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      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

      2014-04-16 03:01:16□□,
      建材技術(shù)與應用 2014年5期
      關(guān)鍵詞:玻璃鋼門窗玻璃

      □□ ,

      (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。

      參考文獻:

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