略论新型金属材料在建筑领域的应用

　　摘要：随着建筑领域的发展，金属材料的应用将越来越广。文章分析了金属材料在建筑领域的应用历程，着重介绍了近年来建筑领域中出现的新型金属材料及其应用。
　　关键词：金属材料；建筑结构；建筑装饰
　　 金属材料的一般特性金属材料具有较高的强度、良好的塑性和韧性，能抵抗冲击载荷的作用；具有导电性和导热性；延展性好，能进行冷弯、冷拉、冷拔或冷轧等加工，制成各种型材、板材和线材，能进行焊接、铆接等加工，可做成长而大尺寸的构件，尺寸精度好；用作建筑装饰材料，具有轻盈、高雅、光彩夺目且有力度等优点。金属材料的缺点是生产成本较高，耐高温性能差，耐腐蚀问题尚有待解决。现代加工工艺已经很先进，有利于建筑构件工厂生产、在现场安装的现代化建设施工模式。从未来建筑业的发展趋势上看，应尽量减少材料的使用量，缩短施工工期，构件生产标准化，同时有利于再生循环利用，在这些方面，金属材料均优于混凝土材料。
　　" 金属材料在建筑领域的应用历程金属材料在建筑中的应用历史源远流长。！" 世纪"# 年代人类开始大量应用生铁作建筑材料，到世纪初发展到用熟铁、软钢建造桥梁和房屋。！$ 世纪中叶起，钢材的品种、规格、生产规模大幅度增长，钢材的强度不断提高，相应地其连接工艺技术也大为发展，为建筑结构向大跨重载方向发展奠定了重要基础。与此同时，钢筋混凝土的问世和%# 世纪年代预应力技术的诞生，使近代建筑结构的型式和规模发生了飞跃性进展。随着钢的冶炼和加工技术的进步以及新型建筑结构对材料提出更高性能的要求，促使高强耐蚀的合金钢产量从%# 世纪’# 年代初开始大幅度增长。钢材及其与混凝土复合的钢筋混凝土和预应力混凝土，已成为现代建筑结构的主体材料。
　　以各种金属作为建筑装饰材料，更有着悠久的历史。北京颐和园中的铜亭，山东泰山顶上的铜殿，云南昆明的金殿，西藏布达拉宫金碧辉煌的装饰等极大地赋予了古建筑独特的艺术魅力。在现代建筑中，金属材料更以其独特的性能赢得了建筑师的青睐，从高层建筑的金属铝门窗到围墙、栅栏、阳台、入口、柱面等，金属材料无所不在，从装饰点缀到赋予建筑物奇特的效果。如果说，世界著名的建筑埃菲尔铁塔是以它的结构特征，创造了举世无双的奇迹，那么法国蓬皮杜文化中心则是金属的技术与艺术有机结合的典范，创造了现代建筑史上独树一格的艺术佳作。有专家把金属材料用于现代建筑装饰上，看作是一种技术美学的新潮。
　　!新型金属材料在建筑领域的应用随着时代的发展，建筑领域在不断扩大，人们对建筑物的工作环境的要求越来越苛刻，对建筑物的寿命期望值不断提高，对金属材料的强度、耐久性、耐腐蚀性、耐火性、抗低温性以及装饰性能提出了更高的要求。因而人们不断开发出功能更加强大、性能更加优良且符合可持续发展的新型金属材料，并将其用于建筑工程中。现将已开发出的新品种及应用情况介绍如下。
　　 超高强度钢材建筑上大量用于承重结构的钢材主要是低碳钢和低合金钢。低碳钢的屈服强度为！"#$%&#’（），极限抗拉强度为低合金钢的屈服强度为极限抗拉强度为虽然与木材、石材、混凝土等其他结构材料相比，钢材的强度较高，但超高层建筑、大跨度桥梁等大型结构物的构造，对钢材的强度提出了更高的要求。所以要求开发高强度钢材和超高强度钢材。
　　高强度钢抗拉强度要求达到超高强度钢材抗拉强度要求达到以上、同时其韧性和耐疲劳强度等力学性能也要求有较大幅度的提高。目前已经开发出的超高强度钢材按照合金元素的含量分为低合金系、中合金系和高合金系三类。低合金超高强度钢是将马氏体系低合金钢进行低温回火制成，较多地用于航空业，在建筑上主要用于连接五金件等。中合金超高强度钢是添加铬、钼等合金元素，并进行二次回火处理制成，耐热性能优良，可用作建筑上需要耐火的部位；高合金超高强度钢包括马氏体时效硬化钢和析出硬化不锈钢等品种，具有很高的韧性，焊接性能优良，适用于海洋环境和与原子能相关的设施。
