超低能耗建筑發(fā)展下生土建筑材料探究
前言：想要寫出一篇引人入勝的文章？我們特意為您整理了超低能耗建筑發(fā)展下生土建筑材料探究范文，希望能給你帶來靈感和參考，敬請閱讀。
摘要：傳統(tǒng)的建筑材料在生產(chǎn)以及使用過程中會產(chǎn)生一定的污染，同時也會消耗大量的資源。為了有效降低建筑對環(huán)境產(chǎn)生的影響，減少建筑能耗和降低溫室效應，建筑行業(yè)應大力推廣節(jié)能環(huán)保、造價低廉的傳統(tǒng)建筑——生土建筑。本研究選取陜北地區(qū)原狀生土復合材料，基于大量不同配比的材料測試，確定生土結構改性最優(yōu)配比，分析生產(chǎn)工藝的可行性；對復合生土建筑材料安全性、耐久性能進行測定，確定滿足建筑圍護結構的材料要求；對當?shù)厣两ㄖ牧线M行實驗室測試，發(fā)現(xiàn)該材料的性能缺陷，選取當?shù)氐母男圆牧蠈ι两ㄖ牧线M行改性，系統(tǒng)分析復合生土建筑材料改性后的性能；應用對比分析法，確定綜合性能最優(yōu)的改性生土建筑材料，分析和評價改性生土建筑材料的節(jié)能環(huán)保特性。
關鍵詞：超低能建筑；生土建筑材料；材料實驗
生土建筑材料屬于一種傳統(tǒng)的建筑材料，長久以來被認為是一種落后地區(qū)所應用的建筑材料，但是在現(xiàn)代材料科學不斷發(fā)展的背景下，生土建筑材料的環(huán)保優(yōu)勢以及成本優(yōu)勢再次為人們所認知。傳統(tǒng)的生土建筑材料經(jīng)過改良優(yōu)化之后，具有優(yōu)異的性能，成為超低能耗建筑的基礎材料。傳統(tǒng)生土建筑材料雖然具有保溫性能較強、成本較低等優(yōu)點，但是缺點也十分明顯。因此，在應用生土建筑材料，發(fā)展超低能耗建筑的過程中，相關人員需要進一步加強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應用具有良好保溫隔熱性能的建筑材料，達到保持室內溫度、降低能源消耗的目的。我國的第一個被動式超低能耗建筑出現(xiàn)在上海，該建筑是外國專業(yè)團隊設計的。當時國內對超低能耗建筑的研究較少，因此該建筑沒有引起廣泛關注。超低能耗建筑真正在我國引起關注是在2013年，當時中國和德國合作的“在水一方”項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)展的過程中，我國綠色建筑材料領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)了相當大的比例。該建筑能源消耗非常小，在調節(jié)室內溫度方面，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溫度恒定。因此，在當前的發(fā)展階段，生土建筑材料已經(jīng)成為國家重點發(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
我國是傳統(tǒng)的農業(yè)大國，在農業(yè)生產(chǎn)的過程中產(chǎn)生了大量的麥秸稈和稻草。這些農業(yè)生產(chǎn)的副產(chǎn)品往往被應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，同時也會對生態(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用于超低能耗建筑中，不僅能夠充分發(fā)揮相關材料的經(jīng)濟價值，還能夠避免資源浪費。生土建筑材料取自天然土，在應用的過程中不會對周邊環(huán)境造成影響，同時也促進了資源的循環(huán)利用。使用后的生土建筑材料還可以通過打碎的方式重新進入生態(tài)循環(huán)，具有較為明顯的環(huán)保優(yōu)勢。此外，用來配置生土建筑材料的麥秸稈生長周期短，能夠進入生態(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。
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，在應用的過程中，將生土建筑材料與現(xiàn)代結構科學相融合，進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)異的物理化學性質，能夠長期使用。生土本身不僅具有良好的保溫性，還能夠調節(jié)空氣濕度。因此，應用生土建筑材料能夠有效減少建筑的能源消耗，進一步提高居住空間的舒適度。
