(精品)建筑材料精品 低碳经济下西北农村节能环保建材探索(2013年优秀毕业设计)

低碳经济下西北农村节能环保建材探索本文通过对草砖制作、使用过程中的能耗、用量、价格以及对环境的影响（排出CO2以及其他有害废物的量）与粘土砖对比，最终得出使用草砖的优势。同时，还会对草砖的局限性作一定的分析并提出几个解决方案。低碳经济下西北农村节能环保建材探索摘要： 近年来我国农村建设进度加快，尤其是西部不发达省份在改善农村居住环境上做出了很多努力。随着人们生活水平的提高，对住宅的要求也由以前的窑洞或者土坯房向砖瓦房甚至二三层砖混结构楼房转变。但是，农村建材几乎是千篇一律的粘土砖，修建的房屋大都没有节能的考虑，每年因为烧制粘土砖消耗巨大能源、侵占土地。本文介绍一种新型的环保的砖草砖，草砖在国外已经有很多成功的例子，与普通烧结粘土砖相比，草砖具有节能环保、取材方便、密度小、保温效果好等诸多优点，通过本文的力学性能计算可以得知草砖的抗压性能比较好，因此值得在西北农村地区大量推广以代替粘土砖。本文通过对草砖制作、使用过程中的能耗、用量、价格以及对环境的影响（排出CO2以及其他有害废物的量）与粘土砖对比，最终得出使用草砖的优势。同时，还会对草砖的局限性作一定的分析并提出几个解决方案。关键词：低碳经济，节能，环保，农村，草砖建材一、问题介绍农民问题一直是关系国家发展的大问题。我国总人口为13亿，农村人口9亿，占全国人口总数的69.2%。建设社会主义新农村，实现全面小康，西部是重中之重。加快西部地区村镇居住体系建设，切实提高广大农民房屋质量，发展高效节能的乡镇住宅，进一步改善农民的生活水平与生活状态，是实现建设小康社会的一个重要举措。农村经济迅猛发展的同时，农村的住宅建设发展极为迅速。随着生活水平提高和全面建设小康社会的推进，农民迫切要求改善农村生活环境和村容村貌。作为一般生活水平提高的标志，农村人开始按照自己的规划修建房屋，而中央实行的新农村建设更是加快了农村住宅环境改造额度步伐。但是在目前农村住宅建设的现状是，农村住宅建设发展良莠不齐，出现问题较多。村镇住宅没有总体规划，所以农村住宅建设随意性很大，缺少宏观控制和长远的打算，均按自然状态发展，并且粘土砖盛行，无节能意识，能耗逐年增加，房屋施工质量差。这种发展会造成资源的浪费和环境的破坏，也有悖于国家可持续发展战略，当然也不利于我国今年新提出的低碳经济目标。农村建筑材料目前的主要特点是： 粘土砖大量使用，但是由于工艺以及原材料的问题，合格率比较低； 农村建房不考虑环保，每次建完后废料很多，随意丢弃； 大多农村建筑最先考虑价格和美观，其次是保温和安全； 今年来农村开始盛行全封闭式铝合金玻璃结构，但是外墙还是采用传统的砖混结构，木质结构、土坯结构以及单纯的砖结构逐渐没落。在目前的情况来看，水泥（包括河沙）、粘土砖、粘土瓦是用量最多的三种材料，尤其是砖瓦，在西北到处可以见到小砖窑，尽管国家明令禁止建筑使用烧结实心粘土砖，但是由于许多人家习惯用粘土砖，粘土砖价格比较便宜易得，制作工艺和流程都比较傲简单，因此在农村依旧是粘土砖盛行，空心砖一般用在三层以上建筑中。由于大量烧制粘土砖，带来的环境问题相当多，尤其是破坏土地。一个普通的砖窑仅仅用一两年时间就可以把一座小山挖平。其次是浪费能源，主要是煤炭，还排出许多有害气体。与此相对的是，许多老建筑拆除后大量的砖瓦成为固体垃圾。综上所述，农村建筑能耗远远比城市高，节能空间很大。对于水泥，目前来看还没有很好的替代品，因此，我们可以在粘土砖上做改进使其能耗小、污染低。一个很好的想法就是采用草砖代替粘土砖（仅仅用于低层建筑），使用其他抗压效果很好的砌体不仅是大材小用，建筑废弃后还会产生很多固体废物。