第一节　纤维原材料

一、混凝土增强纤维

纤维混凝土是纤维和水泥基料（水泥石、砂浆或混凝土）组成的复合材料的统称。制造纤维混凝土主要使用具有一定长径比（即纤维的长度与直径的比值）的短纤维。

水泥石、砂浆与混凝土的主要缺点是抗拉强度低、极限延伸率小、性脆，加入抗拉强度高、极限延伸率大、抗碱性好的纤维，可以克服这些缺点。

图3-1所示为增强纤维对混凝土断裂应变的影响：用聚丙烯增强的混凝土在受到拉伸应力或冲击负荷时要比正常混凝土的应变量大，表现出更为优良的机械性能。

纤维混凝土与普通混凝土相比，虽有许多优点，但并不能替代钢筋混凝土。人们在配有钢筋的混凝土中掺加纤维，使其成为钢筋—纤维复合混凝土，这又为纤维混凝土的应用开发了一条新途径。

（一）品种

由于纤维的抗拉强度大、延伸率大，使混凝土的抗拉、抗弯、抗冲击强度及延伸率和韧性得以提高。纤维混凝土的主要品种有石棉水泥、钢纤维混凝土、玻璃纤维混凝土、聚丙烯纤维混凝土及碳纤维混凝土、植物纤维混凝土和高弹模合成纤维混凝土等。

（二）制备与性能

1.钢纤维混凝土

（1）材料。制备普通钢纤维混凝土，主要使用低碳钢纤维。制备耐火混凝土，则必须使用不锈钢纤维。圆截面长直形钢纤维直径一般为0.25～0.75mm；扁平形钢纤维厚度为0.15～0.4mm，宽度为0.25～0.9mm，长度均为20～60mm。为改善界面的黏结，还可以使用端部带有弯钩的钢纤维等。

钢纤维混凝土一般使用425号、525号普通硅酸盐水泥，高强钢纤维混凝土可使用625号硅酸盐水泥或明矾石水泥。使用的粗骨料最大粒径以不超过15mm为宜。为改善拌和物和易性，必须使用减水剂或高效减水剂。混凝土的砂率一般不应低于50%，水泥用量比普通未掺纤维的应高10%左右。

（2）掺量。为保证纤维能均匀分布于混凝土，纤维长径比不应大于100，一般为60～80。每种规格的纤维都有一个最大掺量的限值，一般为0.5%～2%（体积率）。

（3）搅拌。钢纤维混凝土采用强制式搅拌机搅拌，为使纤维能均匀分散于混凝土中，应通过摇筛或分散机加料。搅拌的投料顺序与普通混凝土不同。一种方法是先将粗细集料、水泥和水加入搅拌机，搅拌均匀后再将纤维加入搅拌。另一种方法分三步，第一步先将粗细集料搅拌均匀，第二步加入纤维搅拌，最后将水泥和水加入再搅拌。

（4）捣实。不同的捣实方法，对纤维的取向有很大的影响。采用泵送至仓内，不加任何捣实装置的情况下，纤维在其中呈三维乱向；如采用插入式振动装置捣实，则大部分纤维呈三维乱向，少部分为二维乱向；采用平面振动器振捣，则大部分呈二维乱向，少部分为三维乱向；采用喷射方式，纤维在喷射面上呈二维乱向；采用“离心法”或“挤出法”，纤维取向介于一维定向与二维乱向之间；如果在磁场中振捣，纤维则沿磁力线方向分布。

（5）力学性能。掺入钢纤维，显著地改善了混凝土的力学性能。当掺量在许可范围之内，可提高抗拉强度30%～50%，抗弯强度可提高50%～100%，韧性可提高10～50倍，抗冲击强度可提高2～9倍，抗压强度提高较小，可达15%～25%。钢纤维混凝土还可使干缩率降低10%～30%。

