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经编织物在建筑与土木工程领域的应用现状
/文 2014/10/29
在建筑中使用纺织材料虽然已有很悠久的历史,但在近十几年它才进入高速发展时期,其应用领域不断拓宽,经编织物及其增强复合材料逐渐成为了建筑用纺织品的主力军。经编织物应用于建筑中的优点主要包括:经编织物生产效率高,生产成本低,单机台日产量可达1.5t以上,可以极大地缩短工程建造周期,显著节约建筑材料,降低建筑成本;能极大地减轻建筑结构的质量,织物或织物增强结构件的重量只有砖瓦、水泥或钢材等常规构件的1/30,可大幅节省支撑结构及加强材料的数量与重量;能建造大跨度建筑,如用于大型公共场所、体育馆、展览厅等设施中;抗外力损伤能力强,能较好地承受地震等严重破坏力,一旦受损,其修补也比较容易;可以设计各种形状和外观,提供更大的建筑设计空间,并且可灵活安装拆卸。
目前,经编织物如经编轴向织物和经编双针床间隔织物等及其增强柔性和刚性复合材料已经被广泛应用于墙体加固、土工格栅、建筑顶棚和建筑隔热保温等多个领域。本文将就这几个方面的应用对建筑用经编材料的发展进行详细阐述。
 
经编织物在建筑构件中的应用
 
经编织物增强混凝土构件
经编织物增强的混凝土构件,其增强体以0°/90°双轴向经编织物和经编间隔织物为主。增强混凝土构件常用的纤维主要有玻璃纤维、碳纤维、芳纶和高强涤纶等。选用最多的为耐碱玻璃纤维,其强度较高同时成本较低,纱线细度通常在1200~5000tex之间。德国德累斯顿(Dresden)工业大学提出了一个新设想,旨在使混凝土立柱在修复后承载能力能够得到提高。其方法是在混凝土立柱的整个长度方向上包覆一层多轴向经编增强结构来增固混凝土,这样可以恢复其稳定性,还能够抗扭转应力和弯曲应力。
德累斯顿技术大学建筑学院利用玻璃纤维双轴向经编织物对在大地震中严重损毁的伊朗巴姆城堡进行了墙体加固和重建,并使城堡具有抗震性。该建筑内部的土石结构经多次破坏后结构松散、复杂,施工人员通过在墙体内部加入由2400tex耐碱玻纤加工而成的针迹长度为21.8mm的双轴向经编织物增强体,然后用新的灰浆将织物完全包覆,从而使这些砖石有高度的内在结合度。同时,双轴向经编织物作为横向加强材料可以很好地适应拱形门的角度,有力地提高了拱形区域的砖石结合度,使之能够承受地震力的破坏。
经编间隔织物在增强水泥构件中应用也具有特殊的优势,其形状设计空间较大,从而能与最终产品的外形相配。亚琛(Aachen)纺织技术研究所提出了一种用于建筑物外墙增强的三维经编间隔织物。该织物以细度为2400tex的耐碱玻纤作为增强材料、细度为110dtex的丙纶作为编织纱、直径为0.28mm的低收缩涤纶单丝作为间隔丝来织造纤维增强体。该织物具有一定的厚度,间隔丝使织物上下表面连结成一个整体,并且在上下表面的面内衬入玻纤纱,在面内经纬交错,形成大的网格。这样的产品兼具了间隔织物与轴向织物的特性,并且与水泥复合后,在网格处可以通过钻孔或凿孔来制成异型混凝土构件,既有突出的增强耐用性,又有优良的实用性。
另外,德累斯顿工业大学土木工程系利用马利莫多轴向缝编机生产的织物,对含有改性聚合物纺织增强材料的增强建筑结构进行了实验,设计了第一座纺织增强桥梁,该桥的跨度为8.6m,宽度为3m,含有2.5m3的混凝土和300m2的纺织品。
 
