超低能耗建筑发展下生土建筑材料探究
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摘要：传统的建筑材料在生产以及使用过程中会产生一定的污染，同时也会消耗大量的资源。为了有效降低建筑对环境产生的影响，减少建筑能耗和降低温室效应，建筑行业应大力推广节能环保、造价低廉的传统建筑——生土建筑。本研究选取陕北地区原状生土复合材料，基于大量不同配比的材料测试，确定生土结构改性最优配比，分析生产工艺的可行性；对复合生土建筑材料安全性、耐久性能进行测定，确定满足建筑围护结构的材料要求；对当地生土建筑材料进行实验室测试，发现该材料的性能缺陷，选取当地的改性材料对生土建筑材料进行改性，系统分析复合生土建筑材料改性后的性能；应用对比分析法，确定综合性能最优的改性生土建筑材料，分析和评价改性生土建筑材料的节能环保特性。
关键词：超低能建筑；生土建筑材料；材料实验
生土建筑材料属于一种传统的建筑材料，长久以来被认为是一种落后地区所应用的建筑材料，但是在现代材料科学不断发展的背景下，生土建筑材料的环保优势以及成本优势再次为人们所认知。传统的生土建筑材料经过改良优化之后，具有优异的性能，成为超低能耗建筑的基础材料。传统生土建筑材料虽然具有保温性能较强、成本较低等优点，但是缺点也十分明显。因此，在应用生土建筑材料，发展超低能耗建筑的过程中，相关人员需要进一步加强生土建筑材料改良研究，以确保生土建筑材料的性能符合实际要求，充分发挥生土建筑材料的节能环保作用，促进建筑行业可持续发展。
1超低能耗建筑发展概述
超低能耗建筑是基于绿色建筑理念的一种新型建筑形式，该建筑类型主要通过应用具有良好保温隔热性能的建筑材料，达到保持室内温度、降低能源消耗的目的。我国的第一个被动式超低能耗建筑出现在上海，该建筑是外国专业团队设计的。当时国内对超低能耗建筑的研究较少，因此该建筑没有引起广泛关注。超低能耗建筑真正在我国引起关注是在2013年，当时中国和德国合作的“在水一方”项目充分展示了该建筑在节能环保方面的优越性。此后，超低能耗建筑快速发展，截至2020年，超低能建筑面积在新建建筑面积中已经占到50%左右。在超低能耗建筑发展的过程中，我国绿色建筑材料领域也取得了较大的发展，为超低能耗建筑的发展创造了良好的条件，目前，具有超低能耗特征的建筑已经占据了相当大的比例。该建筑能源消耗非常小，在调节室内温度方面，它采用了性能良好的保温层材料以及热量循环系统，能够在较低耗能的情况下保证室内温度恒定。因此，在当前的发展阶段，生土建筑材料已经成为国家重点发展的建筑材料之一。
2生土建筑材料研究的意义
2.1全生命周期低能耗
我国是传统的农业大国，在农业生产的过程中产生了大量的麦秸秆和稻草。这些农业生产的副产品往往被应用于肥料制造以及焚烧发电等方面。这些材料的处理方式存在较大的弊端，同时也会对生态环境造成影响，而将这些材料作为新型生土建筑材料应用于超低能耗建筑中，不仅能够充分发挥相关材料的经济价值，还能够避免资源浪费。生土建筑材料取自天然土，在应用的过程中不会对周边环境造成影响，同时也促进了资源的循环利用。使用后的生土建筑材料还可以通过打碎的方式重新进入生态循环，具有较为明显的环保优势。此外，用来配置生土建筑材料的麦秸秆生长周期短，能够进入生态循环，取材方便，在超低能耗建筑中具有比较大的优势。
2.2生态宜居的现代建筑
与建筑材料相比，现代生土建筑材料具有更加良好的性能，它消除了传统生土建筑材料的诸多弊端，在应用的过程中，将生土建筑材料与现代结构科学相融合，进一步提高了建筑空间的合理性与灵活性，能够满足不同用户的需求。此外，现代生土建筑材料具有优异的物理化学性质，能够长期使用。生土本身不仅具有良好的保温性，还能够调节空气湿度。因此，应用生土建筑材料能够有效减少建筑的能源消耗，进一步提高居住空间的舒适度。
