玻璃钢材料（GFRP）在建筑节能中的应用＊

王林，江堃，刘启超

玻璃钢材料（GFRP）在建筑节能中的应用＊

王林，江堃，刘启超

（武汉理工大学 土木工程与建筑学院，湖北 武汉 430070）

中国自然资源不算丰富，却是能源消耗大国，一直面临着严峻的能源问题。其中，中国每年的建筑产业能耗占到总能耗的30%左右，为了缓解能源紧张，响应国家可持续发展战略的号召，建筑产业的节能减排势在必行。采用节能新型材料，是建筑行业实现节能减排的重要手段之一。介绍了玻璃纤维增强复合材料（GFRP）的优良性能和在建筑节能中的应用情况，从资源形势出发，总结了GFRP在建筑节能中的发展前景和部分问题的对策，以期对产业节能提供些许参考。

GFRP；建筑节能；建筑产业；自然资源

1 建筑产业能源消耗现状

近年来，中国社会经济发展形势良好，人们的生活质量水平不断提高，对各种各类的能源的需求量也日益增长，快速增长的能源消耗速度与中国尚不算丰富的自然资源之间的矛盾日益凸显。中国建筑产业能耗占到总能耗的30%左 右[1]，属于高能耗的产业，建筑产业实行节能减排是必要的，而采用新型节能建材，是建筑行业实现节能减排的重要手段之一。水泥、钢铁和铝[2]作为当前建筑行业主流的基础材料，在生产施工过程中会产生较高的能耗和排放量，对中国的资源和环境造成比较大的负担。玻璃纤维复合材料（GFRP）是一种以树脂为基础，玻璃纤维为填充物质的新型复合材料，其继承了二者的优点，轻质高强，耐热，耐腐蚀性和绝缘性较好，生产能耗低，对环境友好，在建筑领域中被大量使用[3]。

2 GFRP的优良性能

2.1 轻质高强，具有优良的力学性能

GFRP的相对密度介于1.5～2.0，仅有普通碳素钢的1/5～1/4，属于轻质材料，同时GFRP比强度高，具有优秀的抗拉强度与疲劳性能，其强度可以达到甚至超过普通碳素钢的水准，某些环氧玻璃钢的拉伸、弯曲和压缩强度甚至能达到400 MPa以上，且与混凝土等其他建筑材料有着良好的协调性，因此，GFRP可作为承载构件应用于建筑结构中。

2.2 工艺可设计性强

GFRP有着极为灵活的成型工艺，比如模压、缠绕、RIM等，复合结构使其具有较高的可设计性。玻璃钢产品可以通过改变纤维成分的含量与分布方向[4]，来使重要的性能集中在需要的方向，还可以根据不同的使用环境与使用条件自行选择合适的原材料品种，以制造出能够满足工程实际要求的玻璃钢制品，例如树脂使用酚醛树脂可以使材料具有良好的防火性与阻燃性，使用聚氨脂树脂可以使材料具有出色的拉伸性能等，另外，还可以通过添加剂使得玻璃钢功能化，令其具有阻燃和防止静电危害等特性[4]。

2.3 良好的热性能和耐腐蚀性

GFRP的线膨胀系数与玻璃材料相近，在特定温度范围内有热稳定性，其热导率比普通建筑材料低，仅为0.03～ 0.05 W/（m·K）[5]。GFRP中的树脂材料具有良好的耐腐蚀性，可以通过改变所用树脂材料来提升GFRP的耐腐蚀性能，这种能够适应各种环境腐蚀条件下的性能是大多数金属建筑材料无法比拟的。

2.4 生产能耗低，对环境友好

GFRP另外一个区别于金属材料的特性是制作成型的一次性，根据预定好的原材料和设计方法就可以将GFRP的材料和结构一次性完成，相比常常需要二次加工的金属材料，可以极大程度地降低生产消耗。此外，其制造成型时所需要的温度也要低于大多数材料[6]，成型能耗大为降低；GFRP的玻璃和树脂材料属于环保材料，对环境较为友好。

