玻璃钢/复合材料在建筑结构中的应用与发展趋势①

2014-04-16□□，

建材技术与应用 2014年5期

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(河南理工大学土木工程学院，河南焦作 454000)

引言

玻璃钢(Fiber Reinforced Piastics)作为一种新材料自20世纪40年代初问世以来，由于其具有比强度高和比刚度高、可设计性强、抗疲劳断裂性能好、耐腐蚀、结构尺寸稳定性好以及具有特殊的电磁性能和吸波隐身作用等独特的优点，被广泛应用于建筑与土木工程、交通运输、化工防腐、电子电气、航天航空和军用装备等各个领域，并发挥了重要的作用。玻璃钢在全球范围内已经成为一个重要的技术产业，其市场分布为建筑40%，管罐24.4%，工业器材12%，交通6%，船艇4%，其他14%[1-4]。

我国玻璃钢在建筑业的应用始于20世纪70年代。实践表明，玻璃钢/复合材料应用于现代建筑中比传统的建筑材料性能更为优良，综合效益更好。

1 玻璃钢的特性

玻璃钢/复合材料是以树脂为基体材料、玻璃纤维增强而成的一种新型复合材料。其中增强材料玻璃纤维是由矿石制成玻璃球拉制成丝而成。由于型材的主要成分为天然矿物材料(占60%以上)，因而使得玻璃钢具有较好的力学性能和物理性能。玻璃钢属各向异性(短切纤维复合材料等显各向同性)材料，强度随方向不同而变化，结构组织质地不连续，呈粘弹性。玻璃钢具有以下诸多的优点：

(1)密度小，只有普通碳素钢的1/4～1/5、铝合金的1/2左右，且比强度和比模量非常高，这是金属材料和其他材料无法比拟的。这类材料既可制造结构件，又可用于功能件及结构功能件。

(2)优良的耐腐蚀性能，玻璃钢对大气、水和一般浓度的酸、碱、盐等介质有着良好的化学稳定性，可代替不锈钢材料。

(3)玻璃钢成型工艺简单、灵活，通过不同的成型方法和模具，可以方便地加工成所需要的形状，其结构和性能的可设计性强。玻璃钢的强度和弹性模量在很大程度上取决于所含玻璃纤维的类型、数量和分布方向，通常玻璃纤维的强度和弹性模量比树脂的强度和弹性模量大几十倍，通过改变纤维的分布方向对纤维进行不同的排布设计，可以使构件在不同方向承受不同的作用力，从而使增强材料更有效地发挥作用。

(4)有高度的电绝缘性能，特殊的光学、电学、磁学性能。

(5)玻璃钢的阻尼性能很好，对声音的阻隔可以达到26～30 dB。

(6)玻璃钢的热导率为0.03～0.05 W/(m·K)，比普通材料低得多，具有较好的热稳定性。

(7)玻璃钢/复合材料具有抗疲劳性能、抗冲击性能好和过载安全性能好等特性[3-4]。

2 玻璃钢在建筑结构中的应用

2.1 玻璃钢门窗

玻璃钢门窗轻质高强，其拉伸强度为350 MPa以上，弯曲强度为260 MPa以上，为铝合金的2倍、塑钢的4倍左右，从而弥补了塑钢门窗因强度低容易变形的弱点。玻璃钢型材的弯曲弹性模量较高、刚性好，故玻璃钢门窗适宜较大尺寸的窗或较高风压场合的门窗，且尺寸稳定、隔音性能好。玻璃钢型材的热变形温度为200 ℃，其线膨胀系数较低，与建筑物和玻璃相当，在冷热温差较大的环境下，不易与建筑物及玻璃之间产生缝隙，门窗的气密性能好，大大提高了门窗的密封性能。与目前市场上使用的铝合金门窗和塑钢门窗相比，优质的玻璃钢/复合材料门窗的节能效果非常好，据有关部门检测，玻璃钢门窗的保温性能优于国家标准中规定的保温性能一级指标。在建筑节能设计标准中，要求门窗材料选用低导热系数的材料，玻璃钢门窗不但密封性能良好，而且有较好的遮阳功能和良好的保温性能。玻璃钢型材对热辐射和太阳辐射具有隔断性，故玻璃钢窗体具有很好的隔热性能。玻璃钢型材耐严寒和耐高温性能好，使得玻璃钢门窗可以广泛应用于严寒和高温地区。由于玻璃钢型材内部树脂和纤维的结构特点，使得其具有微观弹性，有利于吸收声波，从而使玻璃钢窗体具有良好的隔音性能[5]。