经编管道修补材料
随着城镇化建设的不断推进,用于市政设施,如管道、灯杆等的维修、保养费用越来越高,因此选取成本低廉并且可以延长公共设施使用寿命的修补材料就显得尤为重要。在世界范围内,将织物,尤其是高强度织物作为水泥、砖及钢铁等结构的修复材料已经有20余年的历史。其中经编修补材料以生产效率高、成本低、强度好等特点得到了日益广泛的认可。
Fyfe公司利用其生产的TYFO®FIBRWRAP®合成材料对美国伊利诺伊州的北岸环保区中贯穿沃基根城和戈尔尼(Gurnee)镇的5.6英里长的有压排水干管进行了修复。由于这条管道深处居民区,因此要求工程人员在修复时避免大面积开挖。为此,该公司选择玻璃纤维内衬对管道进行修复。先对管道表面进行喷砂和清洗,然后涂上一层环氧树脂,再将经过浸润预处理的玻纤轴向经编织物一片片地以端头对接方式快速铺设在管节表面上,最后再涂覆一层环氧树脂。整个覆层厚度小于0.5英寸,且表面光滑、质地坚硬,提升了管道的流动特性。
国内在运用双轴向或多轴向经编织物围成管状对管道结构进行修补、增强方面也有很多研究与尝试。例如江苏某企业将玻纤多轴向经编织物作为增强体加工成具有一定弹性的柔性复合材料,用于水管修补。这种材料弹性好,可承载一定的水压,同时通过玻纤多轴向经编织物增强,可大幅提升水管强度和耐用性能,这种可高效产业化的织物还能大幅度降低城市管道的维护成本。国内某研究所将轴向织物制成管状,将其平顺拉入管道内,然后将灌有树脂的防渗膜利用气压或水压使之紧贴在织物上,此时树脂渗透织物粘结在待修管壁上。这样从管道内壁向管道外壁的层合结构为:防渗膜、织物以及将防渗膜和织物粘结在一起的树脂。对织物表面进行涂膜预处理,然后在管道施工现场浸渍树脂即可完成管道修补。
 
经编建筑用顶棚材料
经编顶棚材料通常是以经编轴向织物作为基布、经涂层的膜结构材料。这种材料在制成建筑物顶棚时,可以采取净跨度结构或牵拉结构等方式,结构稳固、可以承载较大的负荷,形态设计灵活轻巧,便于拆装、搬迁,也利于修补,同时还可大大延长建筑物构件的使用寿命。
原料:经编建筑用顶棚膜材料所用的原料主要为高强低收缩的涤纶或玻璃纤维。多用长丝,而不用短纤维,以保证强度和伸长特性,以避免短纤维间产生滑移造成纱线断裂。
基布:经编建筑用顶棚膜材料所用基布为双轴向经编织物,这种织物可满足较高的织物牢度,稳定性好,其铺层角度可根据建筑物设计的实际需要而定,实用性更强。必要时可以通过两层或三层织物进行复合。
涂层:常用的膜结构材料主要有聚氯乙烯的聚酯膜材、聚四氟乙烯膜材、四氯乙烯膜材等。其中聚四氟乙烯涂层膜材各项性能优异,2008年北京奥运会主体育场“鸟巢”使用的就是这种膜材。其表面易于维护,可以在牵拉设计和净跨度设计的建筑设施上表现出经久可靠的耐用性能。
经编建筑用顶棚材料在世界很多大型建筑上均有广泛使用。如美国佛罗里达Jacksonville国际机场客运通道使用涂层经编材料作为顶盖;德国斯图加特体育馆用聚酯涂层经编布代替旧顶棚,其膜结构具有3.5万m2的面积,一共有10万个单元器材,该设施是欧洲同类建筑中最大的;美国加利福尼亚州圣地亚哥会议中心大量采用类似膜结构作为建筑顶棚,既减轻了建筑的整体质量,又具有较好的装饰性。
 