3 GFRP在建筑节能中的应用

3.1 建筑管道

美国等发达国家早在20世纪六七十年代便开始将玻璃钢复合材料用于建筑管道，并对此有着较为成熟的设计、生产和使用经验，有着严格的检验方法和标准。中国的玻璃钢建筑管道设计起步较晚，但近年来该领域发展迅速，玻璃钢管道逐渐代替了金属管、混凝土管等管材在建筑管道中的应用。与其他管材相比，玻璃钢在许多方面有着明显的优势：①耐腐蚀性能好。玻璃钢的成分为高分子树脂和玻璃纤维，可保证在正常情况下长期安全使用，而金属管耐腐蚀性差，长管道的防腐处理和维护增加成本且不能长期使用，节能效果差。②耐热性能好。玻璃钢管道通常使用温度范围为－40～70 ℃，添加耐高温材料后甚至可在200 ℃环境下正常工作，而混凝土管长期露天使用易产生裂缝，影响结构的安全和正常使用。③耗能低。玻璃钢管道由3层构成，其中内衬层上有着丰富的高分子成分不饱和聚脂树脂，内壁光滑，摩擦系数为0.008 4，与金属管道的摩擦系数0.013和混凝土管道的0.014相比，摩擦系数小、阻力小、输送能力强、耗能低。周祝林[7]通过对国内某建筑管道进行计算分析发现，在输送水量相同时，玻璃钢管道比钢管道的直径小20%左右；在管道直径相同时，玻璃钢管道输送的水量可比钢管道多20%～40%。④成本低。玻璃钢管的水锤附加压强比仅为钢管的1/2，且根据周祝林[7]的研究，玻璃钢管的水压损失仅是钢管的48%左右，因此可用功率小的水泵，节能的同时降低成本。玻璃钢管道泵送时间短，降低了运行费用，维修费用约占费用总和的1%，而钢管则为3%，由此郭明 林等人[8]认为使用玻璃钢管道可使工程成本降低20%～30%，可促进资源合理配置。

3.2 建筑门窗

门窗对建筑起着采光、通风、围护和装饰等作用，是建筑的重要组成部分，而经它损失的能源约占建筑物损耗能量的50%以上，因此增强门窗的隔热保温性能是建筑节能的重要一环。随着新复合材料的出现，玻璃钢门窗的应用也越来越广泛。玻璃钢门窗以高分子树脂为基质体，玻璃纤维为增强体，经拉挤、切割、组装和喷漆等工序配以五金件制成。与传统的木门窗、钢门窗、铝合金门窗和塑料门窗等门窗相比，玻璃钢门窗既坚固耐腐，又保温节能，有新世纪建筑门窗的绿色产品之称。

与其他材料的门窗相比，玻璃钢门窗的建筑节能效果主要体现在以下几个方面：①热稳定性好。玻璃钢作为一种高分子复合材料，有着强度高、热膨胀性系数小的特点。玻璃钢的热膨胀系数为8×10-6℃，比塑料、铝合金小得多，仅是塑料的1/20，与建筑物和玻璃相当，因此玻璃钢门窗与玻璃和建筑物被温度变化引起的膨胀和收缩均一致，避免产生裂缝的同时也减小了热量外泄。②导热系数小。玻璃钢材料的导热系数远小于铝合金和钢材，是钢材的1%，铝合金的1‰。玻璃钢材料的热阻值高，是良好的绝热材料，能阻碍热量在门窗上的传递。③密封性好。玻璃钢门窗在组装的过程中缝隙用橡胶密封，加之空腹结构玻璃钢门窗的密封性好于其他种类门窗；另一方面，玻璃钢的热膨胀系数与建筑物和玻璃相当，两者热胀冷缩程度一致，避免产生裂缝，大大提高了玻璃钢门窗的密封性能，降低了通过门窗缝隙的热交换。③合理配置中空玻璃。在没有出现空气对流时，玻璃内腔间距越大其传热系数越小，隔热性能越好。玻璃钢门窗主要是通过提高自身隔热保温性能来实现建筑节能的。根据陈海军[9]的计算结果，铝合金材料的导热系数减小0.3，需增加成本20%，要达到理想的导热系数，每平方米增加成本102元左右，但玻璃钢门窗无需增加成本便可达到理想的导热系数。因此，玻璃钢门窗在建筑节能方面有良好的应用前景。

