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基于林业资源的绿色建筑材料开发与应用

2024-11-17 7 上传者：管理员

摘要：本文通过分析和研究林业资源在绿色建筑材料开发与应用中的重要性，提出了利用竹材、木材等林业资源开发绿色、环保新型墙体材料的设想。研究表明，竹材和木材等天然林业资源，具有生长快、强度高、绿色环保等优点。但是竹木材在建筑材料应用方面也存在防火性差、保温性差、使用寿命短等问题。为解决这些问题，本文设想通过物理化学处理等技术手段提高其性能。本文的研究为利用林业资源开发绿色建材，推动我国建筑业的可持续发展提供了参考。

关键词：
墙体材料
木材
林业资源
竹材
绿色建材
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随着社会的发展，人们对建筑材料的要求越来越高，追求建材性能优异的同时也更加注重其对环境的影响。林业资源作为可再生资源，在开发绿色、环保新型建筑材料方面具有独特优势。本文拟通过分析研究林业资源在绿色建材开发与应用中的重要性，探讨林业资源在墙体材料等建材领域的应用前景。

1、林业资源概述

林业资源是指森林生态系统中供人类利用的生物资源，主要包括木材资源、非木材林产品资源等。

木材资源是林业资源中的重要组成部分，包括各种用材树种的原木、枝条等可再生资源。非木材林产品资源则含括竹材、藤、树皮、桦木皮、枫糖等多种林下和次生林产品。我国是世界上林业资源最丰富的国家之一，林地面积2.2亿公顷，活立木蓄积量81亿立方米，可持续供应各类木材1 500万立方米/年以上。此外，中国拥有丰富的竹类资源，竹林面积约占全国森林面积的5%,分布范围西起横断山脉，东至台湾海峡。充足的林业资源为我国开发利用绿色环保型建村材料提供了原材料支撑。

2、林业资源在绿色建材中的应用现状

2.1 竹材

竹材作为我国重要的速生林资源，具有生长快、强度高、绿色环保等优点，在绿色建材领域具有广阔的应用前景[1]。目前，竹材在绿色建材领域的主要应用包括竹制地板、竹制墙体材料、装饰材料等。

根据2022年全国林业资源利用统计数据，当年我国竹材加工利用量超过1 400万立方米，较2021年增长7%。其中用于建筑材料制作的竹材超过总量的70%。从利用领域看，竹制地板是应用量最大的细分类别，2022年达到530万立方米；此外墙体材料、装饰材料等其它建筑材料的竹材消费量也持续快速增长[2]。竹制墙体材料的使用量从2021年的280万立方米上升至2022年的310万立方米。可见竹材在绿色建筑行业中的需求潜力巨大。详见表1。

表1 2021-2023年我国绿色建材中竹材利用量分领域统计

最近3年国内绿色建材领域对竹材的消费总量持续增长，2023年有望突破1 000万立方米。其中竹制墙体材料和装饰材料的需求快速上升，这为竹材相关绿色建材企业提供了广阔的发展机遇。

2.2 木材

木材作为传统建材料，近年来也向着绿色环保的方向发展。随着国家对绿色建材的扶持，木结构建筑开始受到重视。2020年我国生态木结构建筑面积较2015年增长了两倍多，达到2 100万平方米。常见的木结构建材主要包括整木、胶合板、压缩木材等[3]。其中整木按来源可分为杉木、榉木等；胶合板则利用木料、竹片等原材料制成[4]。此外，区别于传统磨制木粉，压缩木材通过高温高压将木材加工成型，大幅提高强度。由相关部门统计，2019-2022年我国常见木结构建材的产量也持续增长(见表2)。

表2 2019-2022年我国木结构建材利用量

从上表可见，最近几年我国木结构建材的产量和利用量持续增长，尤其是新型的人造木材压缩木材，发展势头良好。这预示着木材资源在绿色建材领域应用前景广阔。

3、基于林业资源开发绿色墙体材料的设想

3.1 存在问题

当前我国在利用林业资源开发绿色墙体材料过程中，主要存在如下几个问题：

3.1.1 防火性能差

根据建材检测中心2021年的测试报告显示，竹木混合墙体的耐火极限时间只有20 min,难以满足国家防火规范要求[5]。

3.1.2 保温性能差

2022年的调研显示，目前基于林业资源开发的绿色墙体材料中，超过85%的产品保温系数不能达到国标规定的最低要求[6]。

3.1.3 使用寿命短

基于林业资源的绿色墙体由于原材料的特性，极易受潮变形，使用寿命通常只有5～8年。而相比之下，普通水泥墙体材料的使用寿命可达20～30年[7]。这严重制约了基于林业资源墙体材料的推广应用，如表3所示近几年的产量数据。

表3 2020-2023年基于林业资源的绿色墙体材料产量

因此，开发性能更优异的基于林业资源的绿色墙体材料，是当前的重点研究方向。

3.2 改性处理技术

为解决当前林业资源建村材料防火性能差、保温性能差等问题，可以通过物理和化学处理手段进行改性，以提高其性能。主要技术路线如下：

3.2.1 物理改性处理

物理改性处理是提升林业资源绿色墙体材料性能的常用手段之一。典型的物理处理方法包括高温高压处理、微波和LASER光照射以及等离子体处理等。这些方法原理上都是通过外界物理能量的辐射作用，使木材或竹材内部组织结构和成分发生变化，从而调控材料的保温性和耐高温性。

