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止于至善

有混凝土的地方,就会有我

 
 
 

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关于我

闻宝联,工学博士,教授级高工,天津市市政工程研究院副总工程师,同济大学、天津大学、河北工大、北京交大硕士导师,新加坡《urban transportation &construction》杂志副主编,中国土木工程学会混凝土质量专业委员会委员、混凝土耐久性专业委员会委员,全国混凝土标准化技术委员会委员,中国建筑业协会混凝土分会专家组成员,中国腐蚀与防护学会建筑工程专业委员会委员,中国商品混凝土企业联合会专家委员会主任委员,中国硅酸盐学会混凝土与水泥制品协会理事,数十项国家重点工程混凝土专项技术指导。

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你了解纤维混凝土吗?来看看纤维混凝土的“前世今生”  

2017-02-19 08:33:42|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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摘自 联帮建筑 

 历经一个多世纪的研究和实践,混凝土技术取得了突飞猛进的发展,混凝土材料已成为当今工程建设中用量最大、应用范围最广的工程材料。多年来,在混凝土技术的发展过程中,材料结构的复合化,一直被认为是重要的发展方向之一,如添加砂子、石子、以及外加剂等;在混凝土中掺加纤维则是近些年迅速发展的一种材料复合技术。

  什么是纤维混凝土?

  建筑工程用纤维是一种细而长的材料,其长径比一般在100以上,并且具有一定的抗拉强度(也称断裂强度)、弹性模量(也称初始模量)和极限伸长率(也称断裂伸长率)。在建筑工程中应用的纤维,主要系指在混凝土中能均匀分布、且能强化混凝土结构的、短段的不连续的纤维材料。

  根据所用纤维材质的不同可分为:天然纤维或人造纤维;有机纤维或无机纤维等。具体地说,可分为天然有机纤维(多种麻类纤维、木浆纤维、椰壳纤维(统称纤维素纤维)以及动物的鬃毛等);天然无机纤维(石棉纤维、针状硅灰石等),人造有机纤维(也称合成纤维:聚丙烯纤维、聚丙烯腈纤维、聚乙烯醇纤维、聚酯纤维、聚酰胺纤维、超高分子量聚乙烯纤维等),以及人造无机纤维(金属纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维、矿棉纤维以及碳纤维等)。如果根据所用纤维弹性模量的不同,即纤维的弹性模量是高于还是低于它所掺加基体的弹性模量,相应又可分为高弹模纤维和低弹模纤维两类;如若根据它所掺加基体材料的不同,又可分为:水泥混凝土用纤维、砂浆(水泥净浆)用纤维、沥青混凝土用纤维等。

  纤维混凝土可以看作是在普通混凝土中,掺加了一定量较短的、均匀分散的、且不连续的纤维,并与之复合而成的混凝土。纤维与混凝土基材相结合,改善了混凝土的固有弱点,对混凝土性能起到多方面的影响。纤维混凝土抗裂性能和耐久性能的提高,对建设优质、美观、耐久的工程意义重大。


聚丙烯纤维
纤维混凝土的“前世今生”

