建築工程纖維

建築工程用纖維是一種細而長的聚合物材料，其長徑比一般在100以上，並且具有一定的抗拉強度（也稱斷裂強度）、彈性模量（也稱初始模量）和極限伸長率（也稱斷裂伸長率）。在建築工程中套用的纖維，主要系指在混凝土中能均勻分布、且能強化混凝土結構的、短段的不連續的纖維材料。

基本介紹

• 中文名：建築工程纖維
• 定義：添加砂子、石子、以及外加劑
• 分類：然纖維或人造纖維
• 纖維類別：天然有機纖維

分類

根據所用纖維材質的不同可分為：天然纖維或人造纖維；有機纖維或無機纖維等。具體地說，可分為天然有機纖維，天然無機纖維，人造有機纖維（也稱合成纖維），以及“人造無機纖維”。如果根據所用纖維力學性能的彈性模量的不同，即纖維的彈性模量是高於還是低於它所摻加基體的彈性模量，相應又可分為高彈模纖維和低彈模纖維兩類；如若根據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（水泥淨漿）用纖維、瀝青混凝土用纖維等；具體見表1-1、表1-2、及表1-3。

表格

表1-1 建築工程用纖維的分類

纖維類別	纖維名稱
天然有機纖維	多種麻類纖維、木漿纖維、椰殼纖維（統稱纖維素纖維）以及動物的鬃毛等；
天然無機纖維	石棉纖維、針狀矽灰石等；
人造有機纖維	聚丙烯纖維、聚丙烯腈纖維、聚乙烯醇纖維、聚酯纖維、聚醯胺纖維、超高分子量聚乙烯纖維等；
人造無機纖維	金屬纖維、玻璃纖維、玄武岩纖維、礦棉纖維以及碳纖維等；

表1-2 摻加不同彈性模量纖維對加工成製品性能的影響

纖維類別	對加工成製品性能的影響
高彈模纖維	可明顯改善硬化後水泥砂漿和混凝土製品的抗拉強度和韌性等，它們主要是高彈模人造有機纖維以及人造無機纖維等。
低彈模纖維	在混凝土硬化的初期，對基體有明顯的約束作用，能防止和減少製品產生裂縫以及適量增加硬化後製品的韌性；它們主要是普通型人造有機纖維以及天然有機纖維等。

表1-3 不同建築基體材料對所使用纖維的不同要求

基體類別	纖維特點
水泥混凝土用纖維	因使用基材的鹼性較強，要求所用纖維具有較好的耐鹼性；如聚丙烯纖維、聚丙烯腈纖維、聚乙烯醇纖維等。
砂漿（水泥淨漿）用纖維	同上。
瀝青混凝土用纖維	因使用時熱拌溫度在170℃~180℃或更高，相應要求所用纖維材料具有較高的耐熱性；如聚酯纖維等。

發展簡史

纖維在建築工程中的套用，在人類的歷史上可追溯到1000多年以前。最初是以天然纖維——某些纖維素纖維經過簡單處理後直接使用。早在古代，人們已知道並開始使用天然纖維素纖維以增強某些無機材料；如在我國古代，人們將秸稈或雜草經切斷摻入自然乾燥的粘土磚中；埃及人用稻草或動物毛髮來加強陶製物品；古羅馬人則將剪短的馬鬃摻於石膏、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，也常常採用摻有植物纖維的黏土塑制而成。由此可見，先人們通過實際探索發現，將纖維加入無機膠結料中能夠降低其脆性、並減少開裂。

1824年，英國人J.Aspdin（約瑟夫·阿斯普丁）發明了“波特蘭”水泥，自此開始了現代的水泥混凝土。1847年，法國人（蘭波特）用鋼絲作骨架製成了混凝土小船及花盆，出現了最原始的鋼筋混凝土構件。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套用的起步。1910年，美國H.F.Porter提出了“鋼纖維”混凝土的概念，發表了有關以短纖維增強混凝土的研究報告、且獲得專利，並建議把短纖維均勻分散在混凝土中用以強化基體料。1911～1933年間，在美、英、法、德等國均有人先後申請了在混凝土中均勻摻加短鐵絲，細木片等改善混凝土性能的專利，但未獲在實際工程中加以套用。日本在二次世界大戰期間，也曾進行過這方面的研究。直到1963年，J.P.Romualdi和J.B.Batson“關於纖維混凝土增強理論研究報告”的發表，纖維間距理論的提出，才使鋼纖維的研究和套用取得了較快的發展。我國在20世紀70年代，開始了“鋼纖維混凝土”理論和套用的研究；80年代起，鋼纖維已在道路、橋樑、隧道等多項混凝土工程中獲得了廣泛的套用；繼而，鋼纖維混凝土的試驗方法、設計施工規程以及《混凝土用鋼纖維》等行業標準的相繼發布，推進了鋼纖維在我國各項建築工程中的套用。

