng)用新型被動(dòng)式超低能耗建筑材料。專業(yè)人員根據(jù)相關(guān)的技術(shù)規(guī)范大力推廣生土砌塊，可以為我國(guó)的村鎮(zhèn)住宅建設(shè)貢獻(xiàn)一份力量。

3生土建筑材料研究?jī)?nèi)容

本研究以陜北地區(qū)生土作為基材，對(duì)生土顆粒進(jìn)行粉化處理，添加少量改性材料后，加入形狀和重量合適的秸稈材料，產(chǎn)生水化膠凝礦物，形成生土材料中的拉接結(jié)構(gòu)。最后，形成的復(fù)合體就是生土建筑材料，該材料具有良好的節(jié)能環(huán)保特性。生土建筑材料研究?jī)?nèi)容包括以下幾點(diǎn)：①通過(guò)文獻(xiàn)檢索，分析國(guó)內(nèi)外被動(dòng)式超低能耗建筑、生土材料的研究現(xiàn)狀，學(xué)習(xí)最新研究技術(shù)。②根據(jù)材料的物理特性，在傳統(tǒng)生土材料中摻入無(wú)污染、在自然環(huán)境中易降解的改性材料，如細(xì)砂、麥秸稈等。設(shè)計(jì)復(fù)合生土的多種配合比，遵循建筑材料生態(tài)環(huán)保原則，并且進(jìn)一步探索提高生土材料的力學(xué)性能和熱學(xué)性能的路徑。③利用恒溫?zé)釒Х▽?duì)麥秸稈生土試塊進(jìn)行多組不同配合比的比熱系數(shù)測(cè)定，并且對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)分析，得到影響比熱系數(shù)變化的原因，從而獲得麥秸稈生土材料在保溫隔熱性能最優(yōu)時(shí)的配合比。④采集8組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析在細(xì)砂、建筑膠、石灰以及麥秸稈作用下，生土復(fù)合材料的節(jié)能效果。橫向?qū)Ρ炔煌瑩胶蛣?duì)被動(dòng)式超低能耗建筑節(jié)能環(huán)保特性的影響；縱向?qū)Ρ韧粨胶蛣┑暮繉?duì)被動(dòng)式建筑節(jié)能環(huán)保特性的影響；采用參數(shù)分析法，對(duì)比分析生土材料性能的核心影響因素。

4生土建筑材料研究需要解決的問(wèn)題

總的來(lái)說(shuō)，生土建筑材料研究需要解決以下幾個(gè)問(wèn)題：①根據(jù)被動(dòng)式超低能耗建筑的發(fā)展前景以及特性，設(shè)計(jì)生土和麥秸稈等建筑材料的最終配合比。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，分析研究被動(dòng)式建筑材料、生土麥秸稈建筑材料與普通建筑材料的各種物理特性。②通過(guò)對(duì)比研究，分析被動(dòng)式超低能耗建筑的節(jié)能特性，分析復(fù)合被動(dòng)式超低能耗建筑的可行性，并且進(jìn)一步分析生土、麥秸稈等材料在建筑結(jié)構(gòu)、建筑設(shè)計(jì)中的合理應(yīng)用，從而明確生土建筑材料的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)，為推動(dòng)被動(dòng)式超低能耗建筑的發(fā)展貢獻(xiàn)綿薄之力。

5生土建筑材料的研究準(zhǔn)備

5.1研究團(tuán)隊(duì)準(zhǔn)備

本研究工作需要可靠的研究團(tuán)隊(duì)作為支撐。生土建筑材料研究具有一定的復(fù)雜性，在研究的過(guò)程中需要進(jìn)行多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，很難依靠個(gè)人力量完成研究任務(wù)。筆者認(rèn)為需要邀請(qǐng)具有較強(qiáng)科研能力以及科研經(jīng)驗(yàn)的人員來(lái)參加生土建筑材料研究工作，同時(shí)還需要根據(jù)研究的內(nèi)容來(lái)確定團(tuán)隊(duì)人數(shù)，在研究的過(guò)程中，做好人員分工，確保研究能夠有條不紊地進(jìn)行。