而草砖是一种生态建材，取材广，耗能小，便于回收利用，是一种很好的环保建材，在国外已经有了很多成功实践，并且有了许多相关的标准，但是在国内草砖仅仅限于研究，在实际中根本未能取得应用。本文在最后分析草砖在推广使用中为什么会受到多方面的阻力。全文字体为宋体。每段开头缩进2字，段间空0.5行；标题与第一段间空0.5行，公式和图表必须编号；参考文献按照出现顺序编号；图表与上下端文字空0.5行；图的标题在图的下方，5号加粗。表的标题位于表的上方，字体为5号加粗；表中字体为5号；表格本身需要居中。表1：各国领导人的咖啡摄入量1领导人咖啡摄入量（单位：g/day）George W. Bush (US)050.4Jacques Chirac (France)30.6Tony Blair (UK)24.7公式需要进行编号，具体格式如下：(1)参考文献位于报告最后，参考文献的书写方式可以参考清华大学硕士论文标准格式2。二、问题的分析以下分四个部分进行分析：第一部分为草砖的介绍以及制作过程（对比粘土砖的相应过程）；第二部分为草砖的各种性质分析，包括力学性质、结构、抗冻融性等；第三部分为草砖的节能性分析，将实心粘土砖和草砖对比，分别计算它们在制造能耗、原料及成品运输能耗、建造能耗以及其他能耗等建造总能耗的数值，进行分析与对比。第四部分介绍几种草砖房体系结构。第五部分为结合西北环境，提出推广使用草砖的优点以及介绍草砖在国内外使用成功的范例。第一部分人类历史上，人们很早就已经开始使用草秆、芦苇等材料建造房子(图1)。l9世纪末，美国人最早使用草砖作为建筑材料，当时居住在美国西北部内布拉斯加州平原地区的农民缺少建房所需要的木材和石头。于是他们就用废弃的农作物草秆压制成砖块状后建筑了一些临时住房。草砖由金属网将稻草或麦秸秆紧紧捆扎而成，长约为90100cm，高3640cm，厚度为4550cm不等，重量50kg左右。它们像普通的砖块一样被垒砌起来，直接作为承重结构承受屋顶的重量，这就是早期的内布拉斯加式草砖住宅。随后人们发现这种用草砖建造的房屋不但坚固耐用而且冬暖夏凉，隔声效果好，具有很好的室内舒适环境，因此受到了人们的喜爱，草砖住宅也就沿袭了下来。20世纪40年代，由于受二战、人口增长和混凝土等现代建筑材料的影响，草砖直到20世纪70年代末，随着绿色和环保观念的兴起，草砖建筑又重新受到人们的青睐。我国是安泽国际（中国）救援协会在1998年，把该技术从美国引进，并援助建设600多套民居和学校。分布全国北方5省。中国。草砖房技术转移项目荣获2005年世界人居奖。2006年在黑龙江省汤原县举办了有21个国家专家学者参加的草砖建筑技术国际研讨会。草砖的模块化也在逐步形成，其尺寸规格正走向规范化。稻草砌块的制作，一般是将草放进草砖机，打压成一层层薄片，再将这些薄片捆成草砖。当不需要整块砖时，可以使用这些薄片。草砖的密度一般为100kg/m3左右。草砖的长度可以调节，高度和宽度取决于捆扎机。建筑中多用“三线草砖”。复层草砖通常为长89102cm,宽46cm,高35cm。因此,草砖制作材料秸秆的长度不得少于25cm。同时,一台制砖机也是必须的。一般来说,一间60平米的房子大约图1-1 两线草砖和三线草砖需要250块草砖。使用使用有好多优点：一是节能环保，隔音效果和保温效果都比较好；二是质轻，抗压强度大，抗震效果好。相比而言，烧结粘土砖是以粘土（在西北主要是红土或者黄土），先压制成土坯，晒干后放入砖窑里用煤高温焙烧而成。