玻璃鋼/復合材料在建筑結(jié)構(gòu)中的應用與發(fā)展趨勢①

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(河南理工大學 土木工程學院，河南 焦作 454000)

引言

玻璃鋼(Fiber Reinforced Piastics)作為一種新材料自20世紀40年代初問世以來，由于其具有比強度高和比剛度高、可設(shè)計性強、抗疲勞斷裂性能好、耐腐蝕、結(jié)構(gòu)尺寸穩(wěn)定性好以及具有特殊的電磁性能和吸波隱身作用等獨特的優(yōu)點，被廣泛應用于建筑與土木工程、交通運輸、化工防腐、電子電氣、航天航空和軍用裝備等各個領(lǐng)域，并發(fā)揮了重要的作用。玻璃鋼在全球范圍內(nèi)已經(jīng)成為一個重要的技術(shù)產(chǎn)業(yè)，其市場分布為建筑40%，管罐24.4%，工業(yè)器材12%，交通6%，船艇4%，其他14%[1-4]。

我國玻璃鋼在建筑業(yè)的應用始于20世紀70年代。實踐表明，玻璃鋼/復合材料應用于現(xiàn)代建筑中比傳統(tǒng)的建筑材料性能更為優(yōu)良，綜合效益更好。

1 玻璃鋼的特性

玻璃鋼/復合材料是以樹脂為基體材料、玻璃纖維增強而成的一種新型復合材料。其中增強材料玻璃纖維是由礦石制成玻璃球拉制成絲而成。由于型材的主要成分為天然礦物材料(占60%以上)，因而使得玻璃鋼具有較好的力學性能和物理性能。玻璃鋼屬各向異性(短切纖維復合材料等顯各向同性)材料，強度隨方向不同而變化，結(jié)構(gòu)組織質(zhì)地不連續(xù)，呈粘彈性。玻璃鋼具有以下諸多的優(yōu)點：

(1)密度小，只有普通碳素鋼的1/4～1/5、鋁合金的1/2左右，且比強度和比模量非常高，這是金屬材料和其他材料無法比擬的。這類材料既可制造結(jié)構(gòu)件，又可用于功能件及結(jié)構(gòu)功能件。

(2)優(yōu)良的耐腐蝕性能，玻璃鋼對大氣、水和一般濃度的酸、堿、鹽等介質(zhì)有著良好的化學穩(wěn)定性，可代替不銹鋼材料。

(3)玻璃鋼成型工藝簡單、靈活，通過不同的成型方法和模具，可以方便地加工成所需要的形狀，其結(jié)構(gòu)和性能的可設(shè)計性強。玻璃鋼的強度和彈性模量在很大程度上取決于所含玻璃纖維的類型、數(shù)量和分布方向，通常玻璃纖維的強度和彈性模量比樹脂的強度和彈性模量大幾十倍，通過改變纖維的分布方向?qū)w維進行不同的排布設(shè)計，可以使構(gòu)件在不同方向承受不同的作用力，從而使增強材料更有效地發(fā)揮作用。

