第一節　纖維原材料

一、混凝土增強纖維

纖維混凝土是纖維和水泥基料（水泥石、砂漿或混凝土）組成的復合材料的統稱。制造纖維混凝土主要使用具有一定長徑比（即纖維的長度與直徑的比值）的短纖維。

水泥石、砂漿與混凝土的主要缺點是抗拉強度低、極限延伸率小、性脆，加入抗拉強度高、極限延伸率大、抗堿性好的纖維，可以克服這些缺點。

圖3-1所示為增強纖維對混凝土斷裂應變的影響：用聚丙烯增強的混凝土在受到拉伸應力或沖擊負荷時要比正常混凝土的應變量大，表現出更為優良的機械性能。

纖維混凝土與普通混凝土相比，雖有許多優點，但并不能替代鋼筋混凝土。人們在配有鋼筋的混凝土中摻加纖維，使其成為鋼筋—纖維復合混凝土，這又為纖維混凝土的應用開發了一條新途徑。

（一）品種

由于纖維的抗拉強度大、延伸率大，使混凝土的抗拉、抗彎、抗沖擊強度及延伸率和韌性得以提高。纖維混凝土的主要品種有石棉水泥、鋼纖維混凝土、玻璃纖維混凝土、聚丙烯纖維混凝土及碳纖維混凝土、植物纖維混凝土和高彈模合成纖維混凝土等。

（二）制備與性能

1.鋼纖維混凝土

（1）材料。制備普通鋼纖維混凝土，主要使用低碳鋼纖維。制備耐火混凝土，則必須使用不銹鋼纖維。圓截面長直形鋼纖維直徑一般為0.25～0.75mm；扁平形鋼纖維厚度為0.15～0.4mm，寬度為0.25～0.9mm，長度均為20～60mm。為改善界面的黏結，還可以使用端部帶有彎鉤的鋼纖維等。

鋼纖維混凝土一般使用425號、525號普通硅酸鹽水泥，高強鋼纖維混凝土可使用625號硅酸鹽水泥或明礬石水泥。使用的粗骨料最大粒徑以不超過15mm為宜。為改善拌和物和易性，必須使用減水劑或高效減水劑。混凝土的砂率一般不應低于50%，水泥用量比普通未摻纖維的應高10%左右。

（2）摻量。為保證纖維能均勻分布于混凝土，纖維長徑比不應大于100，一般為60～80。每種規格的纖維都有一個最大摻量的限值，一般為0.5%～2%（體積率）。

（3）攪拌。鋼纖維混凝土采用強制式攪拌機攪拌，為使纖維能均勻分散于混凝土中，應通過搖篩或分散機加料。攪拌的投料順序與普通混凝土不同。一種方法是先將粗細集料、水泥和水加入攪拌機，攪拌均勻后再將纖維加入攪拌。另一種方法分三步，第一步先將粗細集料攪拌均勻，第二步加入纖維攪拌，最后將水泥和水加入再攪拌。

（4）搗實。不同的搗實方法，對纖維的取向有很大的影響。采用泵送至倉內，不加任何搗實裝置的情況下，纖維在其中呈三維亂向；如采用插入式振動裝置搗實，則大部分纖維呈三維亂向，少部分為二維亂向；采用平面振動器振搗，則大部分呈二維亂向，少部分為三維亂向；采用噴射方式，纖維在噴射面上呈二維亂向；采用“離心法”或“擠出法”，纖維取向介于一維定向與二維亂向之間；如果在磁場中振搗，纖維則沿磁力線方向分布。

（5）力學性能。摻入鋼纖維，顯著地改善了混凝土的力學性能。當摻量在許可范圍之內，可提高抗拉強度30%～50%，抗彎強度可提高50%～100%，韌性可提高10～50倍，抗沖擊強度可提高2～9倍，抗壓強度提高較小，可達15%～25%。鋼纖維混凝土還可使干縮率降低10%～30%。

