GRPGRC材料在建筑輕質(zhì)構(gòu)件中的應(yīng)用

■ 錢 城 Qian Cheng 劉 靖 Liu Jing 李奕南 Li Yinan

1 概述

1.1 GRPGRC材料及其特性

GRPGRC材料，全稱增強(qiáng)塑料復(fù)合材料，俗稱玻璃鋼，是開發(fā)較早的一種復(fù)合材料。與金屬或其他無機(jī)材料相比，GRPGRC材料具有無限可塑性，且重量輕、比強(qiáng)度高、耐腐蝕、電絕緣、傳熱慢、隔音、防水、無污染等特點(diǎn)。通常，GRPGRC材料可按其基體分為熱固性樹脂和熱塑性樹脂兩大類。在20世紀(jì)70年代之前，世界發(fā)達(dá)國(guó)家的GRPGRC材料產(chǎn)量增長(zhǎng)十分迅速，在建筑和城市公共設(shè)施中有較多的應(yīng)用[1]。自70年代起，受全球性石油危機(jī)的影響，GRPGRC材料和制品發(fā)展緩慢，直到80年代以后，情況才有所好轉(zhuǎn)。

GRPGRC材料除了具有復(fù)合材料的一般特點(diǎn)外，在應(yīng)用于建筑中，還有其自身的一些顯著優(yōu)點(diǎn)。

（1）GRPGRC材料的原材料來源豐富，其主要原料之一是合成樹脂，幾乎完全可以從石油化工產(chǎn)品中獲得，甚至可以由石油化工副產(chǎn)品替代。所以，GRPGRC材料完全可以做到工業(yè)化的大量生產(chǎn)，適合建筑材料用量巨大的特點(diǎn)。

（2）GRPGRC材料制品設(shè)計(jì)的靈活性強(qiáng)，成型方法多種多樣。即便是結(jié)構(gòu)復(fù)雜的制品，它也可以很容易地一次脫模成型，便于普及、節(jié)約成本，且制成品的整體性好，產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力強(qiáng)。同時(shí)，由于比同尺度的建材制品重量輕，還能制造大型產(chǎn)品[2]，比傳統(tǒng)建筑材料更具有發(fā)展優(yōu)勢(shì)。

（3）GRPGRC材料的某些特性，如無限可塑性、耐腐蝕性、透微波性、輕質(zhì)高強(qiáng)等等，更是傳統(tǒng)的建筑材料所無法比擬的。如果發(fā)揮GRPGRC材料的這些特性，將其應(yīng)用在建筑方面，那么無論是建筑物的使用效果，還是建筑物的成本造價(jià)，或是建筑物的維護(hù)、運(yùn)行和管理，都將大大優(yōu)于傳統(tǒng)的建筑材料，也會(huì)積累豐富的新材料使用實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

1.2 GRPGRC材料在建筑上的應(yīng)用

當(dāng)前，建筑技術(shù)和建筑結(jié)構(gòu)形式的發(fā)展對(duì)建筑材料及相應(yīng)的施工技術(shù)都提出了新的要求：建筑設(shè)計(jì)、施工要求標(biāo)準(zhǔn)化、裝配化、機(jī)械化；建筑材料要求預(yù)制、輕質(zhì)、高強(qiáng)，滿足各種結(jié)構(gòu)形式和功能的需要。GRPGRC材料因其獨(dú)特的性能，可用作建筑物的采光材料、圍護(hù)材料、裝飾裝修材料、給排水工程材料、采暖通風(fēng)材料和其它土木工程類材料及相應(yīng)的構(gòu)件制品，開始逐漸用于民用及工業(yè)建筑中，它不僅代替了磚瓦、灰砂石以及金屬、木材等，而且制成的產(chǎn)品輕盈美觀，色彩豐富、經(jīng)久耐用。最初，由于原材料供應(yīng)不足及價(jià)格較貴等原因，用量不大，應(yīng)用范圍有限[3]。但是，隨著石油化學(xué)工業(yè)、建筑工業(yè)及其他工業(yè)的飛躍發(fā)展，GRPGRC材料在建筑中應(yīng)用一定會(huì)越來越廣泛和成熟。

本文主要探討GRPGRC材料在建筑輕質(zhì)構(gòu)件中的應(yīng)用。

2 GRPGRC制作的建筑輕質(zhì)構(gòu)件

建筑使用的材料基本分為兩類。一類是承擔(dān)建筑主體的結(jié)構(gòu)性材料，以傳統(tǒng)的磚、石、砂、水泥、鋼筋等建材為主，因性能穩(wěn)定、成本經(jīng)濟(jì)、施工技術(shù)成熟，仍將是今后較長(zhǎng)時(shí)期使用的主要建筑材料。另一類是建筑設(shè)計(jì)上非常關(guān)注的建筑裝飾性材料，也就是建筑的表皮與功能構(gòu)件。建筑的外觀形象給人以第一視覺沖擊，其立面效果至關(guān)重要。因此，建筑師非常重視建筑的表皮設(shè)計(jì)，而輕質(zhì)構(gòu)件在此可起到畫龍點(diǎn)睛的關(guān)鍵作用。從構(gòu)件的作用上，輕質(zhì)構(gòu)件可分為裝飾性輕質(zhì)構(gòu)件和功能性輕質(zhì)構(gòu)件，或兩者作用兼顧[4]。

