綠色建筑材料在土木結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究

楊凱，王珍吾

(井岡山大學(xué)建筑工程學(xué)院，吉安 343000)

1 前言

隨著社會(huì)的發(fā)展，人們對(duì)建筑質(zhì)量的要求日益提高。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)建筑安全事故中，超過(guò)70%的事故原因與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及材料選擇相關(guān)。土木結(jié)構(gòu)作為建筑的重要組成部分，其耐久性直接影響著建筑壽命。因此，如何提高土木結(jié)構(gòu)的耐久性，成為當(dāng)下建筑行業(yè)亟待解決的問(wèn)題。

2 綠色建筑材料的分類及特點(diǎn)

綠色建筑材料按原料來(lái)源可以分為三大類：自然材料、工業(yè)副產(chǎn)品材料和復(fù)合材料。第一類是直接利用自然材料，如泥土、木材、竹子等。泥土具有良好的熱儲(chǔ)存性能，其熱導(dǎo)率僅為0.87 W/（m·K），是理想的墻體保溫材料；木材來(lái)源廣泛可再生，杉木的抗壓強(qiáng)度可達(dá)到56 MPa，松木的抗拉強(qiáng)度可達(dá)到88 MPa；竹子生長(zhǎng)迅速，密度僅為0.4 g/cm3～0.7 g/cm3，抗壓強(qiáng)度高達(dá)40 MPa，可制成地板、墻板等裝飾材料。這類材料原料可再生，加工過(guò)程污染小，完全符合綠色環(huán)保的要求；第二類是利用各種工業(yè)副產(chǎn)品。這類材料是由各類工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的副產(chǎn)品或廢棄物開(kāi)發(fā)利用而得到的綠色建材，如粉煤灰、礦渣、尾礦砂、爐渣等。這類材料彌補(bǔ)了自然材料力學(xué)性能不足的缺點(diǎn)，它們大量存在，原本需要額外處理，再利用不僅節(jié)約資源且降低成本。例如，粉煤灰可用于生產(chǎn)輕質(zhì)墻體材料、磚、板材等；第三類是工業(yè)合成材料，是經(jīng)復(fù)配組合后制成的新材料。表1 為常見(jiàn)的幾種工業(yè)合成綠色建材。

表1 常見(jiàn)的幾種工業(yè)合成綠色建材

綠色建材是一種集環(huán)保、高性能、可持續(xù)發(fā)展多重優(yōu)點(diǎn)于一體的創(chuàng)新型材料。綠色建材在生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)環(huán)境影響較小，可降低資源消耗，其生命周期各階段的碳排放量也較傳統(tǒng)材料更低。例如，利用碎石殘?jiān)?、粉煤灰等工業(yè)廢棄物制成的混凝土新材料，可以有效利用廢棄資源，減少采礦過(guò)程對(duì)環(huán)境的破壞。綠色建材本身含有的VOC 排放量低，使用后可改善室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量，降低“室內(nèi)污染”[1]。就材料性能而言，綠色建材通常比傳統(tǒng)建材有更高的強(qiáng)度和耐久性，并具有較好的保溫隔熱性能。

3 綠色建筑材料對(duì)土木結(jié)構(gòu)耐久性的影響

3.1 提高土木結(jié)構(gòu)的抗腐蝕性

土木結(jié)構(gòu)中很多材料長(zhǎng)期受到外界環(huán)境的影響后，會(huì)發(fā)生不同形式的腐蝕反應(yīng)。以混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋腐蝕為例，鋼筋容易受到氯離子的影響，氯離子可以滲透到混凝土內(nèi)部，破壞鋼筋周圍的受保護(hù)性氧化膜，使鋼筋暴露在空氣和水分中，這會(huì)促進(jìn)金屬離子的溶解，鋼筋發(fā)生陽(yáng)極溶解反應(yīng)如下：

同時(shí)，氧分子在鋼筋表面發(fā)生還原反應(yīng)如下：

上述反應(yīng)會(huì)導(dǎo)致鋼筋周圍pH 值升高，繼而破壞混凝土與鋼筋之間的黏結(jié)。綠色建筑材料中含有礦物摻合料等可替代部分水泥的材料，這些材料具有吸附氯離子的能力，可以減緩氯離子對(duì)鋼筋的侵蝕作用。某些綠色建材可生成穩(wěn)定的鈍化膜覆蓋在鋼筋表面，防止鋼筋直接接觸腐蝕介質(zhì)。利用工業(yè)副產(chǎn)物精煉的輕質(zhì)骨料也可以提高混凝土結(jié)構(gòu)的密實(shí)性，降低氯離子的滲透性。針對(duì)鋼結(jié)構(gòu)腐蝕問(wèn)題，可以采用無(wú)機(jī)涂料等綠色涂料對(duì)鋼材表面進(jìn)行預(yù)處理，生成致密耐久的防腐蝕涂層，從而提高鋼結(jié)構(gòu)的使用壽命。相較于未處理的鋼材，氟碳涂料處理過(guò)的鋼材，在3.5%NaCl 溶液中經(jīng)過(guò)15 天腐蝕后，腐蝕深度從120μm 減緩到80μm，抗腐蝕性能提高了33%。