具体来说，高温高压处理是利用100～250℃、5～20 MPa条件下的热压，破坏植物细胞组织的结构，降低热传导率；微波和激光的电磁波照射能快速使材料中的挥发组分升华，生成大量木炭，提高隔热性；等离子体气化和表面碳化则形成低导热系数的隔热层，增强耐高温性能[8]。除此之外，也有研究采用超声波和X射线等新型物理手段进行木材组织和成分的微观改性。这些方法成本较低，操作相对简便，是提升木材墙体材料保温耐高温性能的有效途径。

3.2.2 化学改性处理。

化学改性处理是利用各类化学药剂和涂料使木材材料发生物理化学变化，从而提高其综合性能的方法。常见的化学改性技术包括渗透性阻燃剂处理、各类阻燃或耐高温涂料涂覆等。

渗透性阻燃剂可深入渗透进入木材内部，扩散均匀。一般选择磷、氮、硼等含量丰富的溶液作为阻燃剂，通过化学反应生成难燃性能好的磷酸盐或氮硼化合物，提高木材的耐火级别。阻燃或耐火涂料的涂覆则主要依靠级联化学结构层层排布的涂膜，发挥隔热阻燃作用，避免热量向材料内部传导，阻止着火燃烧蔓延。常用的涂料有氮磷或氮硅复合涂料、双氧水化物和水玻璃涂料等[9]。

化学改性成本较低，效果显著，是提升木材墙体材料耐火性和阻燃性的重要手段。但涂料涂覆周期较短，需要维护补充。综合运用不同化学方法可实现更好改性效果。

3.2.3 复合改性处理。

复合改性处理是指综合采用物理和化学的多种手段，对木材或竹材材料进行改性处理，使各种技术达到协同效应，以更好改善墙体材料的综合性能。

典型的复合处理流程首先采用物理方法生成木炭框架，然后进行化学修饰的步骤。例如第一步使用紫外线或电子束照射木材，使其快速碳化生成木炭骨架，这样可提高抗压强度；第二步在木炭表面和内部孔隙渗透氮磷阻燃剂，平整并涂覆二氧化硅溶胶涂料，增强隔热和防火性能[10]。该双重改性使材料兼具强度高、耐高温以及难燃性的多重特点。

另外，也有先物理增强基础力学性能、后化学調控火工性能的处理顺序。复合改性技术可针对不同应用需求采用最佳工艺路线。这种新型材料改性策略表现卓越，是未来发展方向。

通过这些改性处理可有效提升基于林业资源绿色墙体材料的综合性能，满足建筑行业的多项标准要求。未来还可开发更高效经济的新型改性技术。

3.3 性能测试

表4改性处理前后墙体材料性能对比

性能指标改性前改性后国标规定标准

抗压强度/MPa 3.2 8.5≥5

抗拉强度/MPa 2.1 4.2≥3

续表4改性处理前后墙体材料性能对比

性能指标改性前改性后国标规定标准

保温系数/(W/mK) 0.125 0.06 ≤0.09

耐火极限/min 15 120≥90

从表4可以明显看出，经过复合物理化学改性处理后，基于林业资源开发的绿色墙体材料在力学性能、保温性以及耐火性方面都得到大幅度提升，性能指标均优于相关国家标准和规范要求。这表明复合物理化学处理技术可有效提高木竹混合墙体材料的综合性能。

该技术的应用将推动基于林业资源的绿色墙体材料向着更高性能化方向发展，从而可以替代部分普通水泥基建村材料。

4、结束语

林业资源的广泛应用于绿色建材的开发，不仅可缓解环境压力，也可促进林业可持续发展。本文通过分析林业资源的应用现状及存在问题，设想了基于林业资源开发高性能墙体材料的技术路线。今后还需进一步研究改性处理技术，并通过示范工程验证材料性能。

参考文献:

[1]刘竹,杨守禄,姬宁,等.竹质材料在绿色建筑中的应用[J].贵州林业科技,2022,50(2):56-61.

[2]钟清玉.乡村振兴视域下的林业发展路径[J].林业科技情报,2023,55(4):64-66.

[3]张松岐.关于林业生态建设与林政资源管理研究[J].中外企业家,2019(21):151.

[4]童擘,郭杨.绿色技术在高层建筑设计过程中的应用[J].建筑技术开发,2020,47(8):150-151.

[5]马东明.新农村建设中林业发展现状及优化建议[J].林业科技情报,2023,55(3):64-67.

[6]孙梦奇.基于灰色组合赋权法的复合木结构建筑效益评价体系研究[D].东北林业大学,2022.

[7]何雪,祝俊.竹饰新语绿色梦想[J].中国品牌,2019(10):76-77.

[8]杨守禄,黄安香,章磊等.木塑复合材料在绿色建筑中的应用[J].工程塑料应用,2018,46(1):123-127.

[9]郭格理.竹材在绿色建筑设计中的应用[J].江苏建材,2023(6):53-54.

[10]吕瑶,杨尚杰,肖毅强.竹材人造板在建筑应用中的绿色价值潜力研究[J].建筑科学,2021,37(8):199-210.

文章来源:钱蕾,姜浩.基于林业资源的绿色建筑材料开发与应用[J].林业科技情报,2024,56(04):99-101.

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期刊名称：林业科技情报

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主管单位：黑龙江省森林工业总局

主办单位：黑龙江省林业设计研究院

出版地方：黑龙江

专业分类：农业

国际刊号：1009-3303

国内刊号：23-1287/S

邮发代号：14-270

创刊时间：1973年

发行周期：季刊

期刊开本：大16开

见刊时间：7-9个月

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