鋼纖維混凝土成本高，施工難度也比較大，必須用在最應該用的工程上。如重要的隧道、地鐵、機場、高架路床、溢洪道以及防爆防震工程等。

2.玻璃纖維混凝土　在玻璃纖維混凝土中使用的纖維必須是抗堿玻璃纖維，以抵抗混凝土中Ca（OH）2的侵蝕。抗堿玻璃纖維，在普通硅酸鹽水泥中也只能減緩侵蝕，欲大幅度提高使用壽命，則應該使用硫鋁酸鹽水泥。

玻璃纖維混凝土對粗細骨料及配合比無特殊要求，與鋼纖維混凝土基本類同。玻璃纖維混凝土在力學性能方面比鋼纖維混凝土低，抗壓強度與未摻纖維的相比，還略有降低。但其韌性很高，可提高30～120倍，而且具有較好的耐火性能。主要用于非承重與次要承重的構件上。

3.聚丙烯纖維混凝土　聚丙烯膜裂纖維是一種束狀的合成纖維，拉開后成網絡狀，也可切成長度為19～64mm的短切使用。為防止老化，使用前應裝于黑色包裝容器中。

施工工藝分為攪拌法與噴射法。纖維的摻量因工藝不同而異。采用攪拌法切短長度為40～70mm，體積摻率為0.4%～1%；采用噴射法切短長度為20～60mm，體積摻率為2%～6%。聚丙烯纖維混凝土，力學性能不高，一旦混凝土開裂，纖維混凝土即發生開裂，抗壓強度也無明顯提高。惟抗沖擊強度較高，可提高2～10倍。收縮率可降低75%。可用于非承重的板、停車場等。

二、膜結構材料

膜結構材料是由基布和涂層兩部分組成（圖3-2，彩圖1），基布主要采用聚酯纖維和玻璃纖維材料；涂層材料主要是聚氯乙烯和聚四氟乙烯。常用膜材為聚酯纖維覆聚氯乙烯（PVC）和玻璃纖維覆聚四氟乙烯（Teflon）。PVC材料的主要特點是強度低、彈性大、易老化、徐變大、自潔性差，但價格便宜，容易加工制作，色彩豐富，抗折疊性能好。為改善其性能，可在其表面涂一層聚四氟乙烯涂層，提高其抗老化和自潔能力，其壽命可達到15年左右。Teflon材料強度高、彈性模量大、自潔、耐久耐火等性能好，但價格較貴，不易折疊，對裁剪制作精度要求較高，壽命一般在30年以上，適用于永久建筑。

膜結構是建筑結構中最新發展起來的一種形式，它以性能優良的織物為材料，或是向膜內充氣，由空氣壓力支撐膜面，或是利用柔性鋼索或剛性支撐結構將面繃緊，從而形成具有一定剛度、能夠覆蓋大跨度空間的結構體系。自從1970年代以來，膜結構在國外已逐漸應用于體育建筑、商場、展覽中心、交通服務設施等大跨度建筑中。膜結構已成為結構設計選型中的一個主要方案。成為化纖紡織品應用的一個重要領域。近年來在中國建筑結構中也有長足的進展。大阪萬國博覽會中的美國館采用了氣承式空氣膜結構。這個擬橢圓形、軸線尺寸為140m×83.5m的展覽館是世界上第一個大跨度的膜結構，而且是首次采用了聚氯乙烯（PVC）涂層的玻璃纖維織物。作為一種真正的現代工程結構，大阪萬國博覽會的展覽館標志著膜結構時代的開始。自此以后，膜結構在世界范圍內得到了迅猛的發展。從跨度來說，美國龐提亞克的“銀色穹頂”氣承式空氣膜結構的平面尺寸為234.9m×183m，開始采用聚四氟乙烯（PTFE）涂層的玻璃纖維織物，類似的大型體育館在北美就建了九座。從面積來說，沙特阿拉伯吉大機場候機大廳的懸掛膜結構占地42萬平方米。作為膜結構的一種新形式，索穹頂于1988年首先用在漢城奧運會的體操館與擊劍館，其后又在一些體育建筑中得到推廣。千年穹頂以其獨特的膜結構，顯示了當今建筑技術與材料科學的發展水平。

