土木工程材料论文 - 新型建筑材料

课程：土木工程材料

论文：新型建筑膜材的应用现状及发展前景

姓名：

班级：土木1001班

学号：

新型建筑膜材的应用现状及发展前景

【摘要】：随着科技的不断向前发展，人们物质水平也在不断提高。相比于普通的建筑材料，新型建筑材料在环保、节能、减轻结构自重、增加结构安全方面都一定的优势。膜结构是“21世纪的建筑”，建筑膜材造型轻巧自由、美观大方堪称建材中的艺术品，广泛应用于膜结构中。膜材是膜结构最重要的组成部分，本文着重介绍膜结构、膜材的组成、性能、成型工艺及主要类别。还介绍了常用膜材的种类、发展及应用现状，并对我国建筑膜材的发展进行了展望。

关键词：新型建筑材料 膜结构 膜材 发展现状

正文：

一、前言

建筑业是我国国民经济的支柱行业，建筑材料是建筑生产活动的物质基础，与建筑设计、建筑结构、建筑施工和建筑经济一样，是建筑工程学科的重要组成部分。建筑工程中许多技术问题的突破和创新，常有赖于建筑材料的解决，新的建筑材料的出现，又将促进结构设计及施工技术的革新。由于社会生产力的不断发展和科学技术的进步，建筑材料才越出了几千年来沿用的砖、木、石、土的限制，广泛使用水泥和钢材，出现了钢筋混凝土结构。随着轻质高强材料的问世，又推动了现代建筑和高层建筑的发展。而建筑技术的发展，总是不断地对建筑材料提出更新的要求，一些具有特殊功能的材料也就应运而生。此可见建筑材料生产及其科学技术的发展，不仅对建筑业的发展有重要作用，还会影响地区和国家经济建设的速度。

膜结构是近几十年发展起来的一种新型的大跨度空间结构，它由具有优良性能的织物(膜材)通过支撑构件(如刚性梁、柱、柔性索)，或给膜内空气加压以一定的方式组合并施加适当的初始预张力而形成具有一定刚度的空间结构形状，从而承受一定外荷载的一种空间结构形式。它的历史可以追溯到远古时期的人们利用树木的纤维和兽皮建造的帐篷 。膜材料是这种大跨度空间结构最重要的组成部分，被称为“第五代建材”。它的作用等同于传统的刚性结构中的混凝土、钢筋等材料。早期的膜结构由于膜材开发的缓慢，一直处于停滞状态。直到现代，由于科学技术的发展，新材料的出现，特别是20世纪七十年代后，美国杜邦公司开发出以聚四氟乙烯为涂层(PTEF)的玻璃纤维织物作为膜材，才引发了膜结构在近几十年的突飞猛进的发展。1970年日本大阪万国博览会，由美国工程师David Geiger和H．Berger设计的美国馆(见图1)采用气承式膜结构，首次以聚氯乙稀(PVC)为涂层的玻璃纤维织物作为覆盖材料，是第一个现代意义上的大跨度膜结构。

二、膜材料的组成及性能

1、组成

膜材一般由膜材的基质及高分子聚合物组成，即高分子聚合物涂层与基材层按需要的厚度、宽度，通过特定的加工工艺粘合在一起的产物。基质是高强度聚酯纤维，膜材的强度主要由这一层提供，涂层主要保证膜材的密实性；惰性材料涂层保证膜材的自洁性。

(1)聚合物又称高聚物(Polymer)，即高分子聚合物

一般分子量高达几万～几百万(104～106)。合成聚合物的原料是单体，如乙烯单体，氯乙烯单体，丙烯单体等等，它们不断重复链接，聚合成聚乙烯(PE)，聚氯乙烯(PVC)，聚丙烯(PP)等等。

(2)基材一般分为两种：

①聚酯长丝(涤纶PET)：涤纶的合成原料是乙二醇和对苯二甲酸。在这里引入苯环的目的是提高材料的熔点和刚度。涤纶的特点是：熔点高，在l50～175℃以下的机械强度好，耐溶剂、耐腐蚀、耐磨、耐油腻，可多次洗涤，透水透气性适宜。它是合成纤维中的第一大品种。若用丁二醇代替乙二醇，可制得熔点较低，较柔软的涤纶聚酯。

