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新型建筑材料发展现状和趋势 刘颖1，李可娜2，富尧3 1大连水产学院职业技术学院建筑教研室，大连（116300）2 辽宁工程技术大学土木建筑工程学院，阜新（123000）3兖矿集团东华建筑安装公司工程科，邹城（273500）E-mail：Likena2008@163.com 摘 要：随着科学技术和经济的发展，建筑业也蓬勃发展，对建筑材料的功能与性质也将提出更高的要求，这就要求人类不断地研究开发具有更高性能、同时与环境协调的建筑材料，高分子有机材料、新型金属材料和各种复合材料、智能化材料、纳米材料这些都属于新型建筑材料的范畴，目前新型建筑材料的研究有着非常重要的意义，也有着很大的发展空间，它们能在满足现代人日益增长的要求的同时，符合可持续发展的原则。
关键词：高强度耐久性，生活质量，复合材料，智能化材料，可持续发展 1.引言
随着科学技术的发展，社会的进步，人类越来越追求舒适、美好的生活环境，各种社会基础设施的建设规模日趋庞大，建筑材料越来越显示出其重要地位。近半个世纪来，建筑业蓬勃发展，带动了各种新型建材如雨后春笋、层出不穷。主要有新型墙体材料、保温隔热材料、防水密封材料、装饰装修材料。2.现有建筑材料概述 新型墙体材料以节能、节地、利废和改善建筑功能为目的，大力发展各种轻质板材和砼砌块[1]，开发承重复合墙体材料。防水材料[2]重点发展改性沥青防水卷材、聚氨酯防水涂料和硅酮、聚氨酯密封材料；保温材料[3]重点发展建筑用矿物棉、玻璃棉制品；装饰装修材料重点发展丙烯酸类乳胶内外墙涂料、复合仿木地板等一些适销对路的产品；门窗重点发展塑料门窗[4]，并注意解决好款式新颖、功能各异的设计和高档五金件的开发配套；上下水管道重点发展UPVC塑料管材件[5]，并解决好管材与管件的配套问题。无机非金属新材料重点发展建筑、石油化工、电子、汽车等支柱产业所需的各类玻璃钢和制品，以及农渔业等行业所需的玻璃钢渔船、风力发电叶片等产品，不断提高集约化程度和产业化水平。
如果说19世纪钢材和混凝土作为结构材料的出现使建筑物的规模产生了飞跃性的发展，那么20世纪出现的高分子有机材料、新型金属材料和各种复合材料[6]，使建筑物的功能和外观发生了根本性的变革。以塑料和合成树脂为代表的高分子有机材料是20世纪具有代表性的新型材料，它的出现不仅使工业化生产的建筑材料由单一的无机材料发展为无机和有机两大类型，而且由此出现了大量无机和有机材料复合而成的材料。使得建筑材料的品种和功能更加多样化。各种繁多的有机材料作为装饰装修材料、防水材料、保温隔热材料、管线材料、绝缘材料，在建筑物中发挥着各种功能作用，使建筑物的使用功能和质量得到了很大的提高。像铝合金、不锈钢等新型金属材料是现代建筑理想的门窗以及住宅设备材料，这些新型的金属材料在建筑开口部以及厨房、卫浴设备上的应用，极大地改善了建筑物的密封性、美观性欲清洁性，提高居住质量。随着建筑内外装饰和居住环境质量要求的日益提高，我国建筑涂料也在将向高性能、环保型、抗菌功能型方向发展。
20世纪建筑材料的另一个明显的进步是各种复合材料的出现和使用，包括有机材料与无机材料的复合，金属材料与非金属材料的复合，以及同类材料之间的复合。例如钢纤维、玻璃纤维、有机纤维等各种纤维增强混凝土[7]，利用纤维材料拉抗强度高的特点以及它们与混凝土的粘结性，提高了混凝土的拉抗强度和冲击韧性，改善了混凝土材料脆性大、容易开裂的特点，使混凝土的使用范围得到扩大；采用聚合物混凝土、树脂混凝土等复合材料制造的各种地面材料、台面材料，模仿天然石材的质地和花纹，同时具有比石材韧性好、颜色美观等优点；采用小木块、碎木屑、刨花等木制材料为基础，使用胶凝材料、胶粘剂或夹层材料加工而成的各种人造板材，模仿天然木材的纹理和走向，可达到以假乱真的程度。这些板材用作建筑物的地面、内隔墙板、护壁板、顶棚板、门面板以及各种家具等；还有完全不使用天然木质材料的无机材料人造板材，例如采用含水钙硅酸盐为主要原料，混合高分子有机化合物与玻璃纤维后，在25万Pa压力下，利用特殊过滤器将水分榨出成型的复合板材（硅钙板），不仅可以代替天然木材，解决人类木材资源不足的问题，而且这种人造木材可耐1000℃高温，吸水、吸湿后，尺寸及质量不变、不开裂、不会被虫蛀、隔热性强，可利用木工机械进行裁切、刨削和钻孔等加工，不易产生微细粉末，可利用粘合剂，相对密度只有普通木材的一半，可钉入钉子及拧进螺丝。