（一）品種

膜結構體系由膜面、邊索和脊索、谷索、支承結構、錨固系統，以及各部分之間的連接節點等組成。

1.按照膜材原料分類

（1）玻纖PVC建筑膜材。這種膜材開發和應用得比較早，通常規定PVC涂層在玻璃纖維織物經緯線交點上的厚度不能少于0.2mm，一般涂層不會太厚，達到使用要求即可。為提高PVC本身耐老化性能，涂層時常常加入光、熱穩定劑，淺色透明產品宜加一定量的紫外吸收劑，深色產品常加炭黑做穩定劑。另外，對PVC的表面處理還有很多方法，可在PVC上層壓一層極薄的金屬薄膜或噴射鋁霧，用云母或石英來防止表面發黏和沾污。

玻纖有機硅樹脂建筑膜材：有機硅樹脂具有優異的耐高低溫、拒水、抗氧化等特點，該膜材具有高的抗拉強度和彈性模量，另外還具有良好的透光性。玻纖合成橡膠建筑膜材：合成橡膠（如丁腈橡膠、氯丁橡膠）韌性好，對陽光、臭氧、熱老化穩定，具有突出的耐磨損性、耐化學性和阻燃性，可達到半透明狀態，但由于容易發黃，故一般用于深色涂層。

（2）膨化PTFE建筑膜材。由膨化PTFE纖維織成的基布兩面貼上氟樹脂薄膜即得膨化PTFE建筑膜材。由于它的造價太高，一般的建筑考慮到成本和性能兩方面，很少選用這種膜材，目前國外的生產廠家也不多。

（3）ETFE建筑膜材。由ETFE（乙烯—四氟乙烯共聚物）生料直接制成。ETFE不僅具有優良的抗沖擊性能、電性能、熱穩定性和耐化學腐蝕性，而且機械強度高，加工性能好。近年來，ETFE膜材的應用在很多方面可以取代其他產品而表現出強大的優勢和市場前景。這種膜材透光性特別好，號稱“軟玻璃”，質量輕，只有同等大小玻璃的1%；韌性好、抗拉強度高、不易被撕裂，延展性大于400%；耐候性和耐化學腐蝕性強，熔融溫度高達200℃；可有效利用自然光，節約能源；聲學性能良好。自清潔功能使表面不易沾污，且雨水沖刷即可帶走沾污的少量污物，清潔周期大約為5年。另外，ETFE膜可在現成預制成薄膜氣泡，方便施工和維修。ETFE也有不足，如外界環境容易損壞材料而造成漏氣，維護費用高等，但是隨著大型體育館、游客場所、候機大廳等的建設，ETFE更突顯自己的優勢。目前生產這種膜材的公司很少，只有ASAHIGLASS（AGC）、日本旭硝子、德國科威爾等少數幾家公司可以提供ETFE膜材，這種膜材的研發和應用在國外發達國家也不過十幾年的歷史。

2.按支承分類　膜結構按支承條件分類，可分為柔性支承結構體系、剛性支承結構體系、混合支承結構體系。

3.按結構分類　膜結構按結構可分為骨架式膜結構、張拉式膜結構、充氣式膜結構。

（1）骨架式膜結構（Frame Supported Structure）。以鋼構或是集成材構成的屋頂骨架，在其上方張拉膜材的構造形式，下部支撐結構安定性高，因屋頂造型比較單純，開口部不易受限制，且經濟效益高等特點，廣泛適用于任何大、小規模的空間。

（2）張拉式膜結構（Tension Suspension Structure）。以膜材、鋼索及支柱構成，利用鋼索與支柱在膜材中導入張力以達安定的形式。除了可實踐并具有創意、創新且美觀的造型外，也是最能展現膜結構精神的構造形式，大型跨距空間也多采用以鋼索與壓縮材構成鋼索網來支撐上部膜材的形式。因施工精度要求高，結構性能強，且具豐富的表現力，所以造價略高于骨架式膜結構。