4 GFRP在建筑节能中的发展前景及部分问题对策

4.1 发展前景

建筑工业是国民经济的支柱产业之一，是国民经济的重要组成部分。随着国家经济的发展，人民的生活水平逐渐提高，对住房条件和房屋质量都有了更为严格的要求，且中国作为能源消费总量世界排名第一的国家，人均资源占有量仅为世界平均的40%，建筑节能势在必行。因此玻璃钢复合材料以其优越的性能得以代替非节能材料在建筑节能领域得到广泛应用。中国对于玻璃钢复合材料的研究和应用均起步较晚，虽然国内近10年来在该领域发展较快，呈跳跃式增长之势，年增长率为经济增长率的3倍，玻璃钢总产量位居世界第二位，也引进了国外不少先进的工艺技术，但相比之下仍有较大差距，还存在着如技术水平低、企业规模小、产品结构不合理等问题，因此虽然发展迅速但节能效果不理想。郭明林等人[8]指出中国玻璃钢复合材料在建筑的应用已达40%，但在节能中应用不多，因此玻璃钢材料在建筑节能中的应用仍有较大的发展空间和潜力。

4.2 部分问题对策

开发和调控环保建筑市场。环保建筑市场广大、无限、与人民生活息息相关，国家和政府应建立和完善相关法律法规，规范市场并加强监督，利用市场增强人们对建筑节能的重视，通过互联网媒体等宣传节能知识，增强人们的节能意识，由上到下促进环保建筑市场的开发与调控，进而实现建筑节能的目标。加大科技创新力度，在有限的产品前提下实现更好的节能效果，中国应从实际出发，努力引进国外先进的技术、设备、材料和工艺等，提高建筑节能行业整体水平。以玻璃钢管道为例，树脂和助剂在生产和加工过程中均有关键作用，但中国生产的树脂存在产量低、价格高的问题，生产的助剂存在种类少、不配套且质量差的问题。科技是第一生产力，只有加大创新力度，才能促进建筑节能行业的发展。

5 结语

随着中国社会发展进程的加快，建筑产业快速发展，由此也产生了一系列的消耗与污染问题，建筑产业的节能减排也受到社会越来越多的关注。中国出台了相应的措施，要求提高建筑节能水平，对部分既有建筑进行改造，以达到建筑行业节能减排的目的。无论是提高建筑节能水平，还是对既有建筑进行改造，工作量都是较为巨大的，故绿色环保的节能新型材料GFRP在建筑节能应用有较为广阔的市场，研究GFRP在建筑节能中的应用是十分必要的。

［1］贾洁，郑宝华.建筑节能的发展方向——低能耗建筑技术［J］.建筑节能，2006（5）：16-18.

［2］张忠伦，王明铭，贺静，等.中国建筑工程用主要材料产业资源消耗和环境负荷现状分析［J］.生态城市与绿色建筑，2018（1）：32-35.

［3］龙志勤.纤维复合材料在桥梁加固中的应用［J］.广西交通科技，2002（4）：41-44.

［4］连丽.玻璃纤维增强复合材料在建筑材料中的应用［J］.塑料科技，2015，43（12）：66-68.

［5］耿运贵，张永涛.树脂基复合材料的应用与发展趋势［J］.河南理工大学学报（自然科学版），2007（2）：192-197.

［6］鲁蕾，付敏，郭宝星.玻璃纤维增强塑料的基体/玻纤界面粘接及其老化机理研究［J］.绝缘材料，2003（2）：37-40.

［7］周祝林.玻璃钢输水管的节能计算分析［C］//经济发展方式转变与自主创新——第十二届中国科学技术协会年会，2010.

［8］郭明林，莫华林，耿运贵.玻璃纤维增强复合材料在建筑节能中的应用［J］.工程塑料应用，2008（5）：47-50.

［9］陈海军.浅论玻璃钢门窗节能机理及效果［J］.科技风，2008（6）：68.

TB47

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.13.039

2095－6835（2020）13－0099－02

武汉理工大学自主创新基金（编号：2019-TJ-B1-06）

王林（1998—），男，本科在读，主要从事GFRP纤维材料及南海珊瑚砂相关研究。

刘启超（1995—），男，硕士研究生，主要从事GFRP纤维材料及南海珊瑚砂相关研究。

〔编辑：张思楠〕