(4)有高度的電絕緣性能，特殊的光學、電學、磁學性能。

(5)玻璃鋼的阻尼性能很好，對聲音的阻隔可以達到26～30 dB。

(6)玻璃鋼的熱導率為0.03～0.05 W/(m·K)，比普通材料低得多，具有較好的熱穩(wěn)定性。

(7)玻璃鋼/復合材料具有抗疲勞性能、抗沖擊性能好和過載安全性能好等特性[3-4]。

2 玻璃鋼在建筑結(jié)構(gòu)中的應用

2.1 玻璃鋼門窗

玻璃鋼門窗輕質(zhì)高強，其拉伸強度為350 MPa以上，彎曲強度為260 MPa以上，為鋁合金的2倍、塑鋼的4倍左右，從而彌補了塑鋼門窗因強度低容易變形的弱點。玻璃鋼型材的彎曲彈性模量較高、剛性好，故玻璃鋼門窗適宜較大尺寸的窗或較高風壓場合的門窗，且尺寸穩(wěn)定、隔音性能好。玻璃鋼型材的熱變形溫度為200 ℃，其線膨脹系數(shù)較低，與建筑物和玻璃相當，在冷熱溫差較大的環(huán)境下，不易與建筑物及玻璃之間產(chǎn)生縫隙，門窗的氣密性能好，大大提高了門窗的密封性能。與目前市場上使用的鋁合金門窗和塑鋼門窗相比，優(yōu)質(zhì)的玻璃鋼/復合材料門窗的節(jié)能效果非常好，據(jù)有關(guān)部門檢測，玻璃鋼門窗的保溫性能優(yōu)于國家標準中規(guī)定的保溫性能一級指標。在建筑節(jié)能設(shè)計標準中，要求門窗材料選用低導熱系數(shù)的材料，玻璃鋼門窗不但密封性能良好，而且有較好的遮陽功能和良好的保溫性能。玻璃鋼型材對熱輻射和太陽輻射具有隔斷性，故玻璃鋼窗體具有很好的隔熱性能。玻璃鋼型材耐嚴寒和耐高溫性能好，使得玻璃鋼門窗可以廣泛應用于嚴寒和高溫地區(qū)。由于玻璃鋼型材內(nèi)部樹脂和纖維的結(jié)構(gòu)特點，使得其具有微觀彈性，有利于吸收聲波，從而使玻璃鋼窗體具有良好的隔音性能[5]。

在建筑物中，門窗、墻體、屋面、地面為建筑能耗的四大部位，其中門窗排列首位，房屋建筑的能源損失中有50%是通過門窗流失的，尤其是公共建筑的窗墻比高達70%，更加大了能源的損失。因此，門窗節(jié)能在整個節(jié)能建筑中起到至關(guān)重要的作用，減少門窗的能源損失是當前建筑節(jié)能的主要途徑之一，在建筑結(jié)構(gòu)中大力開發(fā)使用玻璃鋼/復合材料門窗具有十分重要的意義。

2.2 玻璃鋼模板

使用玻璃鋼/復合材料制作的模板能夠一次性達到通高，而且不易與混凝土相互粘結(jié)，所澆筑出的混凝土成品沒有橫向接縫(只是在豎向上會有一道接縫)，特別是圓柱體，澆筑出來圓度比較準確，且表面光滑平整，無氣泡和皺紋，無外露纖維和毛刺現(xiàn)象，其密封性、表面平整度是木模和鋼模所無法比擬的，而且色澤一致，垂直角度的誤差也較小。采用玻璃鋼制作圓柱模板只需要在接口處用角鋼加螺栓予以固定，之后用鋼絲纜風繩的一端拉住柱筋上端，而另一端只需固定在澆筑之后的混凝土樓板上即可，不需另外設(shè)置柱箍或是搭設(shè)支撐架。玻璃鋼模板與木模、鋼模相比易加工成型，可以一次性封模，不用接長，而且玻璃鋼模板由于質(zhì)量輕，拆裝非常方便，具有便于清潔和維護等特點。因此，使用玻璃鋼模板能夠明顯地減輕勞動強度，提高建筑施工效率，有利于降低工程造價。另外，玻璃鋼模板有較強的耐磨性，所以重復利用次數(shù)也較多[6-7]。

2.3 玻璃鋼筋

混凝土是應用最廣的建筑材料，通常采用鋼筋來增加其強度，但鋼筋存在著腐蝕問題，而建筑腐蝕是全球建筑業(yè)所面臨的一個十分棘手的問題。當鋼筋混凝土在具有侵蝕性的環(huán)境中工作時，鋼筋在各種腐蝕性氣體、添加劑和鹽的作用下生銹而使鋼筋本身體積膨脹，從而導致混凝土開裂，會降低混凝土的使用壽命。

