天然微集料的功能與集成
2005-06-13 00:00
摘 要： 本文從智能建筑和生態(tài)建筑所需要的多功能建材的角度，分析了生態(tài)建材與天然微集料功能集成的關系，指出應抓住生態(tài)建材功能的“基因”，微集料的光、熱、電、磁、波等以及結構、界面、復合等方面進行開發(fā)研究，并把這些功能進行集成。生態(tài)建材的微集料功能與集成開發(fā)研究主要側重于結構仿生功能開發(fā)、環(huán)境協(xié)調功能開發(fā)、不同微集料功能的集成規(guī)律與技術開發(fā)。
關鍵詞： 生態(tài)建材； 微集料； 功能； 集成
要解決建筑材料在功能方面存在的不足，必須加大力度， 開發(fā)研制符合生態(tài)和環(huán)境要求的新型功能型建材。發(fā)展生態(tài)建材必須加強建材功能原理的研究，包括基礎理論和工藝原理的研究。近幾十年來，在研究結構材料取得巨大成就的同時， 特別注意對具有特殊物理、化學和生物學特性材料的研究，即功能材料的研究。有人把功能材料（特別是智能材料）的研制稱為現(xiàn)代煉丹術，是對傳統(tǒng)材料科學的挑戰(zhàn)。
建筑材料的功能化研究受到越來越廣泛的重視，特別是與仿生結構功能和環(huán)境協(xié)調功能相聯(lián)系的功能建材（即生態(tài)建材），已成為21 世紀建材發(fā)展的重要方向[ 1 ] 。
1 生態(tài)多功能型建材是21 世紀建筑業(yè)的主導材料
居室是人類生活的主要空間，人們一生中的絕大部分時間是在室內度過的。隨著社會的進步和經濟的發(fā)展，人們對居室的要求不再僅僅是遮風避雨、維持生存，而是追求更為舒適和
目前，世界上許多發(fā)達國家都投入很大力量研究開發(fā)建筑材料的生態(tài)功能。除利用仿生學原理制造各種各樣的結構材料外，業(yè)已開發(fā)出可以抗菌、除臭的光催化殺菌、防霉陶瓷，可
建材的生態(tài)功能可充分發(fā)揮其環(huán)境協(xié)調作用。例如：具調溫、調濕、吸收二氧化碳的建筑材料可達到調節(jié)居室內小環(huán)境的能力，使人類居住條件更為優(yōu)越；具防火、防水、隔音、調光等功能的建筑材料，可使居室感到更有安全感、舒適感。建筑材料的環(huán)境協(xié)調功能的研究是改善人們生活條件，構筑舒適宜人的生存空間所不可缺少的，將成為21 世紀最具活力的研究內容之一，有著廣闊的應用前景[ 2 ] 。
我國人口多、密度大、居住密集，這更需要經常保護和改善室內小環(huán)境。為了創(chuàng)造人類健康和長壽的小環(huán)境，開發(fā)抗菌材料、吸臭材料、調溫、調濕材料和有利于健康的其它功能材料是非常必要的。目前國際上已開發(fā)了有抗菌性能并無毒的乳膠漆、涂料、抗菌面磚和衛(wèi)生陶瓷等。
21 世紀民用建筑所使用的材料應該是具有多功能的、促進健康和提高生活質量的生態(tài)建筑材料。
地球上生活著各種各樣的動物和植物，它們以其精巧的軀體結構和特異的生存功能給建筑材料功能的研究以新的、有益的啟示。建材仿生可從生物軀體的組織結構、化學成分、色彩及生態(tài)特征等方面獲得生態(tài)功能的原理，并應用于建筑材料的生產。
在建材的結構和功能上，人們利用仿生學原理，取得了很大的成效。例如模仿蜂巢的組織結構，生產出了輕質高強、保溫隔熱的蜂窩泡沫混凝土、加氣混凝土、泡沫玻璃等等。在仿生方面人們應用一定結構的裝飾材料，可將風、光等對建筑產生負面影響的能量，轉化為高層建筑環(huán)境所需能量的一部分，化害為利，變廢為寶，創(chuàng)造更富有活力的生存與行為環(huán)境，并滿足節(jié)能的要求；在色彩和質感上，人們也利用仿生原理，研究出千姿百態(tài)、五彩繽紛的建筑材料，可緩解人們的情緒和壓力，達到調節(jié)氛圍的作用；在成分上，生物的組成并非復雜，其構筑也是在低溫下進行的，這給人們很大的啟示，并促使人們尋找化學組成簡單、工藝簡單并節(jié)省能量、減少環(huán)境污染的新型技術。又如，人們利用荷葉的出污泥而不染的特性，研制出自凈和防污漬防水材料和涂料。
