建筑與土木工程領(lǐng)域新型經(jīng)編針織物設(shè)計(jì)探討*

嚴(yán) 瑛，姚海偉，羅 棟

(陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西咸陽 712000)

建筑與土木工程領(lǐng)域新型經(jīng)編針織物設(shè)計(jì)探討*

嚴(yán) 瑛，姚海偉，羅 棟

(陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西咸陽 712000)

近十幾年建筑與土木工程領(lǐng)域使用紡織材料進(jìn)入高速發(fā)展時(shí)期，應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓寬，經(jīng)編織物及其增強(qiáng)復(fù)合材料逐漸成了建筑與土木工程領(lǐng)域紡織品的主力軍。該文在雙針床拉舍爾經(jīng)編機(jī)上設(shè)計(jì)生產(chǎn)了建筑物外墻增強(qiáng)的三維經(jīng)編織物、三維經(jīng)編間隔織物以及經(jīng)編軸向織物作為基布、經(jīng)涂層的膜結(jié)構(gòu)材料，以期幫助我國(guó)建筑與土木工程領(lǐng)域，經(jīng)編材料產(chǎn)業(yè)向著健康、高效的方向發(fā)展。

建筑，土木工程，三維經(jīng)編，針織物

經(jīng)編織物及其增強(qiáng)復(fù)合材料，近十幾年經(jīng)編織物進(jìn)入高速發(fā)展時(shí)期，逐漸成為建筑用紡織品的主力軍。

圖1 經(jīng)編軸向織物Fig.1 Multi axial warp knitted fabric

其應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓寬，目前，經(jīng)編織物有經(jīng)編軸向織物(如圖1所示)和經(jīng)編雙針床間隔織物(如圖2所示)，增強(qiáng)柔性和剛性復(fù)合材料已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于墻體加固、 土工格柵、建筑頂棚和建筑隔熱保溫等多個(gè)領(lǐng)域。

圖2 經(jīng)編雙針床間隔織物Fig.2 Double needle warp knitting spacer fabric

1 建筑物外墻增強(qiáng)的三維經(jīng)編間隔織物

我們采用一種用于建筑物外墻增強(qiáng)的三維經(jīng)編間隔織物。該織物以細(xì)度為2400tex的耐堿玻纖作為增強(qiáng)材料、細(xì)度為110dtex的丙綸作為編織紗、直徑為0.28mm的低收縮滌綸單絲作為間隔絲來織造纖維增強(qiáng)體[1]。該織物具有一定的厚度，間隔絲使織物上下表面連結(jié)成一個(gè)整體，并且在上下表面的面內(nèi)襯入玻纖紗，在面內(nèi)經(jīng)緯交錯(cuò)，形成大的網(wǎng)格。這樣的產(chǎn)品兼具了間隔織物(如圖3所示)與軸向織物的特性(如圖4所示)，并且與水泥復(fù)合后，在網(wǎng)格處可以通過鉆孔或鑿孔來制成異型混凝土構(gòu)件，既有突出的增強(qiáng)耐用性，又有優(yōu)良的實(shí)用性。

圖3 間隔織物Fig.3 Spacer fabric

圖4 軸向織物Fig.4 Axial fabric

2 雙針床拉舍爾經(jīng)編機(jī)上生產(chǎn)的三維經(jīng)編間隔織物

建筑物和建筑物組件必須滿足一系列功能需求，其中包括隔熱保溫和吸聲隔音。在雙針床拉舍爾經(jīng)編機(jī)上生產(chǎn)的三維經(jīng)編間隔織物可以兼具隔熱和吸聲性能，是紡織建筑材料中的首選。該類織物在設(shè)計(jì)和編織時(shí)易于變換門幅、疏密、間隔高度等，并且可以通過與樹脂浸漬結(jié)合、涂層、層合等工藝拓寬其應(yīng)用，提升其性能。

經(jīng)編間隔織物的成型原理是通過連接紗將兩片織物結(jié)構(gòu)連接在一起，也就是說它由上下兩個(gè)單獨(dú)層和中間連接層組成，其結(jié)構(gòu)近似于三明治，并且表層和中間層相互垂直，中間層為具有不同剛性的分隔紗線。