②玻璃纤维：玻璃是一种非晶体，没有固定的熔点。将玻璃加热熔融并拉成丝，即成玻璃纤维。玻璃纤维的特点是：拉伸强度高，不仅超过各种天然纤维，也超过一般的合成纤维和钢材的强度。但是，它的弹性模量较低，约为钢的1／3，属于脆性材料；具有良好的耐热性，一般在300℃以下可保持性能不变；具有良好的电绝缘性。

2、性能

（1）自洁性能

PTFE膜材和经过特殊表面处理的PVC膜材具有很好的自洁性能，雨水会在其表面聚成水珠流下，使膜材表面得到自然清洗。

（2）光学性能

膜材料可滤除大部分紫外线，防止内部物品褪色。其对自然光的透射率可达25％，透射光在结构内部产生均匀的漫射光，无阴影，无眩光，具有良好的显色性，夜晚在周围环境光和内部照明的共同作用下，膜结构表面发出自然柔和的光辉。

（3）力学性能

中等强度的PVC膜：其厚度仅0．61ram，但它的拉伸强度相当于钢材的一半。中等强度的PTFE膜：其厚度仅0．8mm，但它的拉伸强度已达到钢材的水平。

膜材的弹性模量较低，这有利于膜材形成复杂的曲面造型。其极轻的自重很好的满足了大跨建筑的要求，能在很大程度上降低大跨建筑的总造价。

（4）声学性能

一般膜结构对于低于60Hz的低频几乎是透明的，对于有特殊吸音要求的结构可以采用具有FABRASORB装置的膜结构，这种组合比玻璃具有更强的吸音效果。

（5）防火性能

目前广泛使用的膜材料防火等级为Bl级，属难燃材料。防火性能指标达到法国、德国、美国、日本等多国防火标准。

（6）保温性能

单层膜材料的保温性能与砖墙相同，优于玻璃。同其它材料的建筑物一样，膜建筑内部也可以采用其它方式调节其内部温度。例如：内部加挂保温层，运用空调采暖设备等。

（7）使用寿命

目前采用最多的法拉利膜材有近60年的使用历史，通过了IS09002国际质量体系认证。在正常使用情况下，该种膜材使用寿命可达l5年。

三、膜材的成型

膜材加工的方法很多，建筑膜结构所用的膜材大都是以压延和涂刮成型。

1、压延成型：

将选定的软PVC经塑炼后投入压延机，按所需厚度、宽度压延成膜后立即与布基贴合，再经轧花、冷却即可制得压延膜材。压延法生产膜材可分贴胶法和擦胶法两种。

2、涂刮成型：

将聚氯乙烯糊均匀地涂(或刮)在布基上，再经过烘熔，也就是加热温度高到使

层完全熔融塑化，并均匀地紧贴于布基上，冷却后即成膜材。

四、膜材的分类及选用

膜材是一种复合材料， 目前最常用的有PTFE和PVC膜材两大类。

1、PTFE膜材：

PTFE建筑膜材是在超细玻璃纤维织物上涂以聚四氟乙烯树脂而成的材料。其主要特点是具有高透光性、高强度、耐久性、防火性、耐腐蚀、抗紫外线、自洁性、价格高等特点。同时这种膜材有较好的焊接性能，优良的抗紫外线、抗老化性能和阻燃性能。另外，其防污自洁性是所有建筑膜材中最好的，但柔韧性差，施工较困难，成本也十分惊人。1970年日本大阪世博会后，由于新开发的PVC建筑膜材耐老化、防污等性能较差，在盖格公司领导下，美国的杜邦公司、康宁玻纤公司、贝尔德建筑公司、化纤织布公司共同开发永久性的膜材。其加工方法是把玻纤织物多次快速放入特氟隆熔体中，使织物两面皆有均匀的特氟隆涂层，永久性的PTFE膜正式诞生。此后永久性膜结构正式在美国风行，许多学者对膜结构进行了深入的研究，如Gorokhov Y，V，等人提出一些设计大跨度空间结构的理念。1973年这种材料首次应用于美国加利福尼亚拉维斯学院一个学生活动中心的屋顶上，20年后跟踪检测结果表明，这种膜材的力学性能与化学稳定性指标只下降了20％～30％，颜色也几乎没变，膜的表层光滑，具有弹性，大气中的灰尘、化学物质微粒极难附着与渗透，经雨水冲刷建筑膜可恢复其原有的清洁面层与透光性，这足以显示出 FE膜材的强大生命力和广阔的市场前景。

