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纖維復合材料:讓你的房子又堅固又美
發布時間:2018-08-03 閱讀次數:2564 信息來源:玻纖情報網

現代城市的發展和經濟的繁榮推動了整個建筑業的發展,而建筑業對建筑材料耐久性、低維護、可設計性等方面的要求持續上升,使得復合材料在建筑業的普及率逐步增長。根據研究機構MarketsandMarkets發布的一份報告:全球建筑用復合材料市場預計到2026年將達89.8億美元,在2016年到2026年的預測期內復合年均增長率為6.00%。建筑領域已經成為繼汽車、航空航天之后最具潛力的纖維復合材料應用市場。

現代建筑對材料提出更高要求


     過去,建筑師一直使用傳統的建筑材料(木材、石頭、鋼鐵、混凝土等),但隨著城市化進程的加快和建造技術的進步,現代社會對建筑的功能性和審美性也更為關注,薄殼結構、懸挑結構、懸索結構、網架結構等新型結構豐富了傳統的建筑設計領域,因此也對建筑材料提出了更高的要求。而復合材料的引入帶來了建筑業的革新,它們在施工領域的應用使得傳統材料被逐漸取代,設計人員在實施具有未來派設計的項目時所遇到的許多障礙已經不復存在。


 
1.建筑材料需要輕質高強
   

       在建筑設計中,對材料自身重量的考慮是一個關鍵因素,如果材料自重大,勢必增加大量的支撐、穩固結構以及牢固的地基結構。當下,減小建筑結構中部件自身重量,在保證其安全可靠的前提下,降低建造難度和成本、提升利用空間是很多建筑設計師追求的目標之一。因此,質輕而高強的纖維復合材料越來越多地被建筑設計師納入到結構件的設計選材之中。

2.新型建筑追求功能的多樣化
由于傳統建筑材料的功能已經得到充分的發揮,已經很難滿足建筑的多功能性要求。例如,如何在滿足建筑的多樣化外形的同時,還具有隔熱保溫吸聲采光等多種功能,而纖維復合材料為這些問題提供了潛力十足的解決方案。

3.現場施工需要更加便捷
過去,建筑工地嘈雜、臟亂的景象無可避免,建筑工期往往也比較長。而通過采用預先成型的纖維復合材料來制作整體構件,進行現場拼裝,可以極大地改善建筑施工的工況條件,減輕現場作業強度。并且隨著各種成型工藝的進步、3D打印技術的大型化和規;l展,今后纖維復合材料預制構件將在建筑領域有更多應用。


建筑用纖維復合材料的性能特點


與傳統建筑材料相比,復合材料提供的主要優勢有:
1.設計靈活性和美學性
纖維復合材料作為結構材料應用時,由于它是基體材料和增強材料等組分材料的組合,既可保持原組分材料的某些特點,又能發揮組合后的新特性,而且可根據結構需要進行設計,以滿足單一材料無法達到的性能要求。此外,隨著成型技術的不斷進步,纖維復合材料幾乎可以實現任何形狀,可具有復雜的結構和艷麗的顏色,從而達到結構形式和建筑美學的高度統一。鑒于這種設計靈活性,單個纖維復合材料部件能夠取代需要許多傳統材料的復雜單元,為設計師和施工方都帶來了極大的可能性。

2.比強度和比剛度高
一些采用高強纖維增強的復合材料具有比傳統材料高出數倍的比強度和比剛度,即使在機械和環境的壓力下,也能保持其形狀和功能。

3.抗疲勞性能好
一般金屬的疲勞強度為拉伸強度的40%~50%,而某些纖維復合材料的疲勞強度可達其拉伸強度的70%~80%,具有良好的抗疲勞性能。

4.良好的耐化學性
傳統的鋼筋等建筑材料是不耐腐蝕的,而大部分纖維復合材料是優良的耐腐蝕材料,其用在建筑中一般具有良好的耐酸、堿、鹽等化學介質侵蝕的能力,尤其是在一些近海等環境較為嚴峻的地方,纖維復合材料具有更優的應用潛能。

5.良好的抗震性能
纖維復合材料相對傳統建筑材料自振頻率更高,不易出現共振,而且通常在加載速度和頻率條件下不容易出現因共振而快速脆斷的現象;同時因為其存在大量的界面,振動阻尼性也很大,一旦激起振動,衰減也快。

6.過載安全性好
在纖維復合材料中,由于有大量獨立的纖維,當過載時復合材料中即使有少量纖維斷裂,載荷都會迅速重新分配到未被損壞的纖維上,不至于造成建筑構件在瞬間喪失承載能力而斷裂。