（3）充氣式膜結構（Pneumatic Structure）。充氣式膜結構是將膜材固定于屋頂結構周邊，利用送風系統使室內氣壓上升到一定壓力后，屋頂內外產生壓力差，以抵抗外力，因利用氣壓來支撐，并以鋼索作為輔助材料，無需任何梁、柱支撐，可得更大的空間，施工快捷，經濟效益高，但需維持進行24h送風機運轉，在持續運行及機器維護費用的成本上較高。現今，膜結構已經被應用到各類建筑結構中，在城市中充當著不可或缺的角色。

“只有正確表達結構邏輯的建筑才有強大的說服力與表現力”這句話揭示了張拉膜結構的精髓。對于張拉膜結構，任何附加的支撐和修飾都是多余的，其結構本身就是造型；換句話說，不符合結構的造型是不可能的，因為那樣會飄動或者不穩定。張拉膜結構的美就在于其“力”與“形”的完美結合。

張拉膜結構的基本組成單元通常有膜材、索與支承結構（桅桿、拱或其他剛性構件）。

膜材作為一種新興的建筑材料，已被公認為是繼磚、石、混凝土、鋼和木材之后的“第六種建筑材料”。膜材本身不能受壓也不能抗彎，所以要使膜結構正常工作就必須引入適當的預張力。此外，要保證膜結構正常工作的另一個重要條件就是要形成互反曲面。傳統結構為了減小結構的變形就必須增加結構的抗力；而膜結構是通過改變形狀來分散荷載，從而獲得最小內力增長的。當膜結構在平衡位置附近出現變形時，可產生兩種回復力：一種是由幾何變形引起的；另一種是由材料應變引起的。通常幾何剛度要比彈性剛度大得多，所以要使每一個膜片具有良好的剛度，就應盡量形成負高斯曲面，即沿對角方向分別形成“高點”和“低點”。“高點”通常是由桅桿來提供的，所以也有些文獻把張拉膜結構稱作懸掛膜結構（suspension membrane）。

索作為膜材的彈性邊界，將膜材劃分為一系列膜片，從而減小了膜材的自由支承長度，使薄膜表面更易形成較大的曲率。有文獻指出，膜材的自由支承長度不宜超過15m，且單片膜的覆蓋面積不宜大于500m2。此外，索的另一個重要作用就是對桅桿等支承結構提供附加支撐，從而保證不會因膜材的破損而造成支承結構的倒塌。

（二）設計

1.膜結構設計的主要內容

（1）初始態分析。確保生成形狀穩定、應力分布均勻的三維平衡曲面，并能夠抵抗各種可能的荷載工況；這是一個反復修正的過程。

（2）荷載態分析。張拉膜結構自身重量很輕，僅為鋼結構的1/5，混凝土結構的1/40；因此，膜結構對地震有良好的適應性，而對風的作用較為敏感。此外還要考慮雪荷載和活荷載的作用。由于目前觀測資料尚少，故對膜結構的設計通常采用安全系數法。

（3）主要結構構件尺寸的確定，及對支承結構的有限元分析。當支承結構的設計方法與膜結構不同時，應注意不同設計方法間的系數轉換。

（4）連接設計。包括螺栓、焊縫和次要構件尺寸。

（5）剪裁設計。這一過程應具備必要的試驗數據，包括所選用膜材的楊氏模量和剪裁補償值（應通過雙軸拉伸試驗確定）。

2.膜結構在方案階段需要考慮的問題　主要包括預張力的大小及張拉方式；根據控制荷載來確定膜片的大小和索的布置方式；考慮膜面及其固定件的形狀以避免積水（雪）；關鍵節點的設計，以避免應力集中；考慮膜材的運輸和吊裝；耐久性與防火考慮。

3.張拉膜結構在設計階段所要考慮的要點　保證膜面有足夠的曲率，以獲得較大的剛度和美學效果；細化支承結構，以充分表達透明的空間和輕巧的形狀；簡化膜與支承結構間的連接節點，降低現場施工量。

