玻璃纖維增強復合材料在建筑節能中的應用
當前，節能和環保已成為人類改善生存環境和社會尋求良性發展的主題，越來越受到人們的重視。據統計，我國建筑業能耗約占所有產業能耗的30%。這對日益匱乏的自然資源造成極大的威脅。因此，推進建筑節能是我國走可持續發展之路的必然趨勢，特別是采用節能環保材料對既有建筑的節能改造和新建建筑的節能選材設計是未來一段時間內降低建筑能耗的必由之路。玻璃纖維增強復合材料（俗稱玻璃鋼）憑借其優異的性能，在建筑節能方面的應用日益受到人們的青睞。
1 玻璃鋼的優良性能
(1)輕質高強，力學性能好
玻璃鋼具有比強度高、比模量大、抗疲勞性能及減振性能好等優點。玻璃鋼密度通常為1.7g/m3左右，而其強度可以達到甚至超過普通碳素鋼的強度，作承力構件可發揮其獨特的優良力學性能。
(2)可設計性優良
玻璃鋼的成型工藝靈活，其結構和性能具有很強的可設計性。通常玻璃纖維的強度和彈性模量比樹脂的強度和彈性模量大幾十倍?？梢酝ㄟ^改變玻璃鋼中纖維的含量和分布方向，將潛在的性能集中到必要的方向上，使纖維更有效地發揮作用。還可以根據需要制作兼具剛性、韌性的玻璃鋼制品以大限度地滿足工程使用性能的要求。另外，還可賦予玻璃鋼阻燃、防靜電等功能特性。
(3)優良的耐化學藥品性和耐候性
玻璃鋼與普通金屬的電化學腐蝕機理不同，其表面電阻為1×1016~1×1022Ω，在電解質溶液里不會有離子溶解出來，因而對大氣、水和一般濃度的酸、堿、鹽等介質有著良好的化學穩定性。另外，在玻璃鋼中加入相關的輔料可有效改善其耐老化性等性能。
(4)隔音性能好
玻璃鋼的阻尼性能很好，對聲音的阻隔可以達到26~30dB。
(5)優良的電性能
玻璃鋼的介電性能好，具有良好的絕緣性能和透波性能。通過設計可使其在很寬的頻段范圍內都具有良好的透微波性能。
(6)良好的熱性能
玻璃鋼的熱異率為0.03~0.05W/(m?K)，比普通材料低得多。同時，在一定溫度范圍內，玻璃鋼具有良好的熱穩定性。其線脹系數和玻璃接近，低于鋼和鋁合金。
2 玻璃鋼在建筑節能中的應用[-page-]
2.1 玻璃鋼管道
近年來，我國新建城市供水工程所用管材多數為金屬管、預應力鋼筋混土管。由于金屬管需做防腐處理，長距離的管道防腐不但增加成本，而且質量也難以得到保證；預應力鋼筋混凝土管在運行中易出現爆管、滲漏等質量問題，節能效果較差。而玻璃鋼管道由內襯層、結構層和外保護層構成，管道內襯層含有豐富的樹脂，耐腐蝕且內壁光滑，輸送介質摩阻系數??；結構層用玻璃纖維增強，為承受全部荷載的受力層，使用安全可靠。玻璃鋼管道與金屬管道等其它管道相比，輸送介質時運行阻力小，能耗低。當輸水量相同時，所需的玻璃鋼管道的管徑可至少小一個等級。如用相同管徑的管道輸送相同的水量，玻璃鋼管的用電量可比鋼管、鑄鐵管、水泥管低30%~40%，或在相同輸送能耗下輸送能力提高20%以上。玻璃鋼管道的質量只有相同管徑、相同長度鋼管的1/6~1/3、鑄鐵管的1/9~1/7、混凝土管的1/15~1/10，因此可大大降低施工費用。玻璃鋼管的維修費用一般只占安裝和材料費用總和的1%，而鋼管則為3%。