李頎欣 李鑫

1. 亞琛工業(yè)大學(xué)建筑學(xué)院碩士研究生 （RWTH Aachen） 德國 亞琛 52062；

2. 山建大建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院A3工作室 山東 濟(jì)南 250014

1 研究背景

1.1 概述

當(dāng)前人們對正在極度地利用和消耗自然資源，對原始天然材料的開采已經(jīng)超出了其可恢復(fù)能力值，對環(huán)境造成了嚴(yán)重的損害?？焖俚某鞘谢统鞘腥丝诘目焖僭鲩L導(dǎo)致了對地球資源的需求增加和能源消費(fèi)總量的不斷加大[1]。

全球人口有一半以上居住在城市，這意味著大約30億人口只占據(jù)地球2%左右的陸地面積，創(chuàng)造了全世界70%的GDP，消耗了世界70%的能源，產(chǎn)生了全球70%的廢棄物，排放了全世界70%的二氧化碳。到2050年，世界人口預(yù)計(jì)將增長到93億，其中70%居住在城市[2]。城市人口增長將伴隨著對原材料和資源需求的增加，能源利用率低又進(jìn)一步造成資源浪費(fèi)，加重了環(huán)境負(fù)擔(dān)。

1.2 固體廢棄物處理現(xiàn)狀

據(jù)世界銀行預(yù)測，到2025年中國城市生活垃圾產(chǎn)量將達(dá)到1397755噸/天。無論是發(fā)達(dá)國家還是發(fā)展中國家，當(dāng)前對于固體廢棄物的處理都沒有給出一個(gè)完全令人滿意的答案。以電子產(chǎn)品為例，發(fā)達(dá)國家每年都會消耗大量的電子產(chǎn)品，盡管各國都在探索研究回收利用電子垃圾技術(shù)，在許多情況下，這些垃圾都會出口到國外，尤其是欠發(fā)達(dá)國家。非洲加納的阿博布羅西鎮(zhèn)是世界上第二大電子垃圾場，也是世界上污染最嚴(yán)重的電子垃圾場之一，每年全球有數(shù)百萬噸的電子垃圾在這里被燒毀。在加納，人們從農(nóng)村轉(zhuǎn)移到廢棄物站點(diǎn)附近，剝開并且燒掉電子廢棄物，以收集里面有價(jià)值的金屬，如鋁和銅。電子垃圾的塑料外殼在露天場地不受控制地燃燒，產(chǎn)生含有致癌物質(zhì)的黑色有毒煙霧。每天參與這項(xiàng)撿垃圾工作的居民可以掙到兩到三美元，只是為了生存下去。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2010年約有4萬噸電子垃圾進(jìn)入加納，而非洲電子垃圾總量也僅為23萬噸[3]。

1.3 廢棄物回收現(xiàn)狀

即便是在發(fā)達(dá)國家被回收的廢棄物，也并沒有很妥善地完成后續(xù)處理工作。在美國每年生產(chǎn)的約2.51億噸城市固體廢物中，只有約8700萬噸被回收利用。其余的大約1.64億噸最終被運(yùn)往焚化廠和垃圾填埋場[3]。用傳統(tǒng)的方法處理廢棄物的同時(shí)又是一種對自然資源的間接浪費(fèi)，因?yàn)楫?dāng)初生產(chǎn)這些“廢棄物”時(shí)消耗了大量的能量，水和其他資源。

據(jù)環(huán)保部統(tǒng)計(jì)，2011年我國一次性塑料飯盒和各種泡沫包裝廢棄物達(dá)到9500萬噸，廢舊家電等廢棄塑料達(dá)到6500萬噸。加之其他廢棄塑料總量近2億噸，而總回收量只有1500萬噸，回收率不到10%[4]。