　　 低屈强比钢钢材的屈服强度与极限强度的比值为屈强比。它反映了钢材受力超过屈服极限至破坏所具有的安全储备。屈强比越小，钢材在受力超过屈服极限工作时的可靠性越大，结构偏于安全。所以对于工程上使用的钢材，不仅希望具有较高的强度极限和屈服强度，而且还希望屈强比适当降低。
　　钢材的屈强比值对于结构的抗震性能尤其重要。
　　在设计一个建筑物时，为了实现其抗震安全性，要求在使用期内，发生中等强度地震时结构不破坏，不产生过大变形，能保证正常使用；而发生概率较小的大型或巨型地震时，能保证结构主体不倒塌，即建筑物的变形在允许范围内，能提供充分的避难时间。而要满足上述小震、中震不破坏，大震、巨震不倒塌的要求，就要求所采用的结构材料首先要具有较高的屈服强度，保证在中等强度地震发生时不产生过大变形和破坏；其次要求材料的屈强比较小，即超过屈服强度到达极限荷载要有一个较充足的过程。由于对建筑物的抗震要求越来越高，所以低屈强比钢的应用范围将越来越广。
　　 新型不锈钢新型不锈钢不含镍元素，而是添加了一些稳定性更好的元素，形成高纯度的贝氏体不锈钢，其耐腐蚀性大幅度提高，而且耐热性、焊接加工性能也得到改善。一般用于建筑物中的太阳能热水器、耐腐蚀配套管等构件。由于其在-#,.高温下表现出脆弱性，因此适宜用于*,,.以下的环境中。最近又开发出铬含量很大的新品种不锈钢，能耐#,,$&,,.高温，可用于火电厂或建筑物中的耐火覆盖层。
　　 高耐蚀性金属及钛合金建材钛金属具有一系列优点，如比强度高，韧性、焊接性较好，且有高强度钛合金，其高温力学性能好、持久强度非常高。其优秀的耐腐蚀性主要是由于其表面所形成的一层致密的氧化膜。钛金属的装饰性能也很优越。钛金属经氧化处理能形成二氧化钛膜层，利用光的干涉作用，对应膜层的不同厚度，可以发出各种颜色，形成彩色钛合金板，其颜色因入射光的波长分布、入射角、氧化物膜层的厚度与折射率、钛金属表面的粗糙程度而呈微妙变化，可以获得涂料涂层所不能比拟的金属光泽。
　　钛金属已经成为宇宙、航空、原子能发电、化学工业以及海洋结构物、临海建筑物、海水淡化等设施中不可缺少的材料。最近发达国家已经在沿海以及腐蚀严重的地区将钛合金应用于建筑物的屋顶及外装修板材。我国国家大剧院工程由法国和中国合作设计，已决定采用钛金属结构。但是由于价格高昂，钛金属还没有达到普及使用的程度。由于腐蚀作用主要从材料的表面开始，为了降低材料的成本，可以考虑内部采用不锈钢或普通碳素钢，表面用钛金属覆盖形成保护层的材料。
　　耐火钢虽然钢材在常温下具有很高的强度，但是耐热性差，随着温度升高强度降低，变形严重。普通建筑钢材的机械强度在！""#温度时将降低为室温下强度的$ % &，在$"""#时降低为室温下强度的$ % $"。随着高层建筑的建设，城市建筑物密度的增大，开发耐火钢材，提高建筑物的防火、耐火性十分必要。
　　为了提高钢结构建筑物的耐火性，经常是在钢材表面涂刷耐火涂料，或者在钢材表面覆盖耐火材料，例如在钢结构件表面喷射’（）（玻璃纤维混凝土）等。
　　但是这种做法施工时工序繁杂，同时钢材表面被覆盖，难以收到钢结构轻巧、线条清晰、表面光泽等美观效果。所以应开发耐火钢材，使结构本身具有足够的耐火性，既可提高施工效率，又可将钢结构体直接暴露在外，能取得良好的金属建筑物的艺术效果。
　　耐火钢是在普通碳素钢中添加钼、钒、铬、铌等合金元素，各种元素的添加量大约为$*，可使钢材在!""#高温下的强度达到室温强度的。