玻璃鋼筋通常是以乙烯基樹脂、聚酯樹脂、酚醛樹脂或環(huán)氧樹脂作為基體材料，以無堿玻璃纖維作為增強材料，采用拉擠工藝成型，具有耐腐蝕性強、電磁絕緣性能優(yōu)良和力學性能優(yōu)良的特性。在建筑結(jié)構(gòu)中使用玻璃鋼筋增強材料可以提高水泥基體的抗彎、抗拉和抗沖擊強度，由于玻璃鋼筋的耐腐蝕性強，特別適用于需使用鹽防凍的混凝土結(jié)構(gòu)、近海地區(qū)的混凝土結(jié)構(gòu)和地下工程。玻璃鋼筋具有優(yōu)良的電磁波透過性，對于某些特殊建筑設(shè)施，例如醫(yī)院中的核磁共振成像室，或采用射頻技術(shù)來識別預付費客戶的公路收費站通道來講，采用玻璃鋼筋是最好的選擇。目前，玻璃鋼筋已在很多工程項目中得以應用，并有效地替代了鋼筋[8-9]。由于玻璃鋼/復合材料筋的力學性能優(yōu)良和良好的耐腐蝕能力，故具有廣闊的開發(fā)應用前景。

2.4 玻璃鋼加固混凝土梁

玻璃鋼/復合材料作為一種結(jié)構(gòu)加固材料，有與混凝土共同工作的基礎(chǔ)，能適應各種不同的工作環(huán)境。玻璃鋼的線膨脹系數(shù)與普通混凝土相近，這樣就不會因溫度變化而引起二者之間的粘結(jié)破壞，在對混凝土表面進行適當處理后再粘糊玻璃鋼，可以保證兩者之間有良好的粘結(jié)力。玻璃鋼片材、板材作為加固材料具有強度高、施工方便且周期短、抗?jié)B性好和耐腐蝕等優(yōu)點。用玻璃絲布包覆加固混凝土梁，采用環(huán)氧樹脂作為粘結(jié)劑，玻璃絲布與混凝土結(jié)合面之間不會發(fā)生滑移破壞，粘結(jié)面會有效地傳遞應力。用玻璃鋼加固的梁在其初始受力階段，玻璃絲布的包裹層數(shù)對梁的剛度及變形的影響均很小。在受拉鋼筋屈服以后，外包的玻璃鋼對梁的剛度的作用效果很明顯，從而使梁的變形減小[10]。由此可以看出，運用玻璃鋼加固混凝土梁可明顯提高混凝土梁的受力特性，延長梁的使用壽命，因而具有廣泛的應用前景。

近幾年來，國內(nèi)外的一些學者相繼開展了一種新型的纖維增強復合材料加固方法——內(nèi)嵌(簡稱NSM)加固方法的試驗研究、理論分析和工程應用。與外貼玻璃鋼片材相比，嵌入式加固法除了具有高強、高效、耐腐蝕等優(yōu)點外，還有表面處理工作量降低等優(yōu)點。因為外貼加固的表面打磨工序往往耗時較長，而嵌入式加固只需使用專用工具在混凝土表面剔槽，不需進行大面積處理，可以節(jié)省工期；玻璃鋼因內(nèi)置而得到較好的保護，其抗沖擊性、耐久性、防火性能等得以提高，如用于橋面板負彎矩區(qū)加固具有明顯的優(yōu)勢；玻璃鋼筋或板條可以較方便地錨固于相鄰的構(gòu)件上[11]。隨著研究的不斷深入，玻璃鋼/復合材料作為一種輕質(zhì)高強、高性能結(jié)構(gòu)材料，在工程加固領(lǐng)域的應用將會越來越廣泛，發(fā)展趨勢良好。

