绿色建筑与生态材料

环境材料与绿色建筑,大连理工大学化学学院，马伟,本节提纲,1、化学与材料2、绿色建筑与发展历程3、基于LCA的绿色建筑设计概念4、生命周期评价框架与实例5、绿色建筑与相关新材料应用6、视频、课堂报告模板、投稿模板,1化学与材料,1.1化学与金属材料,1.2化学与无机非金属材料,1.3化学与有机高分子材料,1.4化学与复合材料,材料(material)：经过某种加工后具有一定组成，结构和性能，适合于某种用途的物质。,人类使用材料的历史经历了七个年代：公元前10万年石器时代公元前3000年青铜器时代公元前1000年铁器时代公元前0年水泥时代1800年钢时代1950年硅时代1990年新材料时代,从性能上可分为：结构材料:具有一定强度、韧性和塑性等力学性能的材料。功能材料:具有电、磁、光、声和热等特殊效应和功能的材料。从组成上可分为：金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料和复合材料等。,1.复合材料概论,2.复合材料的技术性能,3.重要的复合材料,化学与复合材料,4纳米材料,复合材料(compositematerial)是有机高分子、无机非金属或金属等几种不同材料，通过复合工艺组合而成的新型材料。或者说是由两种或两种以上化学性质或组织结构不同的材料组合而成的多相固体材料。,1复合材料概论,复合材料由两部分组成：基体相(连续相)和增强相(分散相)。基体相是连续相材料，把改善性能的增强相材料粘结在一起，起粘结剂的作用。增强相大部分是高强物质，起提高强度或韧性的作用。,复合材料按增强相形状可分为三类：1纤维增强复合材料2层合增强复合材料3颗粒增强复合材料,按基体相材料类型可分为三类：1树脂基复合材料2金属基复合材料3陶瓷基复合材料,1.比强度和比模量高比强度（抗拉强度与密度之比）和比模量(弹性模量与密度之比)高，说明材料轻而且刚性大。2.良好的抗疲劳性能疲劳是材料在循环应力作用下的性质。复合材料能有效地阻止疲劳裂纹的扩展。,2复合材料的技术性能,3.减振性能好在工作过程中振动问题十分突出，复合材料为多相系统，大量的界面对振动有反射吸收作用。且自振动频率高，不易产生共振。4.高温性能好复合材料在高温下强度和模量基本不变。,以树脂为基体，玻璃纤维为增强材料制成的复合材料。玻璃纤维是由熔融的玻璃经快速拉伸,冷却所形成的纤维。玻璃纤维增强工程塑料即玻璃钢。,(1)玻璃纤维增强复合材料,1.纤维增强复合材料,3重要的复合材料,由于玻璃钢比重小、强度高、耐腐蚀、耐燃且成型性能好，现已广泛用于汽车车身、氧气瓶、轻型船体及石油化工的管道、阀门等。缺点是刚性差，易变形，耐热性能差，易老化。,碳纤维增强材料与树脂基体组成的材料称为碳纤维增强复合材料。这类材料保持了玻璃钢的许多优点，而且性能优于玻璃钢。因此可作宇宙飞行器的外层材料，人造卫星和火箭的机架、壳体等。,(2)碳纤维增强复合材料,硼纤维是一种强度、刚度均比碳纤维高的纤维。硼纤维增强复合材料是硼纤维增强材料与树脂基体组成的复合材料。用作高温材料，但因为价格昂贵，应用受到限制。主要用于航空工业。,(3)硼纤维增强复合材料,双层金属复合材料是将特性不同的两种金属，用胶合或者熔合铸造、热压、焊接、喷涂等方法复合在一起以满足某种性能要求的材料。,(1)双层金属复合材料,2.层合增强复合材料,夹层复合材料是性质完全不同的表面材料与芯材复合而成的一种材料。,(2)夹层复合材料,颗粒复合材料是一种或多种材料的颗粒均匀分散在基体材料内所组成的材料。,3.颗粒增强复合材料,尼龙6/粘土纳米复合材料,5.4.4纳米材料,根据人类的需要，逐个操纵原子来制造产品，这是人类关于纳米技术最早的梦想。