土木工程材料的可持续发展.docx

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土木工程材料的可持续发展

土木工程材料的可持续发展

摘要

土木工程活动是人类作用于自然生态环境最重要的生产活动之一。

其中，工程材料的生产与使用、工程设计、工程施工、工程建成后的使用及报废后的拆除等过程均要消耗大量的能源，并不断产生废弃物，这些问题都将对生态环境产生极大影响。

因此，土木工程作为国民经济的支柱产业，我们既要大力发展，以满足经济、社会发展的需要，又要注重环境保护、资源节约，推行可持续发展战略。

本文基于上述原因，在正确理解可持续发展的概念与内涵的基础上，对土木工程的可持续发展战略进行了如下的讨论:

土木工程施工阶段的可持续发展阐述土木工程施工阶段可持续发展的五大原则，即减少场地干扰、尊重基地环境;施工结合气候、节约资源（能源）;减少环境污染、提高环境品质;实施科学管理、保证施工质量。

基于该原则，描述我国施工阶段可持续发展现状，并提出推进我国施工阶段可持续发展的一系列具体做法。

关键词:

土木工程可持续发展生态建材优化设计

Abstract

Civilengineeringisthehumanactivityontheroleofthenaturalecologicalenvironmentisoneofthemostimportantactivities.Amongthem,theproductionanduseofengineeringmaterials,engineeringdesign,engineeringconstruction,projectafterthecompletionoftheuseandscrappedafterthedemolitionprocessconsumesalotofenergy,andcontinuetoproducewaste,alloftheseproblemswillhaveagreatimpactontheecologicalenvironment.Therefore,thecivilengineeringasthepillarindustryofnationaleconomy,weshoulddevelopenergetically,inordertomeettheeconomicandsocialdevelopmentneeds,butalsopayattentiontoenvironmentalprotection,resourceconservation,toimplementthestrategyofsustainabledevelopment.Basedontheabovereasons,thecorrectunderstandingoftheconceptandconnotationofsustainabledevelopmentonthebasisofthecivilengineering,sustainabledevelopmentstrategyarediscussed:

civilengineeringconstructionstageofsustainabledevelopmentoncivilengineeringconstructionstageofsustainabledevelopmentfiveprinciples,namelyreducethespaceinterference,respectthebaseloopexit;constructioncombinedwithclimate;conservationofresources（energy）;toreduceenvironmentalpollution,improveenvironmentalquality;theimplementationofscientificmanagement,ensureconstructionquality.Basedonthisprinciple,ourcountryconstructionsustainabledevelopmentpresentsituation,andproposedtoadvanceourcountryconstructionsustainabledevelopmentaseriesofspecificpractices.

Keywords:

CivilEngineeringsustainabledevelopmentecologicalbuildingoptimizationdesign

一、引言

土木工程材料是指土木工程中使用的各种材料及其制品，它是一切土木工程的物质基础。

所有的建筑物、桥梁、道路等都是由各种不同的材料经设计、施工建造而成的，它在我国的现代化建设中占有极其重要的地位。

因此，正确选择和合理使用土木工程材料，对整个土木工程的安全、实用、美观、耐久及造价有着重大的意义。

传统的土木工程材料包括:

钢材、木材、砌筑材料、气硬性无机胶凝材料、水泥、砂浆、混凝土、高分子材料、沥青与沥青混料以及其他的建筑功能材料等等。

上述种种传统的土木工程材料给人类带来了物质文明并推动了人类文明的进步，但在其生产、使用过程和回收中，不仅消耗了大量的资源和能量，并且带来环境污染等负面影响。

为此，人们开始对新的建筑材料进行研发，寻找既能满足材料性能的要求，又不破坏环境，而且还能够改善环境的“可持续发展”材料。

“绿色材料”是在1988年国际材料学科研讨会上首次提出的，随后在1992年联合国召开了环境与发展大会，并于1994年设立了“可持续产品开发”工作组。

各国纷纷制定了“绿色建材”的性能标准。

国内的土木工程材料的技术工作者们也致力于新材料的开发，并取得了一系列的研究成果。

下面，我们就从传统的土木工程材料说起，进而引申到工程材料的可持续发展战略研究。

二、土木工程材料发展现状

土木工程材料可按不同原则进行分类。

根据材料的来源分，可分为天然材料及人造材料;根据其功能分，可分为结构材料、装饰材料、防水材料、绝热材料等。

目前，通常根据组成质材料和复合材料三大类，各大类又可进行更细的分类。

土木工程材料是随着人类社会生产力和科学技术水平的提高而逐步发展起来的。

人类最早穴居，然后随着社会生产力的发展，进入了能够制造简单工具的石器、铁器时代，才开始挖土、凿石为洞、伐木搭竹为棚，利用天然材料建造非常简陋的房屋等土木工程。

到了人类能够用粘土烧制砖、瓦，用岩石烧制石灰、石膏之后，土木工程材料才由天然材料进入了人工生产阶段，为较大规模建造土木工程创造了基本条件。

18世纪至19世纪，资本主义兴起，促进了工商业及交通运输业的蓬勃发展，原有的土木工程材料己不能与此相适应，在其他科学技术进步的推动下，土木工程材料进入了一个新的发展阶段，钢材、水泥、混凝土、及其他材料的相继问世，为现代土木工程材料奠定了基础。

进入20世纪后，由于社会生产力突飞猛进，以及材料科学与工程学的形成发展，土木工程材料不仅性能和质量不断改善，而且品种不断增加，以有机材料为主的化学建材异军突起，一些具有特殊功能的新型土木工程材料，如绝热材料、吸声隔声材料、各种装饰材料、耐热防火材料、防水抗渗材料以及耐磨、耐腐蚀、防爆和防辐射材料等应运而生。

随着人类的进步和社会的发展，更有效地利用地球有限的资源，全面改善及迅速扩大人类工作与生存空间势在必行，未来土木工程必将需要在各种苛刻的环境条件下，实现多功能化，甚至智能化，满足愈来愈高的安全、舒适、美观、耐久的要求，土木工程材料在原材料、生产工艺、性能及产品型式诸方面均将面临可持续发展和人类文明进步的严酷挑战。

今后，在原材料方面，要最大限度地节约有限的资源，充分利用再生资源及工农业废料;在生产工艺方面，要大力引进现代技术，改造或淘汰陈旧设备，降低原材料及能源消耗，减少环境污染;在性能方面，要力求轻质、高强、耐久、多功能及结构—功能（智能）一体化;在产品型式方面，要积极发展预制技术，逐步提高构件化、单元化的水平。

当前具有自感知、自调节、自修复能力的土木工程材料的开发研制以及各种机敏或智能材料在土木工程中应用的研究正在蓬勃开展。

三、生态建材

在寻求人类文明进步与生态环境污染之间互惠互利的过程中，人们终于找到了一个平衡点—积极开发“生态建材”。

生态建材属于生态材料的范畴。

最早提出这一概念的是以山本良一为首的日本东京大学研究小组，他们在研究了所使用的材料与生态环境之间的关系后，认为生态材料是对环境友好的材料，它不给环境带来太多的负面影响，自此引起广大材料科学工作者的关注。

（一）生态建材的特性及定义

不同的研究者对生态建材有不同的理解，一般认为，生态建材应具有以下三大特性:

生态建材应具有先进性，它既可以拓展人类的生活领域，又能为人类开拓更广阔的活动空间生态建材应具有环境协调性，它既能减少对环境的污染危害，从社会持久发展及进步的观点出发，使人类的活动范围和外部环境尽可能协调，又在其制造过中最低限度地消耗物质与能源，使废弃物的产生和回收处理达到最小，产生的废弃物能被处理、回收和再生利用，并且这一过程不产生污染生态建材应具有舒适性，它既能创造一个与大自然和谐的健康生活环境，又能使人类在更加美好、舒适的环境中生活。