(1)隔熱保溫：建筑物的能源消耗量是巨大的，對(duì)于建筑外殼即墻壁和屋頂，采用合適的材料進(jìn)行保溫隔熱非常重要，可顯著降低取暖和降溫成本，在節(jié)能減排方面更具前瞻性，使建筑物功能得到進(jìn)一步的開發(fā)和完善。經(jīng)編間隔織物由于其中間層的存在，可以儲(chǔ)存大量空氣，形成類似雙層玻璃窗的夾層隔熱保溫效果。由于該類織物有一定的厚度，所以其透氣量較小，保溫率也就相應(yīng)提高。

(2)吸聲隔音：經(jīng)編間隔織物表面可通過相應(yīng)的編織工藝形成網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)，聲波從這些細(xì)小的敞開孔道進(jìn)入織物內(nèi)部，聲波產(chǎn)生的振動(dòng)引起材料內(nèi)部孔隙中的空氣運(yùn)動(dòng)以衰減高頻聲波。同時(shí)間隔織物中間層中的連接紗呈交叉網(wǎng)狀分布，聲波進(jìn)入到間隔層中，通過聲波震動(dòng)使空氣運(yùn)動(dòng)造成紗線與紗線之間、纖維與纖維之間的摩擦，產(chǎn)生能量轉(zhuǎn)換，從而使聲波在數(shù)根連接紗之間不斷反射、膜材形成衰減。這種既存在多孔結(jié)構(gòu)，又具有纖維狀聚集組織的材料是吸聲隔音的理想材料。如果將該織物與樹脂復(fù)合，制成板材，則可大量用于建筑領(lǐng)域，其織物生產(chǎn)成本低、產(chǎn)量大、板材制作工藝簡(jiǎn)單，且使用壽命長(zhǎng)，具有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。

3 經(jīng)編軸向織物作為基布、經(jīng)涂層的膜結(jié)構(gòu)材料

經(jīng)編頂棚材料通常是以經(jīng)編軸向織物作為基布、經(jīng)涂層的膜結(jié)構(gòu)材料。這種材料在制成建筑物頂棚時(shí)，可以采取凈跨度結(jié)構(gòu)或牽拉結(jié)構(gòu)等方式，結(jié)構(gòu)穩(wěn)固、可以承載較大的負(fù)荷，形態(tài)設(shè)計(jì)靈活輕巧，便于拆裝、搬遷，也利于修補(bǔ)，同時(shí)還可大大延長(zhǎng)建筑物構(gòu)件的使用壽命[2]。

3.1 原料

經(jīng)編建筑用頂棚膜材料所用的原料主要為高強(qiáng)低收縮的滌綸或玻璃纖維。多用長(zhǎng)絲，而不用短纖維，以保證強(qiáng)度和伸長(zhǎng)特性，以避免短纖維間產(chǎn)生滑移造成紗線斷裂。

3.2 基布

經(jīng)編建筑用頂棚膜材料所用基布為雙軸向經(jīng)編織物，這種織物可滿足較高的織物牢度，穩(wěn)定性好，其鋪層角度可根據(jù)建筑物設(shè)計(jì)的實(shí)際需要而定，實(shí)用性更強(qiáng)。必要時(shí)可以通過兩層或三層織物進(jìn)行復(fù)合。

3.3 涂層

常用的膜結(jié)構(gòu)材料主要有聚氯乙烯的聚酯膜材、聚四氟乙烯膜材、四氯乙烯膜材等。其中聚四氟乙烯涂層膜材各項(xiàng)性能優(yōu)異，2008年北京奧運(yùn)會(huì)主體育場(chǎng)“鳥巢”使用的就是這種膜材。其表面易于維護(hù)，可以在牽拉設(shè)計(jì)和凈跨度設(shè)計(jì)的建筑設(shè)施上表現(xiàn)出經(jīng)久可靠的耐用性能。經(jīng)編建筑用頂棚材料在世界很多大型建筑上均有廣泛使用。如許多國(guó)際機(jī)場(chǎng)客運(yùn)通道使用涂層經(jīng)編材料作為頂蓋；體育館用聚酯涂層經(jīng)編布代替舊頂棚，其膜結(jié)構(gòu)具有3.5萬m2的面積，一共有10萬個(gè)單元器材，該設(shè)施是同類建筑中最大的；美國(guó)加利福尼亞州圣地亞哥會(huì)議中心大量采用類似膜結(jié)構(gòu)作為建筑頂棚，既減輕了建筑的整體質(zhì)量，又具有較好的裝飾性。