　　轻质高比强度金属材料比强度是指材料的强度与其密度的比值。为减轻高层、超高层建筑物的自重，要求用于主体结构的金属材料具有轻质高强性能，即比强度要高。单纯的金属材料中，钛的比强度较高，但其成本较高，难以作为结构材料在实际工程中大量使用。所以必须开发成本低，具有高比强度的金属材料。
　　采用轻金属与碳纤维复合制成的纤维化金属，具有较高的比强度。这种材料是对强化长纤维纵向加压，使熔融的金属浸渍到纤维材料中，或者采用短纤维与熔融金属进行混合铸造等方法制成。碳纤维的抗拉强度高达+"""./0，如果与铝金属复合，制成纤维强化铝金属， 密度大幅度降低， 抗拉强度可达到$"""./0 左右，比强度值可超过&1"./0。这种材料作为结构材料在建筑上应用，还存在着连接组合技术方面的问题，有待进一步探讨。
　　 耐低温金属材料金属材料在常温下具有很高的强度和韧性，随着温度降低，金属材料的韧性下降，开始缓慢下降，当温度下降到一定程度时，对于很小的温度变化，金属的韧性突然降低，该温度称为金属材料的临界温度。不同的金属材料其临界脆性温度值不同，临界脆性温度越低，表明该材料的耐低温性能越好。
　　地球表面自然环境的最低温度大约为5"#，而液化天然气的贮藏要在左右的温度下进行，超导机器需要在液体氦的温度下工作，如果进行操作所用的容器或设施采用金属材料，就要求金属材料必须具有优异的耐低温性能。
　　低温下使用的金属材料，主要考虑其低温脆性，即随着温度降低其韧性是否明显降低。具有面心立方晶体结构的奥氏体系不锈钢在室温下的冲击韧性较低，但随着温度降低冲击韧性值基本保持稳定，即在低温下能显示出较好的韧性。
　　非磁性金属大多数金属材料均具有磁性，这种磁性对于普通的建筑物没有什么影响，而对有些结构物却有副作用。例如高智能化的建筑物、核熔炉、磁悬浮铁路系统等容易产生很强的磁场，如果采用普通的具有磁性的金属材料，在磁场作用下产生力的作用，不利于结构体的正常运行。目前具有代表性的非磁性金属材料有高锰钢、奥氏体系不锈钢和钛金属。
　　形状记忆合金金属材料通过特殊的热处理方法，使之具有记忆原来形状的功能，称为形状记忆金属，具有形状记忆功能的金属通常是合金，所以叫做形状记忆合金。在实际应用中，通常是在常温、初始形状下用特定的热处理方法，赋予它记忆功能，然后加热至某一温度下，根据使用要求进行塑性加工，改变其初始形状，之后，如果温度再回到初始温度，则该合金材料的形状也将恢复到初始状态。
　　镍！钛合金是到目前为止所开发的最成熟、应用最多的形状记忆合金材料。形状记忆合金在土木、建筑领域通常用于温室的自动门开启装置、自来水和煤气管道的接头等部位。管道接头的施工环境通常比较恶劣，例如处在地下、水中或墙内等位置。利用形状记忆合金做配管的接头，可以减少现场施工作业量，使配管在现场的连接施工变得省力、简单。
　　非晶质金属一般的金属材料其内部质点在空间按照一定规律整齐地排列成空间格子，即形成晶体结构，因此在宏观性能上表现为具有较高的强度，是电和热的良导体。而非晶质金属是将高温下熔融状态的液态金属在瞬间冻结，内部质点没有充足的时间形成晶核并按规则排列，在很短的时间内就被固化。因此非晶质金属的内部质点在空间的排列是无序的，具有与玻璃体相似的内部结构。
　　非晶质金属的内部不存在晶界、错位、空位等结晶缺陷，与普通的金属相比导电性较小，因此具有优异的耐腐蚀性。利用这一特性，将非晶质金属加工成薄膜状材料用于防腐覆盖层，其加工方法也比普通的金属容易得多，现在已经能够生产出宽幅的板状材料。
　　在建筑领域非晶质合金材料主要用于防腐蚀的表面覆盖膜。