我國是能源消耗大國，建筑能耗占全國能源消耗總量的四分之一，比發(fā)達國家高三倍。使用保溫隔熱材料，降低墻體材料的導熱系數(shù)，采用高新技術開發(fā)利用太陽能，加強建筑保溫是節(jié)能降耗的最有效措施之一。
日本把太陽電池與外墻和瓦片一體化后解決了陰影時太陽電池的轉換效率以及貯能系統(tǒng)等一系列問題，并提出2600 萬戶太陽住宅的計劃。因此，研究太陽能貯熱的墻體和屋面、光電發(fā)電、致冷墻體和屋面等高新技術，是進一步提高電熱轉換率、節(jié)約能源、降低成本的有效措施。因此，建材微集料功能的開發(fā)與應用，直接影響到建筑的節(jié)能、降耗和資源消耗。微集料的功能開發(fā)與應用是提高。
21 世紀建筑綜合功能的主要發(fā)展方向。
2 微集料功能集成是生態(tài)建材實現(xiàn)多功能化的根本問題
微集料的功能問題，是生態(tài)建材的基因問題；微集料復合后的功能集成問題，是生態(tài)建材多功能化或功能復合化的關鍵問題。
建材生態(tài)功能的研究涉及許多基礎學科，如晶體結構學、能態(tài)學、熱學、光學、生物擬態(tài)學、環(huán)境學等。材料具備一定的生態(tài)功能是基于成分、結構或復合構造與復合界面的不同特性，這些特性可歸屬為化學、物理或結構效應引起的，且具備一定的規(guī)律。
建筑材料生態(tài)功能主要涉及材料的一次功能，即材料具有輸出的能量與輸入的能量屬于同種形式的屬性，如力學功能、聲學功能、熱學功能等；也涉及材料的二次功能，即高次功能， 這類材料輸出的能量與輸入的能量屬于不同種形式的屬性，如光電轉換功能，光分解反應功能等。
2.1 微集料結構仿生功能與集成
仿生學已有悠久的歷史，并有大量的由生物擬態(tài)學的啟示開發(fā)的仿生材料。早期飛機的就是模擬蜻蜒飛行設計的。現(xiàn)在人類已能夠設計制造更高性能的結構材料、功能材料、智能材料，并且將在不同尺度上制造材料（如納米級～分子級等）。解剖學研究表明，動物或人的皮是具多功能結構的典型智能生物材料之一，具有可彎曲變形、調節(jié)溫度、防水、阻止化學物質和細菌進入及自修復等功能的復雜層狀組織。比利時的建筑師與工程師模仿變色蜥蜴的皮膚具有對環(huán)境能作出反應的特點，在建筑界面外裝置一層遮陽百葉作雙層皮，通風管道置于雙層皮中。夏天可阻擋陽光，減少冷氣負荷，冬天雙層皮又可作日光采集器，加熱空氣，預熱空調。這既達到了裝飾的目的，又達到了節(jié)能的目的。
生物材料的微觀組織和性能關系的研究為材料合成技術提供了許多新思想。研究發(fā)現(xiàn)，盡管是同一種材料，但其組織形態(tài)差異很大，有的可提供極高的力學性能，科學家對昆土蘭果殼的研究發(fā)現(xiàn)，它所以極難形成裂紋的原因是堅硬的果殼含有纖維束，而且是任意方向的，幾乎100 %占據(jù)了殼的空間，在整體上形成各向同性體。這種結構的結果是不存在任何薄弱的環(huán)節(jié)使裂紋得以傳播。這表明在微集料型建筑材料中，纖維型集料必須在各個方向上無定向分布才能達到最佳的強度，或者盡可能使纖維狀礦物在材料中無擇優(yōu)取向性生長。前者的原理可應用于玻璃纖維等作集料的墻體材料或其它建材制品中，后者的原理可應用于石膏及微孔硅酸鈣等制做墻體材料或其它建材制品中。
蜜蜂用蜂蠟建造的巢穴強度高、保溫、隔熱、吸音、透氣性好；貝殼在化學成分上95 %是碳酸鈣（文石），5 %是有機質，兩者粘結成在構造上呈曲面型強度很高的整體，而且并不需要高溫燒結。其抗張強度高達100 兆帕，遠大于水泥。這給人類一重要啟示。目前人類使用的主要膠凝材料或為無機或為有機膠凝材料，且存在前者強度低、成本高，后者毒性大、安全性低的問題。美國國家實驗室已研制出一種高強度聚合物水泥，它是用水溶性糖醛醇的聚合物制成的，組分少，工藝簡單，可用于快速修補公路、橋梁和機場跑道。我國古代勞動人民利用石灰和糯米糊制作的膠凝材料，耐久性高，強度高。
