玻璃鋼材料（GFRP）在建筑節(jié)能中的應用＊

王林，江堃，劉啟超

玻璃鋼材料（GFRP）在建筑節(jié)能中的應用＊

王林，江堃，劉啟超

（武漢理工大學 土木工程與建筑學院，湖北 武漢 430070）

中國自然資源不算豐富，卻是能源消耗大國，一直面臨著嚴峻的能源問題。其中，中國每年的建筑產(chǎn)業(yè)能耗占到總能耗的30%左右，為了緩解能源緊張，響應國家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的號召，建筑產(chǎn)業(yè)的節(jié)能減排勢在必行。采用節(jié)能新型材料，是建筑行業(yè)實現(xiàn)節(jié)能減排的重要手段之一。介紹了玻璃纖維增強復合材料（GFRP）的優(yōu)良性能和在建筑節(jié)能中的應用情況，從資源形勢出發(fā)，總結(jié)了GFRP在建筑節(jié)能中的發(fā)展前景和部分問題的對策，以期對產(chǎn)業(yè)節(jié)能提供些許參考。

GFRP；建筑節(jié)能；建筑產(chǎn)業(yè)；自然資源

1 建筑產(chǎn)業(yè)能源消耗現(xiàn)狀

近年來，中國社會經(jīng)濟發(fā)展形勢良好，人們的生活質(zhì)量水平不斷提高，對各種各類的能源的需求量也日益增長，快速增長的能源消耗速度與中國尚不算豐富的自然資源之間的矛盾日益凸顯。中國建筑產(chǎn)業(yè)能耗占到總能耗的30%左 右[1]，屬于高能耗的產(chǎn)業(yè)，建筑產(chǎn)業(yè)實行節(jié)能減排是必要的，而采用新型節(jié)能建材，是建筑行業(yè)實現(xiàn)節(jié)能減排的重要手段之一。水泥、鋼鐵和鋁[2]作為當前建筑行業(yè)主流的基礎(chǔ)材料，在生產(chǎn)施工過程中會產(chǎn)生較高的能耗和排放量，對中國的資源和環(huán)境造成比較大的負擔。玻璃纖維復合材料（GFRP）是一種以樹脂為基礎(chǔ)，玻璃纖維為填充物質(zhì)的新型復合材料，其繼承了二者的優(yōu)點，輕質(zhì)高強，耐熱，耐腐蝕性和絕緣性較好，生產(chǎn)能耗低，對環(huán)境友好，在建筑領(lǐng)域中被大量使用[3]。

2 GFRP的優(yōu)良性能

2.1 輕質(zhì)高強，具有優(yōu)良的力學性能

GFRP的相對密度介于1.5～2.0，僅有普通碳素鋼的1/5～1/4，屬于輕質(zhì)材料，同時GFRP比強度高，具有優(yōu)秀的抗拉強度與疲勞性能，其強度可以達到甚至超過普通碳素鋼的水準，某些環(huán)氧玻璃鋼的拉伸、彎曲和壓縮強度甚至能達到400 MPa以上，且與混凝土等其他建筑材料有著良好的協(xié)調(diào)性，因此，GFRP可作為承載構(gòu)件應用于建筑結(jié)構(gòu)中。

2.2 工藝可設(shè)計性強

GFRP有著極為靈活的成型工藝，比如模壓、纏繞、RIM等，復合結(jié)構(gòu)使其具有較高的可設(shè)計性。玻璃鋼產(chǎn)品可以通過改變纖維成分的含量與分布方向[4]，來使重要的性能集中在需要的方向，還可以根據(jù)不同的使用環(huán)境與使用條件自行選擇合適的原材料品種，以制造出能夠滿足工程實際要求的玻璃鋼制品，例如樹脂使用酚醛樹脂可以使材料具有良好的防火性與阻燃性，使用聚氨脂樹脂可以使材料具有出色的拉伸性能等，另外，還可以通過添加劑使得玻璃鋼功能化，令其具有阻燃和防止靜電危害等特性[4]。

2.3 良好的熱性能和耐腐蝕性

GFRP的線膨脹系數(shù)與玻璃材料相近，在特定溫度范圍內(nèi)有熱穩(wěn)定性，其熱導率比普通建筑材料低，僅為0.03～ 0.05 W/（m·K）[5]。GFRP中的樹脂材料具有良好的耐腐蝕性，可以通過改變所用樹脂材料來提升GFRP的耐腐蝕性能，這種能夠適應各種環(huán)境腐蝕條件下的性能是大多數(shù)金屬建筑材料無法比擬的。