1879年最早出現了石棉纖維水泥，1900年奧地利人Hatschek(哈謝克)採用圓網抄取機製造石棉水泥板，使石棉水泥開始走向工業化生產。我國在20世紀30年代中期開始生產石棉水泥的“波形瓦”。到70年代，全世界石棉水泥工業生產達到高峰；進入70年代中期後，人們發現石棉粉塵具有致癌危害；故自80年代初起，若干已開發國家相繼限制石棉水泥製品的生產與使用，進而推動了無石棉纖維增強水泥製品的研製和開發，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50年代末至60年代初，中國水泥工業研究院等單位，曾探索用中鹼玻璃纖維增強普通矽酸鹽水泥砂漿或混凝土；前蘇聯皮留柯維奇等人，曾探索用無鹼玻璃纖維增強石膏礬土水泥砂漿；但最終都因玻璃纖維不能承受水泥水化物的鹼性侵蝕、失去增強效果未獲成功。1967年，英國建築科學研究院（BRE）試製成含鋯的抗鹼玻璃纖維，1971年英國開始生產；1979年英國BRE公布的報告指出：雖然此種纖維材料處於室內乾燥環境中對構件的力學性能變化不大，但處於潮濕環境或暴露於大氣中時，構件的各項力學性能仍有大幅降低。為此，進入80年代，國際上有關科研單位均致力於提高“玻璃纖維增強混凝土”（GRC）耐久性的研究；同時西方國家主要採取在抗鹼玻璃纖維外覆保護層、在水泥中摻加某些聚合物乳膠等措施；中國建築材料研究院則採取抗鹼玻璃纖維與低鹼度水泥相匹配的技術。採用該技術配製成的GRC，不論處在濕熱環境中、或長期暴露於大氣中，其耐久性顯著優於抗鹼玻璃纖維與普通波特蘭水泥相匹配製成的GRC，為此被稱之為具有中國特色的“雙保險”GRC技術路線。由於它較好地解決了GRC的耐久性問題，促使我國的GRC產業得到較快地發展。

纖維混凝土研究與套用的實質性進展，得益於合成纖維生產技術的發展。進入20世紀60年代前期，美國S.Goldfein開始探索使用合成有機纖維—聚丙烯纖維作為水泥混凝土的摻加料，並建議用於美軍部隊製作防爆結構件。70年代初期，英國將聚丙烯纖維摻入混凝土中製作管件、薄板等製品，並在建築行業中，制定了相關的標準。最近二十多年來，以美國為代表的技術已開發國家開發生產出了一系列可摻加入混凝土中的單絲狀合成纖維；如美國大力開發用於增強混凝土的合成纖維，主要有聚丙烯纖維和聚醯胺纖維等；德國和日本則分別開發出了用於增強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TORASUTO KIKAKUKI等也紛紛推出了相應的瀝青混凝土增強用纖維。美國格雷斯公司2003年公開的專利US6569526、CN1405110，報導了一種高分散性增強合成纖維，該纖維可以套用於混凝土、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度。以往人們摻加入混凝土當中的纖維(如大多數植物纖維)，大多無法耐受混凝土基體材料中很強的鹼性、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不到抗裂、增強的預期效果。合成纖維生產技術的進步使這些問題逐一獲得解決。近年來，合成有機纖維中抗拉強度高、且抗鹼性較好的聚丙烯纖維和聚醯胺纖維，儘管存在著它們的彈性模量相對較低的弱點，但它們能在混凝土的初期塑性階段，抑制和減小裂縫的發生和發展的特點，使其在混凝土中的套用取得很大進展。合成纖維被摻加到混凝土中，同時還對混凝土的抗滲性、抗凍性、抗衝擊性、延性、耐磨性等有所改善，並且由於施工的和易性好、易操作、價格適中，已在建築領域得到了廣泛套用。

在20世紀70年代，纖維混凝土技術傳入我國。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，並逐步在若干建築工程中取得了套用；之後隨著國產建築用合成纖維的成功開發，合成纖維在混凝土中的套用取得了快速發展。1986年中國土木工程學會纖維水泥與纖維混凝土委員會在大連召開的第一屆全國纖維水泥與纖維混凝土學術會議，相應地促進了全國範圍合成纖維套用於混凝土中各種技術的交流；此後，纖維水泥混凝土學術年會又分別在哈爾濱(1988)，武漢(1990)，南京(1992),南海(1994)，重慶(1996)，井岡山(1998)，濟南(2000)，鄭州（2002），上海（2004），大連（2006）等地召開，截止到2006年，已召開了十一屆年會。2008年，在39屆奧運會舉辦地北京，將召開纖維水泥混凝土的第十二屆學術年會，相信它將會對纖維混凝土技術在我國的發展和套用起到積極的促進作用。

目前，套用最為廣泛的是合成纖維增強混凝土，合成纖維來源於有機聚合物。常用於紡制纖維的有機聚合物有：聚丙烯（PP）、聚醯胺（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，故均屬於低彈模纖維。近年來，一些高彈模纖維也相繼開始被用於混凝土的增強，如芳香族聚醯胺纖維、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度，摻加入混凝土後，混凝土的增強、增韌效果十分明顯。

纖維混凝土可廣泛套用於房建工程中的牆板、樓板、地下室、以及建築外牆的抹面；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、防護門；港口工程中的碼頭、防洪堤以及混凝土的預製板材、管材等。

隨著纖維混凝土各種設計規範、施工規範和標準的制定和出台，纖維混凝土的套用必將會有更大的發展。