从制作过程中就可以看出粘土砖的两种主要原材料是粘土和煤，二者都是不可再生资源，而且大量烧煤势必造成严重的污染，大量开采黄土引起毁林、水土流失近年来我国明令禁止加工、使用烧结实心粘土砖，但是由于粘土砖技术简单、砖窑分布太密集，在农村地区还是主要使用烧结粘土砖。图1-2 普通烧结粘土砖的制作过程相比于粘土砖，草砖在有些方面显得有些不足：一是现在还没有关于草砖的相应标准，技术还不是很成熟；二是草砖制成的墙体较厚；三是目前草砖仅限于低层建筑使用（这也是砌体材料的一大通病）。第二部分2-1草砖和涂层涂层是在砌筑草砖墙的时候，涂于草砖外表面的一层材料，如下图所示。图2-1 轻质木框架草砖房墙体结构示意图涂层材料一般为水泥砂浆。外部涂层对草砖的性能起着非常重要的作用，主要体现在对墙体强度和刚度的影响。2-2草砖的力学性能和破坏有涂层草砖和无涂层草砖的抗压强度相差比较大（见下表），这是由于涂层的不均匀引起的，由于涂层厚度的不均匀，以及涂层与草砖交互作用等原因，使涂层草砖的抗压强度不能充分发挥，即涂层草砖的抗压强度将低于无涂层草砖地抗压强度。以下主要介绍涂层草砖的轴心抗压破坏。表2-1 相关实验数据研究机构密度（pcf）极限荷载（psi）弹性模量（psi）试件注意事项Bou-Ali,AZ,1993308.58478-211燕麦，三线草砖，无涂层Thompson加拿大，1995316-1018-26麦草，燕麦，无涂层Stephens,WA,20002918992抗压强度非常高的六线草砖EBNet,2003.5323.9Two half-bales，垂直High straw fiber earthen plaster with coconut meshEBNet,2003.5322.6Two half-bales，垂直Low straw fiber earthen plaster with coconut fiber meshKristin Field，James Wood，Claudia Fedrigo CVEN 5838 Final Presentation 2005.5298.310.8-25.760-68单个草砖，平放两线草砖涂层草砖的轴心抗压强度，不仅与涂层的材料有关，而且与草砖本身的制造参数有关。涂层的材料不同，厚度不同，造成了涂层草砖的抗压强度有所不同，即各种不同涂层材料的草砖，有着不同的抗压强度。另外，草砖本身的其它因素，如两线草砖还是三线草砖、密度等都对草砖的抗压强度有着很大的影响。涂层草砖的破坏分以下几个阶段： 当荷载增加到一定程度时，涂层表面出现裂缝，这时涂层草砖已经历了第一阶段； 当荷载继续增加时，裂缝宽度逐渐加大，贯通涂层，同时发生新的裂缝。此时，可认为涂层草砖已经历了第二阶段而将转入第三阶段。 继续加载，当涂层草砖进入第三阶段后，裂缝发展很快，并练成几条贯通的裂缝， 涂层草砖表面明显向外鼓出，最终导致完全破坏。图2-1 涂层草砖破坏的应力应变曲线（Psi为压力单位，1Psi=1bf/in(bf为磅，in为英寸)2-3 涂层草砖和砌体材料的抗压强度比较草砖墙的抗压强度与墙的厚度、涂层等有很大的关系。根据Ruppert等人所做的涂层草砖墙的抗压试验，测算几种长12foot (3658mm),高8foot(2440mm)的水泥涂层实验墙的抗压强度。其部分结果如下:24”宽的三线草砖墙，用聚丙烯纤维加强，平均极限抗压强度为4.7MPa，平均变形为23 mm.18宽的三线草砖墙，用聚丙烯纤维加强，平均极限抗压强度为5.2MPa，平均变形为11 mm.此数据说明，18”宽的草砖墙的抗压强度比24宽的草砖墙高90%.砌体抗压强度计算中，规范中规定砌体抗压强度平均值的计算公式为 式中，fm块体(砖、石、砌块)抗压强度平均值(MPa) f2砂浆抗压强度平均值(MPa) k1,、a、k2系数。 