2.4 生產(chǎn)能耗低，對環(huán)境友好

GFRP另外一個區(qū)別于金屬材料的特性是制作成型的一次性，根據(jù)預定好的原材料和設(shè)計方法就可以將GFRP的材料和結(jié)構(gòu)一次性完成，相比常常需要二次加工的金屬材料，可以極大程度地降低生產(chǎn)消耗。此外，其制造成型時所需要的溫度也要低于大多數(shù)材料[6]，成型能耗大為降低；GFRP的玻璃和樹脂材料屬于環(huán)保材料，對環(huán)境較為友好。

3 GFRP在建筑節(jié)能中的應用

3.1 建筑管道

美國等發(fā)達國家早在20世紀六七十年代便開始將玻璃鋼復合材料用于建筑管道，并對此有著較為成熟的設(shè)計、生產(chǎn)和使用經(jīng)驗，有著嚴格的檢驗方法和標準。中國的玻璃鋼建筑管道設(shè)計起步較晚，但近年來該領(lǐng)域發(fā)展迅速，玻璃鋼管道逐漸代替了金屬管、混凝土管等管材在建筑管道中的應用。與其他管材相比，玻璃鋼在許多方面有著明顯的優(yōu)勢：①耐腐蝕性能好。玻璃鋼的成分為高分子樹脂和玻璃纖維，可保證在正常情況下長期安全使用，而金屬管耐腐蝕性差，長管道的防腐處理和維護增加成本且不能長期使用，節(jié)能效果差。②耐熱性能好。玻璃鋼管道通常使用溫度范圍為－40～70 ℃，添加耐高溫材料后甚至可在200 ℃環(huán)境下正常工作，而混凝土管長期露天使用易產(chǎn)生裂縫，影響結(jié)構(gòu)的安全和正常使用。③耗能低。玻璃鋼管道由3層構(gòu)成，其中內(nèi)襯層上有著豐富的高分子成分不飽和聚脂樹脂，內(nèi)壁光滑，摩擦系數(shù)為0.008 4，與金屬管道的摩擦系數(shù)0.013和混凝土管道的0.014相比，摩擦系數(shù)小、阻力小、輸送能力強、耗能低。周祝林[7]通過對國內(nèi)某建筑管道進行計算分析發(fā)現(xiàn)，在輸送水量相同時，玻璃鋼管道比鋼管道的直徑小20%左右；在管道直徑相同時，玻璃鋼管道輸送的水量可比鋼管道多20%～40%。④成本低。玻璃鋼管的水錘附加壓強比僅為鋼管的1/2，且根據(jù)周祝林[7]的研究，玻璃鋼管的水壓損失僅是鋼管的48%左右，因此可用功率小的水泵，節(jié)能的同時降低成本。玻璃鋼管道泵送時間短，降低了運行費用，維修費用約占費用總和的1%，而鋼管則為3%，由此郭明 林等人[8]認為使用玻璃鋼管道可使工程成本降低20%～30%，可促進資源合理配置。

3.2 建筑門窗

門窗對建筑起著采光、通風、圍護和裝飾等作用，是建筑的重要組成部分，而經(jīng)它損失的能源約占建筑物損耗能量的50%以上，因此增強門窗的隔熱保溫性能是建筑節(jié)能的重要一環(huán)。隨著新復合材料的出現(xiàn)，玻璃鋼門窗的應用也越來越廣泛。玻璃鋼門窗以高分子樹脂為基質(zhì)體，玻璃纖維為增強體，經(jīng)拉擠、切割、組裝和噴漆等工序配以五金件制成。與傳統(tǒng)的木門窗、鋼門窗、鋁合金門窗和塑料門窗等門窗相比，玻璃鋼門窗既堅固耐腐，又保溫節(jié)能，有新世紀建筑門窗的綠色產(chǎn)品之稱。

與其他材料的門窗相比，玻璃鋼門窗的建筑節(jié)能效果主要體現(xiàn)在以下幾個方面：①熱穩(wěn)定性好。玻璃鋼作為一種高分子復合材料，有著強度高、熱膨脹性系數(shù)小的特點。玻璃鋼的熱膨脹系數(shù)為8×10-6℃，比塑料、鋁合金小得多，僅是塑料的1/20，與建筑物和玻璃相當，因此玻璃鋼門窗與玻璃和建筑物被溫度變化引起的膨脹和收縮均一致，避免產(chǎn)生裂縫的同時也減小了熱量外泄。②導熱系數(shù)小。玻璃鋼材料的導熱系數(shù)遠小于鋁合金和鋼材，是鋼材的1%，鋁合金的1‰。玻璃鋼材料的熱阻值高，是良好的絕熱材料，能阻礙熱量在門窗上的傳遞。③密封性好。玻璃鋼門窗在組裝的過程中縫隙用橡膠密封，加之空腹結(jié)構(gòu)玻璃鋼門窗的密封性好于其他種類門窗；另一方面，玻璃鋼的熱膨脹系數(shù)與建筑物和玻璃相當，兩者熱脹冷縮程度一致，避免產(chǎn)生裂縫，大大提高了玻璃鋼門窗的密封性能，降低了通過門窗縫隙的熱交換。③合理配置中空玻璃。在沒有出現(xiàn)空氣對流時，玻璃內(nèi)腔間距越大其傳熱系數(shù)越小，隔熱性能越好。玻璃鋼門窗主要是通過提高自身隔熱保溫性能來實現(xiàn)建筑節(jié)能的。根據(jù)陳海軍[9]的計算結(jié)果，鋁合金材料的導熱系數(shù)減小0.3，需增加成本20%，要達到理想的導熱系數(shù)，每平方米增加成本102元左右，但玻璃鋼門窗無需增加成本便可達到理想的導熱系數(shù)。因此，玻璃鋼門窗在建筑節(jié)能方面有良好的應用前景。