2、PVC膜材：

它是在聚酯纤维编织成的基布上涂敷PVC(聚氯乙烯)树脂而形成的复合材料，相比PTFE膜材，PVC膜材的强度和防火性较差，而且它的最大缺点是自洁性差。随着使用期间，PVC树脂中的塑性剂会迁移到膜材表面，粘着空气和雨水中的脏物使表面变脏，一般的PVC膜材使用3～5年就会脏∞]，为了改善它的自洁性，可以在PVC表面涂敷丙烯酸树脂或含氟树脂(如PVDF)，或者在PVC表面粘贴含氟薄膜(如PVF)。对膜结构建筑来说，膜材的选用很重要，需要根据用途、环境、结构特点及建筑造型等具体情况决定。对于永久性建筑、大空间结构、城市景观和标志性建筑等，建议采用PTFE膜材；而展览会、博览会等临时性建筑，或可更换膜面的建筑，可以采用PVC膜材。

五、发展前景及挑战

膜结构由于造型新颖轻巧、具有强烈的时代感及艺术美感，且施工期短，综合造价低，将成为未来建筑结构发展的主流。据国外资料报道，全世界建筑膜材的销售量在1990年仅为21亿美元，2000年已达34亿美元，10年内以近6％的增长速率在增长。至今为止，在世界各地特别是欧洲、日本、美国建成的优秀的、有代表性的膜结构举不胜举。如美国的丹佛新国际机场候机大厅、沙特阿拉伯吉达机场候机大厅的悬挂膜结构、德国的慕尼黑机场、2000年悉尼奥运会的超级穹顶——洪姆布什湾多功能体育馆等。2002年的日韩世界杯足球赛场馆中，20个足球赛场中有l1个采用膜结构。日本的新泻体育场、鹿岛的茨城足球场、琦玉体育场、横滨国际体育场和静岗体育场及韩国的汉城世界杯体育场、仁川体育场、大邱综合体育场、釜山综合体育场、济洲世界杯体育场都充分展示了膜结构这一新型大跨度空间结构的魅力。我国膜结构的研究和应用较晚，80年代才建成第一座充气式膜结构——上海工业展览馆。2000年才建成我国第一座自行设计、施工完成的大型膜结构工程——青岛颐中体育场。但近年来发展迅猛。据统计，我国1998年建筑膜材进口量为10万m 左右，1999年为15万m 左右，2001年为20万m 以上，可见其增长速度很快。下表给出了部分大型体育场馆使用的建筑膜材量。另据了解，北京2008年奥运会主场馆“鸟巢”及游泳

中心“水立方”也已确定采用膜结构材料。

目前我国膜材的生产还处于初级阶段。国内现有的建筑用膜材，绝大多数依赖进口。在膜材自主开发中还面临着巨大的挑战：如建筑膜材基布的织造、双向拉伸涂层工艺的开发、表面防污自洁处理工艺中处理剂的开发等。

六、结语

随着各个官方数据的显示，建筑膜材在我们的生活中已经不断的在加快使用，这对于中国这种大国来说是一个很好的发展趋势和契机。我想我们也应该利用好这一机会加速我国经济建设的发展。同时我们也相信，随着我国国民经济的发展及各种大型活动在我国的举办，将为我国膜材料进一步的研发、应用提供机遇。

应用新型材料一定要以建筑应用需求为出发点，以建筑应用效果为检验标准。为此，首先要了解新材料的性能及使用方法，使之能适用于建筑的需要，用其建造建筑物应该是技术上可行，经济上合理。其次要充分认识新材料的优越性，了解掌握它的特点和应用技术。

发展应用新型建筑材料，实现节土、节能、利废和改善建筑功能，直接关系到“保护耕地”、“节约能源”、“保护环境”等基本国策的贯彻落实，是我国实施可持续发展战略的重大举措，是“利在当代，功在千秋”的使命。

【参考文献】

【1】蓝天.当代膜结构发展概述[J]．2000，(9)：17—20

【2】钟莉莉.膜结构的灵魂— — 膜材料[J]．Industrial Con—struction 1999，Vol 9，No 11．

【3】唐泽靖子.膜结构建筑与足球场.钢结构与建筑业．2002.3

【4】权宅镇.2002年世界杯体育场馆.世界建筑，2000.

【5】戚志晶，黄义顺.结构建筑[J].中国建材，1998(1O)：48—49.

【6】李阳，张其林.建筑膜材性能及实验现状[J].玻璃钢/复合材料，2006(2)：53—56.

本文来源：https://www.2haoxitong.net/k/doc/6f9f237aa58da0116d174955.html