综合具备上述三种特性的建筑材料就构成了生态建材。

也就是说，具有上述特征的建筑材料或工艺技术可称为“生态建材”或“建筑材料的生态环境化技术”。

生态建材与传统建材明显不同之处是赋予传统建材特别优异的生态环境协调性，或者说是那些直接具有净化环境、修复环境等功能的建筑材料。

生态建材是一个指导性的原则，其目的是防止对生态环境的损害，促进人类活动对自然资源和环境的保护，保证建筑材料具有更好的性能等。

应该承认生态建材本身是一个不确定的概念，是一个动态和发展的概念。

当所有的建筑材料都“生态环境化”了的时候，生态建材这个术语也可能就完成了它的历史使命。

不少学者从不同的角度讨论了生态建材的概念，如“绿色建材、环境建材、健康建材、环境友好建材、环境协调建材、环境兼容性建材、环境相容性建材”等等。

尽管人们在认识上存在差异，但为了促进生态建材学科的研究和发展，还是应该给生态建材一个明确的概念。

目前对于生态建材的概念可以概括为:

生态建材是指在加工、制造、使用、废弃和再生过程中具有最低环境负面影响、最大使用功能的人类所需要的一系列新型建筑材料。

（二）生态建材研究的意义

生态建材研究的意义主要有以下两点:

①传统建材的创新与生态环境的改善己刻不容缓。

生态建材追求的不仅是具有先进的使用性能，而且是从材料的制造、使用、废弃直到再生的整个生命周期中必须具备与生态环境的协调性及舒适性。

因此生态建材实质上就是赋予传统建材优异的环境协调性和舒适性的建筑材料，或者指那些直接具有净化和修复环境功能的新型建材。

然而，迄今为止的传统建材主要追求的是材料的使用性能而忽视了环境协调性和舒适性。

应该承认，几十年来我国建材工业走过的是一条高投入、高能耗、高污染、高资源消耗的道路。

目前大量使用的建材仍然是水泥、钢铁、陶瓷、玻璃、塑料等量大面广的传统建材。

由于传统建材一般具有很强的针对性，往往是针对某一个特定使用场合研究开发的，这就导致了传统建材的多样性，以致使用于建筑物的传统建材难以充分回收和再生利用，所以表现为传统建材具有较差的生态环境协调性。

这种状况在近期内是不可能发生根本改变的，也不可能期望利用少数环境协调性好的生态建材来取代大部分传统建材。

然而，这并不意味着我们材料科学工作者应该放弃追求，知难而退。

恰恰相反，我们要知难而进，一方面积极开展对生态建材的基础理论研究，促进材料工作者和全民的生态环境意识;另一方面在建筑设计和传统建材的设计、生产、使用、废弃和再生中要更重视生态环境问题，更多地考虑保护环境的措施，努力减轻传统建材的环境负面影响，逐步改善传统建材的环境协调性，使大多数传统建材不断创新，逐步发展成为既有优良的功能性又有环境协调性和舒适性的生态建材。

②树立可持续发展的生态建材观随着经济的快速发展，环境的污染己严重威胁着人类的生存。

可持续发展正是从环境污染对人类生存与发展的关系角度提出的，人类的发展要注意与经济、人口、社会、资源和环境的协调发展，不能以经济快速增长来代替人类社会的发展和进步，必须审时度势，走可持续发展的道路。

实施可持续发展战略重在行动，贵在创新，哪怕是再小的行动和实践都是可贵的。

可持续发展战略是一项开放的复杂的系统工程，涉及各行各业的方方面面，任何一个部门或行业都不可能独立完成。

各级政府和科技工作者是实施可持续发展战略的主力军。

可持续发展实践，就是要把可持续发展战略具体贯彻到经济工作和社会事业的各个方面中去。

树立可持续发展的生态建材观应再如下几方面统一认识。

第一，重视对生态经济的研究和实践，开发和应用可持续发展技术，为实施可持续发展战略提供理论基础、经济模式和技术支持。

发展知识经济和生态经济（也称循环经济）是世纪之交人类社会的两大趋势。

前者要求加强经济过程中智力资源对物质资源的代替，实现经济活动向知识化转化，其主要技术载体是以信息技术和生物技术为主导的高新技术;后者要求以环境友好的方式利用自然资源和环境容量，实现经济活动的生态化转向，其技术载体就是可持续发展技术，或称生态环境无害化技术、生态环境友好技术。