  纤维在建筑工程中的应用,在人类的历史上可追溯到1000多年以前。最初是以天然纤维--某些纤维素纤维经过简单处理后直接使用。早在古代,人们已知道并开始使用天然纤维素纤维以增强某些无机材料;如在我国古代,人们将秸秆或杂草经切断掺入自然干燥的粘土砖中;埃及人用稻草或动物毛发来加强陶制物品;古罗马人则将剪短的马鬃掺于石膏、石灰或火山灰水泥中;古代庙宇中人们在修建所供奉的塑像时,也常常采用掺有植物纤维的黏土塑制而成。由此可见,先人们通过实际探索发现,将纤维加入无机胶结料中能够降低其脆性、并减少开裂。
1824年,英国人J.Aspdin(约瑟夫·阿斯普丁)发明了“波特兰”水泥,自此开始了现代的水泥混凝土。1847年,法国人(兰波特)用钢丝作骨架制成了混凝土小船及花盆,出现了最原始的钢筋混凝土构件。
1874年,美国人在混凝土中加入废钢片,开始了钢纤维在混凝土中应用的起步。1910年,美国H.F.Porter提出了“钢纤维”混凝土的概念,发表了有关以短纤维增强混凝土的研究报告、且获得专利,并建议把短纤维均匀分散在混凝土中用以强化基体料。1911~1933年间,在美、英、法、德等国均有人先后申请了在混凝土中均匀掺加短铁丝,细木片等改善混凝土性能的专利,但未获在实际工程中加以应用。日本在二次世界大战期间,也曾进行过这方面的研究。直到1963年,J.P.Romualdi和J.B.Batson“关于纤维混凝土增强理论研究报告”的发表,纤维间距理论的提出,才使钢纤维的研究和应用取得了较快的发展。我国在20世纪70年代,开始了“钢纤维混凝土”理论和应用的研究;80年代起,钢纤维已在道路、桥梁、隧道等多项混凝土工程中获得了广泛的应用;继而,钢纤维混凝土的试验方法、设计施工规程以及《混凝土用钢纤维》等行业标准的相继发布,推进了钢纤维在我国各项建筑工程中的应用。

1879年最早出现了石棉纤维水泥,1900年奥地利人Hatschek(哈谢克)采用圆网抄取机制造石棉水泥板,使石棉水泥开始走向工业化生产。我国在20世纪30年代中期开始生产石棉水泥的“波形瓦”。到70年代,全世界石棉水泥工业生产达到高峰;进入70年代中期后,人们发现石棉粉尘具有致癌危害;故自80年代初起,若干发达国家相继限制石棉水泥制品的生产与使用,进而推动了无石棉纤维增强水泥制品的研制和开发,其代用品曾主要为玻璃纤维,此外还有木浆纤维、聚丙烯腈纤维、聚乙烯醇纤维和聚丙烯纤维等。

20世纪50年代末至60年代初,中国水泥工业研究院等单位,曾探索用中碱玻璃纤维增强普通硅酸盐水泥砂浆或混凝土;前苏联皮留柯维奇等人,曾探索用无碱玻璃纤维增强石膏矾土水泥砂浆;但最终都因玻璃纤维不能承受水泥水化物的碱性侵蚀、失去增强效果未获成功。1967年,英国建筑科学研究院(BRE)试制成含锆的抗碱玻璃纤维,1971年英国开始生产;1979年英国BRE公布的报告指出:虽然此种纤维材料处于室内干燥环境中对构件的力学性能变化不大,但处于潮湿环境或暴露于大气中时,构件的各项力学性能仍有大幅降低。为此,进入80年代,国际上有关科研单位均致力于提高“玻璃纤维增强混凝土”(GRC)耐久性的研究;同时西方国家主要采取在抗碱玻璃纤维外覆保护层、在水泥中掺加某些聚合物乳胶等措施;中国建筑材料研究院则采取抗碱玻璃纤维与低碱度水泥相匹配的技术。采用该技术配制成的GRC,不论处在湿热环境中、或长期暴露于大气中,其耐久性显著优于抗碱玻璃纤维与普通波特兰水泥相匹配制成的GRC,为此被称之为具有中国特色的“双保险”GRC技术路线。由于它较好地解决了GRC的耐久性问题,促使我国的GRC产业得到较快地发展。