以上表明生物擬態(tài)學在建材生產中占有十分重要的位置， 應加強研究，努力開拓發(fā)展仿生建材技術與產品。仿生建材中微集料（如昆土蘭果殼中的單根纖維）的功能研究非常重要，但微集料功能的集成規(guī)律（尤如昆土蘭果殼中所有纖維的無定向均勻交織排布）研究，同樣應受到特別的重視。
2.1.2 多孔微集料的功能集成是節(jié)能降耗型建材功能的前提
我國是能源消耗大國，應用保溫隔熱材料，加強建筑保溫是建筑節(jié)能降耗的最有效措施之一。據(jù)統(tǒng)計，我國用于采暖年能耗111 億噸標準煤，比發(fā)達國家高3 倍，外墻傳熱系數(shù)高4 ～5 倍。因此，解決傳熱系數(shù)小于1W/ m2·K的墻體材料是建筑節(jié)能降耗的關鍵。
自然界產出的某些天然礦物或巖石，由于它們具有密度小、熱導率低而具有良好的保溫、隔熱功能，如纖蛇紋石石棉、纖維水鎂石、纖維狀海泡石及浮巖、硅藻土、火山凝灰?guī)r等；部分礦物或巖石自然狀態(tài)不具有上述功能，如：蛭石、珍珠巖、黑耀巖、頁巖等；它們的焙燒加工產物具備上述功能，如膨脹蛭石、膨脹珍珠巖、膨脹頁巖等；現(xiàn)在已開發(fā)生產出多種具有上述功能的人工集料，如陶粒、巖棉、微孔硅酸鈣、漂珠等。具有保溫、隔熱功能的材料同時具備輕質、吸音的功能。
上述天然礦物巖石材料或人工合成材料其共同的功能屬性是多孔。但它們各自的微孔特征是不同的，包括孔的大小、形狀、連通情況等。研究同種微集料氣孔的大小、形狀、連通性與熱導性、吸聲率等的關系以及對輕質、保溫、隔熱性而言，功能之間的影響，研究多種微集料復合后即功能集成后熱導性、吸聲率等變化以及集成功能的變化，探討最佳配方，并從理論上總結集成規(guī)律，以指導節(jié)能降耗型功能建材的生產。
蛭石的可改造性與工業(yè)利用前期研究結果表明，作為多孔性微集料膨脹蛭石具有良好的輕質、保溫、隔熱、阻燃、吸音及吸收/ 放出水分（調節(jié)濕度）等多種功能，是建材多功能體的典型材料之一，但這些功能的集成規(guī)律和與其它屬性不同的微集料復合和集成功能的研究還需要進一步深入[ 3 ] 。
隔熱保溫功能材料涉及多種學科，如傳熱學等。多孔性微集料功能研究的關鍵是材料的熱物性質的機理的研究，包括熱導、熱膨脹、熱輻射等。研究表明，固體材料的熱物理性質取決于它們晶格振動或熱振動。從量子理論出發(fā)，可以用聲子來描述固體中的晶格振動。固體材料的熱導率主要取決于聲子的平均自由程。多孔性微集料的熱物理性質與固體材料的熱物理性質的形成機理有其共同的方面，但差別仍很大，其機理的研究與微集料的多孔性特征等有關。前期結果表明多孔性微集料熱物理性質除受孔的形狀大小、連通性的因素影響外，還與孔的組合規(guī)律性、構成多孔微集料的晶格對稱性、原子量、彈性及密度等因素有關。
多孔微集料的研究除對建筑節(jié)能降耗及改善微環(huán)境有重要意義外，還對輕質、高強及吸聲、隔音材料的研究具有重要的意義。
2.2 微集料環(huán)境協(xié)調功能與集成規(guī)律研究
環(huán)境與人存在基本的能量和物質的轉換關系、循環(huán)關系。環(huán)境協(xié)調材料就是在人一定的活動空間內調整光、熱、空氣、水分等媒質維持良好的狀態(tài)，達到人與環(huán)境的能量與物質供需平衡狀態(tài)，使居住環(huán)境舒適、人體處于一種健康狀態(tài)。
1、調整微氣候環(huán)境材料：采用帶有天然或人工微孔如沸石、海泡石、坡縷石、硅藻土等材料：利用這種材料的“呼吸”功能、貯熱功能、水———水蒸汽轉換功能、調整小空間的氣溫、濕度變化和熱輻射影響。其原理是利用多孔材料對分子大小不同的氣體如O2 、CO2 、H2O 蒸汽選擇性吸附、脫附、透過的原理或不同相轉換和熱熔大的特點，調節(jié)空氣中的CO2 的濃度、水蒸汽的百分比和室內溫度。這類材料研究的關鍵是調整的輻度和各種調整功能的銜接與一體化。