幾種常用于建筑領域的纖維復合材料


1.纖維增強混凝土
     纖維增強混凝土是在對混凝土的創新過程中應運而生的一種產品,有鋼纖維、玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維等作為增強材料。纖維的本身性能如強度、模量、斷裂長度等和纖維在材料中的空間結構、體積含量等都決定著混凝土的性能。


 
 

     纖維增強混凝土分為短纖維增強混凝土和長纖維增強混凝土。短纖維增強混凝土中的纖維一般切成幾毫米至幾十毫米長度,隨機摻入砂漿基材之中,可以替代或部分替代鋼筋。與傳統混凝土相比,其拉伸強度和抗彎強度大,防裂性能好,多用于內外裝飾板材和部件。長纖維增強混凝土多采用連續的玻璃纖維、碳纖維纖維等制成棒狀、網狀或三維異形織物,用樹脂制成纖維增強塑料骨架,以替代鋼筋構成新型復合混凝土材料,常用作墻板、護墻板和建筑物主體。一般來說長纖維增強混凝土的性能優于短纖維增強混凝土。

隨著技術的進步,混凝土材料不僅要承受載荷,還要適應多功能和智能建筑的需求。因此一些采用纖維增強的功能/智能混凝土也逐漸興起,如屏蔽磁場水泥基復合材料、應變自感應混凝土、溫差水泥基復合材料、自修復混凝土、導電水泥混凝土等。

2.纖維復合材料涂層織物


 
 

     涂層織物是在織物上覆蓋一層高分子涂層劑或其他材料而得到的復合材料。作為底布的纖維織物起到骨架的作用,承擔著復合材料的抗張強力、撕裂強力、尺寸穩定性等方面的功能;涂層則承擔著保護底布組織以及防水、耐腐蝕等表面特性的職能;嫉男阅苡绊懼罱K產品的性能,玻璃纖維、芳綸纖維、滌綸纖維等制作基布的效果較為理想。根據涂層織物在建筑中主要用作膜結構建筑材料、棚蓋布、軟性屋頂等。

3.FRP復合材料
     纖維增強塑料(簡稱FRP,即Fiber Reinforced Plastic)是由玻璃纖維、碳纖維及芳綸纖維等,采用基底材料如聚乙烯樹脂、環氧樹脂等膠合后,經過特制的模具進行擠壓、拉拔而成型。不同的纖維化學成分不同,其力學性能差別很大,相應的FRP也表現出差別很大的物理力學性質。
 

 
     目前,玻璃纖維增強塑料(GFRP)是應用最為廣泛的一種復合材料,采用玻璃纖維作為增強材料,以熱固性或熱塑性樹脂作為基體材料。GFRP具有重量輕、強度高、耐熱、耐腐蝕、采光透光效果好、安裝維護方便、成本相對較低等特點。

     此外,碳纖維復合材料由于其高強度、耐疲勞、耐高溫、導電、傳熱等優異性能,近年來其在建筑工程中的應用也逐漸興起,尤其是在建筑加固方面,通過采用碳纖維復合材料對一些承載力不足的建筑構件進行加固來滿足載荷要求。此外,碳纖維現代高智能化的新型建筑工程中的應用前景較為廣闊,但碳纖維復合材料的價格成本相對較高,其在建筑業的接受程度比汽車、航空等行業還是要低一些。


一些纖維復合材料的建筑應用案例


目前,全世界已有許多建筑在裝飾性外立面、組合部件和巨型支撐結構(如穹頂)甚至建筑物整體中采用了纖維復合材料,一些建筑師和工程師也在開發更加復雜的解決方案,以滿足一些獨特的功能需要和設計美學追求。
1.歐盟檢察署大樓


     荷蘭TGM建筑公司與Indupol公司、力聯思以及BüFA和 Solico公司通過緊密而成功的合作,成功的實現了歐盟檢察署大樓外立面獨特的設計和造型,為建筑業注入創新的復合材料應用技術。復合材料部件由Indupol公司制造,采用手糊工藝在模具里成型獲得特定的形狀和尺寸,使用的樹脂來自力聯思和Büfa(由經銷商Euroresins交付)。模壓之后,制品表面經過處理,覆以白色面漆,然后運送到安裝現場。制品安裝僅需很少量腳手架,由起重機吊起安裝到大樓上。

2.印度加爾各答紐頓小學教學樓
 


     Abin 設計工作室的設計師Abin Chaudhuri為印度加爾各答紐頓小學建立了獨特的地標,從遠處看,每個外立面看起來就像一個復雜的具有字母和數學符號的魯比克魔方® (Rubik’s Cube®)。這些字母和符號為外立面創造了一種定制模板。這些結構能夠為孩子們帶來一種圖形化但又有趣的美學體驗。

