新型节能建材的发展与应用

新型节能建材的发展与应用马保国教授2011年12月武汉理工大学技术背景1未来趋势23发展历程4研究现状报告提纲1.技术背景-我国建筑能耗的现状我国建筑物耗能约占总能耗的27％与同气候条件的发达国家相比，我国单位建筑面积采暖能耗高出2倍住宅面积迅速增长，年增长10亿m2，2020年将达500亿m2，能耗需求剧增建筑节能是国民经济发展的重大需求1.技术背景-建筑节能的重要性和必要性建筑节能问题，不仅是经济问题，而且是重要的战略问题节能减排高性能我国有一半以上石油依靠进口极端热浪天气将成为中国的普遍现象节能建筑能耗持续增长由于废弃物排放所造成的环境问题使我国不堪重负节能减排高性能减排固体废弃物总量已达到近70亿吨CO2排放持续上升可用耕地面积大幅缩小1.技术背景-建筑节能的重要性和必要性安全性、耐久性、功能性不足是我国建筑的主要问题节能减排高性能高性能安全性耐久性功能性1.技术背景-我国建筑节能存在的主要问题2011年3月14日，公安部发布公消【2011】65号文《关于进一步明确民用建筑外保温材料消防监督管理有关要求的通知》，明确规定“民用建筑外保温材料采用燃烧性能为A级的材料”，并提出要求:“对已审阅同意但尚未开工建设的工程，如建筑外保温采用易燃、可燃材料的，要更改设计，重新报审”。2011年6月28日，公安部、住房和城乡建设部联合制定了《民用建筑外保温系统及外墙装饰防火规定》（征求意见稿），文中中明确规定“民用建筑外保温材料的燃烧性能宜为A级，且不应低于B1级”，此规定对各种层高的不同建筑物用外保温材料的燃烧等级及防火隔离带设置做了明确要求。1.技术背景-公安部发布建筑节能新政策技术背景1未来趋势23发展历程4研究现状报告提纲2.发展历程-建筑节能与保温隔热技术从整个建筑（公共建筑）来看，空调、采暖等能耗占其能源消耗量的30％～40％，因此采用合理的保温隔热技术，可大大降低建筑能耗。典型建筑的能耗与保温隔热技术的关系30～40％节能材料在整个节能技术中具有重要意义空气渗透21%其他部位25%屋面8%外窗19%外墙27%建筑节能达到50%建筑围护结构各部分能耗量分布在夏热冬冷地区，按照目前节能标准要求，外墙/屋面等传热占总体传热的60％以上。2.发展历程-外墙保温技术是建筑节能的重要构成保温隔热技术向集成化发展；在节能的四个重要途径中，直接涉及材料的有2个；保温隔热材料是实现低能耗的重要措施；2.发展历程-节能途径与保温隔热材料2.发展历程-几种典型保温隔热材料性能对比外墙内保温外墙外保温外墙夹芯保温外墙自保温2.发展历程-几种典型保温隔热系统研究过程经历了从节能30％→50％→65％的过程相关标准《民用建筑节能设计标准(采暖居住建筑部分)JGJ26-95》《夏热冬冷地区建筑节能设计标准》等具体技术外墙内保温/外墙自保温/外墙夹心保温/外墙外保温外墙外保温技术是目前墙体节能的主要措施2.发展历程-节能标准与技术的演变技术背景1未来趋势23发展历程4研究现状报告提纲①清华大学超低能耗楼双层玻璃窗可调水平外遮阳可调垂直外遮阳储热地板植被屋面地下室光导采光生态舱3.研究现状-建筑节能国内外研究现状②浦江智谷双面Low-E中空玻璃LED节能泛光照明系统太阳能光热利用系统屋顶绿化雨水收集综合利用系统地源热泵系统楼板埋管系统全新风置换全热回收系统外遮阳卷帘系统外墙外保温系统与传统建筑相比，可节省能耗75%左右，而成本只比传统建筑增加15%-20%，运行费用的节省可以使投入在5年内收回德国政府在海外颁发的第一个符合德国节能建筑标准认证的证书③同济大学文远楼（节能改造）窗墙保温改造无土种植草皮+喷淋系统太阳能光电转换两级除湿节能灯具屋面：XPS保温墙面：多功能板材窗户：智能节能窗地面：泡沫混凝土④武汉理工大学留学生楼（节能改造）利用固体废弃物制备高效节能烧结墙体材料技术高利废蒸压粉煤灰砖制品制造技术高等级阻燃节能板与新型A级不燃节能板技术加气混凝土与墙体自保温技术3.