钢纤维混凝土成本高，施工难度也比较大，必须用在最应该用的工程上。如重要的隧道、地铁、机场、高架路床、溢洪道以及防爆防震工程等。

2.玻璃纤维混凝土　在玻璃纤维混凝土中使用的纤维必须是抗碱玻璃纤维，以抵抗混凝土中Ca（OH）2的侵蚀。抗碱玻璃纤维，在普通硅酸盐水泥中也只能减缓侵蚀，欲大幅度提高使用寿命，则应该使用硫铝酸盐水泥。

玻璃纤维混凝土对粗细骨料及配合比无特殊要求，与钢纤维混凝土基本类同。玻璃纤维混凝土在力学性能方面比钢纤维混凝土低，抗压强度与未掺纤维的相比，还略有降低。但其韧性很高，可提高30～120倍，而且具有较好的耐火性能。主要用于非承重与次要承重的构件上。

3.聚丙烯纤维混凝土　聚丙烯膜裂纤维是一种束状的合成纤维，拉开后成网络状，也可切成长度为19～64mm的短切使用。为防止老化，使用前应装于黑色包装容器中。

施工工艺分为搅拌法与喷射法。纤维的掺量因工艺不同而异。采用搅拌法切短长度为40～70mm，体积掺率为0.4%～1%；采用喷射法切短长度为20～60mm，体积掺率为2%～6%。聚丙烯纤维混凝土，力学性能不高，一旦混凝土开裂，纤维混凝土即发生开裂，抗压强度也无明显提高。惟抗冲击强度较高，可提高2～10倍。收缩率可降低75%。可用于非承重的板、停车场等。

二、膜结构材料

膜结构材料是由基布和涂层两部分组成（图3-2，彩图1），基布主要采用聚酯纤维和玻璃纤维材料；涂层材料主要是聚氯乙烯和聚四氟乙烯。常用膜材为聚酯纤维覆聚氯乙烯（PVC）和玻璃纤维覆聚四氟乙烯（Teflon）。PVC材料的主要特点是强度低、弹性大、易老化、徐变大、自洁性差，但价格便宜，容易加工制作，色彩丰富，抗折叠性能好。为改善其性能，可在其表面涂一层聚四氟乙烯涂层，提高其抗老化和自洁能力，其寿命可达到15年左右。Teflon材料强度高、弹性模量大、自洁、耐久耐火等性能好，但价格较贵，不易折叠，对裁剪制作精度要求较高，寿命一般在30年以上，适用于永久建筑。

膜结构是建筑结构中最新发展起来的一种形式，它以性能优良的织物为材料，或是向膜内充气，由空气压力支撑膜面，或是利用柔性钢索或刚性支撑结构将面绷紧，从而形成具有一定刚度、能够覆盖大跨度空间的结构体系。自从1970年代以来，膜结构在国外已逐渐应用于体育建筑、商场、展览中心、交通服务设施等大跨度建筑中。膜结构已成为结构设计选型中的一个主要方案。成为化纤纺织品应用的一个重要领域。近年来在中国建筑结构中也有长足的进展。大阪万国博览会中的美国馆采用了气承式空气膜结构。这个拟椭圆形、轴线尺寸为140m×83.5m的展览馆是世界上第一个大跨度的膜结构，而且是首次采用了聚氯乙烯（PVC）涂层的玻璃纤维织物。作为一种真正的现代工程结构，大阪万国博览会的展览馆标志着膜结构时代的开始。自此以后，膜结构在世界范围内得到了迅猛的发展。从跨度来说，美国庞提亚克的“银色穹顶”气承式空气膜结构的平面尺寸为234.9m×183m，开始采用聚四氟乙烯（PTFE）涂层的玻璃纤维织物，类似的大型体育馆在北美就建了九座。从面积来说，沙特阿拉伯吉大机场候机大厅的悬挂膜结构占地42万平方米。作为膜结构的一种新形式，索穹顶于1988年首先用在汉城奥运会的体操馆与击剑馆，其后又在一些体育建筑中得到推广。千年穹顶以其独特的膜结构，显示了当今建筑技术与材料科学的发展水平。