可见生态经济本质上是一种循环经济，是相对于传统的线性经济而言的，它旨在建立一种以物质循环流动为特征的经济，从而实现可持续发展所要求的环境与经济双赢，即在资源环境不退化甚至得到改善的情况下实现经济持续增长的战略目标。

发展生态经济是当前可持续发展建设中的一项紧迫任务，也是建设生态城市的重要途径。

要按照生态经济原理来布置新产业，尤其是高新技术产业（知识经济也存在着“生态”问题）和第三产业，调整淘汰老产业，逐步减少人类对环境的“污染足迹”。

第二，树立生态环境资本意识，依托市场，搞好资本运营，探索实施可持续发展战略新途径。

由自然资源、生命系统和生态环境所组成的自然资本，是一个国家、地区或城市的整体实力或综合竞争力的重要内容之一。

生态环境是资本，良好的生态环境是现代经济发展的一种重要的资本。

实施可持续发展战略的过程，就是不断地积累、优化、运作生态环境资本，使之不断良性循环的过程。

生态环境资本的提出给可持续发展实践拓宽了思路，尤其是对山区经济的发展有着重要的指导作用，其主要表现在探索解决环境问题的市场运作方法、扶持培养一批环保企业家、通过生态环境资本运营解决实施可持续发展战略财力投入不足等几个方面。

第三，开发生态建材是实施可持续发展战略的重要组成部分。

当前“住宅装修污染人居生态环境”的现象屡有发生，生态住宅己经称为人们关注的热点。

解决传统建材的生态环境化问题迫在眉睫，开发生态建材是可持续发展的需要。

然而，迄今为止的传统建材生产—使用—废弃的过程，可以说是一种将大量资源提前取出来，再将大量废弃物排回到环境中去的恶性循环过程。

因此，提出生态建材（或称绿色建材、环境建材、健康建材）的概念，要求材料科学工作者要在观念上发生根本的转变。

树立可持续发展的生态建材观，就要求在建筑材料的设计、制造中首先要从人类社会的长远利益出发，以满足人类社会的可持续发展为最终目标。

在这个大前提下，考虑与建筑材料的生产、使用、废弃密切相关的自然资源和生态环境问题，即如何从建筑材料的设计、制造阶段就考虑到材料的再生循环利用，如何定量地评价建筑材料生命周期中的环境负荷并进而减小之，如何在建筑材料使用后尽可能完全地对材料和物质进行再利用和再循环利用，以便使材料的生产、使用过程和地球生物圈达到尽可能协调的程度，从根本上解决资源日益短缺，大量废弃物造成生态环境日益恶化等问题，以证人类社会的可持续发展。

（三）生态建材的研究进展

生态建材研究的目的是寻找在加工、制造、使用和再生产过程中具有最低环境负荷的人类所需材料，以满足人类生存和发展的需要。

在理论上反思和总结人类在争取生存和发展过程中所开发的建筑材料的合理性和科学性，进而将建筑材料的开发、制备、加工、使用和再生过程的材料的环境负荷与材料的性能和功能及环境的承受能力统一于一体，力求二者相互协调。

这种思想的实质是要求人们在使用建筑材料时要达到人、地和谐发展。

我国人民自古以来就重视人与环境的关系。

关于人、地和谐发展、共处一体的思想在我国古代先哲的思想中已有发现。

早在《黄帝内经》中就提出了“人与天地相应，人与草木同归。

”这是中国先民对人与自然关系的深层领悟。

材料是人类生存和生活必不可少的部分，是人类物质文明的基础和先导。

但是，东西方人对材料的追求，有明显不同的态度。

按照西方人的哲学，他们追求的是材料的先进性和舒适性;而按照东方文化崇尚自然的心境，则追求材料的自身协调和天人协调。

东方文化追求天人和谐的思想，对当今生态建材领域有着深刻的影响。

随着全球环境意识的不断提高，材料的研究也日益重视其与环境的协调关系。

西方的一些学者提出了建立“绿色材料和工艺”，并开发出有益于健康的良性环境材料和工艺，最大限度地对自然资源进行循环利用并开发副产品，使之具有与大自然相互平衡的能力。