计算砖砌体的抗压强度。其中粘土砖k;为0. 78, a为0.5，农村住宅多用砖为MU 10,砂浆为M7. 5，查表得到砖砌体抗压强度设计值为1. 79 MPa。 将这两个试验结果与砌体抗压强度相比较，显然，草砖墙比普通墙的抗压强度要大许多。以砌体纵横墙承重体系考虑，影响草砖砌体抗压强度的因素主要有一下几个方面:一、是否有外部涂层：是否有外部涂层是影响草砖抗压强度的最主要的因素。理论上，由于涂层厚度的不均匀，以及涂层与草砖交互作用等原因，使涂层草砖的抗压强度不能充分发挥，即涂层草砖的抗压强度将低于无涂层草砖地抗压强度。 二、外部涂层的材料：图2-2 不同材料的涂层草砖的抗压强度比较同一涂层，材料之间的配合比不同，则草砖的抗压强度也不同。对于土质涂层，含土量越大，涂层草砖的抗压强度越高。表2-2 不同配合比的土质涂层之草砖抗压强度比较试件砂土体积比立方体抗压强度（MPa）圆柱体抗压强度（MPa）R11.01.51.5R21.51.01.1R33.00.70.8对于水泥涂层，水泥含量越大，涂层草砖的抗压强度越大。表2-3 不同材料含量的水泥石灰涂层草砖的抗压强度对比试件水泥石灰质量比立方体抗压强度（MPa）圆柱体抗压强度（MPa）P11.081.10.8P21.181.10.7P31.280.90.7三外部环境对于同一材料，其环境不一样，草砖强度也不一样。总地来说，空气中含湿量越高，草砖强度越低。所以，对于建造草砖建筑来说，夏天是最好的建造时节。不同湿度：初始含湿量越大，涂层草砖的抗压强度越低。不同天气状况:晴天、雨天、实验室。外部环境湿度越大，涂层草砖的抗压强度越低。四草砖的放置方向平放:草砖最长边与墙体平行，最短边与墙体垂直的放置方法。 侧放:最长边与最短边组成的面与墙体平行的放置方法。平放的涂层草砖比侧放的涂层草砖的平均极限抗压强度大这说明，草砖的放置方向极大地影响着草砖的极限抗压强度。涂层草砖平放时要比侧放时抗压强度高。五涂层厚度和涂层强度涂层厚度越大，涂层草砖的抗压强度越高；涂层强度越高，涂层草砖整体抗压强度越高。2-4草砖的防火性能墙体的火灾安全性是由其对火灾的抵抗能力决定的。也就是说，墙的一面发生大火，通过墙的这一面传递到墙的另一面，并使其材料着火所用的时间。在正常大火的情况下，只由一面钢板制作的墙体是不会着火的。它没有对火的抵抗能力是因为火的热量传递得太快。因此，一堵墙的耐火能力就是由其传递热量的功能而表达的。草砖墙的防火性能是非常好的。这是因为，大火需要高温、燃料和氧气。把稻草压制成密实的草砖，明显地减少了氧气的供给。草砖的防火性能与表面是否有涂层有很大关系。一般来讲，有涂层的草砖的防火性能非常好，因为有涂层的防护，里面的草也不会很快燃烧。在实际情况中，产生火灾的主要原因是在建筑过程中施工不当引发的稻草失火燃烧。因此对于草砖的防火有以下几点建议：主义施工过程中的防火；最好使用涂层草砖；用泥土将草砖之间的缝隙塞满，减少其发生闷燃的概率。2-5草砖的抗冻融性能从目前的实际应用来看，草砖的抗冻融性能远比普通砖要好。在我国建造的草砖房大部分位于内蒙古和黑龙江辽宁等地，优越的表现足以证明草砖的抗冻融破坏能力。究其原因，在于它内部的柔性空隙和外表的涂层。对于普通砖来说，虽然孔隙率比较大，但是空隙周围物质是刚性的，这样孔隙水结冰后体积膨胀，由于空隙可变形性能很小，因而会产生很大压力；对于草砖来说，内部空隙周围是稻草或者其他植物纤维，属于柔性物质，即使有孔隙水结冰，只不过是转的整体膨胀，对于稻草这种弹性较好的材料来说几乎不会发生任何破坏。