2、凈化微環(huán)境材料： 噪聲、電磁輻射（從紫外———可見———紅外———微波）粉塵與活性有機物污染等對人居住空間和人身健康帶來危害。利用噪聲和電磁輻射均是波的形成的污染特征，采用相應孔級級配吸收波的方式消除對聽覺、皮膚、器官的損傷。吸波、濾波和抵抗波破壞性是這類材料研究的難點，研究材料孔結構與分布與波能的關系是解決該類材料應用的前提。開發(fā)重點應是選用天然多孔材料和人工帶孔材料。針對天然多孔材料和纖維材料中有強吸附作用、強脫水作用、機械刺入作用以及貴金屬離子和短波長光線的殺傷作用研制吸附脫塵、吸附殺傷活性生物材料。例如利用硅灰石、纖維海泡石吸附、刺入作用殺傷寄生蟲、細菌等。又如利用Ag/ 沸石對芽胞桿菌、綠膿桿菌、沙門氏菌、葡萄球菌、大腸桿菌、霍亂等病菌，尤其是對肝炎病毒有良好滅殺效果（日本正在試驗用在O - 157 病菌的滅殺上）及穩(wěn)定期長、使用廣泛、安全性好、無毒、高效的特點，制成多功能微粒系列、復粒系列，可廣泛以膜、纖維、板塊、顆粒的形式交叉組合，這種多功能微集料具有殺菌性廣泛、耐熱性高、使用方便的特點。
Cu 基、Zn 基、Ag 基固體殺菌系列微集料可組裝在陶瓷基、有機基等裝飾材料上發(fā)揮它們的殺菌作用。如利用泡沫固定多功能微集料使其在潮濕、陽光不充分的地方緩慢釋放殺菌因子達到消除霉菌的目的。
二氧化氯具有放出原子氧的功能，是一種負氧離子化學劑，用多孔材料固定載附系列微集料，可組裝在室內空調系統(tǒng)中清新空氣，仿造回歸大自然的感覺。另外，利用改型多孔材料如Ag/ 沸石對NOx 的選擇性吸附功能可以交換居室環(huán)境中低濃度NOx ，并利用其對N2O、NO+ 可逆吸附及NO- 、NO3 不可逆吸附功能，利用太陽能或電子輻射再生。該功能微集料是解決尾氣污染的有效途徑[ 4 ] 。
3 結論
1、生態(tài)建材與天然微集料功能與集成應抓住生態(tài)建材功能的“基因”微集料的光、熱、電、磁、波等以及結構、界面、復合等方面進行開發(fā)研究并把這些功能進行集成。
2、生態(tài)建材的微集料功能與集成開發(fā)研究主要側重于微集料如下方面：結構仿生功能開發(fā)研究；環(huán)境協(xié)調功能開發(fā)研究；不同微集料功能的集成規(guī)律與技術開發(fā)。
參考文獻
關鍵詞： 生態(tài)建材； 微集料； 功能； 集成
當前材料的發(fā)展趨勢可以歸納為以下幾個特點：復合化、多功能化、智能化、低維化和設計、工藝、功能一體化。材料通過復合可得到新的功能或使之多功能化，甚至智能化。目前， 廣泛使用的普通建材在功能方面存在如下問題， ①功能單一； ②熱損失大； ③環(huán)境協(xié)調性差； ④含有害物質。
要解決建筑材料在功能方面存在的不足，必須加大力度， 開發(fā)研制符合生態(tài)和環(huán)境要求的新型功能型建材。發(fā)展生態(tài)建材必須加強建材功能原理的研究，包括基礎理論和工藝原理的研究。近幾十年來，在研究結構材料取得巨大成就的同時， 特別注意對具有特殊物理、化學和生物學特性材料的研究，即功能材料的研究。有人把功能材料（特別是智能材料）的研制稱為現(xiàn)代煉丹術，是對傳統(tǒng)材料科學的挑戰(zhàn)。
建筑材料的功能化研究受到越來越廣泛的重視，特別是與仿生結構功能和環(huán)境協(xié)調功能相聯(lián)系的功能建材（即生態(tài)建材），已成為21 世紀建材發(fā)展的重要方向[ 1 ] 。
建筑材料的生態(tài)功能是指建筑材料在使用過程中所表現(xiàn)出的與生態(tài)學和環(huán)境學相聯(lián)系的一系列屬性。微集料是指材料中能夠顯示特定功能，并在復合、疊加后產生功能協(xié)同效應
