《材料与社会》世贸大厦坍塌的材料学追思

1.3 世贸大厦坍塌的材料学追思
世贸大楼简况：
纽约世界贸易中心大楼位于曼哈顿闹市区南端，雄踞纽约海港旁，是美国纽约市楼层最多的摩天大楼。

它由纽约和新泽西州港务局集资兴建，原籍日本的总建筑师山崎实负责设计。

大楼于1966年开工，历时7年，1973年竣工以后，以110层、411m的高度作为摩天巨人而载入史册。

它是由5幢建筑物组成的综合体，其主楼呈双塔形，塔柱边宽63.5m。

大楼采用钢架结构，用钢7.8万吨，楼的外围有密置的钢柱，墙面由铝板和玻璃窗组成，有“世界之窗”之称。

塔楼坍塌的原因：
波音飞机为什么能够撞倒像世贸中心塔楼这样坚固的庞然大物?据当时世界最权威的科技杂志之一的《科学》杂志报道：专家们相信，塔楼坍塌的首要原因是:飞机上约有3万公升的油料爆炸后，在局部形成了1000 ℃以上的高温以及引燃了某些可燃的建筑材料及楼内可燃物质。

需知几乎任何材料一旦在较高温度时其强度都会迅速降低：如从室温上升到600℃，45钢的抗拉强度下降一半(从调质或正火态的约800MPa降至400MPa)；铝合金在400 ℃时的强度仅为室温时强度的10%不到。

按照当初的设计，如果是在20世纪70年代，世贸中心塔楼是能够经受住那时的飞机撞击的。

这一方面由于塔楼简直就是钢铁巨人，其钢架结构外围的密置钢柱的柱与柱之间的距离(即窗户宽)仅0.5m宽；另一方面，其钢梁钢柱表面涂有耐火材料。

世贸中心的设计者曾为了比喻大楼的坚固，说：“如果有一架波音707以每小时180英里(1英里＝1.61km)的速度飞向大楼，只有它撞击到的7层会被损坏，其余的部分仍然会站在那里，整个大楼也不会塌”。

每小时180英里是纽约允许空间飞行物飞过城市的最高速度。

但是这个美籍日本人如果还活着也难以料想，真会有人驾着飞机冲向他引以自豪的空间控制感极美的双塔。

事实上，纽约人看到的是一架波音767飞机，速度是每小时400-500英里，并在距离大楼不远的地方开始加速。

所以问题在于，现在的飞机越来越大．专家指出，对于如今喷气式飞机燃料所引发的大火，绝大多数建筑物内的灭火装置根本不起作用，而支撑塔楼的钢梁钢柱经过600 ℃以上的持续烘烤，必然发生严重软化，原有的强度几乎丧失殆尽。

这样，暴露在高温下的那层楼板率先脱落，压在下一层楼板上，引起负重增加，再加上相继带来的持续高温效应，从而引起下一层楼板再脱落，如此引发连锁反应，导致塔楼最终坍塌。

然而，世贸中心的双塔受到撞击之后，并没有立即土崩瓦解，为楼内多数人员的疏散搬离赢得了极其宝贵的时间。

专家称，这说明塔楼并不是“豆腐渣”，其特殊设计还是发挥了一定的作用。

无论如何，9·11事件是发生了。

人们在反思：9·11之后，大厦应该如何建?这与材料密切相关。

9·11之后大楼怎么建才结实？
（1）用高强、轻质的材料
9·11事件撞击了建筑新思维，即以人为本、确保人身安全，盖房子不怕一万只怕万一。

创新观念包括使用强化钢材(即高强度钢材)、高强混凝土及玻璃，防火隔离层加厚等等。

一种趋势是仍然要大力发展钢结构建筑，其优势具体如下。

①质量轻、强度高。

用钢结构建造的住宅质量是钢筋混凝土住宅的1/2左右，可满足住宅大开间的需要，使用面积比钢筋混凝土住宅提高4％左右。

②抗震性能好，其延展性比钢筋混凝土好。

从国内外地震后的调查结果看，钢结构住宅建筑坍塌数量最少。

③钢结构构件在工厂制作，减少现场工作量，缩短施工工期，符合产业化要求。

④钢结构构件经工厂制作后质量可靠，尺寸精确，安装方便，易与相关部件配合。

⑤钢材可以回收，建造和拆除时对环境污染较少。

（2）用环保防火材料
9·11后大楼怎么建才能对付有毒烟雾？
根据美国联邦调查局的报告，在9·11事件中，70％以上的人都在浓烟火海、高温窒息的楼内因烟熏罹难。

在一些特大群死群伤的火灾案例中，虽然火灾起因各异，但导致人员重大伤亡、财产损失的主要原因是建筑物内使用了大量燃烧烟浓度大、毒性高或燃烧性能不符合要求的建筑装饰材料及组件。

这些材料未做任何阻燃处理，不仅火焰传播速度极快，而且燃烧时还会释放出大量浓烟和有毒气体，仅仅几分钟时间，现场人员便会中毒窒息，丧失逃生能力。

解决办法仍是从材料着手，一是用阻燃材料，二是用绿色环保材料。

目前正大力发展阻燃高聚物和阻燃高聚物基复合材料，这是具有抑制自身燃烧功能的材料。

广义上就是使可燃的高聚物变得难燃，使难燃的高聚物变得更难燃，并使其具有离开火焰后自身熄灭的特性，即所谓不延燃烧，而且还应包括不发生低烟害和低毒害等问题。

（3）用自发光材料
9·11之后建筑物如何有利逃生
近年来，由于各种公共场所的建筑结构越来越复杂，如何在紧急事故发生时有效疏散人员，成为世界各国安全和技术专家亟待解决的问题。

发光疏散指示标志主要有两种
目前，世界上建筑内的发光疏散指示标志主要有两种：一种是电致发光型疏散指示标志(灯光型、电子显示屏等)；另一种是光致发光型疏散指示标志(主要是蓄光自发光型)。

常规使用的电致发光型疏散指示标志，由于包括一整套电路、电器、蓄电池系统，需要定期保养、维护，安全系统难以得到长期保障。

而蓄光自发光型疏散指示系统的核心材料具有吸光、蓄光发光的性能，在吸收可见光
10-20min之后，即可在黑暗中连续发光10-12h，发光安全系统的可靠性达到100％。

因此以蓄光自发光型替代电致发光型疏散指示标志是全球性的发展趋势。

人类研究自发光材料的历史
人类研究自发光材料的历史可以追溯到居里夫人最初发现的镭，镭元素具有放射性且危害大，使其一直未能进入民用领域。

自发光材料的第二次革命是以硫化锌为代表的荧光型自发光材料的出现，但是由于荧光型产品发光时间短，发光亮度低，耐光性差，同时具有微弱放射性等缺点，也限制了这种材料在工业产品中的广泛使用。

第三代自发光材料是蓄光型自发光材料，不但解决了这一技术难题，而且带来了自发光产品的第三次革命，改变了自发光产品无法应用到民用产品中的现象。