4 雙軸向經(jīng)編織物和經(jīng)編間隔織物

經(jīng)編織物增強(qiáng)的混凝土構(gòu)件，其增強(qiáng)體以0°/90°雙軸向經(jīng)編織物和經(jīng)編間隔織物為主。增強(qiáng)混凝土構(gòu)件常用的纖維主要有玻璃纖維、碳纖維、芳綸和高強(qiáng)滌綸等[3]。選用最多的為耐堿玻璃纖維，其強(qiáng)度較高同時(shí)成本較低，紗線細(xì)度通常在1200tex～5000tex之間。

圖5 抗扭轉(zhuǎn)應(yīng)力Fig.5 Torsional stress

在使混凝土立柱在修復(fù)后承載能力能夠得到提高。其方法是在混凝土立柱的整個(gè)長(zhǎng)度方向上包覆一層多軸向經(jīng)編增強(qiáng)結(jié)構(gòu)來增固混凝土，這樣可以恢復(fù)其穩(wěn)定性，還能夠抗扭轉(zhuǎn)應(yīng)力(如圖5所示)和彎曲應(yīng)力(如圖6所示)。利用玻璃纖維雙軸向經(jīng)編織物對(duì)在大地震中嚴(yán)重?fù)p毀的伊朗巴姆城堡進(jìn)行了墻體加固和重建，并使城堡具有抗震性。該建筑內(nèi)部的土石結(jié)構(gòu)經(jīng)多次破壞后結(jié)構(gòu)松散、復(fù)雜，施工人員通過在墻體內(nèi)部加入由2400tex耐堿玻纖加工而成的針跡長(zhǎng)度為21.8mm的雙軸向經(jīng)編織物增強(qiáng)體，然后用新的灰漿將織物完全包覆，從而使這些磚石有高度的內(nèi)在結(jié)合度。同時(shí)，雙軸向經(jīng)編織物作為橫向加強(qiáng)材料可以很好地適應(yīng)拱形門的角度，有力地提高了拱形區(qū)域的磚石結(jié)合度，使之能夠承受地震力的破壞。

圖6 彎曲應(yīng)力Fig.6 Bending stress

經(jīng)編間隔織物在增強(qiáng)水泥構(gòu)件中應(yīng)用也具有特殊的優(yōu)勢(shì)，其形狀設(shè)計(jì)空間較大，從而能與最終產(chǎn)品的外形相配。

經(jīng)編織物生產(chǎn)效率高、生產(chǎn)成本低、易于產(chǎn)業(yè)化。中小型經(jīng)編企業(yè)要有更強(qiáng)的跨領(lǐng)域合作意識(shí)，這樣才能幫助我國(guó)建筑與土木工程領(lǐng)域，經(jīng)編材料產(chǎn)業(yè)向著健康、高效的方向發(fā)展。

[1] 魏光群，等.多軸向經(jīng)編針織物的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展展望[J].紡織導(dǎo)報(bào)，2014(03)：31-33.

[2] 叢洪蓮，等.經(jīng)編產(chǎn)業(yè)用紡織品的生產(chǎn)與開發(fā)[J].紡織導(dǎo)報(bào)，2011(07)：8-11.

[3] 蔣高明，等.經(jīng)編織物在建筑與土木工程領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀[J].紡織導(dǎo)報(bào)，2013(06)：18-20.

Study on New Type of Warp Knitted Fabric in the Field of Architecture and Civil Engineering

YAN Ying，YAO Hai-wei，LUO Dong

(Shaanxi Polytechnic Institute，Xianyang 712000，Shaanxi，China)

In recent years，textile materials used in the field of architecture and civil engineering entered a period of rapid development. Warp knitted fabric and reinforced composite material has gradually become the main material in the field of architecture and civil engineering. Three dimensional warp knitted fabric，warp knitted spacer fabric and multi axial warp knitted fabric as base cloth，the membrane structure of coating materials is designed and produced for building exterior wall enhancement to help warp knitting materials industry towards a healthy，efficient way.

architecture，civil engineering，three dimensional warp，knitted fabric

陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院2016科研項(xiàng)目建筑與土木工程領(lǐng)域新型三維滌綸經(jīng)編織物設(shè)計(jì)與開發(fā)(項(xiàng)目編號(hào)：ZK16-22)

TS 156