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行業(yè)新聞 | 鈦材的性質(zhì)及其在建筑上的應(yīng)用 | |
| 2015/12/16 閱讀次數(shù)：[6513] | |
| 1 引言 金屬材料用于建筑，特別是屋頂，首先應(yīng)用的是銅，依次開發(fā)使用的是表面處理過(guò)的鋼板、鋁、不銹鋼和鈦。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，人們對(duì)城市建筑物的要求，特別對(duì)建筑物的美觀性要求越來(lái)越高。隨著建筑材料工業(yè)的不斷創(chuàng)新和發(fā)展，近年來(lái)建筑師追求使用比傳統(tǒng)材料更 的新型建筑材料。鈦金屬具有許多非常優(yōu)異性能，完全滿足對(duì)建筑材料的許多特殊性能要求，因而倍受建筑師和建筑業(yè)的青睞。 2 鈦材的優(yōu)異建筑材料特性 從外形上看，鈦金屬呈銀灰色，與鋼鐵相似，他與普通金屬相比有許多優(yōu)越的性能，但應(yīng)用于建筑主要是基于以下特性： 2.1 輕質(zhì)高強(qiáng) 鈦金屬的密度非常小，但有很高的強(qiáng)度，即強(qiáng)度系數(shù)（材料強(qiáng)度和密度的比值，也叫比強(qiáng)度）很高。其密度為4．54g/cm3，僅為普通結(jié)構(gòu)鋼的57％，但具有和普通鋼幾乎相同的強(qiáng)度，這樣的話，作為建筑構(gòu)件一方面能夠減小主體結(jié)構(gòu)的承載量，便于吊運(yùn)安裝，滿足建筑輕型化的要求，另一方面…… 2.2 熱膨脹系數(shù)低 在所有建筑用金屬材料中，鈦具有 的熱膨脹系數(shù)，約為8.2 x 10-3 mm／（m•°C），約為不銹鋼和銅的一半，鋁的三分之一，與傳統(tǒng)建筑材料如玻璃、磚、水泥和石頭的熱膨脹系數(shù)接近，適于與其共用，并可在設(shè)計(jì)上突出鈦與玻璃的特點(diǎn)，做成鈦板幕墻和玻璃幕墻結(jié)合的復(fù)合幕墻，起到提高建筑節(jié)能效率的作用。另外…… 2.3 耐腐蝕性好，使用壽命長(zhǎng) 鈦在自然環(huán)境中極易在表面與氧形成一層堅(jiān)固的不到10nm的氧化物薄膜，使其在氧化性酸、堿、鹽介質(zhì)，特別是在濕氯氣和海水中，具有優(yōu)異的抗腐蝕性能，氧化膜的厚薄不同，可變幻出不同的色彩。由于其耐腐蝕性極強(qiáng)，考慮到長(zhǎng)期的維修費(fèi)用，其長(zhǎng)期綜合成本并不比其他金屬材料高很多，特別適用于…… 2.4 熱強(qiáng)性能好 鈦的熔點(diǎn)高達(dá)1660°C，屬于不燃材料，其在火災(zāi)測(cè)試中能夠經(jīng)受1100°C的高溫。所以當(dāng)作為建筑結(jié)構(gòu)材料時(shí)，鈦合金由于具有比鋁合金好的多的熱強(qiáng)性，其建筑防火性能可得到大大提高。 2.5 良好的機(jī)械和加工性能 純鈦具有中等強(qiáng)度和優(yōu)異的焊接性能，它最適合于建筑物的屋頂及護(hù)墻。鈦合金具有高強(qiáng)度，用于建筑物的各種支架和橫梁。已經(jīng)興起的超級(jí)不銹鋼建筑外墻與屋頂，其加工性能和焊接仍遜于鈦。鈦易加工成薄板材，不易變形，焊接性能好。標(biāo)準(zhǔn)的金屬成型工具、加工方法和技術(shù)都可用于剪切、成型、機(jī)加…… 2.6 優(yōu)良的光澤度和豐富的質(zhì)感，有良好的裝飾性 作為一種建筑材料，鈦材不但擁有自然光澤，而且經(jīng)氧化能呈現(xiàn)不同的色彩，加之其耐蝕性優(yōu)越，勿需鍍一層防腐蝕膜，由于鈦材料的反射率較小， 并呈現(xiàn)淡銀灰色，故其自然色澤令人滿意，鈦材經(jīng)過(guò)退火和酸洗后，表面熠熠生輝…… 建筑用鈦材的表面機(jī)構(gòu)多樣，從柔軟粗糙到銀光閃閃的表面應(yīng)有盡有，經(jīng)過(guò)陽(yáng)極氧化處理后，其色彩和光澤不會(huì)消退，氧化膜會(huì)增厚，這樣，因光的干涉彩虹原理就產(chǎn)生了顏色，光線穿過(guò)這層氧化膜時(shí)，一部分會(huì)被反射， 一部分會(huì)被折射，一部分會(huì)被吸收，反射光線的相位不同，干涉表面就呈現(xiàn)不同的顏色，為了保持鈦材在建筑上使用時(shí)顏色的穩(wěn)定性，在實(shí)際生產(chǎn)中要考慮表面光澤控制技術(shù)，即退火和酸洗狀況的調(diào)節(jié)可以從光澤監(jiān)測(cè)裝置反饋檢測(cè)結(jié)果來(lái)調(diào)節(jié)退火(溫度、時(shí)間) 和酸洗(溫度、時(shí)間、酸配比) 的狀況。 