纤维在建筑工程的应用历史

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。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，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；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。

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。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TORASUTO KIKAKUKI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70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纤维水泥与纤维混凝土委员会在大连召开的第1届全国纤维水泥与纤维混凝土学术会议，相应地促进了全国范围合成纤维应用于混凝土中各种技术的交流；此后，纤维水泥混凝土学术年会又分别在哈尔滨(1988)，武汉(1990)，南京(1992),南海(1994)，重庆(1996)，井冈山(1998)，济南(2000)，郑州（2002），上海（2004），大连（2006）等地召开，截止到2006年，已召开了十一届年会。2008年，在39届奥运会举办地北京，将召开纤维水泥混凝土的第十二届学术年会，相信它将会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。

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。常用于纺制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。

随着纤维混凝土各种设计规范、施工规范和标准的制定和出台，纤维混凝土的应用必将会有更大的发展。