2.5 玻璃鋼在建筑結(jié)構(gòu)中的其他應用

在采暖通風工程中，玻璃鋼是一種很好的節(jié)能環(huán)保材料，從20世紀80年代開始已大量用于制造冷卻塔、通風櫥、送風管、排氣管、柵板及防腐風機罩等。目前，國內(nèi)研發(fā)的玻璃鋼/復合材料保溫管可用于輸送熱水及供暖，用以替代傳統(tǒng)的金屬保溫管[12]。玻璃鋼可制成波紋板、帶肋板、空心板或夾芯板，組成各種形狀的拱、殼以及穹頂?shù)瓤臻g結(jié)構(gòu)用于工業(yè)廠房等結(jié)構(gòu)中，具有易成形、施工方便、質(zhì)量輕、保溫性能好、色澤鮮亮和耐候性好等優(yōu)點，采用輕質(zhì)高強的玻璃鋼組裝件作為建筑材料，將大大減輕工人的勞動強度，減少勞動工時，縮短施工周期，對資源保護和能源消耗也有積極的作用。在美國復合材料制造商協(xié)會(ACMA)舉辦的2010年復合材料大會上，一座兩層的房屋獲得了大會的“展會最佳獎”，該房屋由預制的以防火玻璃鋼為蒙皮的夾層結(jié)構(gòu)板組成；加利福尼亞的復合Kreysler公司獲獎的加利福尼亞海灣之屋是一個單體式結(jié)構(gòu)，由9塊定制的防火玻璃鋼夾層板組成；另一個創(chuàng)新的Kreysler項目是在一個辦公樓上采用了仿造石材的玻璃鋼建筑外飾[13]。玻璃鋼文化墻因其高雅亮麗的外形和獨特的藝術(shù)風格也備受推崇。另外，玻璃鋼/復合材料在冷庫、崗亭、仿古建筑、微波塔樓、屏蔽房、野營活動房等領(lǐng)域也得到了廣泛應用，并已發(fā)揮了重要的作用[3]。

3 玻璃鋼在建筑結(jié)構(gòu)中的應用前景

目前，我國人均資源占有量為世界平均值的40%，但能源消費總量已達到世界第2位，其中建筑用能源成為我國能源消費的大戶，能耗約占所有產(chǎn)業(yè)能耗的30%。玻璃鋼憑借其優(yōu)異的性能，在建筑節(jié)能方面的應用日益受到人們的青睞。在建筑領(lǐng)域研發(fā)和使用玻璃鋼/復合材料，對于節(jié)約能源、改善設(shè)計、減輕建筑物自重、提高建筑物的使用功能和提高經(jīng)濟效益具有十分重要的意義。從國內(nèi)外的應用情況來看，玻璃鋼是國際市場上產(chǎn)量最大、用途最廣的產(chǎn)品。在美國、日本、德國等工業(yè)發(fā)達國家，玻璃鋼已經(jīng)進入大規(guī)模使用階段。我國通過自行研究開發(fā)和吸收國外先進技術(shù)，近幾年來玻璃鋼國產(chǎn)技術(shù)裝備水平有了較大幅度的提高。隨著國家相關(guān)產(chǎn)業(yè)振興規(guī)劃的實施和基礎(chǔ)設(shè)施投資力度的加大，對玻璃鋼的需求也將持續(xù)增長。從目前國內(nèi)外玻璃鋼/復合材料的發(fā)展情況看，當前正朝著高性能、多功能、低成本和高的環(huán)境相容性方向發(fā)展。隨著玻璃鋼工藝的發(fā)展和不斷拓展產(chǎn)品種類，玻璃鋼在建筑工程中的應用將會越來越廣。

建筑業(yè)是國民經(jīng)濟的支柱產(chǎn)業(yè)之一，在國民經(jīng)濟中占有很重要的地位。建筑業(yè)的發(fā)展方向是節(jié)約能源、保護環(huán)境、提高經(jīng)濟效益和社會效益，玻璃鋼作為新型的高性能復合材料，必將成為未來新建節(jié)能建筑選材和既有建筑節(jié)能改造的首選材料，成為傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料的重要補充，并逐步替代傳統(tǒng)的非節(jié)能建材。隨著我國建筑節(jié)能標準的不斷提高，玻璃鋼/復合材料作為第4代新型復合材料在建筑結(jié)構(gòu)中的應用前景將會更加廣闊。

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