的獨立組元。
1 生態(tài)多功能型建材是21 世紀建筑業(yè)的主導材料
1.1 環(huán)境協(xié)調材料符合人們改善居住條件的要求
居室是人類生活的主要空間，人們一生中的絕大部分時間是在室內度過的。隨著社會的進步和經濟的發(fā)展，人們對居室的要求不再僅僅是遮風避雨、維持生存，而是追求更為舒適和
有利身心健康的條件，這已是世界建筑發(fā)展的方向。
當前用于室內的裝飾、裝修材料的施工和使用過程中揮發(fā)和散發(fā)著有害的氣體和物質，這些氣體和物質污染室內空氣， 并引起多種疾病，影響著人們的身體健康。建筑材料的毒性和對人體健康的危害體現(xiàn)在它的制造、使用和后期處理的全過程。由于大多數(shù)人有90 %的時間都是在室內渡過，所以減少室內污染尤為重要。
目前，世界上許多發(fā)達國家都投入很大力量研究開發(fā)建筑材料的生態(tài)功能。除利用仿生學原理制造各種各樣的結構材料外，業(yè)已開發(fā)出可以抗菌、除臭的光催化殺菌、防霉陶瓷，可
控離子釋放型抗菌玻璃，電致臭氧除臭、殺菌陶瓷等新型陶瓷裝飾材料和衛(wèi)生潔具。這些材料用于居室，尤其是廚房、廁所等細菌易于繁殖滋生的地方，是改善居室生活環(huán)境的理想材料，也是公共場所理想的裝飾、裝修材料。
建材的生態(tài)功能可充分發(fā)揮其環(huán)境協(xié)調作用。例如：具調溫、調濕、吸收二氧化碳的建筑材料可達到調節(jié)居室內小環(huán)境的能力，使人類居住條件更為優(yōu)越；具防火、防水、隔音、調光等功能的建筑材料，可使居室感到更有安全感、舒適感。建筑材料的環(huán)境協(xié)調功能的研究是改善人們生活條件，構筑舒適宜人的生存空間所不可缺少的，將成為21 世紀最具活力的研究內容之一，有著廣闊的應用前景[ 2 ] 。
我國人口多、密度大、居住密集，這更需要經常保護和改善室內小環(huán)境。為了創(chuàng)造人類健康和長壽的小環(huán)境，開發(fā)抗菌材料、吸臭材料、調溫、調濕材料和有利于健康的其它功能材料是非常必要的。目前國際上已開發(fā)了有抗菌性能并無毒的乳膠漆、涂料、抗菌面磚和衛(wèi)生陶瓷等。
利用仿生原理還可生產智能建材，它是一種能“感覺”出周圍環(huán)境的變化并能針對環(huán)境的變化采取相應對策的材料。當外界的壓力、聲音、溫度、光波、電磁波等物理量的變化時，它將產生新的自適應變化，進而顯示其功能。如調色、調溫、儲熱、儲電、主動質量阻尼技術等。
21 世紀民用建筑所使用的材料應該是具有多功能的、促進健康和提高生活質量的生態(tài)建筑材料。
1.2 微集料的功能開發(fā)與應用是提高21 世紀建筑綜合功能的主要發(fā)展方向
地球上生活著各種各樣的動物和植物，它們以其精巧的軀體結構和特異的生存功能給建筑材料功能的研究以新的、有益的啟示。建材仿生可從生物軀體的組織結構、化學成分、色彩及生態(tài)特征等方面獲得生態(tài)功能的原理，并應用于建筑材料的生產。
在建材的結構和功能上，人們利用仿生學原理，取得了很大的成效。例如模仿蜂巢的組織結構，生產出了輕質高強、保溫隔熱的蜂窩泡沫混凝土、加氣混凝土、泡沫玻璃等等。在仿生方面人們應用一定結構的裝飾材料，可將風、光等對建筑產生負面影響的能量，轉化為高層建筑環(huán)境所需能量的一部分，化害為利，變廢為寶，創(chuàng)造更富有活力的生存與行為環(huán)境，并滿足節(jié)能的要求；在色彩和質感上，人們也利用仿生原理，研究出千姿百態(tài)、五彩繽紛的建筑材料，可緩解人們的情緒和壓力，達到調節(jié)氛圍的作用；在成分上，生物的組成并非復雜，其構筑也是在低溫下進行的，這給人們很大的啟示，并促使人們尋找化學組成簡單、工藝簡單并節(jié)省能量、減少環(huán)境污染的新型技術。又如，人們利用荷葉的出污泥而不染的特性，研制出自凈和防污漬防水材料和涂料。