     由于需要各種各樣耐用且輕便的復雜形狀,該團隊用玻纖增強塑料制造了488塊3.2 x 3.2米的板,每塊板由13種不同的符號組合組成。在對幾種不同的復合材料和非復合材料進行試驗后,該團隊確定了玻璃纖維氈增強聚丙烯系統最能滿足其需求。每塊板僅重154磅。由鋼制成的網格狀框架與FRP板相匹配,Z型鋼材嵌入板中,固定在建筑物上。結構混凝土板突出于建筑物表面以確保精確數量的板材可以安裝在外立面的所有表面上。這使板材更容易從后面進行安裝,并確保更好的采光。這些板材安裝在不同的方向上,使外立面具有隨機效果。建成后,這種外立面環繞27000平方英尺的建筑物。

3.舊金山現代藝術館(SFMOMA)


 
     Kreysler & Associates公司為舊金山現代藝術館(SFMOMA) 的東立面設計了700塊“雨幕”纖維增強塑料板。這些FRP板覆蓋10層的建筑,并起到防水作用。這些FRP板固定在鋁制框架上,形成一個水平的漣漪紋理就像舊金山灣的水域。根據Kreysler & Associates 公司總裁Bill Kreysler 介紹,SFMOMA擴建項目是北美最大的多層建筑纖維增強塑料外墻的應用例。

     這些FRP板是由可回收的發泡聚苯乙烯(EPS)泡沫模具制成,先用由數控熱線機磨成大致形狀,再用五軸數控刳刨機制作最后的雙彎曲表面。沒有兩塊板是一樣的,大多數的寬度是5.5英尺,長度在6到30英尺之間。其表面厚度只有3/16英尺。

4.蘋果公司總部大樓


 

     位于加州庫比蒂諾的蘋果公司新總部價值50億美元,其屋頂由迪拜第一復合材料技術公司制造,總生產面積達64250平方米。

     這是有史以來最大的獨立碳纖維屋頂。這種圓形屋頂由44塊同樣半徑的板構成,平均70英尺長11英尺寬,分別連接到中間的小型中心轂上。它在迪拜沙漠中組裝和測試,然后運送到加利福尼亞州的庫比蒂諾(Cupertino),其重量為80噸,直徑超過140英尺。相比之下,波音787的起飛重量不到30噸,翼展197英尺。

5.麥加大清真寺


 
    這是迪拜第一復合材料技術公司(PCT)的另一個壯觀的作品,該公司在麥加大清真寺建造了一座世界最大的滑動穹頂。其直徑將達到36米,用一個移動的系統驅動,具有下穹頂和上部覆層雙層的結構。據PCT的市場和活動協調員Djibril Waimer介紹,玻璃纖維增強聚合物(GFRP)板用于覆蓋屋頂的結構鋼框架。這種框架支撐在四個電動輪驅動器上,可以滑動到一側,以便庭院可以露天,為清真寺提供自然通風。

6.巴黎俄羅斯東正教大教堂


 
     Sicomin公司是一家設計高性能環氧樹脂系統配方的公司,它向巴黎的俄羅斯東正教大教堂的五個鍍金圓屋頂提供了一套完整的既制造模具又制造部件的復合材料。Sicomin向瑞士Carboman集團的Décision公司提供用于圓屋頂模具的材料,使用Sicomin公司的SR8100 / SD7820高效120°C Tg環氧樹脂灌注系統灌注一組玻璃纖維多軸向織物和巴沙木增強模具。

     圓屋頂的板材本身是在Multiplast公司在法國瓦納的工廠使用Sicomin SR8100 / SD4772環氧灌注系統和專門研制的玻璃纖維增強材料鋪層生產的。通過將其重量級四軸向品牌織物QX1180和500 gsm機織物結合。圓屋頂使用Sicomin的復合材料解決方案對該項目來說有許多優點。輕質屋頂可以快速安裝而且能減少建筑結構的靜負荷。另一個好處就是屋頂的離線生產和裝飾可以在受控條件下進行,生產過程不會受到天氣影響。Sicomin在實驗室進行大量的DSC試驗以優化后固化過程,以確保完成的部件的穩定性,隨后工匠用86000片真正的金箔鍍在640平方米的圓屋頂表面。

7.生態膠囊屋Ecocapsule


 
 

     斯洛文尼亞的團隊利用輕量化復合材料設計出一款生態膠囊屋Ecocapsule,這種小巧的膠囊屋只有4.57米長,2.13米寬,可利用面積僅為6.5平方米。項目團隊利用玻璃纖維和聚酯樹脂,分別造出膠囊屋的主要三個部件(底部、左側半弧和右側半。,以及門窗和其他內飾部件。采用真空灌注的生產工藝,玻璃纖維織物和聚酯樹脂被分層鋪放在鋁結構之上,最終形成輕量化膠囊屋。