2.1 GRPGRC制作的裝飾性輕質(zhì)構(gòu)件

建筑師孜孜不倦地探索和追求建筑的外觀表現(xiàn)，通過立面造型及元素符號(hào)的營(yíng)造裝飾，給人們心態(tài)上帶來更多的情感享受。這種設(shè)計(jì)理念也催生了各種新的建筑材料，以及對(duì)生產(chǎn)工藝、原料供給、安裝技術(shù)及美學(xué)價(jià)值等方面的研究。

GRPGRC材料具備復(fù)合材料的優(yōu)勢(shì)，環(huán)境氣候適應(yīng)性好，適于建筑中的各種裝飾性輕質(zhì)構(gòu)件，可以任意選擇凹槽和折線變化或者各種曲線造型，用于制作裝飾造型和表現(xiàn)強(qiáng)烈的質(zhì)感，也可以對(duì)建筑進(jìn)行局部重點(diǎn)裝飾。用GRPGRC材料制作的墻飾、拱肩、羅馬柱、窗套、門套、花壇、須彌座、水池、檐口線條、山花、花瓶欄桿、文化石、梁柱頭、腰線、雕塑等（圖1～3），構(gòu)件細(xì)部精美，足以假亂真，安裝便利，便于工業(yè)化生產(chǎn)，已開始出現(xiàn)在各類民用建筑中。

2.2 GRPGRC制作的功能性輕質(zhì)構(gòu)件

GRPGRC材料在建筑功能性構(gòu)件的使用中，較為常見的是幕墻和屋頂（圖4、5），以功能為主，兼圍護(hù)和裝飾作用，特別是幕墻能表現(xiàn)較強(qiáng)烈的表皮視覺效果。這類由GRPGRC材料制成的構(gòu)件，以其良好的理化性能，代替了傳統(tǒng)的建筑材料，避免了諸如易腐蝕、不環(huán)保、難維護(hù)等缺點(diǎn)，同時(shí)還能夠制作出不同風(fēng)格的裝飾性構(gòu)件，提升了它們的美學(xué)感受和品味。目前，由GRPGRC制造的幕墻，其板幅已能夠達(dá)到20m2以上[5]。雖然受生產(chǎn)工藝及成本價(jià)格的制約，GRPGRC材料的使用量還不能與傳統(tǒng)建材相比，但隨著科技理念和生產(chǎn)工藝的不斷進(jìn)步，其材料的普及使用指日可待。

圖1 GRPGRC材料制作的埡口

圖2 GRPGRC材料制作的窗套

圖3 GRPGRC材料制作的各種外飾面

GRPGRC材料還可以用于制作公共建筑的內(nèi)部吊頂（圖6、7）。如大型觀演類空間的觀眾廳吊頂，要滿足演出交響樂、歌劇、舞劇、話劇、曲藝等聲學(xué)需要，往往形狀復(fù)雜，用一般材料較難制作；而GRPGRC材料的可塑性優(yōu)勢(shì)能夠根據(jù)觀眾廳中吊頂?shù)那驶蚧《纫?，并根?jù)各個(gè)部位的裝飾和舞臺(tái)設(shè)備情況，較方便地制作大面積的異型和曲面形狀，從而使吊頂滿足廳堂的音質(zhì)效果和視覺要求，并且其裝飾性效果也優(yōu)于其他材料，更適合這類建筑的使用。

3 GRPGRC用于建筑輕質(zhì)構(gòu)件的優(yōu)點(diǎn)

如概述所言，GRPGRC材料用于建筑輕質(zhì)構(gòu)件具有很多優(yōu)點(diǎn)，歸納起來，可分為適應(yīng)性、耐用性、便捷性3個(gè)方面。

3.1 適應(yīng)性

圖4 GRPGRC材料制作的幕墻

圖5 GRPGRC材料制作的屋頂

建筑輕質(zhì)構(gòu)件一般只承擔(dān)自重或少量荷載，而磚、石、混凝土、鋼和鋼筋水泥混凝土等自重較大，用在輕質(zhì)構(gòu)件上不經(jīng)濟(jì)，也不合理，GRPGRC材料恰能很好地適應(yīng)這一要求。與傳統(tǒng)材料相比，GRPGRC材料制品的韌性、拉伸強(qiáng)度、延伸性能和抗疲勞性能具有明顯優(yōu)勢(shì)，它的拉伸強(qiáng)度為普通鋼材的2倍，重量卻僅為普通鋼材的1/5，在用量相近的情況下，大大節(jié)約了構(gòu)件運(yùn)輸成本和施工安裝成本。用GRPGRC材料制作的建筑外墻板、飄窗陽臺(tái)（圖8、9），能夠顯著減輕圍護(hù)結(jié)構(gòu)的重量，使建筑物整體重量減輕40%左右，同時(shí)，還可以增加更多的使用面積，這點(diǎn)很受建筑設(shè)計(jì)師的歡迎。另外，將其用作防水材料時(shí)，其尺寸收縮率優(yōu)于普通水泥, 可解決一般防水層的裂縫問題, 提高建筑物的防滲質(zhì)量，達(dá)到較好的防水效果。