玻璃鋼管道的生產能耗低，分別為功能相同鋼管和鑄鐵管的66.7%和22.3%。5年前玻璃鋼管道的價格較同樣的鋼管價格高30%~50%，從而影響了其推廣使用，近幾年尤其是2007年以來鋼材價格上調幅度較大，玻璃鋼管的價格比同樣的鋼管價格高2%~4%。但采用玻璃鋼管可使整體工程造價降低20%~30%。河南理工大學等研發的高強雙抗煤礦玻璃鋼管道已在河南平頂山、山東兗州及河北邯鄲等較大的煤礦企業推廣使用，噸煤成本明顯降低。高壓玻璃鋼管在大慶、勝利等油田得以廣泛使用。以武漢理工大學為代表研制的纖維纏繞夾砂玻璃鋼管道生產技術裝備已達到目前國外同類技術裝備水平，市政用玻璃鋼管道在逐年增加。
目前我國城市供水管材料主要還是鑄鐵管、鋼管、水泥壓力管和硬質聚氯乙烯管等，較少采用玻璃鋼管道，近幾年我國城市供水量逐年增加，各項費用也在逐年提高。若修一個供水量30萬t/d的水廠，一般需要2條直徑1.6m以上的管道，而修建一個50萬t/d的水廠，需要2條直徑2m以上的管道，如果用玻璃鋼管敷設，可為節約大量的能源。玻璃鋼管在城市舊排水管道改造工程中有著獨特的優越性，根據國外的經驗，在要改造的舊排水管斷面中可引入小于原管直徑的玻璃鋼管，這樣既不影響排水，又不用拆除舊管道。目前我國城市有很多排水管因年久失修需要改造和更換。因此，預計玻璃鋼管道在城市給排水管道改造中將會得到廣泛的應用。
2.2 玻璃鋼門窗
從能源流失來看，房屋建筑的能源損失中50%是通過門窗流失的，尤其是公共建筑的窗墻比高達70%，更加大了能源損失。因此，門窗節能在整個節能建筑中起到至關重要的作用。玻璃鋼門窗是以無堿玻璃纖維及其制品為增強材料，不飽和聚酯樹脂為基體材料，通過拉擠工藝生產出空腹型材，經過切割、組裝、噴涂等工序而制成。玻璃鋼門窗既有鋼、鋁門窗的堅固性，又有一般塑料門窗的耐腐蝕、保溫、節能性能，更具有自身獨物的隔音、抗老化、尺寸穩定等性能，被譽為21世紀建筑門窗的綠色產品。[-page-] 玻璃鋼門窗與目前市場大量使用的鋁合金門窗和塑鋼門窗相比，節能效果非常好。該材料輕質高強，其拉伸強度為350MPa以上，彎曲強度為260MPa以上，為鋁合金的2倍、塑鋼的4~5倍，從而彌補了塑鋼門窗強度低、易變形的缺點。玻璃鋼門窗的熱絕緣系數為9.96m2?K/W，遠大于塑鋼窗框和隔熱斷橋鋁合金窗框的熱絕緣系數(分別為5.93、0.16m2?K/W)。玻璃鋼門窗的保溫性能優于標準(GB 8484-1987)中規定的保溫性能一級指標。玻璃鋼門窗尺寸穩定、隔音性好。玻璃鋼型材熱形溫度為200℃，線脹系數與建筑物和玻璃相當，在冷熱溫差變化較大環境下，不易與建筑物及玻璃之間產生縫隙，可大大提高玻璃鋼門窗的密封性能。據有關部門檢測，玻璃鋼門窗型材符合GB 18584-2001《室內裝飾裝修材料木家具中有害物質限量》規定的各項有害物搟限量指標。甲醛釋放量和可溶性鉛、鎘、鉻、汞等項目均為標準限量的1/6~1/600，達到A類裝修材料要求，符合綠色環保建材產品重點推廣條件。