（一）品种

膜结构体系由膜面、边索和脊索、谷索、支承结构、锚固系统，以及各部分之间的连接节点等组成。

1.按照膜材原料分类

（1）玻纤PVC建筑膜材。这种膜材开发和应用得比较早，通常规定PVC涂层在玻璃纤维织物经纬线交点上的厚度不能少于0.2mm，一般涂层不会太厚，达到使用要求即可。为提高PVC本身耐老化性能，涂层时常常加入光、热稳定剂，浅色透明产品宜加一定量的紫外吸收剂，深色产品常加炭黑做稳定剂。另外，对PVC的表面处理还有很多方法，可在PVC上层压一层极薄的金属薄膜或喷射铝雾，用云母或石英来防止表面发黏和沾污。

玻纤有机硅树脂建筑膜材：有机硅树脂具有优异的耐高低温、拒水、抗氧化等特点，该膜材具有高的抗拉强度和弹性模量，另外还具有良好的透光性。玻纤合成橡胶建筑膜材：合成橡胶（如丁腈橡胶、氯丁橡胶）韧性好，对阳光、臭氧、热老化稳定，具有突出的耐磨损性、耐化学性和阻燃性，可达到半透明状态，但由于容易发黄，故一般用于深色涂层。

（2）膨化PTFE建筑膜材。由膨化PTFE纤维织成的基布两面贴上氟树脂薄膜即得膨化PTFE建筑膜材。由于它的造价太高，一般的建筑考虑到成本和性能两方面，很少选用这种膜材，目前国外的生产厂家也不多。

（3）ETFE建筑膜材。由ETFE（乙烯—四氟乙烯共聚物）生料直接制成。ETFE不仅具有优良的抗冲击性能、电性能、热稳定性和耐化学腐蚀性，而且机械强度高，加工性能好。近年来，ETFE膜材的应用在很多方面可以取代其他产品而表现出强大的优势和市场前景。这种膜材透光性特别好，号称“软玻璃”，质量轻，只有同等大小玻璃的1%；韧性好、抗拉强度高、不易被撕裂，延展性大于400%；耐候性和耐化学腐蚀性强，熔融温度高达200℃；可有效利用自然光，节约能源；声学性能良好。自清洁功能使表面不易沾污，且雨水冲刷即可带走沾污的少量污物，清洁周期大约为5年。另外，ETFE膜可在现成预制成薄膜气泡，方便施工和维修。ETFE也有不足，如外界环境容易损坏材料而造成漏气，维护费用高等，但是随着大型体育馆、游客场所、候机大厅等的建设，ETFE更突显自己的优势。目前生产这种膜材的公司很少，只有ASAHIGLASS（AGC）、日本旭硝子、德国科威尔等少数几家公司可以提供ETFE膜材，这种膜材的研发和应用在国外发达国家也不过十几年的历史。

2.按支承分类　膜结构按支承条件分类，可分为柔性支承结构体系、刚性支承结构体系、混合支承结构体系。

3.按结构分类　膜结构按结构可分为骨架式膜结构、张拉式膜结构、充气式膜结构。

（1）骨架式膜结构（Frame Supported Structure）。以钢构或是集成材构成的屋顶骨架，在其上方张拉膜材的构造形式，下部支撑结构安定性高，因屋顶造型比较单纯，开口部不易受限制，且经济效益高等特点，广泛适用于任何大、小规模的空间。

（2）张拉式膜结构（Tension Suspension Structure）。以膜材、钢索及支柱构成，利用钢索与支柱在膜材中导入张力以达安定的形式。除了可实践并具有创意、创新且美观的造型外，也是最能展现膜结构精神的构造形式，大型跨距空间也多采用以钢索与压缩材构成钢索网来支撑上部膜材的形式。因施工精度要求高，结构性能强，且具丰富的表现力，所以造价略高于骨架式膜结构。