研究现状-几种新型高效节能技术介绍烧制粘土砖，以每年8000亿块计，大约耗煤1亿t，生产实心粘土砖的煤耗与砖混结构采暖煤耗约占全国能耗总量的20%，成为大气中的主要污染源之一耗用土12亿m3，相当于60万亩土地利用固体废弃物制备高效节能烧结墙体材料技术技术背景国内开展了大量的利用粉煤灰、煤矸石等废弃物制备烧结砖的研究和应用工作国内有烧结空心砖、多孔砖生产，但孔数量较少，节能效果与国外先进水平存在差距利用固体废弃物制备高效节能烧结墙体材料技术国内研究现状英国生产的烧结粉煤灰砖原料配比为：粉煤灰80%，粘土20%德国Schlagmann开发的Poroton绝热砖，这种新产品被誉为“世界上最保温的砖石”。通过运用这种新材料，即使是单墙建造的被动式太阳能住宅的外墙保温问题也可以解决Poroton利用固体废弃物制备高效节能烧结墙体材料技术国外研究现状TheexternalwallwithadditionalthermalinsulationThecavitywallwithfacingbricksThemonolithicexternalwallThecavitywallwithaplasterfacade利用固体废弃物制备高效节能烧结墙体材料技术国外研究现状国外水平国内水平分项特点总体特点分项特点总体特点原料主要为粘土质原料以优质原材料，利用先进设备，生产优质节能产品主要是粘土，也有废弃物以固体废弃物，利用落后设备，生产节能效果差的产品设备真空挤出机、隧道窑真空挤出机、轮窑/部分隧道窑产品节能效果好节能效果差国内外研究水平对比，以节能烧结墙材为例：迫切需要开发适应中国国情（设备落后、厂数量多达10万家）的，以废弃物为主要原料的、制备高效节能的烧结墙体材料的工艺技术德国pordon，“世界最保温的砖石”国内主要产品利用固体废弃物制备高效节能烧结墙体材料技术两类材料主要技术创新点2个方面2类典型材料高效利废高效节能节能材料3.宏孔与微孔结合的节能墙体材料系统制备技术烧结材料2.硅铝质固体废弃物的塑性提高与基体增强市政材料1.建筑垃圾粉料的高效利用4.适合我国国情的绿色建材制备技术1基体：高比例利用废弃物制备烧结制品基体粉煤灰基体性能煤矸石基体性能钢渣基体性能页岩-粉煤灰体系膨润土-粉煤灰体系页岩-煤矸石体系材料配比烧结温度烧结时间页岩-钢渣体系针对我国由于大量利用废弃物，导致烧结墙体材料塑性差，材料多孔化过程中力学强度低、不能满足承重要求的技术瓶颈，研究了高比例利用废弃物制备高孔洞率烧结墙体材料基体的关键技术，开发了新型促烧剂，使高比例利用固体废弃物制备高效节能墙体材料成为可能创新成果新型促烧剂烧结温度降100℃单位产品热耗降低10%烧结时间降10%产量增加10%，热耗降低4%加入物与烧结主体形成固溶体加入物与烧结主体形成液相加入物与烧结主体形成过渡液相原理效果1）研究了四种废弃物制备节能烧结墙体材料基体的基本方法2）开发了新型促烧剂创新成果2微孔造孔：选用工业、农业废弃物开发了9种微造孔剂，并使废弃物利用率比例达到100%，微孔直径平均尺寸≤0.6mm类型特点实例关键技术内燃型生物质型原材料来自农作物的副产品/废弃物，在高温下，材料中有机物燃烧，产生能量，并形成气孔。锯末、谷壳、秸秆等①通过各种造孔剂的粒径控制，实现造孔剂对微孔孔型的控制；②造孔剂对制品烧结性能的影响；③实现制品热工性能和力学性能、耐久性能平衡；矿物内燃型材料在高温下燃烧，释放能量，促进试件烧成反应，可燃部分燃尽后形成气孔，达到造孔效果。煤矸石等废弃物型含有部分可燃物的工业废弃物，燃烧后形成的气孔造纸废渣、废弃塑料等热分解型不能燃烧，但在高温下吸收热量，自身发生分解反应，释放出气体碳酸钙、碳酸镁的粉末热致变形型高温下烧成时，本体体积收缩，形成封闭孔洞膨胀珍珠岩等创新成果3孔型优化：设计了孔洞率高、空气对流少的新型烧结多孔砖结构，一方面可显著降低外墙的传热系数，另一方面节约物料，减轻建筑自重，增加其使用安全性创新成果3.