我國建筑門窗行業形成了以工程塑料、建筑鋁材、彩色涂層鋼板、不銹鋼板等材料為主的多元化、多層次的產品結構體系，為建筑門窗產量多的。目前城鎮建筑市場的門窗需求量已經達到2億m2，其中塑鋼門窗市場占有率約為32%，鋁門窗、鋁幕墻市場占有率約40%，彩鋼板門窗市場占有率約8%，其它門窗(包括木門窗、木復合門窗、不銹鋼門窗、卷簾門窗、玻璃鋼門窗等)的市場占有率約20%。由于玻璃鋼門窗特有的保溫、節能等優點，目前已得到社會各界的認可和有關部門的重視與支持。
從1999年我國耀華玻璃鋼集團與加拿大Inline公司的玻璃鋼門窗合資線投產以來，唐山添暉、山東魯能及北京房云盛、華實等公司也相繼引進國外先進技術，批量生產高質量的玻璃鋼門窗。在我國北方地區，玻璃鋼門窗得到迅速推廣，市場已初具規模，市場前景十分廣闊。盡管如此，我們也要看到目前玻璃鋼門窗的市場占有率還很低，玻璃鋼門窗行業的發展還任重道遠。
2.3 其它應用
目前國外新推出一種玻璃鋼地板，可用作停車場地板和平臺地坂等，節能環保，是陶瓷地板優良的替代產品。在采暖通風工程中，玻璃鋼也是很好節能環保材料，目前已用于制造冷卻塔、通風廚、送風管、排氣管、柵板、防腐風機罩等。另外，玻璃鋼也在冷庫、活動房屋、崗亭、仿古建筑、移動劇院、透微波塔樓、屏蔽房、水箱、井蓋、電纜橋架等領域得以廣泛應用，在建筑節能中發揮了重要作用。
3 發展趨勢及對策
3.1 節能形勢和發展趨勢[-page-]
到目前為止，盡管我國人均資源占有量為平均值的40%，但能源消費總量已達第二。其中建筑用能源成為我國能源消費的大戶，因此，建筑節能勢在必行。筆者認為玻璃鋼以其優異的節能性能必將成為未來新建節能建筑選材和既有建筑節能改造的選材料，以代替統的非節能建材。從國外的應用情況來看，玻璃鋼是國際市場上產量大、用途廣的產品。在美國、日本、德國等工業發達，玻璃鋼已經進入大規模使用階段。在新鋪設的自來水管道中，玻璃鋼管所占比例：美國為30%，中東為100%，我國臺灣省為70%，目前我國玻璃鋼在建筑中的應用已達到40%，但是在建筑節能中的應用還不高，其在建筑節能中發展還有很大潛力。
3.2 建筑節能對策
(1)建立配套完善的建筑法律法規，規范建筑節能市場，加強建筑節能工作的行政監督。多渠道樹立人們的建筑節能意識，引起社會各界的高度重視，促進高效建筑節能市場的建立，從而實現建筑節能的目標。
(2)利用宏觀調控規范建筑市場，利用市場推進人們對節能工作的重視，逐步提高人們的節能意識。據有關部門2001年估算，如果把我國非節能門窗的40%改造為節能門窗，可節省煤炭1.56億t，同時也少向大氣層排放7000萬t灰塵和大量的有毒氣體。
(3)加大科技創新力度。我國是一個人口眾多的，能源危機將不可避免，應加大創新力度，大力發展適合我國國情的節能型新材料。同時，玻璃鋼產業應立足我國的現實情況，努力與國際接軌，引進新理論、新材料、新設備和新工藝，向科技要能源，推動我國建筑節能工作全面、快速健康的發展。
4 結語