框架結構完成之后,其余零部件(包括電力、水系統、地暖系統、內飾等)都是依靠人工安裝上去的。里面的桌椅櫥柜采用的是輕質蜂窩板材。建成之后,膠囊屋總重僅為1.18噸。

8.倫敦維多利亞和阿爾伯特博物館(V&A) John Madejski庭院涼亭


     該技術涉及到用機械臂纏繞復合材料——旨在利用碳纖維的材料特性賦予像制造結構部件一樣的強度。一系列這些單個細胞樣的模塊用來建造長亭獨特的形狀。這40個單元平均每個需要3小時來制造。

9.ICD/ITKE亭


     斯圖加特Achim Menges教授在新作 ICD/ITKE亭中展示了一種全新的建筑,其靈感來自于生活在水下,并居住在水泡中的水蜘蛛的建巢方式。整個亭子是在一層柔軟的薄膜內部用機器人織上可以增強結構的碳纖維而形成的輕型纖維復合材料外殼構筑物,同時這種建造方式使用到最少的材料實現了結構穩定性。

10.上海迪士尼樂園明日世界

 


     上海迪士尼樂園明日世界占地面積超過2300平方米,廣泛的內部和外部建筑結構和座椅都是用幾百種不同形狀和尺寸的阻燃(FR)膠衣飾面FRP復合材料模塑部件組成的。

     所有所需的FRP(纖維增強塑料)部件都是手糊成形的,由復合材料制造專家E-Grow公司利用包括斯科特•巴德Crestapol 1212高性能ATH三水合鋁填充聚氨酯丙烯酸酯樹脂和阻燃劑預加速Iso-NPG聚酯膠衣Crystic 967 FR的防火層壓系統制造,可以提供各種定制顏色。

     用于迪士尼樂園的所有FRP必須滿足中國對完全組裝復合材料部件的B1防火性等級要求,該規范由中國國家建筑和工程材料檢驗測試中心制定。為了確保符合消防規范,E-Grow 公司使用Crestapol 1212高性能聚氨酯丙烯酸酯,并含有170 phr三水合鋁(ATH)作為輔助樹脂。根據需要加入了450g/㎡的玻璃纖維短切原絲氈和450 g/㎡的無捻粗紗布增強材料。
 

在建筑中使用復合材料時的障礙


     盡管纖維復合材料已經在建筑領域嶄露頭角,并且得到了很多實際的應用,但是,在應用過程中還存在一些問題,阻礙了纖維復合材料在建筑領域的推廣。

     其一,由于在公共安全方面控制風險的重要性,在民用建筑中使用的纖維復合材料必須遵守標準和技術規范。然而,目前的標準文獻還很少,有限的標準/技術規范還在發展中。如果沒有足夠的標準和技術規范,這些纖維增強材料就只能被用于演示和研究項目之列。標準化的測試和材料表征方法能夠最大限度地減少FRP材料的輸出和規格的不確定性。技術規范允許安全、自信地設計、建造和管理含有FRP材料的結構。

     其二,與普通材料相比,纖維復合材料的成本相對較高,在實際應用中,許多施工單位的資金條件不允許,導致材料的使用具有很大的局限性。因此,要不斷研究新技術的應用,開發新型經濟適用的纖維復合材料,運用科技的手段降低材料成本,使其纖維復合材料的應用更加廣泛。

     其三,建筑行業的集中度相對較低,纖維復合材料在建筑中的實踐也各不相同,甚至在不同地區之間也存在差異。纖維復合材料在建筑業的創新往往是地方性的,而且往往得不到應有的宣傳。許多建筑研究機構、高校、設計單位、施工單位以及建筑商對纖維復合材料的接受程度還十分有限。因此加大對纖維復合材料在建筑領域的應用的宣傳也很有必要。

     盡管存在這些困難,但由于其獨特的特點,一些復合材料已經被選擇成為傳統建筑材料的替代品,傳統的建筑行業發生了翻天覆地的變化。隨著技術的不斷發展,建筑用復合材料也在逐漸更新,建筑模板的種類也是層出不窮。纖維復合材料在縮短工期,減輕結構質量,提高裝配化程度,便于采用現代化施工方法,提高建筑質量和耐久性等方面已經顯示出了巨大的潛力。

     此外,在今后的研究及應用過程中,建筑用纖維復合材料還應朝著提高生產率、綠色環保、節能減排、改善居住環境、提高建筑功能和質量、開發新的應用領域的方向發展,同時通過對材料的加工工藝以及成分設計的研究,進一步發揮塑料建材的優勢,拓展其應用空間。未來,纖維復合材料必將在建筑領域大顯身手,而我們的人居環境和建筑風貌也將呈現出更加多功能、多樣化的發展形態。

 

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