　　!"$$ 装饰性金属表面膜金属表面膜用于建筑物的装饰古代就有，那时有用金箔作为装饰材料的。金箔价格昂贵，不可能普遍用于建筑物的装饰。采用金属饰面的建筑物多数采用铜板，利用铜在大气中被氧化而自然形成的绿白色铜锈来增加装饰效果。此外还有铝、钛等金属材料也常用于建筑饰面。目前用于建筑物的装饰性金属表面膜的加工技术主要有以下几种：
　　电化学方法形成氧化膜。在金属表面利用化学方法人工形成氧化膜获得装饰效果，这种方法广泛用于铝和钛金属。例如，对钛金属进行电化学氧化处理时，通过控制电压，可在表面形成金色、银色、蓝色、紫色等不同颜色的钛金属氧化膜，可作为屋顶装饰材料。
　　不锈钢的铬镍处理。以不锈钢为基体材料，将不锈钢浸泡在铬酸、镍酸和硫酸的混合液中，在表面形成铬、镍氧化物，控制氧化膜的组成与厚度，可获得不同颜色，例如金色、红色等。
　　离子电镀法。其原理是将金属蒸发，同时导入氮气或氧气，使金属与气体在等离子状态下反应，形成金属的氮化物或氧化物，覆盖在基体金属表面。根据不同气体与金属组合，可得到不同色调特征的表面层。该表面层具有很高的耐蚀性，将其与着色覆盖膜重叠可同时赋予装饰性和耐蚀性。在建筑领域这些装饰性覆盖膜施于钢板表面，可用于建筑物的内装修。
　　镜面不锈钢饰面板。对不锈钢薄板表面进行特殊的抛光处理，使板面光亮如镜，反射率、变形率与高级镜面相差无几，且具有耐火、防潮、不变形、不破碎、安装方便等优点，具有极好的装饰效果。
　　彩色涂层钢板。在热轧钢板、镀锌钢板表面涂!"#$!"%&& 厚的软质或半硬质聚氯乙烯塑料薄膜制成的板材，具有耐热、耐腐蚀性能，并可根据需要选择不同的颜色，可用作建筑物的墙板、屋顶等。
　　 超塑性铝合金普通的铝合金结晶粒子的粒径大约为’！（& 以上，铝合金材料的最大拉伸变形能力为%!）左右。如果将结晶粒子进一步细化，使晶粒的粒径达到’！（&以下，并以很低的速度在某个温度范围内使材料变形，依靠晶粒界面之间的滑移，可使铝合金的拉伸伸长率达到%!）以上，实现超塑性性能。
　　对铝合金进行晶粒细化时，通常要添加铬及锆等合金元素，通过热力学处理获得超塑性铝合金材料。
　　这种材料应用于建筑领域，可用来加工形状复杂、轻质高强的建筑构件和内外装修材料。
　　蜂窝式芯材板采用超薄的铝箔作为芯材，制作六角形蜂窝集合体，上下表面用铝板将芯材夹起来所形成的蜂窝式板材，不仅结构上受力合理，而且采用铝质金属使板材更加具有轻质高强的特点，用于建筑板材，其使用量在逐渐增加。
　　 铝质复合材料将铝质金属与其它材料复合，可以制造具有某种特殊功能的材料。例如在两片铝板之间夹入制震树脂形成具有三明治结构的铝质复合制震板材，振动损失系数高，具有良好的制震特性。又如在两块薄铝板之间夹入树脂等高分子泡沫材料或纤维石膏板制成的复合板材，轻质、美观，且具有良好的保温性能，可用作建筑物的门板及内装修板材等。
　　 耐腐蚀性铝质装饰材料由于在大气环境中自然形成的氧化铝保护膜比较薄，对金属的保护作用有限，为了进一步提高铝质金属的耐腐蚀性，人们开发出了阳极氧化保护膜处理技术，人工形成更加坚厚的氧化保护膜。其方法是将铝质金属制品浸泡在电解液中，以铝质金属为阳极通入电流，在铝质金属表面形成氧化膜。通过改变电解液的组成和温度、电流密度及铝合金的成分等因素，可以获得不同成分的氧化膜，得到金色、银色、黑色等不同的表面颜色，赋予铝合金板材优良的装饰性。目前这种铝合金板材大量用于高层建筑的幕墙材料。
　　除阳极氧化成膜技术之外，目前还有在铝合金板采用合成树脂涂料，进行喷漆、喷塑、热镀等加工方法制造而成的铝质涂层板，即彩色铝板。常用的合成树脂涂料有丙烯类、乙烯类、聚脂类和含氟树脂等。这种板材具有良好的防腐功能和装饰效果，常用于建筑物的屋顶，也大量用作建筑物的窗框材料，在铝质涂层板材表面加工成凹凸不平的花纹或云雾状，获得良好的装饰效果。