隨著我國城鎮化進程的加快，建筑業投資越來越多，我國“十一五”規劃中明確指出，從2005年起新建采暖居住建筑應在此前節能要求的基礎上再節能30%，建設部在節能專項規劃中指出，“十一五”期間25%既有建筑要進行改造。建筑節能越來越受到人們重視，既有建筑的節能改造和供熱系統的改造工作量巨大，所以玻璃鋼的市場前景廣闊，綠色環保、阻燃、節能型的新型建筑材料必將大有作為。
1 玻璃鋼的優良性能
(1)輕質高強，力學性能好
玻璃鋼具有比強度高、比模量大、抗疲勞性能及減振性能好等優點。玻璃鋼密度通常為1.7g/m3左右，而其強度可以達到甚至超過普通碳素鋼的強度，作承力構件可發揮其獨特的優良力學性能。
(2)可設計性優良
玻璃鋼的成型工藝靈活，其結構和性能具有很強的可設計性。通常玻璃纖維的強度和彈性模量比樹脂的強度和彈性模量大幾十倍?？梢酝ㄟ^改變玻璃鋼中纖維的含量和分布方向，將潛在的性能集中到必要的方向上，使纖維更有效地發揮作用。還可以根據需要制作兼具剛性、韌性的玻璃鋼制品以大限度地滿足工程使用性能的要求。另外，還可賦予玻璃鋼阻燃、防靜電等功能特性。
(3)優良的耐化學藥品性和耐候性
玻璃鋼與普通金屬的電化學腐蝕機理不同，其表面電阻為1×1016~1×1022Ω，在電解質溶液里不會有離子溶解出來，因而對大氣、水和一般濃度的酸、堿、鹽等介質有著良好的化學穩定性。另外，在玻璃鋼中加入相關的輔料可有效改善其耐老化性等性能。
(4)隔音性能好
玻璃鋼的阻尼性能很好，對聲音的阻隔可以達到26~30dB。
(5)優良的電性能
玻璃鋼的介電性能好，具有良好的絕緣性能和透波性能。通過設計可使其在很寬的頻段范圍內都具有良好的透微波性能。
(6)良好的熱性能
玻璃鋼的熱異率為0.03~0.05W/(m?K)，比普通材料低得多。同時，在一定溫度范圍內，玻璃鋼具有良好的熱穩定性。其線脹系數和玻璃接近，低于鋼和鋁合金。
2 玻璃鋼在建筑節能中的應用[-page-]
2.1 玻璃鋼管道
近年來，我國新建城市供水工程所用管材多數為金屬管、預應力鋼筋混土管。由于金屬管需做防腐處理，長距離的管道防腐不但增加成本，而且質量也難以得到保證；預應力鋼筋混凝土管在運行中易出現爆管、滲漏等質量問題，節能效果較差。而玻璃鋼管道由內襯層、結構層和外保護層構成，管道內襯層含有豐富的樹脂，耐腐蝕且內壁光滑，輸送介質摩阻系數??；結構層用玻璃纖維增強，為承受全部荷載的受力層，使用安全可靠。玻璃鋼管道與金屬管道等其它管道相比，輸送介質時運行阻力小，能耗低。當輸水量相同時，所需的玻璃鋼管道的管徑可至少小一個等級。如用相同管徑的管道輸送相同的水量，玻璃鋼管的用電量可比鋼管、鑄鐵管、水泥管低30%~40%，或在相同輸送能耗下輸送能力提高20%以上。玻璃鋼管道的質量只有相同管徑、相同長度鋼管的1/6~1/3、鑄鐵管的1/9~1/7、混凝土管的1/15~1/10，因此可大大降低施工費用。玻璃鋼管的維修費用一般只占安裝和材料費用總和的1%，而鋼管則為3%。玻璃鋼管道的生產能耗低，分別為功能相同鋼管和鑄鐵管的66.7%和22.3%。5年前玻璃鋼管道的價格較同樣的鋼管價格高30%~50%，從而影響了其推廣使用，近幾年尤其是2007年以來鋼材價格上調幅度較大，玻璃鋼管的價格比同樣的鋼管價格高2%~4%。但采用玻璃鋼管可使整體工程造價降低20%~30%。河南理工大學等研發的高強雙抗煤礦玻璃鋼管道已在河南平頂山、山東兗州及河北邯鄲等較大的煤礦企業推廣使用，噸煤成本明顯降低。高壓玻璃鋼管在大慶、勝利等油田得以廣泛使用。以武漢理工大學為代表研制的纖維纏繞夾砂玻璃鋼管道生產技術裝備已達到目前國外同類技術裝備水平，市政用玻璃鋼管道在逐年增加。