对芯具结构进行了改进2.对芯座和连接板进行了TD处理1.对基体材料进行了改进4模具耐磨性：应用丰田扩散表面增强法（TD）与镶嵌法相结合的技术路线，具体针对模具在成型过程中不同部位受损状态不同的特点，进行合理优化设计与表面增强，使成型模具使用寿命延长到最初的4倍创新成果类型传热系数（W/m2•℃）节约物料量利废率节能量世界领先水平德国Poroton0.33408946.54%075%国内水平国内DM型0.68829631.71%010%实心砖1.45272800-100%0本项目水平设计M0.57877043.13%100%50-65%烧结砖宏孔结构与世界领先水平在资源消耗、使用效果方面的对比：国内外同类技术先进性对比利用固体废弃物制备高效节能烧结墙体材料技术高利废蒸压粉煤灰砖制品制造技术高等级阻燃节能板与新型A级不燃节能板技术加气混凝土与墙体自保温技术3.研究现状-几种新型高效节能技术介绍总体思路：根据不同的固体废弃物的特性进行科学分类；采用不同的物理化学激发路线，采用不同的固体废弃物研发废弃物利用率大于90%的蒸压砖生产技术；充分提高固体废弃物利用量，取代天然材料；开发先进的蒸压砖装备，并提出与之相匹配的生产工艺.高利废蒸压粉煤灰砖制品制造技术技术方案：以钙质材料衍生物取代石灰的技术路线；低活性固体废弃物的活化与实现技术路线；残留活性矿物与水化产物再活化与实现的技术路线；采用炉渣、废石屑、建筑垃圾等粒状固体废弃物取代天然骨料的技术路线.高利废蒸压粉煤灰砖制品制造技术原材料选择钙质材料硅质材料骨料激发剂生石灰电石渣石灰渣高钙灰石英砂尾矿砂天然砂石炉渣再生骨料再生细粉料废石屑天然石膏化学石膏工艺参数优化关键设备开发工业应用配比优化低成本、高利废原则物理化学联合激发钢渣粉煤灰赤泥脱硫石膏高利废蒸压粉煤灰砖制品制造技术-技术路线不同固体废弃物配方优化体系以电石渣、石灰渣等代替石灰，以废石屑、炉渣等废弃物作为骨料替代天然砂石，以化学石膏、脱硫石膏等工业石膏代替天然石膏，开发了以下4个配比体系：体系1“电石渣－粉煤灰－废石屑”体系体系2“石灰－粉煤灰－钢渣－炉渣”体系体系3“石灰－尾矿砂－炉渣”体系体系4“电石渣－建筑垃圾粉料－再生骨料”体系序号粉煤灰生石灰中砂石膏15016322250143423501236245010382550840264512412755123128601226296512212序号抗压强度（MPa）抗折强度（MPa）干燥收缩（mm/m）碳化系数Kc121.004.500.520.95223.444.310.570.90323.144.890.540.87422.354.250.540.85518.973.890.530.81634.876.130.580.85722.264.70.630.87818.213.760.720.83915.963.50.770.86可生产MU30蒸压砖，碳化系数满足标准要求，但收缩较大；利废率低，仅40%-60%现有体系“石灰-粉煤灰-石膏”体系硅质原材料骨料石膏水钙质原材料蒸汽脱水料仓破碎料仓破碎料仓破碎料仓配料粉磨料仓配料搅拌消化轮碾成型码坯高压蒸养成品堆放固体废弃物蒸压砖工艺流程高利废蒸压砖生产关键设备2003年在武汉世源热电有限公司建成第一条年产5000万块蒸压粉煤灰砖生产线，砖的平均强度达20MPa，最高可达33Mpa，成品率高达99%。成果工业化应用-1青岛海晶化工集团建立年产1亿块标砖“电石渣－粉煤灰－废石屑”体系的生产线，取消高耗能的石灰原料，利废率达100%青岛海晶化工集团公司青岛海晶化工集团公司成果工业化应用-2国内目前已投产的规模最大的蒸压粉煤灰砖工程（年产3亿块标砖）洛阳龙羽宜电有限公司成果工业化应用-3已建年产5000万块标砖生产线，计划扩建。成果工业化应用-4无锡鸿基新型墙材有限公司本机组与德国LAEIS压机同场使