1981年，扫描隧道显微镜(ScanningTunnelingMicroscope)的发明，向人类揭示了一个可见的原子世界，极大的促进和推动了纳米技术的快速发展。,1990年7月，第一届国际纳米科学技术(NanoScienceandTechnology,简称NST)会议在美国巴尔的摩召开，标志着纳米科学技术的正式诞生。,最初纳米材料(Nanomaterial)是指粒径为1100nm的超细颗粒和由超细颗粒构成的薄膜和固体。现在，广义地纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围或由它们作为基本单元构成的材料。,纳米材料既不同于宏观物体，又不同于微观粒子，正好处于中间地带。具有纳米尺度的物质由于其结构的特殊性，使纳米材料具有许多特殊的性能。,碳纳米管,(1)小尺寸效应：当颗粒尺寸减小到纳米量级时，一定条件下导致材料宏观物理、化学性质发生变化。由于比表面积大大增加，使纳米材料具有极强的吸附能力。如光吸收显著增强；纳米陶瓷可以被弯曲，其塑性变形可达100%；纳米微粒的熔点低于块状金属，如块状金熔点为1337K，而2nm的金微粒的熔点只有600K。,1.纳米材料的性能,(2)表面效应：指纳米粒子表面原子数与总原子数之比，随粒径的变小而急剧增大后所引起性质上的变化。例如，5nm的粒子，表面原子占50%；而2nm的粒子，表面原子占80%。,表面原子增加，使表面能增高，大大增强了纳米粒子的化学活性，使其在催化、吸附等方面具有常规材料无法比拟的优越性。,(3)量子尺寸效应：随着粒子由宏观尺寸进入纳米范围，准连续能带将分裂为分立的能级，能级间的距离随粒子尺寸减小而增大，这种能级能隙变宽的现象称为量子尺寸效应。这种量子尺寸效应导致纳米粒子具有与宏观物质截然不同的反常特性。例如，粒径为20nm的银微粒在温度为1K时出现由导体变为绝缘体的现象。,(4)宏观量子隧道效应：微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。纳米粒子的磁化强度，量子相干器件中的磁通量等也具有隧道效应，它们可以穿越宏观系统的势垒而产生变化，被称为纳米粒子的宏观量子隧道效应。扫描隧道显微镜的基本原理就是基于量子隧道效应.宏观量子隧道效应限定了磁带、磁盘进行信息存储的时间极限。,2纳米材料的制备,纳米微粒的制备方法有很多种，按反应性质可分为物理法、化学法；按制备系统和状态又可分为气相法、液相法和固相法三大类。,气相法是直接利用气体或通过各种手段将物质变成气体，使之在气体状态下发生物理变化或化学变化，最后在冷却过程中凝聚长大形成纳米微粒的方法。气相法包括蒸发法、化学气相反应法、化学气相凝聚(沉淀)法和溅射法等。,化学气相反应法中的等离子体化学气相合成是目前最先进的一种方法，其制备过程为：产生等离子体原料蒸发化学反应冷却凝聚颗粒捕集尾气处理我国近来利用该法成功地合成出纳米Si3N4粉体，平均粒度为20nm，纯度达97%。,化学气相沉淀法:在制备SiC-C纳米复合材料时,采用SiCl4-C3H8-H2系统,在Si/C比为02.8的条件下,最佳温度为1600K时,可获得SiC-C纳米级粉体.,液相法是以均相溶液为出发点，通过各种途经使溶质和溶剂分离，溶质形成一定形状和大小的颗粒，热解后得到纳米微粒。液相法包括沉淀法、水解法、喷雾法、乳液法、溶胶凝胶法、电解法、溶剂蒸发法和熔融法等。,水解法(金属醇盐法)：金属醇盐是金属与醇类物质反应，生成含M-O-C键的金属有机化合物，例如，M+xROHM(OR)x+x/2H2金属醇盐能溶于有机溶剂，加水后很容易分解成金属的氧化物、水氧化物和水合物等沉淀，经过滤，干燥，焙烧等过程就可得到纳米粒子。