（3）充气式膜结构（Pneumatic Structure）。充气式膜结构是将膜材固定于屋顶结构周边，利用送风系统使室内气压上升到一定压力后，屋顶内外产生压力差，以抵抗外力，因利用气压来支撑，并以钢索作为辅助材料，无需任何梁、柱支撑，可得更大的空间，施工快捷，经济效益高，但需维持进行24h送风机运转，在持续运行及机器维护费用的成本上较高。现今，膜结构已经被应用到各类建筑结构中，在城市中充当着不可或缺的角色。

“只有正确表达结构逻辑的建筑才有强大的说服力与表现力”这句话揭示了张拉膜结构的精髓。对于张拉膜结构，任何附加的支撑和修饰都是多余的，其结构本身就是造型；换句话说，不符合结构的造型是不可能的，因为那样会飘动或者不稳定。张拉膜结构的美就在于其“力”与“形”的完美结合。

张拉膜结构的基本组成单元通常有膜材、索与支承结构（桅杆、拱或其他刚性构件）。

膜材作为一种新兴的建筑材料，已被公认为是继砖、石、混凝土、钢和木材之后的“第六种建筑材料”。膜材本身不能受压也不能抗弯，所以要使膜结构正常工作就必须引入适当的预张力。此外，要保证膜结构正常工作的另一个重要条件就是要形成互反曲面。传统结构为了减小结构的变形就必须增加结构的抗力；而膜结构是通过改变形状来分散荷载，从而获得最小内力增长的。当膜结构在平衡位置附近出现变形时，可产生两种回复力：一种是由几何变形引起的；另一种是由材料应变引起的。通常几何刚度要比弹性刚度大得多，所以要使每一个膜片具有良好的刚度，就应尽量形成负高斯曲面，即沿对角方向分别形成“高点”和“低点”。“高点”通常是由桅杆来提供的，所以也有些文献把张拉膜结构称作悬挂膜结构（suspension membrane）。

索作为膜材的弹性边界，将膜材划分为一系列膜片，从而减小了膜材的自由支承长度，使薄膜表面更易形成较大的曲率。有文献指出，膜材的自由支承长度不宜超过15m，且单片膜的覆盖面积不宜大于500m2。此外，索的另一个重要作用就是对桅杆等支承结构提供附加支撑，从而保证不会因膜材的破损而造成支承结构的倒塌。

（二）设计

1.膜结构设计的主要内容

（1）初始态分析。确保生成形状稳定、应力分布均匀的三维平衡曲面，并能够抵抗各种可能的荷载工况；这是一个反复修正的过程。

（2）荷载态分析。张拉膜结构自身重量很轻，仅为钢结构的1/5，混凝土结构的1/40；因此，膜结构对地震有良好的适应性，而对风的作用较为敏感。此外还要考虑雪荷载和活荷载的作用。由于目前观测资料尚少，故对膜结构的设计通常采用安全系数法。

（3）主要结构构件尺寸的确定，及对支承结构的有限元分析。当支承结构的设计方法与膜结构不同时，应注意不同设计方法间的系数转换。

（4）连接设计。包括螺栓、焊缝和次要构件尺寸。

（5）剪裁设计。这一过程应具备必要的试验数据，包括所选用膜材的杨氏模量和剪裁补偿值（应通过双轴拉伸试验确定）。

2.膜结构在方案阶段需要考虑的问题　主要包括预张力的大小及张拉方式；根据控制荷载来确定膜片的大小和索的布置方式；考虑膜面及其固定件的形状以避免积水（雪）；关键节点的设计，以避免应力集中；考虑膜材的运输和吊装；耐久性与防火考虑。

3.张拉膜结构在设计阶段所要考虑的要点　保证膜面有足够的曲率，以获得较大的刚度和美学效果；细化支承结构，以充分表达透明的空间和轻巧的形状；简化膜与支承结构间的连接节点，降低现场施工量。