2.3具有较高的经济效益
利用生土和秸秆材料制作而成的生土砌块，具有造价较低、工艺简单、节能环保、易于推广等优点。因此，生土砌块是村镇建筑领域中具有广阔前景的墙体材料。研究现代生土砖砌体建筑，有利于完善我国的绿色建筑体系，创新我国现代被动式超低能耗建筑理论，规范被动式超低能耗建筑设计，推广应用新型被动式超低能耗建筑材料。专业人员根据相关的技术规范大力推广生土砌块，可以为我国的村镇住宅建设贡献一份力量。
3生土建筑材料研究内容
本研究以陕北地区生土作为基材，对生土颗粒进行粉化处理，添加少量改性材料后，加入形状和重量合适的秸秆材料，产生水化胶凝矿物，形成生土材料中的拉接结构。最后，形成的复合体就是生土建筑材料，该材料具有良好的节能环保特性。生土建筑材料研究内容包括以下几点：①通过文献检索，分析国内外被动式超低能耗建筑、生土材料的研究现状，学习最新研究技术。②根据材料的物理特性，在传统生土材料中掺入无污染、在自然环境中易降解的改性材料，如细砂、麦秸秆等。设计复合生土的多种配合比，遵循建筑材料生态环保原则，并且进一步探索提高生土材料的力学性能和热学性能的路径。③利用恒温热带法对麦秸秆生土试块进行多组不同配合比的比热系数测定，并且对实验结果进行详细分析，得到影响比热系数变化的原因，从而获得麦秸秆生土材料在保温隔热性能最优时的配合比。④采集8组实验数据，分析在细砂、建筑胶、石灰以及麦秸秆作用下，生土复合材料的节能效果。横向对比不同掺和剂对被动式超低能耗建筑节能环保特性的影响；纵向对比同一掺和剂的含量对被动式建筑节能环保特性的影响；采用参数分析法，对比分析生土材料性能的核心影响因素。
4生土建筑材料研究需要解决的问题
总的来说，生土建筑材料研究需要解决以下几个问题：①根据被动式超低能耗建筑的发展前景以及特性，设计生土和麦秸秆等建筑材料的最终配合比。通过实验，分析研究被动式建筑材料、生土麦秸秆建筑材料与普通建筑材料的各种物理特性。②通过对比研究，分析被动式超低能耗建筑的节能特性，分析复合被动式超低能耗建筑的可行性，并且进一步分析生土、麦秸秆等材料在建筑结构、建筑设计中的合理应用，从而明确生土建筑材料的优势和劣势，为推动被动式超低能耗建筑的发展贡献绵薄之力。
5生土建筑材料的研究准备
5.1研究团队准备
本研究工作需要可靠的研究团队作为支撑。生土建筑材料研究具有一定的复杂性，在研究的过程中需要进行多项实验，很难依靠个人力量完成研究任务。笔者认为需要邀请具有较强科研能力以及科研经验的人员来参加生土建筑材料研究工作，同时还需要根据研究的内容来确定团队人数，在研究的过程中，做好人员分工，确保研究能够有条不紊地进行。
5.2软硬件准备
本研究工作需要硬件和软件的支持。本研究小组拥有完成研究项目所需要的资料和设备。本研究小组所在学校的图书馆有大量的中外文网络数据库和电子期刊，能够满足研究项目所需要的文献资料。学校为支持课题研究，已经配备了必要的硬件和软件条件，可以满足研究项目对计算机、互联网以及相关软件的要求。本研究小组在生土建筑材料研究项目的准备阶段，采用文献查阅的方式，收集、统计研究项目所需要的数据；在生土建筑材料研究项目实施阶段，采用定性和定量相结合的方法，并且应用科学的统计方法，对采集的数据进行分析，定量确定被动式超低能耗建筑的比热系数，定性分析节能环保影响因素；在生土建筑材料研究项目的最后阶段，用直观的数据反映该研究项目对社会的综合效益。
6生土建筑材料的研究路径
6.1文献查阅
在研究的过程中，笔者首先查阅文献，在查阅大量文献的基础上，设计研究方法，确保研究方法的科学性。在这个过程中，笔者深入地了解了国内外被动式超低能耗建筑的发展现状，深入地分析了国内外学者对添加复合材料之后所制成的生土砌块性能（保温、隔热以及节能）的研究成果。
