工程材料论文建筑复合材料点“绿”成金

　　复合材料，是由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法，在宏观(微观)上组成具有新性能的材料。本篇工程材料论文建筑复合材料的功用范围和使用种类，阐述他们的有点和性能，而高密度复合材料技术的实现不仅解决了农业废弃物和城市废弃物的污染排放问题，还节省了有限的林业资源，必将对我国的21 世纪的环保产业产生巨大影响。

　　推荐期刊：《超硬材料工程》是一个新兴的、高速增长的行业，国内已经连续二十多年保持了20%～30%的增长速度，且仍然不断地开发出新的产品和新的应用领域，具有极为广阔的发展潜力。本刊以金刚石和立方氮化硼等超硬材料为主要报道对象，内容涵盖了超硬材料及其相关的领域，对新材料领域中的最新成果也有所关注，并保留了一个珠宝方面的栏目。

　　随着社会的进步, 人们对居住面积、房屋质量和娱乐设施等提出越来越高的要求, 已成为推动建筑工业改革发展的动力。建筑工业现代化的发展方向是改善施工条件, 加快建设进度。复合材料应用于建筑领域,相比传统的钢铁和混凝土结构，性能更佳，寿命更长,可以超过一百年。建筑业是基础产业, 在国民经济中占有重要的地位。目前, 由于人类所面临的资源、能源短缺以及环境保护的压力, 迫使人们用现代科学技术改革传统建材, 用纤维增强复合材料替代传统建材便是一种行之有效的方法。在各种类型的建筑中开发并推广使用复合材料已引起国内外建筑界人士的普遍关注。

　　一、建筑用复合材料的功用范围

　　复合材料是由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法，在宏观上组成具有新性能的材料。各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。复合材料的基体材料分为金属和非金属两大类。金属基体常用的有铝、镁、铜、钛及其合金。非金属基体主要有合成树脂、橡胶、陶瓷、石墨、碳等。增强材料主要有玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、石棉纤维、金属丝和硬质细粒等。

　　随着建筑工业的迅速发展，环保复合材料越来越多地被用于建筑工程结构中：

　　承载结构用作承载结构的复合材料建筑制品有：柱、桁架、梁、基础、承重折板、屋面板、楼板等，这些复合材料构件，主要用于化学腐蚀厂房的承重结构、高层建筑及全玻璃钢-复合材料楼房大板结构。复合材料围护结构制品有各种波纹板、夹层结构板，各种不同材料复合板，整体式和装配式折板结构和壳体结构。

　　用作壳体结构的板材，它既是围护结构，又是承重结构。这些构件可用作工业及民用建筑的外墙板、隔墙板、防腐楼板、屋顶结构、遮阳板、天花板、薄壳结构和折板结构的组装构件。透光建筑制品有透明波形板、半透明夹层结构板、整体式和组装式采光罩等，主要用于工业厂房、民用建筑、农业温室及大型公用建筑的天窗、屋顶及围扩墙面采光等。门窗装饰材料属于此类材料制品有门窗断面复合材料拉挤型材、平板、浮雕板、复合板等，一般窗框型材用树脂玻璃钢。

　　二、建筑工程中的木塑复合材料

　　木塑复合材料是国内外近年蓬勃兴起的一类新型复合材料，指利用聚乙烯、聚丙烯和聚氯乙烯等，代替通常的树脂胶粘剂，与超过50%以上的木粉、稻壳、秸秆等废植物纤维混合成新的木质材料，再经挤压、模压、注射成型等塑料加工工艺，生产出的板材或型材。主要用于建材、家具、物流包装等行业。将塑料和木质粉料按一定比例混合后经热挤压成型的板材，称之为挤压木塑复合板材。木塑复合材料的基础为高密度聚乙烯和木质纤维，决定了其自身具有塑料和木材的某些特性。木塑复合材料是一个舶来品，20 世纪90年代末从北美引入中国。这种材料不仅在性能上集合了木材和塑料的双重优点，更重要的是低碳环保特征显著。研究数据显示，使用1 吨木塑材料，相当于减排1.82 吨二氧化碳，减少1 立方米的森林砍伐，节约80 桶原油，节约11 吨标准煤。

　　木塑复合材料内含塑料和纤维，除具有与木材相类似的加工性能外，还具有较好的弹性模量。由于内含纤维并经与塑料充分混合，因而具有与硬木相当的抗压、抗弯曲等物理机械性能，并且其耐用性明显优于普通木质材料。表面硬度高，一般是木材的2 ～ 5 倍。