4.主要的膜结构设计软件如下　德国膜结构设计软件easy10.0，意大利膜结构设计软件forten4000，同济大学膜结构设计软件3D3S1 1.0，上海交大膜结构设计软件SMCAD4.0，新加坡膜结构设计软件WinFabric，日本太阳膜结构设计软件Images，中国建筑科学研究院结构所空间结构室膜结构设计软件MEMBS，澳大利亚膜结构设计软件FABDES。

5.基布设计的主要内容

（1）基布的原料。使用最多的是高强聚酯纤维、玻璃纤维和锦纶。工业中使用的高强聚酯纤维的特点是高强度、低收缩，强度在5t/tex以上，177℃时收缩率小于49%，纤维的强度高，基布的纱线密度可小些，提高剥离强度和撕裂强度。锦纶纤维比聚酯纤维更加耐用，但伸长较大，价格更高。基布的选材也考虑芳纶、碳纤维、玻璃纤维。芳纶、碳纤维各项性能优异，但价格过于昂贵。玻璃纤维的优点在于不伸长，不会产生褶皱或鼓胀，同时可以反射热量，保持结构内部低温，但由于玻璃纤维在高温下会燃烧起烟而使其应用受到限制。

大多数基布都采用长丝而不用短纤，因为长丝强度和伸长特性好。使用收缩率较小和中等的纱线织成的织物，不需要进行热定型，但如果使用高收缩率长丝织成的织物，在涂层前一定要经过热定型，以免涂层时过度收缩。基布在织造时，一定要保证经纱片纱的张力均匀，否则涂层织物上会明显地出现疵点。织物的幅宽当然越宽越好，宽幅机织物最宽可达5m。应用中可根据结构的形状和大小，对织物进行裁切和拼接。拼接可以采用热压熔接以使风和雨不能透过，可采用专门技术保证熔接良好。

（2）基布的类型。基布可以是机织织物、针织织物和非织造布。当要求织物坚牢、稳定性好时，往往选用机织物，且一般采用平纹或斜纹等简单的组织结构，有时也采用经编、非织造缝编织物。经编衬纬组织是一种比较理想的组织，在织物中经纬纱都是挺直的，纤维的强力能得到充分发挥，织物的尺寸稳定性也很好。实际应用中，具体组织的选用，应视产品的用途而定，还要考虑成本等因素，最终做出合理的设计。此外，基布组织结构的疏密程度对膜结构材料的质量也有很大的影响。一般基布的质量为112～198g/m2。组织结构疏松，撕裂强度高，剥离强度也好，更适于层压加工。厚密型基布有助于提高涂层织物的抗张强力以及耐热、保温等性能，但基布的组织紧密，涂层剂渗透量小，要求涂层剂与基布纤维有较大的黏结力才能连成一体。另外纱线活动余地小，会导致涂层织物的撕裂强度下降。

总之，用于膜结构建筑中的膜材是一种具有强度，柔韧性好的薄膜材料，是由纤维编织成织物基材，在其基材两面以树脂为涂层所加工固定而成的材料，中心的织物基材分为聚酯纤维和玻璃纤维，而作为涂层使用的树脂有聚氯乙烯树脂（PVC），硅酮（silicon）及聚四氟乙烯树脂（PTFE），在力学上织物基材及涂层分别影响下列的功能性质。织物基材影响抗拉强度，抗撕裂强度，耐热性，耐久性，防火性。涂层材影响耐候性，防污性，加工性，耐水性，耐化学品、透光性。

三、防水基材

防水材料没有统一的定义，防水技术的不断更新也加快了防水材料的多样化，总体来说，防止雨水、地下水、工业和民用的给排水、腐蚀性液体以及空气中的湿气、蒸气等侵入建筑物的材料基本上都统称为防水材料。防水材料主要有三类：防水卷材、聚氨酯防水材料、新型聚合物水泥基防水材料。