1.4 建筑物成為全球變暖的重要因素

建筑物作為世界上最大的自然資源消費(fèi)體之一，大量依賴不可再生的化石燃料，特別是石油，作為建筑材料和建筑自身運(yùn)營的基礎(chǔ)能源。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，對不可再生資源的使用，世界建筑物消耗了全球能源的40%，同時(shí)又貢獻(xiàn)了全球至少30%溫室氣體排放量。這使得建筑成為全球變暖的重要因素[5]。因此，現(xiàn)階段需要開發(fā)更有效的解決方案，以減少現(xiàn)有和未來建筑物對環(huán)境造成的破壞。解決這一難題的重要思路是重新考慮我們生產(chǎn)和使用的建筑材料。

2 解決方法/策略

在消費(fèi)和生產(chǎn)的線性系統(tǒng)中城市主要消耗從其他地方引入的資源，之后產(chǎn)生大量城市垃圾和污染物。如果按照當(dāng)線性發(fā)展模式下的能源消耗趨勢，大量廢棄材料和生產(chǎn)物被不可避免地丟棄，到2050年將需要兩個(gè)地球資源來滿足人們的基本需求。為了解決當(dāng)前的危機(jī)，應(yīng)該采取一種可持續(xù)循環(huán)發(fā)展模式。3R原則，即“減量化原則（Reduce），再次使用原則（Reuse），回收加工再利用原則（recycle）”，是由W.M.S.Russell和R.LBurch于1959年提出的循環(huán)綠色經(jīng)濟(jì)原則，應(yīng)當(dāng)成為建筑行業(yè)新的指導(dǎo)方針。減量化原則，即減少對自然的破壞，對環(huán)境資源的消耗；再次使用原則，即提高重復(fù)利用率，也是減少廢棄物，節(jié)約資源，降低回收成本的有效途徑；回收加工再利用原則強(qiáng)調(diào)對廢物進(jìn)行回收，通過再生技術(shù)和方法，再生成具備新價(jià)值的新材料[6]。3R原則在物質(zhì)層面強(qiáng)調(diào)了資源的再生和循環(huán)利用，是解決自然資源匱乏和開辟新型建設(shè)道路的有效手段。

與開發(fā)自然資源相比，再生資源的利用大大降低了生產(chǎn)成本，減少了用于生產(chǎn)本身所消耗的能量，節(jié)約了能源同時(shí)又消耗了社會產(chǎn)生的廢棄物。如果生產(chǎn)1噸再生銅，則可減少排放100噸工業(yè)廢渣和2噸二氧化硫；回收再利用1噸廢紙可以減少75%的空氣污染和35%的水污染[7]。

3 建筑材料

要理解可持續(xù)背景下建筑材料的重要性，首先應(yīng)當(dāng)理解原材料開采和生產(chǎn)所造成的影響。在這一方面，建筑行業(yè)與之具有最為直接的關(guān)系。地球資源最大量的開采都源于建筑領(lǐng)域，而且目前沒有任何需求減少的跡象。建筑行業(yè)的發(fā)展對地球環(huán)境帶來了一系列影響：全球變暖，臭氧耗減，自然棲息地和生物多樣性喪失，土壤被侵蝕，有害氣體釋放等。大量的資源開采往往產(chǎn)生大量的廢棄物，而廢物處理的主要手段仍然是填埋，從而進(jìn)一步加劇了環(huán)境的惡化[1]。

3R指導(dǎo)原則的關(guān)鍵在于將廢棄的材料轉(zhuǎn)化為具有新價(jià)值的再生資源，從而將當(dāng)前資源線性消耗系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)榭沙掷m(xù)的循環(huán)再生系統(tǒng)。也即是說，對于3R原理的理解不僅僅局限于廢棄資源的回收，而且還是在可回收前提下進(jìn)一步加工成具備新價(jià)值的新材料。

3.1 新材料

所謂的“新材料”就是將“配方”進(jìn)行更新，重新組合形成，從而解決原來的問題，在這些“新材料”中其實(shí)并沒有任何一種材料是新的，這些材料全部來源于人類賴以生存的地球，通過數(shù)千萬億年的形成和累計(jì)而來。當(dāng)今情勢下，人們可以利用新興的各項(xiàng)技術(shù)來對這些材料進(jìn)行使用，通過不同的加工組合過程，從而演變成一種新的可使用的產(chǎn)品用于各行業(yè)中，新世紀(jì)對現(xiàn)有資源的利用有新的要求，日裔枯竭的資源使得人們開始更加重視原材料的使用，在廢物回收利方面，逐漸發(fā)展壯大，新材料在可持續(xù)背景下的研究也逐漸被人們重視起來，從而發(fā)生了一系列的改變發(fā)展，比如從化石原料的應(yīng)用向基于生物制造方向的轉(zhuǎn)化?；隰~鱗的自愈合材料或者基于甘蔗渣的代木材料等，都是在未來材料領(lǐng)域具有很大發(fā)展?jié)摿Φ挠袡C(jī)材料。