4.主要的膜結構設計軟件如下　德國膜結構設計軟件easy10.0，意大利膜結構設計軟件forten4000，同濟大學膜結構設計軟件3D3S1 1.0，上海交大膜結構設計軟件SMCAD4.0，新加坡膜結構設計軟件WinFabric，日本太陽膜結構設計軟件Images，中國建筑科學研究院結構所空間結構室膜結構設計軟件MEMBS，澳大利亞膜結構設計軟件FABDES。

5.基布設計的主要內容

（1）基布的原料。使用最多的是高強聚酯纖維、玻璃纖維和錦綸。工業中使用的高強聚酯纖維的特點是高強度、低收縮，強度在5t/tex以上，177℃時收縮率小于49%，纖維的強度高，基布的紗線密度可小些，提高剝離強度和撕裂強度。錦綸纖維比聚酯纖維更加耐用，但伸長較大，價格更高。基布的選材也考慮芳綸、碳纖維、玻璃纖維。芳綸、碳纖維各項性能優異，但價格過于昂貴。玻璃纖維的優點在于不伸長，不會產生褶皺或鼓脹，同時可以反射熱量，保持結構內部低溫，但由于玻璃纖維在高溫下會燃燒起煙而使其應用受到限制。

大多數基布都采用長絲而不用短纖，因為長絲強度和伸長特性好。使用收縮率較小和中等的紗線織成的織物，不需要進行熱定型，但如果使用高收縮率長絲織成的織物，在涂層前一定要經過熱定型，以免涂層時過度收縮。基布在織造時，一定要保證經紗片紗的張力均勻，否則涂層織物上會明顯地出現疵點。織物的幅寬當然越寬越好，寬幅機織物最寬可達5m。應用中可根據結構的形狀和大小，對織物進行裁切和拼接。拼接可以采用熱壓熔接以使風和雨不能透過，可采用專門技術保證熔接良好。

（2）基布的類型。基布可以是機織織物、針織織物和非織造布。當要求織物堅牢、穩定性好時，往往選用機織物，且一般采用平紋或斜紋等簡單的組織結構，有時也采用經編、非織造縫編織物。經編襯緯組織是一種比較理想的組織，在織物中經緯紗都是挺直的，纖維的強力能得到充分發揮，織物的尺寸穩定性也很好。實際應用中，具體組織的選用，應視產品的用途而定，還要考慮成本等因素，最終做出合理的設計。此外，基布組織結構的疏密程度對膜結構材料的質量也有很大的影響。一般基布的質量為112～198g/m2。組織結構疏松，撕裂強度高，剝離強度也好，更適于層壓加工。厚密型基布有助于提高涂層織物的抗張強力以及耐熱、保溫等性能，但基布的組織緊密，涂層劑滲透量小，要求涂層劑與基布纖維有較大的黏結力才能連成一體。另外紗線活動余地小，會導致涂層織物的撕裂強度下降。

總之，用于膜結構建筑中的膜材是一種具有強度，柔韌性好的薄膜材料，是由纖維編織成織物基材，在其基材兩面以樹脂為涂層所加工固定而成的材料，中心的織物基材分為聚酯纖維和玻璃纖維，而作為涂層使用的樹脂有聚氯乙烯樹脂（PVC），硅酮（silicon）及聚四氟乙烯樹脂（PTFE），在力學上織物基材及涂層分別影響下列的功能性質。織物基材影響抗拉強度，抗撕裂強度，耐熱性，耐久性，防火性。涂層材影響耐候性，防污性，加工性，耐水性，耐化學品、透光性。

三、防水基材

防水材料沒有統一的定義，防水技術的不斷更新也加快了防水材料的多樣化，總體來說，防止雨水、地下水、工業和民用的給排水、腐蝕性液體以及空氣中的濕氣、蒸氣等侵入建筑物的材料基本上都統稱為防水材料。防水材料主要有三類：防水卷材、聚氨酯防水材料、新型聚合物水泥基防水材料。