2.3具有較高的經(jīng)濟效益
利用生土和秸稈材料制作而成的生土砌塊，具有造價較低、工藝簡單、節(jié)能環(huán)保、易于推廣等優(yōu)點。因此，生土砌塊是村鎮(zhèn)建筑領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，有利于完善我國的綠色建筑體系，創(chuàng)新我國現(xiàn)代被動式超低能耗建筑理論，規(guī)范被動式超低能耗建筑設計，推廣應用新型被動式超低能耗建筑材料。專業(yè)人員根據(jù)相關的技術規(guī)范大力推廣生土砌塊，可以為我國的村鎮(zhèn)住宅建設貢獻一份力量。
3生土建筑材料研究內容
本研究以陜北地區(qū)生土作為基材，對生土顆粒進行粉化處理，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構。最后，形成的復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。生土建筑材料研究內容包括以下幾點：①通過文獻檢索，分析國內外被動式超低能耗建筑、生土材料的研究現(xiàn)狀，學習最新研究技術。②根據(jù)材料的物理特性，在傳統(tǒng)生土材料中摻入無污染、在自然環(huán)境中易降解的改性材料，如細砂、麥秸稈等。設計復合生土的多種配合比，遵循建筑材料生態(tài)環(huán)保原則，并且進一步探索提高生土材料的力學性能和熱學性能的路徑。③利用恒溫熱帶法對麥秸稈生土試塊進行多組不同配合比的比熱系數(shù)測定，并且對實驗結果進行詳細分析，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)時的配合比。④采集8組實驗數(shù)據(jù)，分析在細砂、建筑膠、石灰以及麥秸稈作用下，生土復合材料的節(jié)能效果。橫向對比不同摻和劑對被動式超低能耗建筑節(jié)能環(huán)保特性的影響；縱向對比同一摻和劑的含量對被動式建筑節(jié)能環(huán)保特性的影響；采用參數(shù)分析法，對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題
總的來說，生土建筑材料研究需要解決以下幾個問題：①根據(jù)被動式超低能耗建筑的發(fā)展前景以及特性，設計生土和麥秸稈等建筑材料的最終配合比。通過實驗，分析研究被動式建筑材料、生土麥秸稈建筑材料與普通建筑材料的各種物理特性。②通過對比研究，分析被動式超低能耗建筑的節(jié)能特性，分析復合被動式超低能耗建筑的可行性，并且進一步分析生土、麥秸稈等材料在建筑結構、建筑設計中的合理應用，從而明確生土建筑材料的優(yōu)勢和劣勢，為推動被動式超低能耗建筑的發(fā)展貢獻綿薄之力。
5生土建筑材料的研究準備
5.1研究團隊準備
本研究工作需要可靠的研究團隊作為支撐。生土建筑材料研究具有一定的復雜性，在研究的過程中需要進行多項實驗，很難依靠個人力量完成研究任務。筆者認為需要邀請具有較強科研能力以及科研經(jīng)驗的人員來參加生土建筑材料研究工作，同時還需要根據(jù)研究的內容來確定團隊人數(shù)，在研究的過程中，做好人員分工，確保研究能夠有條不紊地進行。
5.2軟硬件準備
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目所需要的資料和設備。本研究小組所在學校的圖書館有大量的中外文網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫和電子期刊，能夠滿足研究項目所需要的文獻資料。學校為支持課題研究，已經(jīng)配備了必要的硬件和軟件條件，可以滿足研究項目對計算機、互聯(lián)網(wǎng)以及相關軟件的要求。本研究小組在生土建筑材料研究項目的準備階段，采用文獻查閱的方式，收集、統(tǒng)計研究項目所需要的數(shù)據(jù)；在生土建筑材料研究項目實施階段，采用定性和定量相結合的方法，并且應用科學的統(tǒng)計方法，對采集的數(shù)據(jù)進行分析，定量確定被動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目的最后階段，用直觀的數(shù)據(jù)反映該研究項目對社會的綜合效益。
6生土建筑材料的研究路徑
6.1文獻查閱