经编建筑用防护网
在生产网眼织物方面,经编技术具有很大的优势。利用拉舍尔经编机可以生产品种繁多的网类织物,其主要优点是能够适应各种最终用途。防护网孔眼的大小和纤维网的厚度可根据实际需要通过调整织物组织结构来设计,并且织物的稳定性和纵横向弹性都可以通过工艺调整进行控制。拉舍尔经编防护网表面光滑,无网结,不会伤害落下的物体。其网眼形状可以是方形、长方形、菱形或椭圆形。这些网眼织物可用于建筑施工处的无结集防护网、侧向保护网、保护墙网以及脚手架保护网等。
建筑用防护网最重要的作用就是要防止人或物体下落,以及接住下落的人或物体,保证生命财产的安全。根据功能的不同可分为束网和集网。经编防护网一般采用单针床拉舍尔经编机或者在HDR8型经编机上生产,后者可织造圆柱形网结的防护网,可满足更高的安全要求,用于高层建筑上的建筑安全防护。它能有效地防止人身、物体坠落造成的伤害,防止电焊火花所引起的火灾,降低噪音灰尘污染,达到文明施工、保护环境、美化城市的效果。另外还可通过后处理制成阻燃防护网。
经编隔热、吸声材料
建筑物和建筑物组件必须满足一系列功能需求,其中包括隔热保温和吸声隔音。在双针床拉舍尔经编机上生产的三维经编间隔织物可以兼具隔热和吸声性能,是纺织建筑材料中的首选。该类织物在设计和编织时易于变换门幅、疏密、间隔高度等,并且可以通过与树脂浸渍结合、涂层、层合等工艺拓宽其应用,提升其性能。经编间隔织物的成型原理是通过连接纱将两片织物结构连接在一起,也就是说它由上下两个单独层和中间连接层组成,其结构近似于三明治,并且表层和中间层相互垂直,中间层为具有不同刚性的分隔纱线。
隔热保温:建筑物的能源消耗量是巨大的,对于建筑外壳即墙壁和屋顶,采用合适的材料进行保温隔热非常重要,可显著降低取暖和降温成本,在节能减排方面更具前瞻性,使建筑物功能得到进一步的开发和完善。经编间隔织物由于其中间层的存在,可以储存大量空气,形成类似双层玻璃窗的夹层隔热保温效果。由于该类织物有一定的厚度,所以其透气量较小,保温率也就相应提高。另外根据德国联邦建筑和区域规划办公室的一项研究,可将经编间隔织物制成“蓄热器”,即在间隔层的表面用薄膜层密封,用细小的颗粒材料填充,起到蓄热器的作用,同时还可通过共聚粘合剂将间隔织物固定在两个PVC/PES层之间,并用颗粒状的气凝胶填充,形成隔热层与“蓄热器”层合使用。通过此类方法可以制成具有优越隔热保温效果的多层结构的建筑组件。德国的研究人员将研制出的宽40cm、长5m、高2cm的经编间隔织物通道形成了阳光热能效系统,用以吸收太阳辐射产生的热能,在环境温度为20℃时,管道内部的空气温度可达140℃,可有效地实现建筑物的能源自给。
吸声隔音:经编间隔织物表面可通过相应的编织工艺形成网孔结构,声波从这些细小的敞开孔道进入织物内部,声波产生的振动引起材料内部孔隙中的空气运动以衰减高频声波。同时间隔织物中间层中的连接纱呈交叉网状分布,声波进入到间隔层中,通过声波震动使空气运动造成纱线与纱线之间、纤维与纤维之间的摩擦,产生能量转换,从而使声波在数根连接纱之间不断反射、膜材形成衰减。这种既存在多孔结构,又具有纤维状聚集组织的材料是吸声隔音的理想材料。如果将该织物与树脂复合,制成板材,则可大量用于建筑领域,其织物生产成本低、产量大、板材制作工艺简单,且使用寿命长,具有很强的竞争力。
 