透光混凝土由大量的光学纤维和精致混凝土组合而成

纤维混凝土的研究和应用
纤维混凝土研究与应用的实质性进展,得益于合成纤维生产技术的发展。进入20世纪60年代前期,美国S.Goldfein开始探索使用合成有机纤维-聚丙烯纤维作为水泥混凝土的掺加料,并建议用于美军部队制作防爆结构件。70年代初期,英国将聚丙烯纤维掺入混凝土中制作管件、薄板等制品,并在建筑行业中,制定了相关的标准。最近二十多年来,以美国为代表的技术发达国家开发生产出了一系列可掺加入混凝土中的单丝状合成纤维;如美国大力开发用于增强混凝土的合成纤维,主要有聚丙烯纤维和聚酰胺纤维等;德国和日本则分别开发出了用于增强混凝土的聚丙烯腈纤维和聚乙烯醇纤维;美国的格雷斯公司、日本的TORASUTOKIKAKUKI等也纷纷推出了相应的沥青混凝土增强用纤维。美国格雷斯公司2003年公开的专利US6569526、CN1405110,报道了一种高分散性增强合成纤维,该纤维可以应用于混凝土、砂浆、喷浆混凝土和沥青混凝土等基体材料中,不仅具有良好的分散性,而且能够明显提高混凝土材料的强度。以往人们掺加入混凝土当中的纤维如大多数植物纤维,大多无法耐受混凝土基体材料中很强的碱性、或因其无法在混凝土中均匀分散,或不具有一定的耐高温性能而达不到抗裂、增强的预期效果。合成纤维生产技术的进步使这些问题逐一获得解决。近年来,合成有机纤维中抗拉强度高、且抗碱性较好的聚丙烯纤维和聚酰胺纤维,尽管存在着它们的弹性模量相对较低的弱点,但它们能在混凝土的初期塑性阶段,抑制和减小裂缝的发生和发展的特点,使其在混凝土中的应用取得很大进展。合成纤维被掺加到混凝土中,同时还对混凝土的抗渗性、抗冻性、抗冲击性、延性、耐磨性等有所改善,并且由于施工的和易性好、易操作、价格适中,已在建筑领域得到了广泛应用。

在20世纪0年代,纤维混凝土技术传入我国。我国的高等院校、科研院(所)和施工单位,开始了在混凝土中掺用合成纤维的研究工作,并逐步在若干建筑工程中取得了应用;之后随着国产建筑用合成纤维的成功开发,合成纤维在混凝土中的应用取得了快速发展。1986年中国土木工程学会混凝土及预应力混凝土分会纤维混凝土专业委员会在大连召开的第一届全国纤维混凝土学术会议,相应地促进了全国范围纤维应用于混凝土中各种技术的交流;此后,纤维混凝土学术年会又分别在哈尔滨,南京,重庆,济南,郑州,上海,大连......,截止到2016年在武汉召开了第十六届纤维混凝土学术会议,对纤维混凝土技术在我国的发展和应用起到积极的促进作用。

20世纪90年代初期,以“杜拉纤维”为代表的国外人造有机工程纤维透过商业渠道进入中国,成为纤维混凝土在中国大量应用的契机。在随后的几年时间里我国纤维混凝土的工程实例已经数以千计,工程类型几乎覆盖了工业及民用建筑工程中所有用到混凝土的场合。

进入21世纪后,随着我国自主开发能力的提高,纤维生产技术的改进,产品质量的提升,生产规模的扩大,更多性能优良、价格低廉的纤维混凝土工程材料投向市场,推动了工程材料的大规模应用。在我国许多重点、重大工程中取得成功的应用,如国家主体育场鸟巢、中央电视台新台址、众多08奥运工程、上海迪士尼等标志性建筑中都采用了国产纤维混凝土工程材料。国内工程纤维品牌也在这个过程中逐渐成长,担当了国内纤维混凝土工程材料应用的主力军。

目前,应用最为广泛的是合成纤维增强混凝土,合成纤维来源于有机聚合物。常用于制造纤维的有机聚合物有:聚丙烯(PP)、聚酰胺(PA)、聚酯(PET)、聚丙烯腈(PAN)和聚乙烯醇(PVA)等。由上述这些聚合物纺成的合成纤维,通常其弹性模量均较低,故均属于低弹模纤维。近年来,一些高弹模纤维也相继开始被用于混凝土的增强,如芳香族聚酰胺纤维、超高分子量聚乙烯纤维、超高分子量聚丙烯腈纤维、超高分子量聚乙烯醇纤维等;这些纤维具有较高的弹性模量和抗拉强度,掺加入混凝土后,混凝土的增强、增韧效果十分明显。

纤维混凝土可广泛应用于房建工程中的墙板、楼板、地下室、以及建筑外墙的抹面;水利工程的水坝、蓄水池、水渠、薄壁水管;路桥工程的路面、桥面铺装层;隧道;军事工程的掩体、防空洞、防护门;港口工程中的码头、防洪堤以及混凝土的预制板材、管材等。
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