（一）防水材料分類

防水材料主要有以下三類。

1.防水卷材　主要用于工程施工，如屋頂、外墻等。

2.911　聚氨酯防水材料　防水卷材含有揮發性毒氣，施工要求嚴格，且造價昂貴。

3.新型聚合物水泥基防水材料　材料由有機高分子液料和無機粉料復合而成，融合了有機材料彈性高和無機材料耐久性好的特點，涂覆后形成高強堅韌的防水涂膜，是家庭防水的常見材料。

噴涂聚脲防水涂層采用的材料有噴涂聚脲防水涂料、底涂料、涂層修補材料、層間處理劑、隔離材料以及密封劑、堵縫料、面漆、防滑材料（石英砂、橡膠粒子等）、防污膠帶、加強層材料（如卷材、涂料、玻璃纖維布、化纖非織造布、聚酯非織造布）等。材料進場檢查是杜絕在施工中使用不合格材料的重要手段。

《2013～2017年中國防水材料行業調研與前景預測報告》研究中國建筑90%以上的防水對象是混凝土構件，防水要根據混凝土特性來選擇方案以解決問題，混凝土一般除了結構自防水以外，還必須構筑柔性防水層，采取剛柔相濟的措施，才能達到最佳的防水效果。柔性防水層防水的關鍵在于密封，而不是遮擋，密封的核心在于黏結，黏結的有效性和持久性在于能否與混黏土基層形成堅固有效的化學交聯結構。

國內的防水卷材市場，充斥著大大小小的各類卷材生產商，產品優劣不等，效果好壞不等，其中存在的各個時代的產品在施工中的操作要求也高低不一，CPS反應粘專利技術是國內的金雨傘公司針對此產品而開發的適用于解決普通防水卷材與混凝土黏結過程中因受環境濕熱循環、水汽溶脹、基層運動等因素的影響，產生脫粘、空鼓等問題而開創的獨特黏結技術，在高密度聚乙烯薄膜的單面或者雙面附和CPS反應粘密封強力膠，這樣就能夠達到很好的防水效果。

（二）防水涂料的特點

1.防水涂料在固化前呈黏稠狀液態　施工時不僅能在水平面，而且能在立面、陰陽角及各種復雜表面，形成無接縫的、完整的防水膜。

2.使用時不需加熱　既減少環境污染，又便于操作，改善勞動條件。

3.形成的防水層自重小　特別適用于輕型屋面等防水。

4.形成的防水膜有較大的延伸性、耐水性和耐候性　能適應基層裂縫的微小的變化。

5.防水且具有黏性　涂布的防水涂料，既是防水層的主體材料，又是膠黏劑，故黏結質量容易保證，維修也比較簡便。尤其是對于基層裂縫、施工縫、雨水斗及貫穿管周圍等一些容易造成滲漏的部位，極易進行增強涂刷、貼布等作業的實施。

四、隔音隔熱材料

建筑用隔音、隔熱材料主要用于建筑物內部。

1.建筑用隔音材料　其中隔音的主要目的在于改善可聽度、保持聲音的保真性和防止不和諧的聲音。所采用的材料主要有地毯、紡織墻布、窗帷等，可以減少的回響時間為普通居室約0.5s，大型建筑物約10s。

2.建筑用隔熱材料　房屋周圍包裹的材料用于建筑物隔熱，既可節省取暖、制冷所需要的費用，且濕氣可以穿過圍裹材料，防止內墻面凝露。圖3-3是隔熱材料的安裝示意圖，隔熱材料被放置在屋面材料與鋼結構之間，可起到隔熱和防止潮氣進入內墻面的作用。

目前，建筑用隔音、隔熱材料在我國的發展還處于起步階段。我國擁有大量的紡紗織布企業，這些企業生產車間中存在的一個最讓人頭疼的問題就是噪聲太大，室內溫度不好控制，所以有必要加大對建筑用隔音隔熱材料的研發力度，盡早開發出具有較高使用價值和經濟價值的建筑用隔音、隔熱材料。