3.2 廢棄物再利用——再生建筑材料案例分析

（1）BioSIPS

由科羅拉多大學(xué)丹佛分校教授JuleeHerdt所研究的生物結(jié)構(gòu)隔熱板（BioSIPS）獲得了環(huán)保建筑系統(tǒng)專利。BioSIPS是基于生物質(zhì)所研制的建筑板材，其綜合性能優(yōu)于傳統(tǒng)SIP（結(jié)構(gòu)絕緣面板）。BioSIPS最大的特點(diǎn)是利用廢紙，雜草，廢木等廢料為原料，采用專有濕法技術(shù)將大量低價(jià)廢物轉(zhuǎn)化為高附加值產(chǎn)品[5]。該建筑材料質(zhì)輕耐用且易于組裝，可應(yīng)用于隔墻，屋頂與地板。BioSIPS將成千上萬噸固體垃圾轉(zhuǎn)化為安全，耐用，節(jié)能的建筑材料。JuleeHerdt稱，“BioSIPs的發(fā)明實(shí)際上消耗了社會的廢物資源，并將大量廢物轉(zhuǎn)化為有價(jià)值的產(chǎn)品，用于安全，強(qiáng)大和節(jié)能的建筑物。廢棄物具有很高的利用價(jià)值，我們只需要使用正確的工藝和方法來找到它8?！?/p>

（2）TUFFROOF

1951年魯賓·勞辛（RubenRausing）在瑞典建立了利樂公司，并創(chuàng)新地制造了一種牛奶容器系統(tǒng)——利樂四面體紙包裝（TetraPak），跟其他包裝相比耗材最少，衛(wèi)生水平最高。自此利樂公司便成為世界范圍內(nèi)最主要的液態(tài)食品大型供貨商之一。利樂在2011年共生產(chǎn)了1670億件包裝。

利樂包裝是由紙、鋁箔和聚乙烯塑料復(fù)合加工制成，可有效阻擋外界的污染與氧化?；谄?R生產(chǎn)理念，廢棄包裝可以回收，物料分離再利用[9]。由于該過程需要在特殊回收設(shè)備中進(jìn)行，這使得回收成本變得昂貴，在發(fā)展中國家很難有效實(shí)施。印度達(dá)曼甘加集團(tuán)（ Daman Ganga Group）認(rèn)識到這種高度工程化產(chǎn)品的價(jià)值。但由于必要的回收設(shè)備昂貴，他們發(fā)明了一種替代方式來充分利用廢棄資源。被稱為TuffRoof的防水板材，由紙、聚乙烯和鋁復(fù)合制成，生產(chǎn)過程中不再需要任何其他材料。將廢棄利樂包裝切成非常小的碎片，再將其放入模具中加熱以激活原本的塑料，石蠟和膠水，從而產(chǎn)生新的黏合作用。在壓力作用下形成了瓦楞狀板材（圖1）。該屋面板防水，防火，質(zhì)輕靈活且無腐蝕，具有很大的發(fā)展?jié)摿10]。