2.7 無(wú)環(huán)境污染，屬綠色建材 鈦材因?yàn)槟透g，又可以通過(guò)再次熔化被100%的回收利用，中間不會(huì)分解散發(fā)有害物質(zhì)，所以不會(huì)帶來(lái)環(huán)境問(wèn)題，符合環(huán)保要求，屬于綠色環(huán)保型建筑材料。 3 鈦材在建筑上的應(yīng)用 3.1 日本 早在1973年 ,日本就建造了 首例（Hayasuihime神廟）鈦屋頂，自此日本開始在重要或特殊建筑上使用鈦材，是首先將鈦應(yīng)用于建筑物的 ，也是在建筑物上應(yīng)用鈦?zhàn)疃嗟? 。日本在多雪地方、海濱和空氣污染嚴(yán)重的都市，多采用鈦材，主要是應(yīng)用于建筑物的屋頂，其次是大廈的幕墻、外墻壁、內(nèi)外裝飾、紀(jì)念碑、窗框、圍欄等…… 3.2 歐美 于1997年建成的西班牙畢爾巴鄂市的古根海姆博物館,其造型是由曲面塊體組合而成 ,用閃閃發(fā)光的鈦金屬飾面 ,是解構(gòu)主義建筑大師蓋里的杰作。為了呼應(yīng)建筑整體的洶涌動(dòng)勢(shì)的生命感，設(shè)計(jì)者故意使用了這種表面凹凸不平的鈦合金板作為建筑外皮，在滿足設(shè)計(jì)者所要表達(dá)的生命力意象的同時(shí)，也滿足了建筑技術(shù)功能需要。它現(xiàn)在已經(jīng)成為鈦材建筑應(yīng)用的一個(gè)里程碑，為未來(lái)的項(xiàng)目打開了大門。 3.3 中國(guó) 大劇院是我國(guó) 提出應(yīng)用鈦材的建筑， 應(yīng)用鈦材的是杭州大劇院。 3.3.1 大劇院 大劇院建筑總面積149500㎡，外殼為鈦金屬板和玻璃幕組成的超級(jí)橢球殼體，沿中心向外發(fā)散的網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)形成巨大的空間，流動(dòng)著透射出張力。為使建筑物更富有時(shí)代感和技術(shù)含量，大幅度提升建筑的品質(zhì)，考慮到鈦的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，常態(tài)下不易被氧化，表面金屬光澤極具質(zhì)感，強(qiáng)度高自重輕，而且板材合框后板面變形肉眼無(wú)法察覺，最終選擇鈦復(fù)合板作為最外層裝飾面層…… 3.3.2 杭州大劇院 杭州大劇院為杭州文化標(biāo)志性現(xiàn)代建筑，位于錢塘江河口沖積平原，建筑平面稱橢圓形，立體外輪廓由大型雙曲異形屋蓋和橢圓錐體玻璃幕墻相交組成。考慮到建設(shè)地點(diǎn)屬于錢塘江河口沖海積平原，江水和大氣中含有海水鹽分，這就要求建筑外壁有一定的抗腐蝕強(qiáng)度；另外，錢塘江邊多霧，大氣水分循環(huán)速度快，沿江地域開闊，陽(yáng)光輻射較強(qiáng)，晝夜溫差大；還有就是因?yàn)楹贾荽髣≡菏窃摰貐^(qū) 已建成的工程項(xiàng)目，周邊的其他建筑工地會(huì)引起大量的粉塵。所以考慮到鈦復(fù)合板具有優(yōu)異的耐腐蝕性…… 3.4 其他 除了以上介紹的屋頂與建筑外皮用鈦以外，有不少國(guó)外的工程公司已經(jīng)不局限于將鈦用于制造設(shè)備零件，而是賦予他們聲明，將藝術(shù)與鈦緊密結(jié)合。下圖所示加拿大Ellett公司用純鈦制作的棕櫚樹，制作非常精致，而且不用擔(dān)心它會(huì)生銹[5]。 4 結(jié)語(yǔ) 目前的建筑用鈦由于其過(guò)高的本所導(dǎo)致的價(jià)格昂貴(比不銹鋼貴2-3倍)，除了極少數(shù)大投資建筑外，鈦在建筑中的應(yīng)用比較有限。 鈦材建筑雖然一次投資比較大，然而從其超強(qiáng)的耐腐蝕性能、高強(qiáng)輕質(zhì)、使用壽命及建筑使用周期、建筑荷載、綜合維護(hù)成本等方面考慮，鈦與其他金屬相比還是有一定的競(jìng)爭(zhēng)力。近年來(lái)，在實(shí)踐中，更多采用的是鈦鋼復(fù)合板，既有鈦的耐腐蝕性，又有普通鋼作為結(jié)構(gòu)物的強(qiáng)度，這種復(fù)合材料被大量用在建筑外表皮使用。隨著冶煉工藝的發(fā)展，相信在不遠(yuǎn)的將來(lái)，鈦的生產(chǎn)成本會(huì)逐漸降下來(lái)，它將會(huì)像不銹鋼、銅、鋁等金屬一樣，逐漸走進(jìn)我們的日常建筑中。 |
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