,溶胶-凝胶(Sol-Gel)法的基本过程是:一些易水解的金属化合物(无机盐或金属醇盐)在某些溶剂中与水发生反应,经过水解与缩聚过程,首先生成溶胶，再生成具有网状结构的凝胶，然后经过干燥、烧结等后处理工序，制成所需材料。例如，TiCl4+4NH3.H2OTi(OH)4+4NH4ClTi(iso-OC3H7)4+4H2OTi(OH)4+4(CH3)2CHOHTi(OC4H9)4+4H2OTi(OH)4+4C4H9OH,固相法是通过从固相到固相的变化制造粉体，又可分为两类：尺寸降低过程：将大块物质极细地分割，物质无变化。包括机械粉碎、化学处理(溶出法)等。构筑过程：将最小单位(分子或原子)进行组合，物质发生变化。包括热分解法、固相反应法和火花放电法等。,机械粉碎中的高能球磨法是近年来制备纳米材料的重要方法之一，它能将纯金属制成纳米晶体。并能制备出常规方法难以获得的高熔点金属或合金纳米材料。,3.纳米材料的应用,纳米材料的结构和性能,使纳米材料呈现出不同于宏观物体的奇异现象:熔点降低,活性增大,声、光、电、磁、热和力学等物理性能出现异常。从而使纳米材料在化学工业、电子工业、生物医疗、航天等领域具有广阔的应用前景。,纳米催化材料。纳米材料比表面积大，表面活性高，可用来作催化剂。例如，粒径为30nm的镍可把有机化学的加氢和脱氢反应速率提高15倍；用纳米铂催化乙烯的氧化反应，可使温度由原来的600降到室温。,纳米尼龙帘子线,纳米金属材料。强度高，熔点低。例如，银熔点为900，而纳米银的熔点为100；铜的熔点为1083,而20nm铜微粒的熔点只有39。这一特点使低温下将纳米金属烧结成合金产品成为现实，且为不溶解的金属冶炼成合金创造了条件。,纳米金属铜的超延展性,纳米陶瓷材料。纳米陶瓷的强度，韧性和塑性都大大提高了，并降低了陶瓷的烧结温度。例如，纳米SiC陶瓷的断裂韧性比普通SiC陶瓷提高了100倍；纳米ZrO2的烧结温度比微米级ZrO2的烧结温度降低了400；德国萨德兰德大学制成的由纳米TiO2和CaF2组成的纳米陶瓷材料能被弯曲，在80180范围内，其塑性变形可达100%，脆性陶瓷变成了塑性陶瓷。,纳米磁性材料。纳米磁性材料具有优秀的磁性质，用它制成的磁记录介质材料，不仅音质、图像和信噪比都好，而且记录密度比现在使用的-Fe2O3高10倍。,纳米材料在生物和医疗上也有广泛的应用。纳米微粒一般比细胞、红血球小的多，因而可以在血液中流动。将包裹有纳米微粒的智能药物注入血液中，输送到病变细胞，为药物传播开辟了一条崭新的途径，也极大地增强了药物的疗效。有些纳米材料如羟基磷灰石可直接杀死肺癌、肝癌、食道癌等多种肿瘤细胞。利用纳米微粒进行细胞分离技术实现癌症的早期诊断和治疗。,纳米材料还具有特殊的光学性能，如光学非线性、光吸收、光反射等。因此被广泛用于光学纤维，红外反射材料，红外吸收和紫外吸收材料，在航天领域中用它作为隐身材料，可逃避雷达监视。,纳米聚乙烯管材,纳米复合材料。纳米复合材料可不考虑组成成分是否互溶，只要按需要制成纳米粒子，再成型为纳米复合材料。如特殊配比的合金。同样可将金属与陶瓷混合制成纳米复合材料等，这是一种全新概念的复合材料，其性能简直不可预测，其用途也不可估量。,用原子组成图形,纳米材料在其他方面也有广阔的应用前景，如用纳米微粒制成各种传感器，纳米抛光液，纳米静电材料，润滑剂等。纳米材料将成为21世纪最有前途的新型材料之一。,纳米存储器，存储密度可达每平方厘米10万亿字节,2绿色建筑,发展历程概念与特征技术策略“绿色设计”国外生态建筑评估体系,生态建筑-发展历程,60年代，PaolaSoleri提出EcologyArchitectureArology70年代，可持续发展80年代，节能建筑盛行90年代，生态建筑21世纪世界建筑发展趋势,荷兰Delfut大学图书馆,生态建筑风靡国外,图1国外生态建筑,概念与特征,通过系统的组织(设计)物质、能源在系统内有秩序循环转换获得生态平衡的建筑环境最高效率地利用能源最低限度地影响环境“人建筑自然”和谐统一,六大技术策略,选址规划保护原生态系统减少对周边环境的影响高效合理地利用自然资源通风日照交通资源消耗资源的高效循环使用使用再生资源,2.2、绿色建筑主要指标,生物多样化（表土保存技術、生态水池）绿化指标（人工绿化）基地保水（透水鋪面）,4.