3.2 提高土木結(jié)構(gòu)的抗凍融性

在寒冷地區(qū)，土木結(jié)構(gòu)材料會(huì)遭受凍融循環(huán)的影響，這會(huì)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和使用壽命產(chǎn)生不利影響[2]。水進(jìn)入毛細(xì)孔內(nèi)，在低溫條件下形成冰晶，冰晶的體積比液態(tài)水體積增加9%，這會(huì)在結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生較大的膨脹壓力。根據(jù)相關(guān)研究，混凝土在一次凍融循環(huán)中，抗壓強(qiáng)度會(huì)下降5%左右，圖1 為凍融循環(huán)對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響。

圖1 凍融循環(huán)對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

長(zhǎng)期凍融循環(huán)會(huì)導(dǎo)致混凝土出現(xiàn)開(kāi)裂、剝落、龜裂等損傷，嚴(yán)重影響建筑結(jié)構(gòu)的承載力，鋼材也會(huì)在凍融循環(huán)中發(fā)生銹蝕。傳統(tǒng)的防凍措施如空氣泡混凝土、塑性混凝土等材料的抗凍融性有一定的局限性。綠色建材中的一些新型混凝土材料能夠有效改善結(jié)構(gòu)的抗凍融性能。例如，采用綠色固化材料部分替代水泥，可提高孔隙率，增大抗凍融隔溫層；采用液態(tài)氮處理可得到較佳的細(xì)孔結(jié)構(gòu)，水分不易積聚，冰晶膨脹壓力顯著下降。鋼材方面，添加納米二氧化硅涂層，可提高鋼材的耐蝕性，凍融循環(huán)300 次后銹蝕率低于0.1%。

3.3 提高土木結(jié)構(gòu)的抗震性

在地震發(fā)生時(shí)，土木結(jié)構(gòu)會(huì)受到地震波產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)作用，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生振動(dòng)甚至破壞。因此，提高土木結(jié)構(gòu)的抗震性對(duì)于保證結(jié)構(gòu)安全至關(guān)重要[3]。土木結(jié)構(gòu)的抗震性能主要取決于其剛度、韌性、延性、能量消耗能力等。剛度較大的結(jié)構(gòu)，其自振周期T 越短，可避開(kāi)地震波的長(zhǎng)周期成分，從而減小地震反應(yīng)。自振周期T 可以表示為：

其中m 為結(jié)構(gòu)質(zhì)量，k 為結(jié)構(gòu)剛度。韌性好的結(jié)構(gòu)，能吸收較多的地震能量，延遲結(jié)構(gòu)損壞，延性好的結(jié)構(gòu)能夠承受較大變形而不會(huì)突然破壞。結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中常用結(jié)構(gòu)節(jié)間位移角θ 來(lái)表示結(jié)構(gòu)延性，θ 越大，表示延性越好。結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中也會(huì)計(jì)算結(jié)構(gòu)的延性系數(shù)μ，用于評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)的延性水平，μ 可以表示為：

其中θy為結(jié)構(gòu)產(chǎn)生屈服時(shí)的位移角，μ 越大表示延性越好。綠色建材中的一些新型復(fù)合材料可以極大地提高結(jié)構(gòu)的抗震性能。例如，鋼纖維混凝土的抗拉強(qiáng)度可提高幾十倍，延性可提高數(shù)十倍，使其具有良好的韌性和延性。在地震作用下，鋼纖維可有效約束混凝土內(nèi)的微裂縫擴(kuò)展，增強(qiáng)混凝土的韌性、延性和能量消耗能力，提高抗震等級(jí)。

4 綠色建筑材料在土木結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

4.1 綠色建筑材料在混凝土結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

混凝土結(jié)構(gòu)中通常使用高性能混凝土和自修復(fù)混凝土提升土木結(jié)構(gòu)耐久性。高性能混凝土指的是抗壓強(qiáng)度高于C60 的混凝土，它具有高強(qiáng)度、高延性、高抗?jié)B性和高抗裂性等特點(diǎn)[4]。高性能混凝土的抗壓強(qiáng)度可達(dá)100 MPa～150 MPa，抗拉強(qiáng)度可達(dá)10MPa～12 MPa，具有較高的承載能力。高性能混凝土內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)更為致密，膠凝材料用量較高，礦物摻合料細(xì)度好，水灰比低，混凝土內(nèi)部空隙少，水滲透系數(shù)低至10 m/s～12 m/s，抗?jié)B性能明顯提高，提高了混凝土結(jié)構(gòu)的抗腐蝕性和防水性。高性能混凝土的延性好，抗裂能力強(qiáng)，混凝土開(kāi)裂后仍能傳力，防止裂縫進(jìn)一步擴(kuò)展，提高了抗震性能。在土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，采用高性能混凝土可顯著提升橋梁、涵洞、地基等土木結(jié)構(gòu)的整體耐久性。例如，在橋梁工程中使用高性能混凝土，可減小橋梁板橋厚度，提高橋梁整體剛度，增強(qiáng)橋梁的承載能力和抗震性能。