经编土工材料
经编土工织物是应用于土木工程中的经编纺织品,大体可分为三大类:经编土工织物、经编土工合成材料和经编土工复合材料。在土木工程中,使用经编土工织物,利用其特性对泥土起着加固、排水、过滤、隔离和防护等作用,可以延长土木工程的寿命、缩短施工时间、节省原材料、降低工程造价,并且简化维护保养。
现阶段我国经编土工织物的生产能力、测试技术、理论研究等各个方面均发展很快,已有相当大的规模。经编土工格栅是将玻璃纤维、高强涤纶等加工成双轴向经编网格织物,再通过PVC涂层制成的一种土工合成材料。该织物强度高、延伸率小、撕裂强度大、抗蠕变性能好,其物理机械性能大大优于机织布,同时纱线交织点的间距可根据过滤和渗透所需要的性能进行选择和设计。双轴向经编网格是经编土工格栅的基本骨架,其性能对土工格栅的整体性能有很大的影响。
在国内的一些重大工程项目中,经编土工格栅发挥了巨大作用。例如宁波大榭岛大桥的引桥工程中,由于施工地段为冲击沙层,并且存在诸多池塘,在填土压实的过程中会出现局部沉降,如果用传统的塑料格栅,就会出现因沉降变形而引起的断裂,从而影响土工格栅的稳定性和牢固性。因此施工方选用2万平方米的高强涤纶经编土工格栅,以保证施工效果。类似的应用也出现在四川成雅高速公路的双流段。高强涤纶经编土工格栅在加固该路段的冲击沙土层、防止滑坡和土层沉降等方面发挥了重要作用。
此外,德国克姆尼茨城的萨克森(Saxon)纺织研究所联合有关机构开发出一种将粗针距针织土工布格栅用于陡峭斜坡防护的产品。它将粗绳索嵌入织物结构中,形成一种弯曲的格栅组织。
 
经编材料产业的发展问题及其解决
 
建筑用经编材料有着广泛的潜在应用领域,发展空间很大,因而在相关产业领域应有一整套研发、生产、推广、应用的产业链条。但是目前国内大多企业都存在技术水平不足、研发投入不足以及产品市场竞争力不足等问题,使该产业链条出现脱节,对持续发展造成一定的阻碍。
      一是研发力度有待提升。行业内普遍存在技术水平较低的问题,主要体现在装备技术水平滞后和产品研发投入不足。经编行业中,中小型企业较多,这些企业规模小、经营时间短、资金力量薄弱,致使设备和技术改造升级缓慢,严重阻碍新产品的开发。但是大部分产业用经编材料生产企业都越来越重视人才招募和加大研发投入,企业研发人员占员工总数的平均比重由2007年的7.06%分别上升至2009年的8.33%和2011年的10.42%。研发投入占销售收入的平均比重也由2007年的2.79%分别上升到2009年的3.38%和2011年的4.21%。但与国外企业相比,我国企业的研发投入力度仍显不足,以美国杜邦公司为例,该公司每年拿出销售总额的10%进行技术研发,并且重点留用公司内部的重要技术人员,提高其福利待遇,同时与员工签署技术保密合约,以防技术外泄。
另外,一些自主研发能力较弱的企业应寻求与高等院校或科研机构的合作,利用相关机构的人才、仪器设备及基础研究优势,及时了解市场动态,形成产、学、研合作模式,建立新技术研发、促进工艺创新、拓宽产品应用领域并且服务市场的良性合作平台。
      二是可持续发展理念有待加强。建筑用纺织材料体积大、用量大,对于资源的消耗量大、排放大。有统计显示,我们周围的建筑大约占总能源消耗的30%,占原材料消耗总量的50%,占垃圾废物排放量的50%以上。因此建筑用材料的可回收和可再生显得尤为重要。废旧纺织品的再生处理一直是纺织行业内的一项重要课题,纺织品包括经编制品大量用于建筑材料时同样也面临这样的问题。企业在进行产品开发时,应充分考虑材料的可循环再生和对环境友好的特性,并且在材料回收再利用的处理方式和工艺上多做文章。
另外在研发建筑用经编材料时,也可以考虑采用再生纺织材料作为原料,经过阻燃处理后用于建筑物保温层,或者利用再生长丝作为经编原料制备成隔音层等,都具有一定的战略意义。
我国将经编织物用于建筑领域起步较晚,目前正处于快速发展阶段。经编织物生产效率高、生产成本低、易于产业化。但目前我国的经编建筑材料缺乏相关的技术标准和规范化管理,同时研发、生产、应用、回收再利用的产业体系也亟待系统化构建。中小型经编企业需要在人力资源和技术设备升级上有更多的投入,同时还要有更强的跨领域合作意识,这样才能帮助我国建筑用经编材料产业向着健康、高效的方向发展。
 
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