可以说是人类资开发新型建筑材料方面的又一巨大进步。除此之外，石膏板、矿棉吸声板等各种无机板材，可代替天然木材作内墙隔板、吊顶材料，使建筑物的保温性、隔声性等功能更加完善。各种空心砖，加气混凝土砌块等墙体材料代替实心粘土砖，可节约土地资源。随着高效减水剂的开发成功，高性能混凝土应运而生，使混凝土材料又迈上一个新的台阶。各种涂料、防水卷材、嵌逢密封材料的开发利用，改善了建筑物的防水性和密闭性。各种壁纸用于建筑物的内墙装修，极大改善了建筑物的美观性、舒适性。各种陶瓷制品用于地面、墙面、卫生洁具、耐酸、碱、盐等化学物质的侵蚀，容易清洁，使人们生活更加方便、舒适，生活质量得到了极大提高。20世纪后半叶，世界总体上进入了以经济建设为主流的阶段，社会资本的整备，道路桥梁、通讯设施、城市住宅与公共建筑等社会基础设施的建设进入了空前活跃的时期，因此也推动建筑材料产量、质量提高，品种多样化。新中国成立初期我国建筑材料的生产衰弱，社会基础设施处于很低的水平，经过半个世纪全体国民的努力，尤其是80年代以后基础设施建设进入大发展时期，水泥、钢材等主要建筑材料的产量已经上升为世界第一，为建筑业的飞速发展，满足现代化建设的需求提供了雄厚的材料保障。3.未来建筑材料的发展趋势
随着城市化进程加快，城市人口密度日趋加大，城市功能日益集中和强化，需要建造高层建筑，以解决众多人口的居住问题和行政、金融、商贸、文化等部门的办公空间。因此要求结构建筑向轻质高强方向发展。目前主要目标仍然是开发高强度钢材和高强混凝土[8],同时探索将碳纤维及其他纤维材料与混凝土聚合物等复合制造的轻质高强结构材料。
到目前为止，普通建筑物的寿命一般设定在50—100年。现代社会基础设施的建设日趋大型化、综合化。例如超高层建筑，大型水利设施、海底隧道等大型工程，耗资巨大，建设周期长，维修困难，因此对其耐久性的要求越来越高。此外，随着人类对地下、海洋等苛刻环境的开发，也要求高耐久性的材料。目前，主要的开发目标有高耐久性混凝土、钢骨混凝土[9]、防锈钢筋、陶瓷质外壁胎面材料，弗素树脂涂料、防虫蛀材料、耐低温材料，以及在地下、海洋、高温等苛刻环境下能长久保持性能的材料。
在大空间建筑中“第五代建材”膜材料[10]也是一种广泛应用的新型材料，它是由高分子聚合物涂层与基材按照所需的厚度，宽度通过特定的加工工艺粘合而成。现在它可以发挥极大承载力，构筑灵活大空间，并且具有自然生态美外观。如图1[11]，图2[12]。
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图1利雅得体育场膜结构 图2 张拉式膜结构 大深度地下空间是目前为止还没有被广泛地开发利用的领域，随着地球表面土地面积逐年减少，人类除了向高空发展外，大深度地下是一个很有潜力的发展空间[13]。与超高层建筑相比，地下空间结构具有很多优点。例如具有保温、隔热、防风等特点，可以节省建筑能耗。为实现大深度地下空间建设，需要开发能适应地下环境要求的新型材料如药剂材料、生物材料、土壤改良剂、水之净化剂等。
海洋建筑与陆地建筑的工作环境有很大差别，为了实现海洋空间的利用，建造海洋建筑，必须开发适合于海洋条件的建筑材料。海水中的盐分、氯离子、硫酸根等侵蚀作用，使材料很容易被腐蚀而破坏；海水波浪不同地往复作用，对建筑物构成冲击、磨耗和疲劳荷载作用；海洋建筑物还要经常受到台风、海啸等严酷的气候条件的作用；建筑在海滩、近海等软弱地基上的建筑物，其沉降现象也很明显。这些严酷苛刻的环境下工作的海洋建筑物所用的材料，要求具有很高的强度、耐冲击性、耐疲劳性、耐磨耗等力学性能，同时还要求具有优良的耐腐蚀性能。为实现这些性能，要求开发以下新型材料。如涂膜金属板材、耐腐蚀金属、水泥基复合增强材料、地基强化材料等。为了开辟新的生存空间，人类正在向宇宙进军。在距离地球表面400—500km的地球周围轨道上建设大型结构物，即所谓的宇宙空间站，建立太空旅馆，实现月球旅行等，使人类的梦想，尽管这种想法距离显示还有些遥远，但已有一些国家，例如美国、加拿大、欧洲各国、日本等先进国家已经在这方面投入了力量进行研究开发。宇宙环境与地球表面、海洋以及地下都有很大差别，宇宙站以一定的速度围绕地球转动，其离心力与重力取得平衡，处于无重力环境。利用这种特殊的环境有可能制造出在地球上无法实现的高纯度、高均质、完全结晶等特殊功能的新型材料。同时，宇宙环境在地球下温度变化非常剧烈，例如同一个宇宙工作站，被太阳光照射到的部位温度达150℃左右，而太阳光照射不到的部位可达到零下150℃的低温状态。因此在用于宇宙空间建筑的材料必须适应如下剧烈的温度变化，高温时不软化，低温时不发生脆断。同时，材料在宇宙放射线的照射下不能发生严重的老化。所以用于宇宙空间建筑的材料必须具有高强度、高耐久性和温度适应性。目前有可能达到这种优良性能的材料有钛合金、铝合金以及碳纤维增强塑料（CFRP）等复合材料。