在研究的過程中，筆者首先查閱文獻，在查閱大量文獻的基礎上，設計研究方法，確保研究方法的科學性。在這個過程中，筆者深入地了解了國內外被動式超低能耗建筑的發(fā)展現(xiàn)狀，深入地分析了國內外學者對添加復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實驗材料選取
（1）生土。在生土建筑材料研究中，生土是研究的主要對象。在研究的過程中，筆者主要選取陜北地區(qū)的生土材料，進行物理實驗的測定（液限值、塑限值及表觀密度）。（2）細沙。細沙來自建材市場，旨在為生土磚提供前期強度支撐。（3）麥秸稈。麥秸稈來自西安市郊區(qū)麥場，將麥秸稈用粉碎機打碎成草與草末兩種，草的長度為5mm～10mm，草沫的長度為2mm～5mm。為防止麥秸稈發(fā)芽破壞試件，應放于石灰水（水:石灰＝200:1）中浸泡6個小時，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：從建材市場選購一種強度較高、黏結力較強的水溶性硅酸鹽，目的是提高生土磚抗壓強度。（4）石灰，來自建材市場。
6.3生土建筑材料配比設計
材料配比研究是生土建筑材料研究的重點。按照規(guī)范要求，選定實驗中的配合比。按照配合比要求制作100mm×100mm×100mm的試塊，每組4個（其中有1個為備用試塊），共計32個。研究小組成員將制作的復合生土試塊在20±2℃與95%的環(huán)境下養(yǎng)護28天，以備后續(xù)實驗。本研究分別設計了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計如表1所示。
6.4實驗條件控制
在進行材料實驗的過程中，控制實驗條件十分關鍵，只有精準地、科學地控制實驗條件，才能保證實驗結果的準確性。在這個過程中，首先需要購買或者租賃實驗設備。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溫度儀測量范圍0℃～50℃，溫度計量精度0.1℃；④加熱板功率計算誤差0.6%，功率檢測范圍0W～1000W；⑤計算時間周期10min，記錄數(shù)據(jù)的時間周期10min。
6.5實驗數(shù)據(jù)計算
在實驗規(guī)范養(yǎng)護完成后，對A～H組的復合生土試塊進行加熱測定，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為材料質量，單位為kg；Δt為材料產(chǎn)生的溫度差，單位為℃]來計算材料的比熱容。
6.5實驗數(shù)據(jù)分析設計
在生土建筑材料的研究中，本研究小組主要設計了8種材料配比實驗，通過不同的配比來研究生土復合材料的性能。因此，在研究的過程中，對于實驗數(shù)據(jù)的分析和解讀至關重要。在本研究中，針對8組實驗，本研究小組分別進行了8組不同的數(shù)據(jù)分析，從而保證實驗數(shù)據(jù)的科學性和全面性。這8組不同的數(shù)據(jù)分析分別為：①對比A、B兩組實驗數(shù)據(jù)，分析麥秸稈對生土復合材料節(jié)能的影響；②對比B、C兩組實驗數(shù)據(jù)，分析建筑膠與石灰對生土復合材料節(jié)能的影響；③對比C、D兩組實驗數(shù)據(jù)，分析細砂對生土復合材料節(jié)能的影響；④對比D、E兩組實驗數(shù)據(jù)，分析在細砂、建筑膠以及石灰作用下，麥秸稈對生土復合材料節(jié)能的影響，分析細砂、建筑膠以及石灰是否會影響材料的節(jié)能效果；⑤對比D、E兩組實驗數(shù)據(jù)，分析在細砂、建筑膠以及石灰作用下，麥秸稈對生土復合材料節(jié)能的影響，分析細砂、建筑膠以及石灰是否會影響材料的節(jié)能效果；⑥對比D、F兩組實驗數(shù)據(jù)，分析在麥秸稈、建筑膠以及石灰作用下，細砂對生土復合材料節(jié)能的影響，分析麥秸稈、建筑膠以及石灰是否會影響材料的節(jié)能效果；⑦對比F、G兩組實驗數(shù)據(jù)，分析在細砂、建筑膠以及石灰作用下，麥秸稈對生土復合材料節(jié)能的影響，同時將本組數(shù)據(jù)結論與第⑤組數(shù)據(jù)結論進行橫向對比；⑧對比E、H兩組實驗數(shù)據(jù)，分析在細砂、建筑膠以及石灰作用下，麥秸稈對生土復合材料節(jié)能的影響，同時將本組數(shù)據(jù)結論與第⑤組數(shù)據(jù)結論、第⑦組數(shù)據(jù)結論進行橫向對比，探尋實驗規(guī)律。
作者:劉磊 李嘉龍 薛凱澤 吳永帥 符皓 單位:西安培華學院建筑與藝術設計學院