日常节能指標(1)相关技术：建筑节能等(2)风向的利用：包括善用地形通风性能(3)空调冷凝利用：（4）能源管理系統、照明光源、照明方式(5)太阳能的利用,5.二氧化碳減量6.废弃物的减量化（再生建材利用、土方平衡）7.水资源利用，节水器材的利用8.污水与垃圾处理9.室内的健康与污染控制,3、基于LCA的绿色建筑设计概念,在生态危机向人类挑战的今天，绿色建筑应时而出。绿色建筑也称可持续发展建筑，是同“可持续发展”这一战略概念密切相关的。它以人、建筑、自然环境的协调发展为目标，在利用天然条件和人工手段创造良好、健康的居住环境的同时，尽可能地控制和减少人类对自然资源的使用和破坏，充分体现向大自然的索取与回报之间的平衡。基于LCA（生命周期评价）绿色建筑是以绿色设计为主线来实现的一个系统工程。,1绿色建筑设计的基本特征,基于LCA绿色建筑设计应该在建筑物的整个生命周期内以其环境属性为主要设计目标，在满足环境目标要求的同时，保证建筑应有的基本功能、使用寿命和经济性，突出“生态意识”和“以环境保护为本位”的设计观念。它应该具有环境协调性和功能全程性两个重要特征。,1.1环境协调性,环境协调性是指建筑材料的生产使用、建筑施工和建筑物的使用整个过程，对人类生态环境与资源环境的协调有益程度。为达到这一目标，绿色设计中应将环境问题与建材的性能、建筑设计施工等问题共同考虑，使建筑设计在满足所要求的功能目标的同时，也要防止对环境的污染破坏，尽量避免废弃物的产生，以最低的成本、最高的再生值回收并重复利用。,1.2功能全程性,绿色建筑设计应该是将建材和建筑的功能认识与价值认识贯穿到立项、设计、施工、使用并延伸到废弃，即“建筑物使用结束后的处理及回收利用”全过程的设计思想与策略。从而在设计过程中从整体的角度理解和掌握与建筑有关的环境问题及建材的循环管理与利用、建筑废弃物的处理等问题，便于绿色设计的整体过程优化和“全程性”功能目标的实现。,2绿色建筑设计的关键性问题是绿色建材的研制、使用和绿色施工,.1.1绿色建材的内涵绿色建材的内涵是采用清洁生产技术，少用天然资源和能源，大量使用工业或城市固态废弃物生产无毒害、无污染、有利于人体健康和环境的建筑材料1；尽量利用低能、不污染环境的技术生产的绿色建材；采用可循环或可回收利用的材料。因此绿色建材可分为对人体无害且满足强度要求的基本型建筑材料、用废弃物型的建材、节能型建材、健康型建材和抗菌型建材等几类。研制和开发及推广应用绿色建材是保证建材可持续发展的关键。近年来，绿色建材在国内得到了大力开发，在克服传统建材造成的大气污染、建材废料及废水污染、光污染、放射性物质的污染等方面的新型建材的研发，取得了长足进展，尤其是新型涂料、墙体砖和混凝土,建筑环保型涂料,要求对环境无害，而且可以净化环境中的有害物。对环境友好的高固体分子涂料可使VOC（挥发性有机化合物）大大降低同时保留一部分溶剂型涂料的特性。环保型的粉末涂料最大的优点是零VOC排放和高利用率，具有绿色建材的环境协调性。目前的发展方向是开发低温固化和快速固化粉末涂料、薄层粉末涂料，适用于高层建筑、大桥、高速公路的氟树脂粉末涂料及低光泽粉末涂料、透明涂料等,新型空心砌块,利用粉煤灰生产新型空心砌块，解决了粉煤灰占用耕地和环境污染的问题，具有一定的市场前景。采用石材加工过程中产生的大量石粉为主要原料的石粉砖作为一种新型环保墙体砖也正处于研制与开发当中。