6.2实验材料选取
（1）生土。在生土建筑材料研究中，生土是研究的主要对象。在研究的过程中，笔者主要选取陕北地区的生土材料，进行物理实验的测定（液限值、塑限值及表观密度）。（2）细沙。细沙来自建材市场，旨在为生土砖提供前期强度支撑。（3）麦秸秆。麦秸秆来自西安市郊区麦场，将麦秸秆用粉碎机打碎成草与草末两种，草的长度为5mm～10mm，草沫的长度为2mm～5mm。为防止麦秸秆发芽破坏试件，应放于石灰水（水:石灰＝200:1）中浸泡6个小时，捞出沥水待用，然后挤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，以免水分蒸发，降至室温待用。建筑胶：从建材市场选购一种强度较高、黏结力较强的水溶性硅酸盐，目的是提高生土砖抗压强度。（4）石灰，来自建材市场。
6.3生土建筑材料配比设计
材料配比研究是生土建筑材料研究的重点。按照规范要求，选定实验中的配合比。按照配合比要求制作100mm×100mm×100mm的试块，每组4个（其中有1个为备用试块），共计32个。研究小组成员将制作的复合生土试块在20±2℃与95%的环境下养护28天，以备后续实验。本研究分别设计了8种不同的材料配比方案，从而研究不同配比下生土建筑材料的性能表现。生土材料配合比初步设计如表1所示。
6.4实验条件控制
在进行材料实验的过程中，控制实验条件十分关键，只有精准地、科学地控制实验条件，才能保证实验结果的准确性。在这个过程中，首先需要购买或者租赁实验设备。加热板与温度仪的具体要求如下：①工作电源220V/50Hz；②加热板温度的控制精度0.5℃，工作状态温度0℃～50℃；③温度仪测量范围0℃～50℃，温度计量精度0.1℃；④加热板功率计算误差0.6%，功率检测范围0W～1000W；⑤计算时间周期10min，记录数据的时间周期10min。
6.5实验数据计算
在实验规范养护完成后，对A～H组的复合生土试块进行加热测定，记录在同一室温下，加热板升高特定数值后的试块温度。利用公式[C为比热容，单位为J/（kg·K）；Q为材料吸收的热量，单位为J；m为材料质量，单位为kg；Δt为材料产生的温度差，单位为℃]来计算材料的比热容。
6.5实验数据分析设计
在生土建筑材料的研究中，本研究小组主要设计了8种材料配比实验，通过不同的配比来研究生土复合材料的性能。因此，在研究的过程中，对于实验数据的分析和解读至关重要。在本研究中，针对8组实验，本研究小组分别进行了8组不同的数据分析，从而保证实验数据的科学性和全面性。这8组不同的数据分析分别为：①对比A、B两组实验数据，分析麦秸秆对生土复合材料节能的影响；②对比B、C两组实验数据，分析建筑胶与石灰对生土复合材料节能的影响；③对比C、D两组实验数据，分析细砂对生土复合材料节能的影响；④对比D、E两组实验数据，分析在细砂、建筑胶以及石灰作用下，麦秸秆对生土复合材料节能的影响，分析细砂、建筑胶以及石灰是否会影响材料的节能效果；⑤对比D、E两组实验数据，分析在细砂、建筑胶以及石灰作用下，麦秸秆对生土复合材料节能的影响，分析细砂、建筑胶以及石灰是否会影响材料的节能效果；⑥对比D、F两组实验数据，分析在麦秸秆、建筑胶以及石灰作用下，细砂对生土复合材料节能的影响，分析麦秸秆、建筑胶以及石灰是否会影响材料的节能效果；⑦对比F、G两组实验数据，分析在细砂、建筑胶以及石灰作用下，麦秸秆对生土复合材料节能的影响，同时将本组数据结论与第⑤组数据结论进行横向对比；⑧对比E、H两组实验数据，分析在细砂、建筑胶以及石灰作用下，麦秸秆对生土复合材料节能的影响，同时将本组数据结论与第⑤组数据结论、第⑦组数据结论进行横向对比，探寻实验规律。
作者:刘磊 李嘉龙 薛凯泽 吴永帅 符皓 单位:西安培华学院建筑与艺术设计学院