为了实现可持续发展的目标，将建筑材料对环境造成的负荷控制在最小限度之内，需要开发研究环保型建筑材料。例如利用工业废料（粉煤灰、矿渣、煤矸石等）可生产水泥、砌块等材料；利用废弃的泡沫塑料生产保温墙体板材；利用废弃的玻璃生产贴面材料等；既可以减少固体废渣的堆存量，减轻环境污染，又可节省自然界中的原材料，对环保和地球资源的保护具有积极的作用。免烧水泥可以节省水泥生产所消耗的能量。高流态、自密实免振混凝土、在施工中不需振捣，既可节省施工能耗，又能减轻噪音。
建筑材料也有向细微发展的趋势，随着纳密技术和纳米材料的进一步发展和研究，国外
和国内利用纳米材料研究开发和应用的建筑材料，目前主要是纳米TiO2光催化生态建材。利用纳米的氧化分解能力和超薪水作用可制成改善生活环境，提高人们生活质量的生态建筑材料，包括空气净化建材、抗菌灭菌建材、除臭和表面自洁建材等。
随着人类智能化的发展，智能化材料[14]也被人们重视和研发，所谓智能化材料，即材料本身具有自我诊断和预告破坏、自我调节和自我修复的功能，以及可重复利用性。这类材料当内部发生某种异常变化时，能将材料的内部状况，例如位移、变形、开裂等情况反映出来，以便在破坏前采取有效措施；同时智能化材料能够根据内部的承载能力及外部作用情况进行自我调整，例如吸湿放湿材料，可根据环境的湿度自动吸收或放出水分，能保持环境湿度平衡；自动调光玻璃，根据外部光线的强弱，调整进光量，满足市内的采光和健康性要求。智能化材料还具有类似于生物的自我生长，新陈代谢的功能，对破坏或受到伤害的部位进行自我修复。当建筑物解体的时候，材料本身还可重使用，减少建筑垃圾。这类材料的研究开发目前处于起步阶段，关于自我诊断、预告破坏和自我调节等功能已有初步成果。
生态建筑材料[15]也在研究之中，它的科学和权威的定义目前仍在研究确定阶段。生态建筑材料的概念来自于生态环境材料。生态环境材料的定义也仍在研究确定之中。其主要特征首先是节约资源和能源；其次是减少环境污染，避免温室效应与臭氧层的破坏；第三是容易回收和循环利用。作为生态环境材料一个重要分支，按其含义生态建筑材料应指在材料的生产、使用、废弃和再生循环过程中以与生态环境相协调，满足最少资源和能源消耗，最小或无环境污染，最佳使用性能，最高循环再利用率要求设计生产的建筑材料。随着城市道路、市政建设步伐的加快，人行路、停车场、广场、住宅庭院与小区内道路的建设量也在逐年增大，城市的地面逐步被建筑物和灰色的混凝土路面所覆盖，使城市地面缺乏透水性，雨水不能及时还原到地下，严重影响城市植物的生长和生态平衡。同时，由于这种路面缺乏透气性，对城市空间的温度、湿度的调节能力降低，产生所谓的城市“热岛现象”。因此，应开发具有透水性、排水性、透气性的路面材料，将雨水导入地下，调节土壤湿度，有利于植物生长，同时雨天不积水，夜间不反光，提高行车、行走舒适性和安全性。多孔的路面材料能吸收交通噪音，减轻交通噪音对环境的污染，使一种与环境相协调的路面材料。除此之外，彩色路面、柔性路面等各种多彩多姿的路面材料，可增加道路环境的美观性，为人们提供一个赏心悦目的雏形环境。4.结论
为了提高生活质量，改善居住环境、工作环境和出行环境，更好的满足建筑的设计适用，经济，美观以的原则，并且适应人类现在环境和社会的特点，人类一直在开发研究能够满足性能要求的建筑材料，使建筑材料的品种不断增多，功能不断完善，性能不断提高。随着社会发展，科学进步，人们对环境质量的要求将越来越高，对建筑材料的功能与性质也将提出更高的要求，这就要求人类不断地研究开发具有更高性能、同时与环境协调的建筑材料，在满足现代人日益增长的要求的同时，符合可持续发展的原则
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