圖1 由廢棄利樂包裝盒生產(chǎn)的屋面板TUFFROOF

（3）秸稈材料

通常只有種子被視為糧食生產(chǎn)中最有價(jià)值的部分。而植物自身大部分的谷物秸稈被認(rèn)為是廢物。在建筑領(lǐng)域，美國早在十九世紀(jì)八十年代就利用了這些收割后作物的剩余資源來開發(fā)秸稈建筑[11]。由德國Strawtec公司生產(chǎn)的壓縮秸稈面板在隔音和防火等級等方面具有優(yōu)良的物理特性。通過熱暴露，小麥秸稈中的淀粉被激活，起天然膠的作用，在不使用其他化學(xué)添加劑的前提下生產(chǎn)出在工地上易于處理的屋面板[10]。除此之外還可通過粉碎，添加復(fù)合材料，熱壓等工序?qū)U棄秸稈制作成秸稈砌塊秸稈瓦等建筑用材。秸稈建筑材料在隔熱抗震隔音等方面具有優(yōu)良的性能[11]。作為農(nóng)業(yè)大國，我國秸稈資源豐富。在當(dāng)前可持續(xù)發(fā)展背景之下，秸稈建筑無疑一個(gè)具備未來潛質(zhì)的建筑類型。

小節(jié)

除上述提及之外還有很多出色的再生建筑材料，筆者在此不一一詳舉。廢棄物回收再生材料的應(yīng)用，一方面有效減輕了環(huán)境負(fù)擔(dān)，另一方面節(jié)省了自然資源，提高了經(jīng)濟(jì)效益。

4 新材料實(shí)驗(yàn)

可回收利用的固體廢棄物具有多樣化，既可以是工業(yè)廢棄物，也可以是農(nóng)業(yè)廢料。我國是農(nóng)業(yè)大國，筆者嘗試從農(nóng)業(yè)有機(jī)廢棄物角度著手，探索制備新材料的新思路。

4.1 硬質(zhì)殼類

除去食用部分，果殼絕大多數(shù)都被廢棄或燒掉，較少部分用于堆肥、填充物及藥用功能，極少部分被進(jìn)行深加工，進(jìn)而造成潛在資源浪費(fèi)。在當(dāng)今倡導(dǎo)綠色，低碳，可持續(xù)發(fā)展的社會，廢棄物再利用問題不斷受到重視[12]。

下列三組材料均由硬質(zhì)殼類廢棄物制作而成：

a組成：椰子殼和杏殼、木膠； 直徑：6.1cm； 厚度：1.5cm； 重量：35g

該材料樣品是椰子殼和杏殼碎片的混合物。在室溫下，黏合劑干得很快，即本品能快速生產(chǎn)。該材料耐用且不透明，表面粗糙，可應(yīng)用于建筑板材。

b組成：椰子殼，大米；直徑：6.1cm； 厚度：1.3cm；重量：32g

該材料的本質(zhì)改進(jìn)在于用大米代替人工粘結(jié)劑。為了得到性能優(yōu)良的“米膠”，需要將熟制的大米完全搗成糊狀。然后混合米糊和椰子殼碎片。為防止“蛋糕”發(fā)霉變質(zhì)，需要盡快將其烘干。整個(gè)過程花了比樣本 1更長的時(shí)間。在完全干燥的狀態(tài)下樣本b與樣本a有類似的物理特性，即也具備板材應(yīng)用的潛能。

c組成：杏殼，大米；直徑：6.1cm； 厚度：1cm； 重量：21g

和樣本b相比組成顆粒更加細(xì)小，因此材料的厚度和表面粗糙程度在制作過程中可以更容易控制。類似地，該樣本也具有一定的強(qiáng)度和不透明性，同樣可以作為建筑板材替代材料。

4.2 軟質(zhì)材料

原理與硬質(zhì)殼類材料一致，同樣以農(nóng)作物被丟棄的外皮為基礎(chǔ)原料。

下列三組材料均由軟質(zhì)廢棄物制作而成：

d組成：玉米穗，大米；直徑：6.1cm； 厚度：0.8cm；重量：5g

由玉米穗和大米混合在一起。材料自身不透明，相當(dāng)輕便靈活。它具有作為建筑保溫隔熱材料的潛能。

e組成：玉米芯，木膠；直徑：7.5cm； 厚度：約 0.7cm；重量：12g

通過橫向切割玉米芯得到截面單元。之后將其三層交錯(cuò)用木膠相連。隨著水分的蒸發(fā)每個(gè)截面單元都有不同程度的收縮。盡管如此該樣本表面仍呈現(xiàn)出有秩序且較均勻的變化。該材料具有充當(dāng)建筑外掛材料的潛能。