5.2軟硬件準(zhǔn)備

本研究工作需要硬件和軟件的支持。本研究小組擁有完成研究項(xiàng)目所需要的資料和設(shè)備。本研究小組所在學(xué)校的圖書(shū)館有大量的中外文網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)和電子期刊，能夠滿足研究項(xiàng)目所需要的文獻(xiàn)資料。學(xué)校為支持課題研究，已經(jīng)配備了必要的硬件和軟件條件，可以滿足研究項(xiàng)目對(duì)計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)以及相關(guān)軟件的要求。本研究小組在生土建筑材料研究項(xiàng)目的準(zhǔn)備階段，采用文獻(xiàn)查閱的方式，收集、統(tǒng)計(jì)研究項(xiàng)目所需要的數(shù)據(jù)；在生土建筑材料研究項(xiàng)目實(shí)施階段，采用定性和定量相結(jié)合的方法，并且應(yīng)用科學(xué)的統(tǒng)計(jì)方法，對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，定量確定被動(dòng)式超低能耗建筑的比熱系數(shù)，定性分析節(jié)能環(huán)保影響因素；在生土建筑材料研究項(xiàng)目的最后階段，用直觀的數(shù)據(jù)反映該研究項(xiàng)目對(duì)社會(huì)的綜合效益。

6生土建筑材料的研究路徑

6.1文獻(xiàn)查閱

在研究的過(guò)程中，筆者首先查閱文獻(xiàn)，在查閱大量文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)研究方法，確保研究方法的科學(xué)性。在這個(gè)過(guò)程中，筆者深入地了解了國(guó)內(nèi)外被動(dòng)式超低能耗建筑的發(fā)展現(xiàn)狀，深入地分析了國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)添加復(fù)合材料之后所制成的生土砌塊性能（保溫、隔熱以及節(jié)能）的研究成果。

6.2實(shí)驗(yàn)材料選取

（1）生土。在生土建筑材料研究中，生土是研究的主要對(duì)象。在研究的過(guò)程中，筆者主要選取陜北地區(qū)的生土材料，進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)的測(cè)定（液限值、塑限值及表觀密度）。（2）細(xì)沙。細(xì)沙來(lái)自建材市場(chǎng)，旨在為生土磚提供前期強(qiáng)度支撐。（3）麥秸稈。麥秸稈來(lái)自西安市郊區(qū)麥場(chǎng)，將麥秸稈用粉碎機(jī)打碎成草與草末兩種，草的長(zhǎng)度為5mm～10mm，草沫的長(zhǎng)度為2mm～5mm。為防止麥秸稈發(fā)芽破壞試件，應(yīng)放于石灰水（水:石灰＝200:1）中浸泡6個(gè)小時(shí)，撈出瀝水待用，然后擠干草和草末中的水分，放于烘干箱中烘干，取出后放入塑料袋中，以免水分蒸發(fā)，降至室溫待用。建筑膠：從建材市場(chǎng)選購(gòu)一種強(qiáng)度較高、黏結(jié)力較強(qiáng)的水溶性硅酸鹽，目的是提高生土磚抗壓強(qiáng)度。（4）石灰，來(lái)自建材市場(chǎng)。

6.3生土建筑材料配比設(shè)計(jì)

材料配比研究是生土建筑材料研究的重點(diǎn)。按照規(guī)范要求，選定實(shí)驗(yàn)中的配合比。按照配合比要求制作100mm×100mm×100mm的試塊，每組4個(gè)（其中有1個(gè)為備用試塊），共計(jì)32個(gè)。研究小組成員將制作的復(fù)合生土試塊在20±2℃與95%的環(huán)境下養(yǎng)護(hù)28天，以備后續(xù)實(shí)驗(yàn)。本研究分別設(shè)計(jì)了8種不同的材料配比方案，從而研究不同配比下生土建筑材料的性能表現(xiàn)。生土材料配合比初步設(shè)計(jì)如表1所示。