4 GFRP在建筑節(jié)能中的發(fā)展前景及部分問題對策

4.1 發(fā)展前景

建筑工業(yè)是國民經(jīng)濟的支柱產(chǎn)業(yè)之一，是國民經(jīng)濟的重要組成部分。隨著國家經(jīng)濟的發(fā)展，人民的生活水平逐漸提高，對住房條件和房屋質(zhì)量都有了更為嚴格的要求，且中國作為能源消費總量世界排名第一的國家，人均資源占有量僅為世界平均的40%，建筑節(jié)能勢在必行。因此玻璃鋼復合材料以其優(yōu)越的性能得以代替非節(jié)能材料在建筑節(jié)能領(lǐng)域得到廣泛應用。中國對于玻璃鋼復合材料的研究和應用均起步較晚，雖然國內(nèi)近10年來在該領(lǐng)域發(fā)展較快，呈跳躍式增長之勢，年增長率為經(jīng)濟增長率的3倍，玻璃鋼總產(chǎn)量位居世界第二位，也引進了國外不少先進的工藝技術(shù)，但相比之下仍有較大差距，還存在著如技術(shù)水平低、企業(yè)規(guī)模小、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)不合理等問題，因此雖然發(fā)展迅速但節(jié)能效果不理想。郭明林等人[8]指出中國玻璃鋼復合材料在建筑的應用已達40%，但在節(jié)能中應用不多，因此玻璃鋼材料在建筑節(jié)能中的應用仍有較大的發(fā)展空間和潛力。

4.2 部分問題對策

開發(fā)和調(diào)控環(huán)保建筑市場。環(huán)保建筑市場廣大、無限、與人民生活息息相關(guān)，國家和政府應建立和完善相關(guān)法律法規(guī)，規(guī)范市場并加強監(jiān)督，利用市場增強人們對建筑節(jié)能的重視，通過互聯(lián)網(wǎng)媒體等宣傳節(jié)能知識，增強人們的節(jié)能意識，由上到下促進環(huán)保建筑市場的開發(fā)與調(diào)控，進而實現(xiàn)建筑節(jié)能的目標。加大科技創(chuàng)新力度，在有限的產(chǎn)品前提下實現(xiàn)更好的節(jié)能效果，中國應從實際出發(fā)，努力引進國外先進的技術(shù)、設(shè)備、材料和工藝等，提高建筑節(jié)能行業(yè)整體水平。以玻璃鋼管道為例，樹脂和助劑在生產(chǎn)和加工過程中均有關(guān)鍵作用，但中國生產(chǎn)的樹脂存在產(chǎn)量低、價格高的問題，生產(chǎn)的助劑存在種類少、不配套且質(zhì)量差的問題。科技是第一生產(chǎn)力，只有加大創(chuàng)新力度，才能促進建筑節(jié)能行業(yè)的發(fā)展。

5 結(jié)語

隨著中國社會發(fā)展進程的加快，建筑產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，由此也產(chǎn)生了一系列的消耗與污染問題，建筑產(chǎn)業(yè)的節(jié)能減排也受到社會越來越多的關(guān)注。中國出臺了相應的措施，要求提高建筑節(jié)能水平，對部分既有建筑進行改造，以達到建筑行業(yè)節(jié)能減排的目的。無論是提高建筑節(jié)能水平，還是對既有建筑進行改造，工作量都是較為巨大的，故綠色環(huán)保的節(jié)能新型材料GFRP在建筑節(jié)能應用有較為廣闊的市場，研究GFRP在建筑節(jié)能中的應用是十分必要的。

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TB47

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.13.039

2095－6835（2020）13－0099－02

武漢理工大學自主創(chuàng)新基金（編號：2019-TJ-B1-06）

王林（1998—），男，本科在讀，主要從事GFRP纖維材料及南海珊瑚砂相關(guān)研究。

劉啟超（1995—），男，碩士研究生，主要從事GFRP纖維材料及南海珊瑚砂相關(guān)研究。

〔編輯：張思楠〕