纖維混凝土的“前世今生”

建筑工程用纖維是一種細(xì)而長的材料，其長徑比一般在100以上，并且具有一定的抗拉強(qiáng)度（也稱斷裂強(qiáng)度）、彈性模量（也稱初始模量）和極限伸長率（也稱斷裂伸長率）。在建筑工程中應(yīng)用的纖維，主要系指在混凝土中能均勻分布、且能強(qiáng)化混凝土結(jié)構(gòu)的、短段的不連續(xù)的纖維材料。

根據(jù)所用纖維材質(zhì)的不同可分為：天然纖維或人造纖維；有機(jī)纖維或無機(jī)纖維等。具體地說，可分為天然有機(jī)纖維(多種麻類纖維、木漿纖維、椰殼纖維（統(tǒng)稱纖維素纖維）以及動物的鬃毛等)；天然無機(jī)纖維(石棉纖維、針狀硅灰石等)，人造有機(jī)纖維（也稱合成纖維:聚丙烯纖維、聚丙烯腈纖維、聚乙烯醇纖維、聚酯纖維、聚酰胺纖維、超高分子量聚乙烯纖維等），以及人造無機(jī)纖維(金屬纖維、玻璃纖維、玄武巖纖維、礦棉纖維以及碳纖維等)。如果根據(jù)所用纖維彈性模量的不同，即纖維的彈性模量是高于還是低于它所摻加基體的彈性模量，相應(yīng)又可分為高彈模纖維和低彈模纖維兩類；如若根據(jù)它所摻加基體材料的不同，又可分為：水泥混凝土用纖維、砂漿（水泥凈漿）用纖維、瀝青混凝土用纖維等。

纖維混凝土可以看作是在普通混凝土中，摻加了一定量較短的、均勻分散的、且不連續(xù)的纖維，并與之復(fù)合而成的混凝土。纖維與混凝土基材相結(jié)合，改善了混凝土的固有弱點(diǎn)，對混凝土性能起到多方面的影響。纖維混凝土抗裂性能和耐久性能的提高，對建設(shè)優(yōu)質(zhì)、美觀、耐久的工程意義重大。

聚丙烯纖維

纖維在建筑工程中的應(yīng)用，在人類的歷史上可追溯到1000多年以前。最初是以天然纖維--某些纖維素纖維經(jīng)過簡單處理后直接使用。早在古代，人們已知道并開始使用天然纖維素纖維以增強(qiáng)某些無機(jī)材料；如在我國古代，人們將秸稈或雜草經(jīng)切斷摻入自然干燥的粘土磚中；埃及人用稻草或動物毛發(fā)來加強(qiáng)陶制物品；古羅馬人則將剪短的馬鬃摻于石膏、石灰或火山灰水泥中；古代廟宇中人們在修建所供奉的塑像時(shí)，也常常采用摻有植物纖維的黏土塑制而成。由此可見，先人們通過實(shí)際探索發(fā)現(xiàn)，將纖維加入無機(jī)膠結(jié)料中能夠降低其脆性、并減少開裂。

1824年，英國人J.Aspdin（約瑟夫·阿斯普?。┌l(fā)明了“波特蘭”水泥，自此開始了現(xiàn)代的水泥混凝土。1847年，法國人（蘭波特）用鋼絲作骨架制成了混凝土小船及花盆，出現(xiàn)了最原始的鋼筋混凝土構(gòu)件。

1874年，美國人在混凝土中加入廢鋼片，開始了鋼纖維在混凝土中應(yīng)用的起步。1910年，美國H.F.Porter提出了“鋼纖維”混凝土的概念，發(fā)表了有關(guān)以短纖維增強(qiáng)混凝土的研究報(bào)告、且獲得專利，并建議把短纖維均勻分散在混凝土中用以強(qiáng)化基體料。1911～1933年間，在美、英、法、德等國均有人先后申請了在混凝土中均勻摻加短鐵絲，細(xì)木片等改善混凝土性能的專利，但未獲在實(shí)際工程中加以應(yīng)用。日本在二次世界大戰(zhàn)期間，也曾進(jìn)行過這方面的研究。直到1963年，J.P.Romualdi和J.B.Batson“關(guān)于纖維混凝土增強(qiáng)理論研究報(bào)告”的發(fā)表，纖維間距理論的提出，才使鋼纖維的研究和應(yīng)用取得了較快的發(fā)展。我國在20世紀(jì)70年代，開始了“鋼纖維混凝土”理論和應(yīng)用的研究；80年代起，鋼纖維已在道路、橋梁、隧道等多項(xiàng)混凝土工程中獲得了廣泛的應(yīng)用；繼而，鋼纖維混凝土的試驗(yàn)方法、設(shè)計(jì)施工規(guī)程以及《混凝土用鋼纖維》等行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的相繼發(fā)布，推進(jìn)了鋼纖維在我國各項(xiàng)建筑工程中的應(yīng)用。

