纖維混凝土的“前世今生”

建筑工程用纖維是一種細(xì)而長(zhǎng)的材料，其長(zhǎng)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(zhǎng)率（也稱斷裂伸長(zhǎng)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(wú)機(jī)纖維等。具體地說(shuō)，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(dòng)物的鬃毛等)；天然無(wú)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(wú)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(duì)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(duì)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(guò)簡(jiǎn)單處理后直接使用。早在古代，人們已知道并開(kāi)始使用天然纖維素纖維以增強(qiáng)某些無(wú)機(jī)材料；如在我國(guó)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(dòng)物毛發(fā)來(lái)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?cè)谛藿ㄋ┓畹乃芟駮r(shí)，也常常采用摻有植物纖維的黏土塑制而成。由此可見(jiàn)，先人們通過(guò)實(shí)際探索發(fā)現(xiàn)，將纖維加入無(wú)機(jī)膠結(jié)料中能夠降低其脆性、并減少開(kāi)裂。

1824年，英國(guó)人J.Aspdin（約瑟夫·阿斯普丁）發(fā)明了“波特蘭”水泥，自此開(kāi)始了現(xiàn)代的水泥混凝土。1847年，法國(guó)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(guó)人在混凝土中加入廢鋼片，開(kāi)始了鋼纖維在混凝土中應(yīng)用的起步。1910年，美國(guó)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(guó)均有人先后申請(qǐng)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(guò)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(guó)在20世紀(jì)70年代，開(kāi)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(guó)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(kāi)始走向工業(yè)化生產(chǎn)。我國(guó)在20世紀(jì)30年代中期開(kāi)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(guó)家相繼限制石棉水泥制品的生產(chǎn)與使用，進(jìn)而推動(dòng)了無(wú)石棉纖維增強(qiáng)水泥制品的研制和開(kāi)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(guó)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(wú)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(guó)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(guó)開(kāi)始生產(chǎn)；1979年英國(guó)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(duì)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(guó)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(guó)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(guó)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(zhǎng)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(guó)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(wèn)題，促使我國(guó)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(guó)S.Goldfein開(kāi)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(guó)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(lái)，以美國(guó)為代表的技術(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家開(kāi)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(guó)大力開(kāi)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(guó)和日本則分別開(kāi)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(guó)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(guó)格雷斯公司2003年公開(kāi)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(wú)法耐受混凝土基體材料中很強(qiáng)的堿性、或因其無(wú)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(wèn)題逐一獲得解決。近年來(lái)，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(duì)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(duì)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(guó)。我國(guó)的高等院校、科研院（所）和施工單位，開(kāi)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(guó)產(chǎn)建筑用合成纖維的成功開(kāi)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(guó)土木工程學(xué)會(huì)混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土分會(huì)纖維混凝土專業(yè)委員會(huì)在大連召開(kāi)的第一屆全國(guó)纖維混凝土學(xué)術(shù)會(huì)議，相應(yīng)地促進(jìn)了全國(guó)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(huì)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(kāi)了第十六屆纖維混凝土學(xué)術(shù)會(huì)議，對(duì)纖維混凝土技術(shù)在我國(guó)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(guó)外人造有機(jī)工程纖維透過(guò)商業(yè)渠道進(jìn)入中國(guó)，成為纖維混凝土在中國(guó)大量應(yīng)用的契機(jī)。在隨后的幾年時(shí)間里我國(guó)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(chǎng)合。

進(jìn)入21世紀(jì)后，隨著我國(guó)自主開(kāi)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(chǎng)，推動(dòng)了工程材料的大規(guī)模應(yīng)用。在我國(guó)許多重點(diǎn)、重大工程中取得成功的應(yīng)用，如國(guó)家主體育場(chǎng)鳥(niǎo)巢、中央電視臺(tái)新臺(tái)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(guó)產(chǎn)纖維混凝土工程材料。國(guó)內(nèi)工程纖維品牌也在這個(gè)過(guò)程中逐漸成長(zhǎng)，擔(dān)當(dāng)了國(guó)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(lái)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(lái)，一些高彈模纖維也相繼開(kāi)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(tái)，纖維混凝土的應(yīng)用必將會(huì)有更大的發(fā)展。

摘自微信公眾號(hào)“中國(guó)混凝土網(wǎng)”，轉(zhuǎn)自網(wǎng)絡(luò)，僅供交流，如涉及作品內(nèi)容、版權(quán)和其它問(wèn)題，請(qǐng)及時(shí)聯(lián)系，我們將盡快處理。