它解决了石粉所造成的环境污染问题，变废为宝，在环保和节能方面具有突出的代表性,混凝土,从混凝土的使用看，全球每年大约需要量70亿t，其原料来源于绿色土地。若干年后原有建筑物或结构整体功能丧失或下降，必须拆除，混凝土成了废弃物。处理废弃物不仅需要消耗大量的财物，还会造成环境质量下降。因此设法将废弃物转化为有用资源是解决这类问题的最佳方案，利废环保型混凝土、节能型混凝土、再生混凝土以及免振捣混凝土的开发与使用既能减少对地球的负荷。又能与自然生态系统协调共存，是当今仍要做的相当重要的研究工作。,必须具备绿色设计的理念,作为建筑及结构设计人员，掌握现代绿色设计方法并了解建材发展动向，将最先进和最具有环境协调性的建材产品运用到设计中。绿色建筑是在同样的条件下，强调如何减少和有效地利用现有资源，并且提供最佳的人文环境。,在建筑结构使用安全、稳定、耐久的前提下，设计人员必须充分考虑居住空间的合理布置，健康的居住空间应该达到以下三个标准：（1）阳光充足，采光便利。居室日照每天必须保证在2h以上，一般窗户的有效面积和房间地面面积之比应大于1%15。（2）合适的净高，通风流畅。我国住宅的室内净高大多在2.6m舒适性人们很乐于接受和利用。绿色生态环保建筑材料从人类居住环境和健康角度,全面考虑资源、能源、环境和健康舒适要求,它的推广应用将会产生巨大的社会、环境和经济效益,是我国社会经济可持续发展战略的重要组成。以上海为例,采用生态建筑材料技术,每年可节约废弃物处置费1亿元以上减少水泥用量300万吨,降低材料成本6亿元建筑节能潜力可达74.48万吨标年,相当于减少排放二氧化碳199万吨,二氧花硫0.46万吨,氮氧化物0.67万吨,烟尘0.19万吨采用绿色工程材料,可节煤42万吨,减少排放135万吨。,4、建筑材料评价方法学LCA的基本框架,5、绿色建筑与相关新材料应用,传统材料绿色涂料新型生态建筑材料,六大技术策略,降低能耗采用措施综合节能采用自然能源太阳能地热风能生物能废物排放采用各种生态技术实现废水、废物的无害化和资源化再生使用,六大技术策略,室内环境控制化学污染物含量保持良好的日照和自然通风舒适健康建筑功能灵活性适应性易于维护,国外生态建筑BREEnvironmentalBuilding,三层框架结构办公楼建筑面积6000m2年能耗和CO2排放燃气47kW/m2用电36kW/m2CO2排放量34kg/m2,BREEnvironmentalBuilding,BREEnvironmentalBuilding,管道地下水冷却智能照明系统47m2太阳能电池空腔楼板顶层屋面板外露,8万块再生砖再生红木拼花地板再生骨料混凝土旧建筑96%循环使用磨细高炉矿渣环保涂料节水便器,BREEnvironmentalBuilding,德国爱森RWE办公楼,圆柱外形优化光线射入减少热能流失外墙双层玻璃幕墙太阳能储备日光射入走廊墙面与顶部玻璃折射阳光照明70自然通风节能30以上,生态材料,概念诞生背景特点分类绿色涂料、绿色水泥、GHPC、RC抗菌涂料空气净化涂料氟碳涂料,5.2生态建筑有关材料,绿色材料环保材料环境材料对地球环境负荷最小对人类身体健康无害1988年第一届国际材料科学研究会提出,诞生背景,环境危机人口剧增资源枯竭环境恶化建材业能耗高年消耗2.3亿多t标准煤，约占全国能源总消耗量的15.8污染大年排出废气1.096亿m3，废水排放量355亿t生态破坏性大实心粘土砖每年造砖毁田15万亩,三大特点,环境协调性制造、使用、废弃、再生的整个生命周期中具有与生态环境的协调性净化环境的功能修复环境的功能先进性优异的使用性能舒适性给人以健康和舒适,分类,环保功能材料绿色涂料环保结构材料绿色水泥绿色混凝土绿色材料技术再生骨料技术粉煤灰综