目前我國城市供水管材料主要還是鑄鐵管、鋼管、水泥壓力管和硬質聚氯乙烯管等，較少采用玻璃鋼管道，近幾年我國城市供水量逐年增加，各項費用也在逐年提高。若修一個供水量30萬t/d的水廠，一般需要2條直徑1.6m以上的管道，而修建一個50萬t/d的水廠，需要2條直徑2m以上的管道，如果用玻璃鋼管敷設，可為節約大量的能源。玻璃鋼管在城市舊排水管道改造工程中有著獨特的優越性，根據國外的經驗，在要改造的舊排水管斷面中可引入小于原管直徑的玻璃鋼管，這樣既不影響排水，又不用拆除舊管道。目前我國城市有很多排水管因年久失修需要改造和更換。因此，預計玻璃鋼管道在城市給排水管道改造中將會得到廣泛的應用。
2.2 玻璃鋼門窗
從能源流失來看，房屋建筑的能源損失中50%是通過門窗流失的，尤其是公共建筑的窗墻比高達70%，更加大了能源損失。因此，門窗節能在整個節能建筑中起到至關重要的作用。玻璃鋼門窗是以無堿玻璃纖維及其制品為增強材料，不飽和聚酯樹脂為基體材料，通過拉擠工藝生產出空腹型材，經過切割、組裝、噴涂等工序而制成。玻璃鋼門窗既有鋼、鋁門窗的堅固性，又有一般塑料門窗的耐腐蝕、保溫、節能性能，更具有自身獨物的隔音、抗老化、尺寸穩定等性能，被譽為21世紀建筑門窗的綠色產品。[-page-] 玻璃鋼門窗與目前市場大量使用的鋁合金門窗和塑鋼門窗相比，節能效果非常好。該材料輕質高強，其拉伸強度為350MPa以上，彎曲強度為260MPa以上，為鋁合金的2倍、塑鋼的4~5倍，從而彌補了塑鋼門窗強度低、易變形的缺點。玻璃鋼門窗的熱絕緣系數為9.96m2?K/W，遠大于塑鋼窗框和隔熱斷橋鋁合金窗框的熱絕緣系數(分別為5.93、0.16m2?K/W)。玻璃鋼門窗的保溫性能優于標準(GB 8484-1987)中規定的保溫性能一級指標。玻璃鋼門窗尺寸穩定、隔音性好。玻璃鋼型材熱形溫度為200℃，線脹系數與建筑物和玻璃相當，在冷熱溫差變化較大環境下，不易與建筑物及玻璃之間產生縫隙，可大大提高玻璃鋼門窗的密封性能。據有關部門檢測，玻璃鋼門窗型材符合GB 18584-2001《室內裝飾裝修材料木家具中有害物質限量》規定的各項有害物搟限量指標。甲醛釋放量和可溶性鉛、鎘、鉻、汞等項目均為標準限量的1/6~1/600，達到A類裝修材料要求，符合綠色環保建材產品重點推廣條件。
我國建筑門窗行業形成了以工程塑料、建筑鋁材、彩色涂層鋼板、不銹鋼板等材料為主的多元化、多層次的產品結構體系，為建筑門窗產量多的。目前城鎮建筑市場的門窗需求量已經達到2億m2，其中塑鋼門窗市場占有率約為32%，鋁門窗、鋁幕墻市場占有率約40%，彩鋼板門窗市場占有率約8%，其它門窗(包括木門窗、木復合門窗、不銹鋼門窗、卷簾門窗、玻璃鋼門窗等)的市場占有率約20%。由于玻璃鋼門窗特有的保溫、節能等優點，目前已得到社會各界的認可和有關部門的重視與支持。