我國是能源消耗大國，建筑能耗占全國能源消耗總量的四分之一，比發(fā)達國家高三倍。使用保溫隔熱材料，降低墻體材料的導熱系數(shù)，采用高新技術開發(fā)利用太陽能，加強建筑保溫是節(jié)能降耗的最有效措施之一。
日本把太陽電池與外墻和瓦片一體化后解決了陰影時太陽電池的轉換效率以及貯能系統(tǒng)等一系列問題，并提出2600 萬戶太陽住宅的計劃。因此，研究太陽能貯熱的墻體和屋面、光電發(fā)電、致冷墻體和屋面等高新技術，是進一步提高電熱轉換率、節(jié)約能源、降低成本的有效措施。因此，建材微集料功能的開發(fā)與應用，直接影響到建筑的節(jié)能、降耗和資源消耗。微集料的功能開發(fā)與應用是提高。
21 世紀建筑綜合功能的主要發(fā)展方向。
2 微集料功能集成是生態(tài)建材實現(xiàn)多功能化的根本問題
微集料的功能問題，是生態(tài)建材的基因問題；微集料復合后的功能集成問題，是生態(tài)建材多功能化或功能復合化的關鍵問題。
建材生態(tài)功能的研究涉及許多基礎學科，如晶體結構學、能態(tài)學、熱學、光學、生物擬態(tài)學、環(huán)境學等。材料具備一定的生態(tài)功能是基于成分、結構或復合構造與復合界面的不同特性，這些特性可歸屬為化學、物理或結構效應引起的，且具備一定的規(guī)律。
建材微集料生態(tài)功能的研究應向微觀和宏觀兩極發(fā)展。宏觀水平的研究，從仿生發(fā)展到構造材料的結構，進而獲得高的結構強度、輕質、保溫、隔熱、隔音及其他性能。微觀水平的研究，從組成材料的礦物個體，乃至深入到分子、原子的層次。微集料功能集成的定向性變化需從宏觀水平和微觀水平上進行綜合研究。
建筑材料生態(tài)功能主要涉及材料的一次功能，即材料具有輸出的能量與輸入的能量屬于同種形式的屬性，如力學功能、聲學功能、熱學功能等；也涉及材料的二次功能，即高次功能， 這類材料輸出的能量與輸入的能量屬于不同種形式的屬性，如光電轉換功能，光分解反應功能等。
2.1 微集料結構仿生功能與集成
2.1.1 生物擬態(tài)學與仿生材料
仿生學已有悠久的歷史，并有大量的由生物擬態(tài)學的啟示開發(fā)的仿生材料。早期飛機的就是模擬蜻蜒飛行設計的。現(xiàn)在人類已能夠設計制造更高性能的結構材料、功能材料、智能材料，并且將在不同尺度上制造材料（如納米級～分子級等）。解剖學研究表明，動物或人的皮是具多功能結構的典型智能生物材料之一，具有可彎曲變形、調節(jié)溫度、防水、阻止化學物質和細菌進入及自修復等功能的復雜層狀組織。比利時的建筑師與工程師模仿變色蜥蜴的皮膚具有對環(huán)境能作出反應的特點，在建筑界面外裝置一層遮陽百葉作雙層皮，通風管道置于雙層皮中。夏天可阻擋陽光，減少冷氣負荷，冬天雙層皮又可作日光采集器，加熱空氣，預熱空調。這既達到了裝飾的目的，又達到了節(jié)能的目的。
生物材料的微觀組織和性能關系的研究為材料合成技術提供了許多新思想。研究發(fā)現(xiàn)，盡管是同一種材料，但其組織形態(tài)差異很大，有的可提供極高的力學性能，科學家對昆土蘭果殼的研究發(fā)現(xiàn)，它所以極難形成裂紋的原因是堅硬的果殼含有纖維束，而且是任意方向的，幾乎100 %占據(jù)了殼的空間，在整體上形成各向同性體。這種結構的結果是不存在任何薄弱的環(huán)節(jié)使裂紋得以傳播。這表明在微集料型建筑材料中，纖維型集料必須在各個方向上無定向分布才能達到最佳的強度，或者盡可能使纖維狀礦物在材料中無擇優(yōu)取向性生長。前者的原理可應用于玻璃纖維等作集料的墻體材料或其它建材制品中，后者的原理可應用于石膏及微孔硅酸鈣等制做墻體材料或其它建材制品中。