自修復(fù)混凝土是在普通混凝土基礎(chǔ)上添加了特殊的自修復(fù)成分，這種混凝土具有檢測(cè)損傷和自動(dòng)修復(fù)的能力。目前常見(jiàn)的自修復(fù)混凝土有兩大類：膠膠復(fù)合材料自修復(fù)混凝土和微膠囊修復(fù)混凝土。膠膠復(fù)合材料是將修復(fù)膠體填充于混凝土內(nèi)部空隙和微裂縫中；微膠囊材料則是將聚合物封裝在毫米級(jí)膠囊中，分散于混凝土基體，當(dāng)混凝土開(kāi)裂時(shí)膠囊破裂，修復(fù)材料得以釋放并填充裂縫[5]。

4.2 綠色建筑材料在鋼結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

鋼結(jié)構(gòu)的抗腐蝕性直接關(guān)系到建筑的耐久性和使用壽命。采用綠色建材來(lái)提高鋼結(jié)構(gòu)的抗腐蝕性，是建筑可持續(xù)發(fā)展的重要途徑。鍍鋅板是目前應(yīng)用較為廣泛的綠色建材之一,鋼材表面鍍上鋅層，能夠形成牢固的鈍化膜，從而阻止鋼材與空氣及水分接觸，大大提高了抗腐蝕性。鍍鋅板的鋅層厚度每增加1μm，其抗腐蝕壽命可延長(zhǎng)1.5 倍。目前市場(chǎng)上主流的鍍鋅板鋅層厚度為275 g/m2，使鋼材的使用壽命可延長(zhǎng)至100 年以上。在鋼結(jié)構(gòu)建筑中，大面積采用鍍鋅板制作樓板、墻板、屋面等，既可發(fā)揮綠色材料的優(yōu)勢(shì)，也可顯著提升鋼結(jié)構(gòu)的整體耐久性。氟碳涂層是新型的綠色涂料，可用于鋼結(jié)構(gòu)的抗腐蝕處理。它利用氟素的特性形成穩(wěn)定的碳氟鍵，使涂層表面極難被氧化或水解，從而阻隔鋼材與外界環(huán)境的接觸。與傳統(tǒng)的環(huán)氧涂料相比，氟碳涂層的耐候性更佳，涂層厚度0.1 mm 即可使鋼材使用壽命延長(zhǎng)20 年以上。氟碳涂層可噴涂于鋼結(jié)構(gòu)表面，如鋼柱、鋼梁等，能有效提升鋼結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期抗腐蝕性能。聚氨酯涂料廣泛用于鋼結(jié)構(gòu)防腐領(lǐng)域, 它利用雙組分聚合反應(yīng)形成穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并富含羥基、氨基等官能團(tuán)，可與鋼材表面形成牢固的化學(xué)鍵合。這種涂層具有極強(qiáng)的耐候性、耐化學(xué)性和機(jī)械性，可使鋼材的耐腐蝕性提高10 倍以上。

4.3 綠色建筑材料在砌筑結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

砌筑結(jié)構(gòu)作為一種傳統(tǒng)的土木建筑形式。普通砌筑材料如天然石材、粘土磚在使用壽命方面存在缺陷，較易受到風(fēng)化剝蝕、溫濕度變化等自然因素的影響，從而降低結(jié)構(gòu)的整體耐久性。應(yīng)用綠色環(huán)保的建筑材料對(duì)提升砌筑結(jié)構(gòu)的抗候性能具有重要意義。首先，采用混凝土中摻入工業(yè)副產(chǎn)物處理后的輕質(zhì)骨料等可再生材料，可降低混凝土的自重,并改善工藝性能，提高抗壓強(qiáng)度至30 MPa 以上，從而增強(qiáng)混凝土砌塊的抗風(fēng)化、抗?jié)B透能力。此外，輔以高性能界面處理劑進(jìn)行表面處理，可形成劃痕自修復(fù)保護(hù)膜，抑制裂縫擴(kuò)散，提高結(jié)構(gòu)抗沖擊能力。除此之外，采用混凝土外加化學(xué)摻合料或無(wú)機(jī)復(fù)合表面涂料，可賦予砌塊光催化功能，降解沉積在表面的污染物，起到自清潔作用，提高抗污染能力。

5 結(jié)論

綜上所述，本文對(duì)綠色建筑材料的分類、特點(diǎn)及其在土木結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)中的應(yīng)用進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究。研究表明，綠色建材的使用可以提高土木結(jié)構(gòu)的抗腐蝕性、抗凍融性和抗震性，在混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)和砌體結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用效果顯著。這為推廣綠色建材的使用，提高建筑結(jié)構(gòu)的耐久性提供了理論依據(jù)。今后還需進(jìn)一步研究不同綠色建材的配比設(shè)計(jì)及其經(jīng)濟(jì)效益，以實(shí)現(xiàn)綠色建材在土木結(jié)構(gòu)中的大規(guī)模應(yīng)用，有效服務(wù)于綠色和可持續(xù)發(fā)展的建筑事業(yè)。