（一）防水材料分类

防水材料主要有以下三类。

1.防水卷材　主要用于工程施工，如屋顶、外墙等。

2.911　聚氨酯防水材料　防水卷材含有挥发性毒气，施工要求严格，且造价昂贵。

3.新型聚合物水泥基防水材料　材料由有机高分子液料和无机粉料复合而成，融合了有机材料弹性高和无机材料耐久性好的特点，涂覆后形成高强坚韧的防水涂膜，是家庭防水的常见材料。

喷涂聚脲防水涂层采用的材料有喷涂聚脲防水涂料、底涂料、涂层修补材料、层间处理剂、隔离材料以及密封剂、堵缝料、面漆、防滑材料（石英砂、橡胶粒子等）、防污胶带、加强层材料（如卷材、涂料、玻璃纤维布、化纤非织造布、聚酯非织造布）等。材料进场检查是杜绝在施工中使用不合格材料的重要手段。

《2013～2017年中国防水材料行业调研与前景预测报告》研究中国建筑90%以上的防水对象是混凝土构件，防水要根据混凝土特性来选择方案以解决问题，混凝土一般除了结构自防水以外，还必须构筑柔性防水层，采取刚柔相济的措施，才能达到最佳的防水效果。柔性防水层防水的关键在于密封，而不是遮挡，密封的核心在于黏结，黏结的有效性和持久性在于能否与混黏土基层形成坚固有效的化学交联结构。

国内的防水卷材市场，充斥着大大小小的各类卷材生产商，产品优劣不等，效果好坏不等，其中存在的各个时代的产品在施工中的操作要求也高低不一，CPS反应粘专利技术是国内的金雨伞公司针对此产品而开发的适用于解决普通防水卷材与混凝土黏结过程中因受环境湿热循环、水汽溶胀、基层运动等因素的影响，产生脱粘、空鼓等问题而开创的独特黏结技术，在高密度聚乙烯薄膜的单面或者双面附和CPS反应粘密封强力胶，这样就能够达到很好的防水效果。

（二）防水涂料的特点

1.防水涂料在固化前呈黏稠状液态　施工时不仅能在水平面，而且能在立面、阴阳角及各种复杂表面，形成无接缝的、完整的防水膜。

2.使用时不需加热　既减少环境污染，又便于操作，改善劳动条件。

3.形成的防水层自重小　特别适用于轻型屋面等防水。

4.形成的防水膜有较大的延伸性、耐水性和耐候性　能适应基层裂缝的微小的变化。

5.防水且具有黏性　涂布的防水涂料，既是防水层的主体材料，又是胶黏剂，故黏结质量容易保证，维修也比较简便。尤其是对于基层裂缝、施工缝、雨水斗及贯穿管周围等一些容易造成渗漏的部位，极易进行增强涂刷、贴布等作业的实施。

四、隔音隔热材料

建筑用隔音、隔热材料主要用于建筑物内部。

1.建筑用隔音材料　其中隔音的主要目的在于改善可听度、保持声音的保真性和防止不和谐的声音。所采用的材料主要有地毯、纺织墙布、窗帷等，可以减少的回响时间为普通居室约0.5s，大型建筑物约10s。

2.建筑用隔热材料　房屋周围包裹的材料用于建筑物隔热，既可节省取暖、制冷所需要的费用，且湿气可以穿过围裹材料，防止内墙面凝露。图3-3是隔热材料的安装示意图，隔热材料被放置在屋面材料与钢结构之间，可起到隔热和防止潮气进入内墙面的作用。

目前，建筑用隔音、隔热材料在我国的发展还处于起步阶段。我国拥有大量的纺纱织布企业，这些企业生产车间中存在的一个最让人头疼的问题就是噪声太大，室内温度不好控制，所以有必要加大对建筑用隔音隔热材料的研发力度，尽早开发出具有较高使用价值和经济价值的建筑用隔音、隔热材料。