1879年最早出現(xiàn)了石棉纖維水泥，1900年奧地利人Hatschek(哈謝克)采用圓網(wǎng)抄取機(jī)制造石棉水泥板，使石棉水泥開始走向工業(yè)化生產(chǎn)。我國在20世紀(jì)30年代中期開始生產(chǎn)石棉水泥的“波形瓦”。到70年代，全世界石棉水泥工業(yè)生產(chǎn)達(dá)到高峰；進(jìn)入70年代中期后，人們發(fā)現(xiàn)石棉粉塵具有致癌危害；故自80年代初起，若干發(fā)達(dá)國家相繼限制石棉水泥制品的生產(chǎn)與使用，進(jìn)而推動了無石棉纖維增強(qiáng)水泥制品的研制和開發(fā)，其代用品曾主要為玻璃纖維，此外還有木漿纖維、聚丙烯腈纖維、聚乙烯醇纖維和聚丙烯纖維等。

20世紀(jì)50年代末至60年代初，中國水泥工業(yè)研究院等單位，曾探索用中堿玻璃纖維增強(qiáng)普通硅酸鹽水泥砂漿或混凝土；前蘇聯(lián)皮留柯維奇等人，曾探索用無堿玻璃纖維增強(qiáng)石膏礬土水泥砂漿；但最終都因玻璃纖維不能承受水泥水化物的堿性侵蝕、失去增強(qiáng)效果未獲成功。1967年，英國建筑科學(xué)研究院（BRE）試制成含鋯的抗堿玻璃纖維，1971年英國開始生產(chǎn)；1979年英國BRE公布的報(bào)告指出：雖然此種纖維材料處于室內(nèi)干燥環(huán)境中對構(gòu)件的力學(xué)性能變化不大，但處于潮濕環(huán)境或暴露于大氣中時(shí)，構(gòu)件的各項(xiàng)力學(xué)性能仍有大幅降低。為此，進(jìn)入80年代，國際上有關(guān)科研單位均致力于提高“玻璃纖維增強(qiáng)混凝土”（GRC）耐久性的研究；同時(shí)西方國家主要采取在抗堿玻璃纖維外覆保護(hù)層、在水泥中摻加某些聚合物乳膠等措施；中國建筑材料研究院則采取抗堿玻璃纖維與低堿度水泥相匹配的技術(shù)。采用該技術(shù)配制成的GRC，不論處在濕熱環(huán)境中、或長期暴露于大氣中，其耐久性顯著優(yōu)于抗堿玻璃纖維與普通波特蘭水泥相匹配制成的GRC，為此被稱之為具有中國特色的“雙保險(xiǎn)”GRC技術(shù)路線。由于它較好地解決了GRC的耐久性問題，促使我國的GRC產(chǎn)業(yè)得到較快地發(fā)展。

透光混凝土由大量的光學(xué)纖維和精致混凝土組合而成

纖維混凝土研究與應(yīng)用的實(shí)質(zhì)性進(jìn)展，得益于合成纖維生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展。進(jìn)入20世紀(jì)60年代前期，美國S.Goldfein開始探索使用合成有機(jī)纖維-聚丙烯纖維作為水泥混凝土的摻加料，并建議用于美軍部隊(duì)制作防爆結(jié)構(gòu)件。70年代初期，英國將聚丙烯纖維摻入混凝土中制作管件、薄板等制品，并在建筑行業(yè)中，制定了相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)。最近二十多年來，以美國為代表的技術(shù)發(fā)達(dá)國家開發(fā)生產(chǎn)出了一系列可摻加入混凝土中的單絲狀合成纖維；如美國大力開發(fā)用于增強(qiáng)混凝土的合成纖維，主要有聚丙烯纖維和聚酰胺纖維等；德國和日本則分別開發(fā)出了用于增強(qiáng)混凝土的聚丙烯腈纖維和聚乙烯醇纖維；美國的格雷斯公司、日本的TORASUTOKIKAKUKI等也紛紛推出了相應(yīng)的瀝青混凝土增強(qiáng)用纖維。美國格雷斯公司2003年公開的專利US6569526、CN1405110，報(bào)道了一種高分散性增強(qiáng)合成纖維，該纖維可以應(yīng)用于混凝土、砂漿、噴漿混凝土和瀝青混凝土等基體材料中，不僅具有良好的分散性，而且能夠明顯提高混凝土材料的強(qiáng)度。以往人們摻加入混凝土當(dāng)中的纖維如大多數(shù)植物纖維，大多無法耐受混凝土基體材料中很強(qiáng)的堿性、或因其無法在混凝土中均勻分散，或不具有一定的耐高溫性能而達(dá)不到抗裂、增強(qiáng)的預(yù)期效果。合成纖維生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)步使這些問題逐一獲得解決。近年來，合成有機(jī)纖維中抗拉強(qiáng)度高、且抗堿性較好的聚丙烯纖維和聚酰胺纖維，盡管存在著它們的彈性模量相對較低的弱點(diǎn)，但它們能在混凝土的初期塑性階段，抑制和減小裂縫的發(fā)生和發(fā)展的特點(diǎn)，使其在混凝土中的應(yīng)用取得很大進(jìn)展。合成纖維被摻加到混凝土中，同時(shí)還對混凝土的抗?jié)B性、抗凍性、抗沖擊性、延性、耐磨性等有所改善，并且由于施工的和易性好、易操作、價(jià)格適中，已在建筑領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