蜜蜂用蜂蠟建造的巢穴強度高、保溫、隔熱、吸音、透氣性好；貝殼在化學成分上95 %是碳酸鈣（文石），5 %是有機質，兩者粘結成在構造上呈曲面型強度很高的整體，而且并不需要高溫燒結。其抗張強度高達100 兆帕，遠大于水泥。這給人類一重要啟示。目前人類使用的主要膠凝材料或為無機或為有機膠凝材料，且存在前者強度低、成本高，后者毒性大、安全性低的問題。美國國家實驗室已研制出一種高強度聚合物水泥，它是用水溶性糖醛醇的聚合物制成的，組分少，工藝簡單，可用于快速修補公路、橋梁和機場跑道。我國古代勞動人民利用石灰和糯米糊制作的膠凝材料，耐久性高，強度高。
以上表明生物擬態(tài)學在建材生產中占有十分重要的位置， 應加強研究，努力開拓發(fā)展仿生建材技術與產品。仿生建材中微集料（如昆土蘭果殼中的單根纖維）的功能研究非常重要，但微集料功能的集成規(guī)律（尤如昆土蘭果殼中所有纖維的無定向均勻交織排布）研究，同樣應受到特別的重視。
2.1.2 多孔微集料的功能集成是節(jié)能降耗型建材功能的前提
我國是能源消耗大國，應用保溫隔熱材料，加強建筑保溫是建筑節(jié)能降耗的最有效措施之一。據(jù)統(tǒng)計，我國用于采暖年能耗111 億噸標準煤，比發(fā)達國家高3 倍，外墻傳熱系數(shù)高4 ～5 倍。因此，解決傳熱系數(shù)小于1W/ m2·K的墻體材料是建筑節(jié)能降耗的關鍵。
自然界產出的某些天然礦物或巖石，由于它們具有密度小、熱導率低而具有良好的保溫、隔熱功能，如纖蛇紋石石棉、纖維水鎂石、纖維狀海泡石及浮巖、硅藻土、火山凝灰?guī)r等；部分礦物或巖石自然狀態(tài)不具有上述功能，如：蛭石、珍珠巖、黑耀巖、頁巖等；它們的焙燒加工產物具備上述功能，如膨脹蛭石、膨脹珍珠巖、膨脹頁巖等；現(xiàn)在已開發(fā)生產出多種具有上述功能的人工集料，如陶粒、巖棉、微孔硅酸鈣、漂珠等。具有保溫、隔熱功能的材料同時具備輕質、吸音的功能。
上述天然礦物巖石材料或人工合成材料其共同的功能屬性是多孔。但它們各自的微孔特征是不同的，包括孔的大小、形狀、連通情況等。研究同種微集料氣孔的大小、形狀、連通性與熱導性、吸聲率等的關系以及對輕質、保溫、隔熱性而言，功能之間的影響，研究多種微集料復合后即功能集成后熱導性、吸聲率等變化以及集成功能的變化，探討最佳配方，并從理論上總結集成規(guī)律，以指導節(jié)能降耗型功能建材的生產。
蛭石的可改造性與工業(yè)利用前期研究結果表明，作為多孔性微集料膨脹蛭石具有良好的輕質、保溫、隔熱、阻燃、吸音及吸收/ 放出水分（調節(jié)濕度）等多種功能，是建材多功能體的典型材料之一，但這些功能的集成規(guī)律和與其它屬性不同的微集料復合和集成功能的研究還需要進一步深入[ 3 ] 。
隔熱保溫功能材料涉及多種學科，如傳熱學等。多孔性微集料功能研究的關鍵是材料的熱物性質的機理的研究，包括熱導、熱膨脹、熱輻射等。研究表明，固體材料的熱物理性質取決于它們晶格振動或熱振動。從量子理論出發(fā)，可以用聲子來描述固體中的晶格振動。固體材料的熱導率主要取決于聲子的平均自由程。多孔性微集料的熱物理性質與固體材料的熱物理性質的形成機理有其共同的方面，但差別仍很大，其機理的研究與微集料的多孔性特征等有關。前期結果表明多孔性微集料熱物理性質除受孔的形狀大小、連通性的因素影響外，還與孔的組合規(guī)律性、構成多孔微集料的晶格對稱性、原子量、彈性及密度等因素有關。
多孔微集料的研究除對建筑節(jié)能降耗及改善微環(huán)境有重要意義外，還對輕質、高強及吸聲、隔音材料的研究具有重要的意義。
2.2 微集料環(huán)境協(xié)調功能與集成規(guī)律研究
環(huán)境與人存在基本的能量和物質的轉換關系、循環(huán)關系。環(huán)境協(xié)調材料就是在人一定的活動空間內調整光、熱、空氣、水分等媒質維持良好的狀態(tài)，達到人與環(huán)境的能量與物質供需平衡狀態(tài)，使居住環(huán)境舒適、人體處于一種健康狀態(tài)。