还有，草砖的防潮要求较高，因此孔隙水相对于普通砖而言很少，发生冻融破坏的可能性较小。虽然草砖发生冻融破坏的可能性比较小，但是也要注意如果发生大的冻融破坏，就会产生连锁反应造成整体丧失抗压能力。这是因为草砖外表的涂层，如果砂浆涂层遭到冻融破坏，融化的水就会直接进入草砖内部使得稻草腐烂，最终导致草砖破坏。因此，在使用水泥砂浆抹面时要注意避免留下裂纹。第三部分3-1生产能耗实心粘土砖和草砖的耗能比较见下表：表3-1 实心粘土砖和草砖的耗能比较项目烧结粘土砖（kJ/kg）草砖(kJ/kg)平均值最大值生产过程相关热耗2615293035603770120与原材料相关的能耗96180340500基本电力消耗171189216234总能耗2984319741344489可知，每公斤草砖比烧结粘土砖节省能耗2970kJ/kg。3-2运输能耗草砖由于使用了现场加工使用的方法，几乎没有运输能耗，相比而言，烧结粘土砖一般是由砖厂生产，如果建筑工地距离生产地比较远的话能耗就相对比较大，这些能耗最终反映在了砖的价格上。3-3环保方面每生产1000万块实心粘土砖，比生产同一体积草砖多排放 2234.42=4468.6万t二氧化碳总结：不考虑建造能耗，草砖的节能包括制造能耗，原料及成品运输能耗，使用能耗和环保各项节约能耗的总和。即建造与1000万块粘土砖同体积的草砖，每年可:节煤18398.450万t节地1749875m2节省粘土1974.78万t减少二氧化碳排放3351.45万t减少燃煤排放烟尘61.3125t可见，草砖的环保性能是比较好的。第四部分根据不同的结构体系，草砖房可分为以下几种：草砖承重体系(NEBRASKA体系)、轻质木材框架草砖填充体系、梁柱式体系和混合体系4种。4-1草砖承重体系(NEBRASKA体系)图4-1草砖承重体系结构草砖直接承重墙承受屋顶的压力，不需要其他任何结构框架，就像普通的砖块一样垒起来。这种建造方式简单、直接易懂，建造快，非常适合自建。缺点是如果建造体量大的房屋非常困难，而且结构稳定性不是太好。4-2轻质木材框架草砖填充体系使用草砖承重体系。房顶必须在草砖墙全部完成后才能搭起。如果遇到不良的天气。在未盖好之前草砖墙就不能得到屋顶的保护。为了解决这个问题，在对直接承重式建造方式改进后。在房屋的四角和门窗的两边布置轻质木框架。使得在垒砌草砖之前屋顶框架就可以先搭起来。给草砖提供保护，这就是轻质框架结构体系(图2)。它不但保留了直接承重式的优点。同时也可先搭好屋顶保护草砖墙。相比第一种建造方式会有更好的稳定性。与传统图4-2 草砖建筑的构成的梁柱式相比少用了很多的木材。但缺点是建造方式比第一种复杂。而且防火性能不是太好。4-3 梁柱式体系这种结构体系以竖向的柱子和横向的梁组合成框架结构来支撑屋顶。在建造方法中，屋顶的重量由木材、钢材或者钢筋混凝土框架承担，草砖只是作为一种填充材料填在柱子和柱子之间。这种体系不但具有轻质框架体系的优点。而且当和钢材等建筑材料结合使用时，可以创造出更大的空间。缺点是建造方式复杂，需要具有很高木工技能或者钢材施工经验的木匠，而且木材用量很大，另外就是耐火性能比较差，建议使用轻质钢架结构。4-4草砖房的建造方法修建草砖房和砖混结构房屋相差不是太大，但是由于草砖房的防潮要求较高，因此在地基以及墙体防潮上要求较高。具体来说，基体最好使用混凝土，在混凝土和草砖之间加一道防潮层（一般使用木材），并起到地基梁的作用。墙体内外表面有很多处理方法，最常见、效果最好的是使用泥土、石灰和砂子混合粉刷，这样可以有效防止虫蛀，同时提高房屋耐久性。最好不要使用水泥砂浆来抹面，水泥砂浆砌层透气差，草砖里的水无法与外界交换，严重时会使草腐烂，降低房屋的使