在20世紀(jì)70年代，纖維混凝土技術(shù)傳入我國。我國的高等院校、科研院（所）和施工單位，開始了在混凝土中摻用合成纖維的研究工作，并逐步在若干建筑工程中取得了應(yīng)用；之后隨著國產(chǎn)建筑用合成纖維的成功開發(fā)，合成纖維在混凝土中的應(yīng)用取得了快速發(fā)展。1986年中國土木工程學(xué)會混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土分會纖維混凝土專業(yè)委員會在大連召開的第一屆全國纖維混凝土學(xué)術(shù)會議，相應(yīng)地促進(jìn)了全國范圍纖維應(yīng)用于混凝土中各種技術(shù)的交流；此后，纖維混凝土學(xué)術(shù)年會又分別在哈爾濱，南京,重慶，濟(jì)南，鄭州，上海，大連......，截止到2016年在武漢召開了第十六屆纖維混凝土學(xué)術(shù)會議，對纖維混凝土技術(shù)在我國的發(fā)展和應(yīng)用起到積極的促進(jìn)作用。

20世紀(jì)90年代初期，以“杜拉纖維”為代表的國外人造有機(jī)工程纖維透過商業(yè)渠道進(jìn)入中國，成為纖維混凝土在中國大量應(yīng)用的契機(jī)。在隨后的幾年時(shí)間里我國纖維混凝土的工程實(shí)例已經(jīng)數(shù)以千計(jì)，工程類型幾乎覆蓋了工業(yè)及民用建筑工程中所有用到混凝土的場合。

進(jìn)入21世紀(jì)后，隨著我國自主開發(fā)能力的提高，纖維生產(chǎn)技術(shù)的改進(jìn)，產(chǎn)品質(zhì)量的提升，生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，更多性能優(yōu)良、價(jià)格低廉的纖維混凝土工程材料投向市場，推動了工程材料的大規(guī)模應(yīng)用。在我國許多重點(diǎn)、重大工程中取得成功的應(yīng)用，如國家主體育場鳥巢、中央電視臺新臺址、眾多08奧運(yùn)工程、上海迪士尼等標(biāo)志性建筑中都采用了國產(chǎn)纖維混凝土工程材料。國內(nèi)工程纖維品牌也在這個(gè)過程中逐漸成長，擔(dān)當(dāng)了國內(nèi)纖維混凝土工程材料應(yīng)用的主力軍。

目前，應(yīng)用最為廣泛的是合成纖維增強(qiáng)混凝土，合成纖維來源于有機(jī)聚合物。常用于制造纖維的有機(jī)聚合物有：聚丙烯（PP）、聚酰胺（PA）、聚酯（PET）、聚丙烯腈(PAN)和聚乙烯醇（PVA）等。由上述這些聚合物紡成的合成纖維，通常其彈性模量均較低，故均屬于低彈模纖維。近年來，一些高彈模纖維也相繼開始被用于混凝土的增強(qiáng)，如芳香族聚酰胺纖維、超高分子量聚乙烯纖維、超高分子量聚丙烯腈纖維、超高分子量聚乙烯醇纖維等；這些纖維具有較高的彈性模量和抗拉強(qiáng)度，摻加入混凝土后，混凝土的增強(qiáng)、增韌效果十分明顯。

纖維混凝土可廣泛應(yīng)用于房建工程中的墻板、樓板、地下室、以及建筑外墻的抹面；水利工程的水壩、蓄水池、水渠、薄壁水管；路橋工程的路面、橋面鋪裝層；隧道；軍事工程的掩體、防空洞、防護(hù)門；港口工程中的碼頭、防洪堤以及混凝土的預(yù)制板材、管材等。

隨著纖維混凝土各種設(shè)計(jì)規(guī)范、施工規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的制定和出臺，纖維混凝土的應(yīng)用必將會有更大的發(fā)展。

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