1、調整微氣候環(huán)境材料：采用帶有天然或人工微孔如沸石、海泡石、坡縷石、硅藻土等材料：利用這種材料的“呼吸”功能、貯熱功能、水———水蒸汽轉換功能、調整小空間的氣溫、濕度變化和熱輻射影響。其原理是利用多孔材料對分子大小不同的氣體如O2 、CO2 、H2O 蒸汽選擇性吸附、脫附、透過的原理或不同相轉換和熱熔大的特點，調節(jié)空氣中的CO2 的濃度、水蒸汽的百分比和室內溫度。這類材料研究的關鍵是調整的輻度和各種調整功能的銜接與一體化。
2、凈化微環(huán)境材料： 噪聲、電磁輻射（從紫外———可見———紅外———微波）粉塵與活性有機物污染等對人居住空間和人身健康帶來危害。利用噪聲和電磁輻射均是波的形成的污染特征，采用相應孔級級配吸收波的方式消除對聽覺、皮膚、器官的損傷。吸波、濾波和抵抗波破壞性是這類材料研究的難點，研究材料孔結構與分布與波能的關系是解決該類材料應用的前提。開發(fā)重點應是選用天然多孔材料和人工帶孔材料。針對天然多孔材料和纖維材料中有強吸附作用、強脫水作用、機械刺入作用以及貴金屬離子和短波長光線的殺傷作用研制吸附脫塵、吸附殺傷活性生物材料。例如利用硅灰石、纖維海泡石吸附、刺入作用殺傷寄生蟲、細菌等。又如利用Ag/ 沸石對芽胞桿菌、綠膿桿菌、沙門氏菌、葡萄球菌、大腸桿菌、霍亂等病菌，尤其是對肝炎病毒有良好滅殺效果（日本正在試驗用在O - 157 病菌的滅殺上）及穩(wěn)定期長、使用廣泛、安全性好、無毒、高效的特點，制成多功能微粒系列、復粒系列，可廣泛以膜、纖維、板塊、顆粒的形式交叉組合，這種多功能微集料具有殺菌性廣泛、耐熱性高、使用方便的特點。
Cu 基、Zn 基、Ag 基固體殺菌系列微集料可組裝在陶瓷基、有機基等裝飾材料上發(fā)揮它們的殺菌作用。如利用泡沫固定多功能微集料使其在潮濕、陽光不充分的地方緩慢釋放殺菌因子達到消除霉菌的目的。
二氧化氯具有放出原子氧的功能，是一種負氧離子化學劑，用多孔材料固定載附系列微集料，可組裝在室內空調系統(tǒng)中清新空氣，仿造回歸大自然的感覺。另外，利用改型多孔材料如Ag/ 沸石對NOx 的選擇性吸附功能可以交換居室環(huán)境中低濃度NOx ，并利用其對N2O、NO+ 可逆吸附及NO- 、NO3 不可逆吸附功能，利用太陽能或電子輻射再生。該功能微集料是解決尾氣污染的有效途徑[ 4 ] 。
3 結論
1、生態(tài)建材與天然微集料功能與集成應抓住生態(tài)建材功能的“基因”微集料的光、熱、電、磁、波等以及結構、界面、復合等方面進行開發(fā)研究并把這些功能進行集成。
2、生態(tài)建材的微集料功能與集成開發(fā)研究主要側重于微集料如下方面：結構仿生功能開發(fā)研究；環(huán)境協(xié)調功能開發(fā)研究；不同微集料功能的集成規(guī)律與技術開發(fā)。
參考文獻
[1 ]龔方田，王世忠。生態(tài)建材21 世紀中國建材的希望[J ] 。中國建材， 1998 ， （1）：34 - 36。
[2 ]金磊。住區(qū)可持續(xù)發(fā)展的關鍵———綠色住宅與綠色建材（之一）——— 國外綠色建筑的發(fā)展。中國環(huán)保產業(yè)，1999 ， （6）：26 - 27。
[3 ]王正海，曹貞源。蛭石的應用現(xiàn)狀及開發(fā)前景[J ] 。新型建筑材料， 1998 ， （6）：11 - 12。
[4 ]Dong Faqin。The elementary materials of eco2function The papers of The Third International Forum on Advanced Material Science and Technology ，2002 ，Anshan。
[作者簡介] 董發(fā)勤（1963 - ），博士，教授，男，長期從事環(huán)境礦物材料教學與研究工作。
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