　　木塑复合材料及其产品与木材相比，可抗强酸碱、耐水、耐腐蚀，并且不繁殖细菌，不易被虫蛀、不长真菌。使用寿命长，可达50 年以上。木塑复合材料通过助剂，塑料可以发生聚合、发泡、固化、改性等改变，从而改变木塑材料的密度、强度等特性，还可以达到抗老化、防静电、阻燃等特殊要求。木塑复合材料具有紫外线光稳定性、着色性良好：其最大优点就是变废为宝，并可100% 回收再生产。可以分解，不会造成“白色污染”，是真正的绿色环保产品。木塑复合材料原料来源广泛：生产木塑复合材料的塑料原料主要是高密度聚乙烯或聚丙烯，木质纤维可以是木粉、谷糠或木纤维，另外还需要少量添加剂和其他加工助剂。木塑复合材料可以根据需要，制成任意形状和尺寸大小。随着对木塑复合材料的研发，生产木塑复合材料的塑料原料，除了有高密度聚乙烯或聚丙烯以外，还有聚氯乙烯和PS。工艺也由最早的单螺杆挤出机发展成第二代锥形双螺杆挤出机，再到由平行双螺杆挤出机初步造粒，再由锥形螺杆挤出成型，可以弥补难以塑化，抗老化性差、抗蠕变性差、色彩的一致性和持久性差和拉伸强度低的特点。

　　正是由于具有上述特点，木塑复合材料早在“十一五”期间就受到了高度重视。2008 年，木塑复合材料首次在北京奥运会上亮相，打出了一张靓丽的公众名片。之后，木塑复合材料又在上海世博会、广州亚运会等大型公众活动中频频出现，一次又一次地向世人展示了这一新材料的风采。这些示范作用，极大带动了木塑复合材料产业在中国的发展，同时也引起了国家相关管理部门的重视。“十一五”以来，木塑复合材料产业中有60 多个项目获得了相关部委的支持。2011 年，中国的木塑复合材料产量超过70 万吨，近年来年均增长率超过20%，主流生产企业达500 多家，近30% 的产品出口到欧美。

　　随着人们对环境即资源保护重视程度的逐渐提高，以废旧物资回收和资源综合利用为核心的循环型经济发展模式已成为世界经济发展的趋势。大力开发资源循环利用技术，将对国民经济发展和环境可持续发展产生深远影响。而利用废旧塑料和木制纤维生产木塑复合材料制品正符合了这一趋势。在国内，每年产生的各种废旧塑料和木制纤维废料数量可观。但由于国内木塑市场尚处起步阶段，木塑制品在国内还没有大面积推广。因此，木塑复合材料及其制成品的发展空间十分巨大。据乐观估计，“十二五”期间木塑复合材料年产量有望达到500 万吨左右，产值超过600 亿元。如果能充分利用现有条件，较好地借鉴国内外木塑制造新技术，未来的新型木塑复合材料完全有可能成为木材、金属、塑料、陶瓷、水泥、玻璃等传统材料的有力竞争者，进而扩展成为产值达数千亿元的新兴产业，不仅可以为国内循环经济和资源节约作出贡献，而且还可能为全球材料领域带来一场绿色革命。

　　三、玻璃钢复合材料在建筑节能中的应用

　　玻璃钢复合材料凭借其优异的性能，也在建筑节能方面的应用日益受到人们的青睐。

　　近年来，我国新建城市供水工程所用管材多数为金属管、预应力钢筋混凝土管。由于金属管需做防腐处理,长距离的管道防腐不但增加成本, 而且质量难以保证;预应力钢筋混凝土管在运行中易出现爆管、渗漏等质量问题,节能效果较差。而玻璃钢管道由内衬层、结构层和外保护层构成,管道内衬层含有丰富的树脂,耐腐蚀且内壁光滑, 输送介质摩阻系数小, 结构层用玻璃纤维增强,为承受全部荷载的受力层, 使用安全可靠。玻璃钢管道与金属管道等其他管道相比，输送介质时运行阻力小、能耗低。当输水量相同时，所需的玻璃钢管道的管径可至少小一个等级。如用相同管径的管道输送相同的水量，玻璃钢管的用电量可比钢管、铸铁管、水泥管低30% ～ 40%，或在相同输送能耗下输送能力提高20%以上。玻璃钢管道的质量只有相同管径、相同长度钢管1/6 ～ 1/3，铸铁管的1/9 ～ 1/7，混凝土管的1/15 ～1/10，因此可大大降低施工费用。玻璃钢管道的生产能耗低,分别为功能相同钢管和铸铁管的66.7% 和22.3%。采用玻璃钢管可使整体工程造价降低20% ～ 30%。目前我国城市有很多排水管道因年久失修需要改造和更换，玻璃钢管道在城市给排水管道改造中将会得到广泛的应用。