3.2 耐用性

建筑物中的鋼筋作為增強(qiáng)材料用量巨大，但鋼筋因腐蝕導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)或構(gòu)件破壞卻不容小覷，尤其在惡劣氣候或腐蝕性環(huán)境下，這類情況更容易發(fā)生。用GRPGRC材料加工制成復(fù)合材料棒，代替鋼筋作為建筑物的增強(qiáng)材料，與普通鋼材相比，這種纖維復(fù)合材料棒材具有耐腐蝕、不導(dǎo)電、非磁化性能，可抵御各種氣候變化，應(yīng)用在腐蝕環(huán)境下或結(jié)構(gòu)輕型的預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)中，滿足各種條件下的使用要求。

圖6 GRPGRC材料制作的吊頂

圖7 GRPGRC材料制作的頂棚

圖8 GRPGRC材料制作的外墻板

圖9 GRPGRC材料制作的飄窗

圖10 GRPGRC材料制作的雨篷、天窗

GRPGRC材料還可代替?zhèn)鹘y(tǒng)建材制作建筑百葉、管道、飄窗、雨搭、雨篷、天窗等輕質(zhì)功能性構(gòu)件（圖10）。例如構(gòu)筑物中的管道，傳統(tǒng)金屬管造價(jià)高，且易被腐蝕銹爛，導(dǎo)致管道內(nèi)水流阻塞發(fā)生，影響使用；普通塑料管又因其強(qiáng)度較低易損壞，后期維護(hù)需要較高的投入，增加運(yùn)行成本；而GRPGRC材料具有復(fù)合材料的耐用性優(yōu)勢(shì)，使其制成的這類輕質(zhì)構(gòu)件有更久的使用壽命。

3.3 便捷性

GRPGRC材料的制模脫模整體性好，便于一次成型。在構(gòu)件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制作中，可以充分利用這一特點(diǎn)來增加構(gòu)件的強(qiáng)度，提高作業(yè)率，縮短施工工期，節(jié)約成本。目前，許多大型公建立面采用的高性能GRPGRC幕墻板按結(jié)構(gòu)形式可分為單層板、帶肋板和結(jié)構(gòu)板3種：?jiǎn)螌影灞葌鹘y(tǒng)墻板小巧靈活，造價(jià)較低，便于推廣使用；帶肋板由單層板加工獲得，產(chǎn)品整體性好，結(jié)構(gòu)緊湊，節(jié)約空間，且具有成本優(yōu)勢(shì)；結(jié)構(gòu)板擁有較為先進(jìn)的安裝工藝，與框架間的連接十分牢固，并能有效消除構(gòu)件內(nèi)部因溫濕度變化而產(chǎn)生的應(yīng)力，其安全性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)石材幕墻的連接方式。

使用中，還可以在GRPGRC材料復(fù)合墻板上直接打釘或固定膨脹螺栓吊掛重物，且墻板的表面不會(huì)產(chǎn)生粉塵和裂紋；也可以直接粘貼瓷磚、墻紙或木板等，進(jìn)行飾面處理，非常方便。當(dāng)采用自熄性材料制成GRPGRC材料時(shí)，其防火性能也有所改善，不會(huì)由于燃燒時(shí)產(chǎn)生有毒氣體而增加其危險(xiǎn)性。

4 結(jié)語

建筑材料的發(fā)展，對(duì)建筑構(gòu)件十分重要。利用GRPGRC材料的優(yōu)異特性，用于制作建筑輕質(zhì)構(gòu)件，由于重量輕而比強(qiáng)度（強(qiáng)度-重量比）高，所以在滿足設(shè)計(jì)要求的前提下，能夠減輕建筑物的自重，增加有效荷載；另外，材料本身化學(xué)性能穩(wěn)定，適合于特殊行業(yè)，如化工部門的構(gòu)件耐腐需要等，還能很好的抵御極端氣候?qū)?gòu)件的不利影響。在實(shí)際工程中，可根據(jù)需要進(jìn)行構(gòu)件預(yù)制，或者現(xiàn)場(chǎng)施工，并能直接裝配組合，提高施工作業(yè)進(jìn)度。積極開發(fā)利用GRPGRC這類合成材料，有助于探索合理決策和選擇建筑材料，推動(dòng)建筑行業(yè)的良性循環(huán)和可持續(xù)發(fā)展。

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