從1999年我國耀華玻璃鋼集團與加拿大Inline公司的玻璃鋼門窗合資線投產以來，唐山添暉、山東魯能及北京房云盛、華實等公司也相繼引進國外先進技術，批量生產高質量的玻璃鋼門窗。在我國北方地區，玻璃鋼門窗得到迅速推廣，市場已初具規模，市場前景十分廣闊。盡管如此，我們也要看到目前玻璃鋼門窗的市場占有率還很低，玻璃鋼門窗行業的發展還任重道遠。
2.3 其它應用
目前國外新推出一種玻璃鋼地板，可用作停車場地板和平臺地坂等，節能環保，是陶瓷地板優良的替代產品。在采暖通風工程中，玻璃鋼也是很好節能環保材料，目前已用于制造冷卻塔、通風廚、送風管、排氣管、柵板、防腐風機罩等。另外，玻璃鋼也在冷庫、活動房屋、崗亭、仿古建筑、移動劇院、透微波塔樓、屏蔽房、水箱、井蓋、電纜橋架等領域得以廣泛應用，在建筑節能中發揮了重要作用。
3 發展趨勢及對策
3.1 節能形勢和發展趨勢[-page-]
到目前為止，盡管我國人均資源占有量為平均值的40%，但能源消費總量已達第二。其中建筑用能源成為我國能源消費的大戶，因此，建筑節能勢在必行。筆者認為玻璃鋼以其優異的節能性能必將成為未來新建節能建筑選材和既有建筑節能改造的選材料，以代替統的非節能建材。從國外的應用情況來看，玻璃鋼是國際市場上產量大、用途廣的產品。在美國、日本、德國等工業發達，玻璃鋼已經進入大規模使用階段。在新鋪設的自來水管道中，玻璃鋼管所占比例：美國為30%，中東為100%，我國臺灣省為70%，目前我國玻璃鋼在建筑中的應用已達到40%，但是在建筑節能中的應用還不高，其在建筑節能中發展還有很大潛力。
3.2 建筑節能對策
(1)建立配套完善的建筑法律法規，規范建筑節能市場，加強建筑節能工作的行政監督。多渠道樹立人們的建筑節能意識，引起社會各界的高度重視，促進高效建筑節能市場的建立，從而實現建筑節能的目標。
(2)利用宏觀調控規范建筑市場，利用市場推進人們對節能工作的重視，逐步提高人們的節能意識。據有關部門2001年估算，如果把我國非節能門窗的40%改造為節能門窗，可節省煤炭1.56億t，同時也少向大氣層排放7000萬t灰塵和大量的有毒氣體。
(3)加大科技創新力度。我國是一個人口眾多的，能源危機將不可避免，應加大創新力度，大力發展適合我國國情的節能型新材料。同時，玻璃鋼產業應立足我國的現實情況，努力與國際接軌，引進新理論、新材料、新設備和新工藝，向科技要能源，推動我國建筑節能工作全面、快速健康的發展。
4 結語
隨著我國城鎮化進程的加快，建筑業投資越來越多，我國“十一五”規劃中明確指出，從2005年起新建采暖居住建筑應在此前節能要求的基礎上再節能30%，建設部在節能專項規劃中指出，“十一五”期間25%既有建筑要進行改造。建筑節能越來越受到人們重視，既有建筑的節能改造和供熱系統的改造工作量巨大，所以玻璃鋼的市場前景廣闊，綠色環保、阻燃、節能型的新型建筑材料必將大有作為。