在建筑物中，门窗、墙体、屋面、地面为建筑能耗的四大部位，其中门窗排列首位，房屋建筑的能源损失中有50%是通过门窗流失的，尤其是公共建筑的窗墙比高达70%，更加大了能源的损失。因此，门窗节能在整个节能建筑中起到至关重要的作用，减少门窗的能源损失是当前建筑节能的主要途径之一，在建筑结构中大力开发使用玻璃钢/复合材料门窗具有十分重要的意义。

2.2 玻璃钢模板

使用玻璃钢/复合材料制作的模板能够一次性达到通高，而且不易与混凝土相互粘结，所浇筑出的混凝土成品没有横向接缝(只是在竖向上会有一道接缝)，特别是圆柱体，浇筑出来圆度比较准确，且表面光滑平整，无气泡和皱纹，无外露纤维和毛刺现象，其密封性、表面平整度是木模和钢模所无法比拟的，而且色泽一致，垂直角度的误差也较小。采用玻璃钢制作圆柱模板只需要在接口处用角钢加螺栓予以固定，之后用钢丝缆风绳的一端拉住柱筋上端，而另一端只需固定在浇筑之后的混凝土楼板上即可，不需另外设置柱箍或是搭设支撑架。玻璃钢模板与木模、钢模相比易加工成型，可以一次性封模，不用接长，而且玻璃钢模板由于质量轻，拆装非常方便，具有便于清洁和维护等特点。因此，使用玻璃钢模板能够明显地减轻劳动强度，提高建筑施工效率，有利于降低工程造价。另外，玻璃钢模板有较强的耐磨性，所以重复利用次数也较多[6-7]。

2.3 玻璃钢筋

混凝土是应用最广的建筑材料，通常采用钢筋来增加其强度，但钢筋存在着腐蚀问题，而建筑腐蚀是全球建筑业所面临的一个十分棘手的问题。当钢筋混凝土在具有侵蚀性的环境中工作时，钢筋在各种腐蚀性气体、添加剂和盐的作用下生锈而使钢筋本身体积膨胀，从而导致混凝土开裂，会降低混凝土的使用寿命。

玻璃钢筋通常是以乙烯基树脂、聚酯树脂、酚醛树脂或环氧树脂作为基体材料，以无碱玻璃纤维作为增强材料，采用拉挤工艺成型，具有耐腐蚀性强、电磁绝缘性能优良和力学性能优良的特性。在建筑结构中使用玻璃钢筋增强材料可以提高水泥基体的抗弯、抗拉和抗冲击强度，由于玻璃钢筋的耐腐蚀性强，特别适用于需使用盐防冻的混凝土结构、近海地区的混凝土结构和地下工程。玻璃钢筋具有优良的电磁波透过性，对于某些特殊建筑设施，例如医院中的核磁共振成像室，或采用射频技术来识别预付费客户的公路收费站通道来讲，采用玻璃钢筋是最好的选择。目前，玻璃钢筋已在很多工程项目中得以应用，并有效地替代了钢筋[8-9]。由于玻璃钢/复合材料筋的力学性能优良和良好的耐腐蚀能力，故具有广阔的开发应用前景。

2.4 玻璃钢加固混凝土梁

玻璃钢/复合材料作为一种结构加固材料，有与混凝土共同工作的基础，能适应各种不同的工作环境。玻璃钢的线膨胀系数与普通混凝土相近，这样就不会因温度变化而引起二者之间的粘结破坏，在对混凝土表面进行适当处理后再粘糊玻璃钢，可以保证两者之间有良好的粘结力。玻璃钢片材、板材作为加固材料具有强度高、施工方便且周期短、抗渗性好和耐腐蚀等优点。用玻璃丝布包覆加固混凝土梁，采用环氧树脂作为粘结剂，玻璃丝布与混凝土结合面之间不会发生滑移破坏，粘结面会有效地传递应力。用玻璃钢加固的梁在其初始受力阶段，玻璃丝布的包裹层数对梁的刚度及变形的影响均很小。在受拉钢筋屈服以后，外包的玻璃钢对梁的刚度的作用效果很明显，从而使梁的变形减小[10]。由此可以看出，运用玻璃钢加固混凝土梁可明显提高混凝土梁的受力特性，延长梁的使用寿命，因而具有广泛的应用前景。

近几年来，国内外的一些学者相继开展了一种新型的纤维增强复合材料加固方法——内嵌(简称NSM)加固方法的试验研究、理论分析和工程应用。与外贴玻璃钢片材相比，嵌入式加固法除了具有高强、高效、耐腐蚀等优点外，还有表面处理工作量降低等优点。因为外贴加固的表面打磨工序往往耗时较长，而嵌入式加固只需使用专用工具在混凝土表面剔槽，不需进行大面积处理，可以节省工期；玻璃钢因内置而得到较好的保护，其抗冲击性、耐久性、防火性能等得以提高，如用于桥面板负弯矩区加固具有明显的优势；玻璃钢筋或板条可以较方便地锚固于相邻的构件上[11]。随着研究的不断深入，玻璃钢/复合材料作为一种轻质高强、高性能结构材料，在工程加固领域的应用将会越来越广泛，发展趋势良好。