这是西方人对环境科学认识上的进步。

20世纪80年代以来，他们把材料科学定义为关于材料组成与结构、制备与加工、性质及使用性能之间相互关系的知识开发及应用的科学，并用组成与结构、性质、使用性能及合成与加工等要素来概括其内容及相互关系。

二十世纪九十年代，日本东京大学山本良一教授首先提出生态建材的概念，并于1993年4月成立了‘旧本生态材料研究会”。

在山本良一等的努力下，1993年9月、1995年9月、1997年9月先后召开了3届国际生态材料大会，在大会上科学家们提出:

生态材料是面向21世纪的材料，谁在生态材料领域领先，谁将在下一世纪的材料领域中取得主动权，谁在材料产业的生态环境化抢先一步，谁就占领市场。

这一思想必将成为全人类的共识。

发展生态建材与环境保护以1992年联合国环境与发展首脑会议为契机，提出了生态建筑、生态材料、无机抗菌材料和有益健康材料等概念，在生态建材研制与环境保护方面，已取得了大量的研究成果，主要体现在以下几个方面:

①采用高新技术研制与开发生态建材净化功能建材包括净化大气功能的净化材料、净化室内功能的除臭材料和净化细菌环境的抗菌材料。

具有抗菌或杀菌功能的材料通称为抗菌材料，其外加剂则称为抗菌剂。

抗菌材料及制品大多数为薄膜或制品表面上的涂料，以块体、粉末的形式使用。

已经问世的产品有抗菌卫生陶瓷及抗菌面砖，如日本东陶机器（TOTO）利用光催化功能的半永久使用的材料—光催化银系抗菌面砖，荧光灯下lh的抗菌率为97%，其价格为6000日习m，卫生洁具平均为70000日习个;日本伊奈（取AX）在釉中添加含银抗菌陶瓷粉的方法烧制而成的抗菌卫生陶瓷，有效使用期为15年，3h抗菌率为99%。

目前，TOTO和INAX公司已经停止生产普通陶瓷产品，转而生产抗菌卫生陶瓷制品。

中国某建筑材料科学研究院研制了活化水抗菌花瓶、水杯及光催化抗菌面砖等新产品。

目前的生态建材有:

防霉、防远红外、可调湿的无内墙涂料，无毒高效薪结剂，不散发有机挥发物的水性涂料，其中有的产品已经面市，有的产品已经进入试制阶段。

这不仅节约宝贵的资源，而且避免严重的环境污染和人员伤害，有利于经济增长方式从资源粗放型向科技密集型与资源集约型转化。

②采用传统工艺利用固体废弃物研制生态建材利用废渣如粉煤灰、煤研石、矿渣、炉渣、页岩等废弃物为基料，研制的空心砖、实心砖、砌块等产品取代了粘土砖，己在工程中大量应用，可节省能耗20%，强度己达75一100号，其成本稍高于粘土砖，但自重比粘土砖减少20%~30%。

利用60%的城市垃圾焚烧灰渣、下水道污泥、制铝工业废渣赤泥等为原料，使用40%的石灰石、勃土、铁粉等进行成分调整，经过一定的生产工艺可制成无公害与环境协调性生态水泥。