　　从能源流失来看, 房屋建筑的能源损失中30% 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。玻璃钢窗框通过拉挤生产出空腹型材, 经过切割、组装、喷涂等工序而制成。玻璃钢窗框既有钢、铝门窗的坚固性, 又有塑钢窗的耐腐蚀、保温、节能性能, 更具有自身独特的隔音、抗老化、尺寸稳定等性能, 被誉为21 世纪建筑窗框的绿色产品。玻璃钢窗框轻质高强, 其拉伸强度为350 兆帕以上,弯曲强度为260 兆帕以上, 为铝合金的2 倍、塑钢的4 ～ 5 倍, 从而弥补了塑钢窗框强度低、易变形的缺点。玻璃钢窗框的热绝缘系数为9.96m2.K/w, 远大于塑钢窗框和隔热断桥铝合金窗框的热绝缘系数。优质玻璃钢窗框的保温性能优于国家标准中规定的保温性能一级指标。玻璃钢窗框尺寸稳定、隔音性好。玻璃钢型材热变形温度为200℃，线胀系数与建筑物和玻璃相当, 在冷热温差变化较大环境下，不易与建筑物及玻璃之间产生缝隙，可提高玻璃钢窗框的密封性能。

　　我国建筑窗框行业形成了以塑钢窗为主的产品结构体系，也是建筑窗框产量最多的国家。目前全国城镇建筑市场的窗框需求量已经达到2 亿平方米，由于玻璃钢窗框特有的保温、节能等优点，目前已得到社会各界的认可和国家有关部门的重视和支持。

　　玻璃钢复合材料在建筑节能的应用市场十分宽广，采暖通风工程中，玻璃钢已用于制造冷却塔、通风厨、送风管、排气管、栅板、防腐风机罩等;另外，玻璃钢在冷库、活动房屋、岗亭、仿古建筑、移动剧院、透微波塔楼、屏蔽房、水箱、井盖、电缆桥架等领域也得到广泛应用。

　　四、环保复合材料在建筑结构中的应用趋势

　　复合材料日益在大型商业结构中获用，以增添建筑色彩。位于意大利米兰机场的新喜来登酒店因其用玻璃纤维复合材料制作的曲面墙面板的独特外观非常吸引人眼球。中国上海世博会中埃及馆的创新设计堪称独树一帜，其外部和内部曲面以及拱形入口用手糊成型的阻燃玻璃纤维复合材料制成。世博会中另一个馆的屋顶由透光的FRP 板构成。FRP 板能透过近90% 的自然光线，可减少对电照明的需求。所用屋面板的面积超过15 979 平方米，是用玻璃纤维增强树脂制成。

　　目前国内生产的建筑用板材多是使用木屑加尿醛素作粘合剂，其中的甲醛对人身伤害较大，并且无法重复使用。而且我国是森林资源十分匮乏的国家，年木材缺口高达300 万立方米，更加大了市场对代木材料的需求。新型高密度复合材料，其主要工艺原理是以稻草、麦秸、木屑等农业废弃物作原料，以聚乙烯、聚丙烯及其废弃物，如汽水瓶等或塑料薄膜、塑料制品的城市废弃物(白色垃圾)等作粘合材料，并加入一定量的添加剂等，在一定工艺条件下合成。被联合国工业发展组织誉为“21 世纪新材料”。它的特点是不使用木材，可以保护生态环境，缓解了实行天然林保护后木材缺乏的问题;利用废弃物，使得物尽其用，节约能源，保护环境;无毒无害，没有尿素和甲醛的成份，不会对人体产生危害;产品密度高，强度好，木材、刨花板、中密度板等均易受到厌氧菌、霉菌、甲虫、白蚁、蛀虫等生物的侵害和海水的腐蚀，而该工艺生产的板、型材均不受以上生物的侵害，吸水率低，不受海水的腐蚀;属于无三废工艺，可多次回收废料并反复利用，节约并降低成本;产品有很强的可塑性，可根据用户需要，替换不同的模具或模板，直接生产出各种各样的板材和型材，有极大的市场价值;防火性能好，有良好的阻燃性能。　　复合材料产物在建筑业中的12个主要利用范畴包括：门、窗、钢筋、电线杆、桥面板、隔栅、冷却塔、浴缸、玻璃钢平板以及其它范畴。据有关部门估算，2013 年，亚洲复合材料在建筑市场中的利用产值将到达49亿美元;这些利用范畴包括玻璃钢门、玻璃钢窗、栅栏、玻纤浴室浴盆以及其它建材范畴。现在，复合材料产物利用范畴愈来愈普遍，越来越受到消费者的青睐。