f組成：蒜皮，木膠直徑：6.5cm 厚度：約 0.05cm重量：＜1g

將蒜皮壓平，然后用木膠膠合。該樣本呈半透明狀，輕質(zhì)并且有很強(qiáng)柔韌度。材料完全干燥后不會霉變。

4.3 材料樣本實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

以硬質(zhì)杏殼為例，進(jìn)一步探究其構(gòu)成材料的物理特性。測試方法如圖。制作同等大小的樣本，在相同條件下測試其受力性能。基于材料由杏殼和米膠兩部分組成，將實(shí)驗(yàn)材料分為兩組，每一組控制唯一變量，分別測試其相對物理性能，探尋該材料的最佳配比方案。

材料受理性能測試

第一測試組：25g 大米+25g 杏殼

變量：杏殼碎片大小

物理特性①②變量平均碎片直徑：2cm平均碎片直徑：1cm透水性容易中等防火性差差耐水時(shí)長短中等材料強(qiáng)度1個(gè)水桶+10瓶水=5.414kg 1個(gè)水桶+4瓶水=2.252kg完整性差良好

物理特性③④變量平均碎片直徑：0.5cm平均碎片直徑：混合透水性較難較難防火性差差耐水時(shí)長較長較長材料強(qiáng)度1個(gè)水桶+7.5瓶水=4.096kg＞1個(gè)水桶+5瓶水=2.779kg完整性好良好

第二測試組：總重45g

變量：大米和杏殼碎片質(zhì)量比

物理特性⑤⑥變量15g 大米:30g 杏殼= 1:2 22.5g 大米:22.5g 杏殼= 1:1透水性容易中等防火性差差耐水時(shí)長短中等材料強(qiáng)度＜1 個(gè)水桶+1 瓶水=0.671kg 1 個(gè)水桶+4.5 瓶水=2.515kg完整性差良好

物理特性⑦變量30g 大米:15g 杏殼= 2:1透水性較難防火性差耐水時(shí)長較長材料強(qiáng)度1 個(gè)水桶+5.5 瓶水=3.024kg完整性好

結(jié)論：通過兩組測試，可以得到如下結(jié)論：堅(jiān)果殼碎片直徑越大，同時(shí)“米膠”比例越大，成形的材料強(qiáng)度越高。

4.4 防水性能改進(jìn)

圖2 樹脂預(yù)先跟“米膠”混合

圖3 樣品成形完全干燥以后表面涂上樹脂

經(jīng)測定，樹脂和“米膠”預(yù)先混合以后會大大降低大米作為黏合物的粘力。因此方案 2 是最優(yōu)方案。

小節(jié)

該材料實(shí)驗(yàn)嘗試提供了未來材料發(fā)展的新的可能性。對于其物理性能仍具有進(jìn)一步加強(qiáng)和改進(jìn)的潛質(zhì)，比如探究如何結(jié)合類似于鋼筋混凝土的加固料，以完善材料結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

5 “3R”材料應(yīng)用前景和挑戰(zhàn)

新世紀(jì)對能源利用的要求日益嚴(yán)肅?！?R”材料的研究和應(yīng)用，極大提高了資源的有效利用率，減少了能源消耗，減少了溫室氣體排放，是實(shí)現(xiàn)城市化建設(shè)與自然環(huán)境保護(hù)雙贏的一種有效策略。要實(shí)現(xiàn)“3R”材料在市場中的推廣，一方面應(yīng)當(dāng)繼續(xù)提高材料自身應(yīng)用潛質(zhì)，另一方面應(yīng)當(dāng)有機(jī)整合3R產(chǎn)業(yè)與其他相關(guān)產(chǎn)業(yè)，以進(jìn)一步降低回收及加工成本。筆者相信，在不就的將來伴隨科技的發(fā)展，資源的配置與利用會逐步趨于合理，“3R”材料必將為我們的生活注入新的活力。

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圖片來源:圖1為參考文獻(xiàn)[11]。

其余圖片均為作者制作拍攝。