生态水泥的凝结时间短，在未添加缓凝剂时，早期强度高，干缩率小。

但是由于该生态水泥氯离子含量较高，对钢筋等增强材料造成侵蚀，故应用于预应力钢筋混凝土、PC钢丝或纤维增强混凝土以外的领域，如建筑灰浆等，并有望作土壤固化材料。

华南理工大学材料学院与某水泥厂合作，成功地利用冶炼锌铅湿废渣代替20%的勃土及50%的铁粉原料，生产了优质普通硅酸盐水泥。

华南理工大学材料学院还污泥代替20%地勃土，生产了优质超轻质陶粒。

S水泥厂与宝钢合作成功地应用宝钢炼钢洗石湿废渣代替30%石灰石原料，生产了符合国家标准的普通水泥。

上海某大学研制了用磨细钢渣代替50%熟料生产525水泥。

可见，生产生态水泥是保护环境并使废弃物再资源化的有效途径。

还可以采用刨花板（或中密度）生产技术生产保温板系列产品和复合夹心板材产品，代替木材。

如中国某研究院开发的HB彩乐板即属这一类。

利用稻草或农作物的植秸秆为填料，加水泥蒸压，生产水泥草板。

③采用新工艺利用固体废弃物开发生态建材前面讲述的华南理工大学材料学院与广州市某环境卫生研究所、G轻质陶粒制品厂合作，在广州市政府有关部门的支持和广州市建设科技发展基金的资助下，实行“产、学、研”联合攻关，利用城市污水处理厂生物污泥，在现有引进丹麦某公\司的技术和设备的陶粒生产线上，进行了各种配方试烧试验，结果表明利用生物污泥烧制陶粒是可行的，在该陶粒生产线上通过了工业生产试验，生产出来的陶粒符合国家标准要求。

其意义不仅仅在经济方面，更重要的是在社会和生态环境方面，这为解决城市污水处理厂生物污泥的处置难题开辟出一条减量化、无害化和再资源利用化的有效途径。

以采用化学石膏如磷石膏、脱硫石膏、氟石膏代替天然石膏，研制石膏板和砌块，而减少天然石膏矿藏的大量开采。

美国等发达国家已利用化学石膏生产了系列石膏制品，我国上海已建成年产3.0xl.7m3的脱硫石膏板生产线。

采用烟气脱硫石膏生产技术，是解决我国若干地区酸雨问题的重要措施之一。

我国政府的科技决策部门也充分认识到开展生态材料研究的必要性与紧迫性，如1992~2000年度国家高新技术发展计划（863计划）中关于新材料研究项目指南中专门列入新型能源及生态材料这一专题;在21世纪初中国高新技术研究发展计划新材料及其制备领域中，也将生态材料列为主题项目之一。

目前在以下领域我国材料科学工作者取得了相当的成果:

材料的环境负荷评价方法及其实践、生物降解塑料、新型能源材料、汽车废气的排放控制与处理技术、工业废水处理技术、工业废弃物的再生利用、氟里昂替代材料、生态建材、新型分子筛材料等。

在未来，材料学家和环境科学家所面临的任务将更加繁重。

（四）土木工程材料中的钢材和混凝土的生态化

钢材和混凝土作为土木工程中使用范围最广，使用量最大的两种材料，在以可持续发展为目标的生态化过程中，具有举足轻重的作用。

因此，我们这里就详细介绍一下二者的研究现状。

①钢材的生态化钢材在日常生活中的用量非常广泛，建筑业用钢在钢铁制品整个市场中的有率约为17.5%。

我国建筑钢材用量，于2002年突破了1亿吨，居世界首位，建筑业用钢占总用钢量的比例约为50%，与欧美国家相比，我国低强度钢材比例过大，消费结构不合理，因此加快钢材的生态化进程是我国乃至整个世界可持续发展巫待解决的问题。

研究和应用高强度抗震钢材、不锈钢钢材、塑料钢材等成为21世纪钢材的发展方向。

（五）生态建材的发展趋势

人类在21世纪面对人口、资源、环境各方面的压力，急需寻找有效的建筑材料来协调资源与环境的关系，使其既不浪费资源又能保护环境。

为了达到上述目的，开展生态建材产品的开发、生产和应用以及人居生态环境的优化设计，是未来社会必须涉及的研究领域，将越来越多地受到关注，并将成为生态建材未来发展的热点。

要