　　日前，财政部、住房和城乡建设部联合发布《关于加快推动我国绿色建筑发展的实施意见》，提出力争到2020 年，绿色建筑占新建建筑比重超过30%，这是我国首次以正式文件形式提出绿色建筑的发展目标。国家力推绿色建筑，将催动建材、化工、新能源等下游产业的转型升级。同时，业界也期待着绿色建材在技术和政策配套方面取得双突破。2012 年全球经济将逐步复苏，建筑业的发展速度也将开始缓慢回升，全球建筑业发展前景看好，建筑塑料材料用量将稳步增长，在亚洲、南美的新兴市场增速会较快。据统计，每年建筑业消耗塑料约占塑料总产的1/4，位居应用塑料的首位。

　　十二五期间我国节能环保领域累计投入将超过5 万亿元人民币,其中建筑节能行业有望获得1 万亿元投入，外墙保温材料领域将迎来绝佳的发展机遇。建筑使用阶段能耗占建筑能耗6 成以上, 其中墙体能量损失约5 成, 墙体保温成为推进建筑节能的重要环节。中国外墙保温普及率仅为1 成,节能标准显著落后于发达国家, 未来市场空间广阔。发达国家经验表明政策刺激对建筑节能有效推广显著奏效。近两年中国外墙保温市场由于房地产调控以及火灾事故等原因出现了短暂停滞, 未来随着建筑节能细则的推出, 保温材料市场有望迎来爆发式增长。

　　国内的建筑结构决定了外墙外保温体系成为保温主流体系。2010年上海胶州路大火事故后, 公安部强制要求民用建筑外保温材料必须采用燃烧性能为A 级的材料, 使有机保温材料( 有机材料基本都属B级) 市场需求陷入危机, 而以无机材料为主的A 级材料在使用过程中也存在诸多问题无法满足行业需求,外墙保温行业发展出现短暂停滞。而2011 年12 月国务院发布46 号文明确规定“外保温材料一律不得使用易燃材料, 严格限制使用可燃材料”, 这一举动表明国家对曾经将有机保温材料一刀切的限制规定已经有所松动, 为有机保温材料市场重燃希望。而聚氨酯保温材料综合性能优越, 阻燃性优于另一有机保温材料聚苯板( 包括XPS 和EPS)。预计聚氨酯保温材料在中国市场或将大有可为。十二五期间聚氨酯保温材料年需求复合增长率有望超过60%,未来3 年中国外墙保温市场的需求爆发或将抬升全球MDI 行业开工率至83%。聚氨酯硬泡材料在保温性、抗吸水性、抗拉抗压性能方面表现优异, 预计未来聚氨酯硬泡在保温材料中的应用比例将从2011 年的10% 提升至2015 年的36%, 年需求复合增长率有望超过60%。

　　据分析，建筑塑料市场潜力巨大，发展建筑塑料刻不容缓。一方面，随着全球经济逐步复苏，建筑业的发展速度也逐步开始缓慢回升。受此影响，建筑塑料的需求量将逐步得到释放。事实上，在亚洲、南美等一些新兴市场国家，建筑塑料的需求量已经明显回升。尤其是木塑符合材料的需求量，每年在以13% 的增长需求上涨，创收2 015 亿美元。建筑工业在国民经济中占有很重要的地位，不论是哪一个国家，建筑工业是国民经济的支柱产业之一。

　　随着社会的进步,人们对居住面积、房屋质量和娱乐设施等提出越来越高的要求, 这就是推动建筑工业改革发展的动力。当前,节能和环保已成为人类改善生存环境和社会寻求良性发展的主题, 因此, 推进建筑节能是我国走可持续发展之路的必然趋势，特别是采用环保复合材料对既有建筑的节能改造和新建建筑的节能选材设计是未来一段时间内降低建筑能耗的必由之路。

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