6.4實(shí)驗(yàn)條件控制

在進(jìn)行材料實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，控制實(shí)驗(yàn)條件十分關(guān)鍵，只有精準(zhǔn)地、科學(xué)地控制實(shí)驗(yàn)條件，才能保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。在這個(gè)過(guò)程中，首先需要購(gòu)買(mǎi)或者租賃實(shí)驗(yàn)設(shè)備。加熱板與溫度儀的具體要求如下：①工作電源220V/50Hz；②加熱板溫度的控制精度0.5℃，工作狀態(tài)溫度0℃～50℃；③溫度儀測(cè)量范圍0℃～50℃，溫度計(jì)量精度0.1℃；④加熱板功率計(jì)算誤差0.6%，功率檢測(cè)范圍0W～1000W；⑤計(jì)算時(shí)間周期10min，記錄數(shù)據(jù)的時(shí)間周期10min。

6.5實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算

在實(shí)驗(yàn)規(guī)范養(yǎng)護(hù)完成后，對(duì)A～H組的復(fù)合生土試塊進(jìn)行加熱測(cè)定，記錄在同一室溫下，加熱板升高特定數(shù)值后的試塊溫度。利用公式[C為比熱容，單位為J/（kg·K）；Q為材料吸收的熱量，單位為J；m為材料質(zhì)量，單位為kg；Δt為材料產(chǎn)生的溫度差，單位為℃]來(lái)計(jì)算材料的比熱容。

6.5實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析設(shè)計(jì)

在生土建筑材料的研究中，本研究小組主要設(shè)計(jì)了8種材料配比實(shí)驗(yàn)，通過(guò)不同的配比來(lái)研究生土復(fù)合材料的性能。因此，在研究的過(guò)程中，對(duì)于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析和解讀至關(guān)重要。在本研究中，針對(duì)8組實(shí)驗(yàn)，本研究小組分別進(jìn)行了8組不同的數(shù)據(jù)分析，從而保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的科學(xué)性和全面性。這8組不同的數(shù)據(jù)分析分別為：①對(duì)比A、B兩組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析麥秸稈對(duì)生土復(fù)合材料節(jié)能的影響；②對(duì)比B、C兩組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析建筑膠與石灰對(duì)生土復(fù)合材料節(jié)能的影響；③對(duì)比C、D兩組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析細(xì)砂對(duì)生土復(fù)合材料節(jié)能的影響；④對(duì)比D、E兩組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析在細(xì)砂、建筑膠以及石灰作用下，麥秸稈對(duì)生土復(fù)合材料節(jié)能的影響，分析細(xì)砂、建筑膠以及石灰是否會(huì)影響材料的節(jié)能效果；⑤對(duì)比D、E兩組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析在細(xì)砂、建筑膠以及石灰作用下，麥秸稈對(duì)生土復(fù)合材料節(jié)能的影響，分析細(xì)砂、建筑膠以及石灰是否會(huì)影響材料的節(jié)能效果；⑥對(duì)比D、F兩組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析在麥秸稈、建筑膠以及石灰作用下，細(xì)砂對(duì)生土復(fù)合材料節(jié)能的影響，分析麥秸稈、建筑膠以及石灰是否會(huì)影響材料的節(jié)能效果；⑦對(duì)比F、G兩組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析在細(xì)砂、建筑膠以及石灰作用下，麥秸稈對(duì)生土復(fù)合材料節(jié)能的影響，同時(shí)將本組數(shù)據(jù)結(jié)論與第⑤組數(shù)據(jù)結(jié)論進(jìn)行橫向?qū)Ρ?；⑧?duì)比E、H兩組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析在細(xì)砂、建筑膠以及石灰作用下，麥秸稈對(duì)生土復(fù)合材料節(jié)能的影響，同時(shí)將本組數(shù)據(jù)結(jié)論與第⑤組數(shù)據(jù)結(jié)論、第⑦組數(shù)據(jù)結(jié)論進(jìn)行橫向?qū)Ρ?，探尋?shí)驗(yàn)規(guī)律。

作者:劉磊 李嘉龍 薛凱澤 吳永帥 符皓 單位:西安培華學(xué)院建筑與藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院