2.5 玻璃钢在建筑结构中的其他应用

在采暖通风工程中，玻璃钢是一种很好的节能环保材料，从20世纪80年代开始已大量用于制造冷却塔、通风橱、送风管、排气管、栅板及防腐风机罩等。目前，国内研发的玻璃钢/复合材料保温管可用于输送热水及供暖，用以替代传统的金属保温管[12]。玻璃钢可制成波纹板、带肋板、空心板或夹芯板，组成各种形状的拱、壳以及穹顶等空间结构用于工业厂房等结构中，具有易成形、施工方便、质量轻、保温性能好、色泽鲜亮和耐候性好等优点，采用轻质高强的玻璃钢组装件作为建筑材料，将大大减轻工人的劳动强度，减少劳动工时，缩短施工周期，对资源保护和能源消耗也有积极的作用。在美国复合材料制造商协会(ACMA)举办的2010年复合材料大会上，一座两层的房屋获得了大会的“展会最佳奖”，该房屋由预制的以防火玻璃钢为蒙皮的夹层结构板组成；加利福尼亚的复合Kreysler公司获奖的加利福尼亚海湾之屋是一个单体式结构，由9块定制的防火玻璃钢夹层板组成；另一个创新的Kreysler项目是在一个办公楼上采用了仿造石材的玻璃钢建筑外饰[13]。玻璃钢文化墙因其高雅亮丽的外形和独特的艺术风格也备受推崇。另外，玻璃钢/复合材料在冷库、岗亭、仿古建筑、微波塔楼、屏蔽房、野营活动房等领域也得到了广泛应用，并已发挥了重要的作用[3]。

3 玻璃钢在建筑结构中的应用前景

目前，我国人均资源占有量为世界平均值的40%，但能源消费总量已达到世界第2位，其中建筑用能源成为我国能源消费的大户，能耗约占所有产业能耗的30%。玻璃钢凭借其优异的性能，在建筑节能方面的应用日益受到人们的青睐。在建筑领域研发和使用玻璃钢/复合材料，对于节约能源、改善设计、减轻建筑物自重、提高建筑物的使用功能和提高经济效益具有十分重要的意义。从国内外的应用情况来看，玻璃钢是国际市场上产量最大、用途最广的产品。在美国、日本、德国等工业发达国家，玻璃钢已经进入大规模使用阶段。我国通过自行研究开发和吸收国外先进技术，近几年来玻璃钢国产技术装备水平有了较大幅度的提高。随着国家相关产业振兴规划的实施和基础设施投资力度的加大，对玻璃钢的需求也将持续增长。从目前国内外玻璃钢/复合材料的发展情况看，当前正朝着高性能、多功能、低成本和高的环境相容性方向发展。随着玻璃钢工艺的发展和不断拓展产品种类，玻璃钢在建筑工程中的应用将会越来越广。

建筑业是国民经济的支柱产业之一，在国民经济中占有很重要的地位。建筑业的发展方向是节约能源、保护环境、提高经济效益和社会效益，玻璃钢作为新型的高性能复合材料，必将成为未来新建节能建筑选材和既有建筑节能改造的首选材料，成为传统结构材料的重要补充，并逐步替代传统的非节能建材。随着我国建筑节能标准的不断提高，玻璃钢/复合材料作为第4代新型复合材料在建筑结构中的应用前景将会更加广阔。

参考文献：

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[2] 陈祥宝.先进树脂基复合材料的发展和应用[J].航空材料学报，2003，23(S0)：199-204.

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[4] 李瑞英，陈伯平，闫松.树脂基复合材料在建筑业的应用[J].建材技术与应用，2010(2)：10-12.

[5] 周佩杰.玻璃钢门窗在公共建筑改造中的应用[J].门窗，2010(9)：39-43.

[6] 衡晓东，孟晓勇，延汝萍.圆柱玻璃钢模板的应用[J].建筑技术开发，2010(8)39-42.

[7] 卢显平.玻璃钢圆柱模板在建筑施工中的应用[J].企业科技与发展，2010(16)：140-141.

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[10] 孙家伟，张秀凤.混凝土梁在用玻璃钢加固后的性能试验研究[J].山东建筑工程学院学报，1999，14(3)：15-19.

[11] 曾宪桃，成香莉.纤维增强复合材料在工程结构加固中的应用及发展[J].世界桥梁，2008(4)：70-73.