填充物為光學(xué)纖維的透明混凝土

  隨著混凝土纖維新材料的不斷出現(xiàn)，纖維混凝土理論和應(yīng)用技術(shù)的成熟，尤其是工程界對(duì)混凝土的力學(xué)性能和耐久性要求越來(lái)越高，纖維混凝土必將成為未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)，纖維混凝土工程材料的發(fā)展前景十分可觀。

  據(jù)報(bào)道，美國(guó)纖維混凝土的數(shù)量占到水泥混凝土總量的10%左右。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。例如：金屬纖維新產(chǎn)品的不斷推出、有機(jī)纖維產(chǎn)品種類(lèi)的更多涌現(xiàn)、無(wú)機(jī)纖維更大的量產(chǎn)和新的改進(jìn)。纖維混凝土工程材料已在我國(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)址等標(biāo)志性建筑中采用了國(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)程中逐漸孕育成長(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。

  1 行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范不斷完善

  通過(guò)近年來(lái)對(duì)纖維混凝土工程材料的研究和工程應(yīng)用，取得了大量的研究成果，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，我國(guó)也相繼編制出臺(tái)了有關(guān)規(guī)程和標(biāo)準(zhǔn)來(lái)規(guī)范市場(chǎng)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)我國(guó)以出臺(tái)的標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范不少，例如：

  交通部頒布實(shí)施的《公路水泥混凝土纖維材料 聚丙烯纖維和聚丙烯腈纖維》（JT/T525-2004）、《瀝青路面用聚合物纖維》 （JT/T534-2004），這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)在行業(yè)的范圍內(nèi)首次將用于纖維混凝土的工程材料標(biāo)準(zhǔn)化；

  交通運(yùn)輸部新近頒布的《公路水泥混凝土路面施工技術(shù)細(xì)則》 （JTG/T F30-2014）；

  國(guó)標(biāo)頒布實(shí)施的《水泥混凝土和砂漿用合成纖維》 （GB/T21120-2007）。

  中國(guó)工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)頒布實(shí)施的《纖維混凝土試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（CECS13:2009），此標(biāo)準(zhǔn)全面修訂了原《鋼纖維混凝土試驗(yàn)方法》（CECS13:89），增補(bǔ)了合成纖維品種并其性能試驗(yàn)及合成纖維混凝土的各項(xiàng)性能試驗(yàn)等內(nèi)容。

  住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部頒布實(shí)施了《纖維混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》 （JGJ/T221-2010）。

  鐵道部頒布的與纖維有關(guān)的 《鐵路混凝土橋面防水層技術(shù)條件》   （TB-T2965-2011）以及《鐵路混凝土工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》 （TB10424-2010，J1155-2011）等等。

  國(guó)家和相關(guān)行業(yè)對(duì)纖維混凝土工程材料的性能、應(yīng)用技術(shù)、試驗(yàn)方法的陸續(xù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)化，不僅為設(shè)計(jì)和施工提供依據(jù)，也為我國(guó)纖維混凝土事業(yè)的發(fā)展奠定了重要基礎(chǔ)。

  2 行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

  我國(guó)大規(guī)模基礎(chǔ)建設(shè)的開(kāi)展及建筑行業(yè)的認(rèn)可，加快了纖維混凝土行業(yè)的快速發(fā)展，使混凝土工程纖維材料（包括：有機(jī)纖維、無(wú)機(jī)纖維、金屬纖維等）的應(yīng)用得到長(zhǎng)足發(fā)展?；炷凉こ汤w維材料已成為交通、市政、水利水電和工業(yè)及民用建筑業(yè)的重要基礎(chǔ)材料之一。根據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，在2004年初從事工程纖維生產(chǎn)和銷(xiāo)售的企業(yè)有幾十家，到目前已經(jīng)達(dá)到了幾百家之多，市場(chǎng)對(duì)工程纖維材料的認(rèn)可與用量快速增長(zhǎng)為工程纖維的大力發(fā)展創(chuàng)造了機(jī)會(huì)，同時(shí)也造成了產(chǎn)品質(zhì)量的良莠不齊，市場(chǎng)上頻頻出現(xiàn)摻雜使假、假冒偽劣的不良現(xiàn)象，如：在產(chǎn)品中加入不應(yīng)有的成分、用廢棄的紡織廢絲再加工、用其他纖維偷梁換柱使用、使用廢料進(jìn)行生產(chǎn)加工等，甚至有的企業(yè)偽造檢驗(yàn)報(bào)告、批量產(chǎn)品與樣品不同源、產(chǎn)品銷(xiāo)售價(jià)格明顯低于原材料價(jià)格等等。在某些地區(qū)甚至出現(xiàn)正不壓邪的市場(chǎng)現(xiàn)象。這些不良行為不僅對(duì)行業(yè)的信譽(yù)與發(fā)展造成極壞的影響，也對(duì)建筑工程質(zhì)量埋下了巨大隱患。

  我們要通過(guò)政府的嚴(yán)格管理、行業(yè)的引導(dǎo)和規(guī)范，提高使用者的責(zé)任意識(shí)、辨別能力，增加供應(yīng)商的行業(yè)自律，規(guī)范行業(yè)行為，維護(hù)市場(chǎng)秩序，共同推動(dòng)纖維混凝土材料行業(yè)的健康發(fā)展和繁榮。

  3 新材料新技術(shù)的發(fā)展

  3.1混合纖維混凝土

  利用不同纖維的作用和功能，將多種纖維同時(shí)摻入混凝土中，以進(jìn)一步提高混凝土的性能，稱(chēng)此種混凝土為混合（混雜）纖維混凝土?；旌侠w維混凝土中纖維是有其內(nèi)在規(guī)律性和按一定的比例關(guān)系摻入，才能發(fā)揮效用。

  根據(jù)近年來(lái)的應(yīng)用發(fā)展?fàn)顩r和纖維摻入的方法不同，可將其分為混合纖維混凝土與組合纖維混凝土?；旌侠w維混凝土是指用兩種或兩種以上不同尺寸或不同品種的纖維，適量摻入混凝土組分材料中，按一定程序經(jīng)混合攪拌而成整體的混凝土?；旌侠w維混凝土可分為兩種：同一種類(lèi)（相同品種、質(zhì)量）但不同尺寸的混合纖維混凝土和不同種類(lèi)的混合纖維混凝土，如在混凝土中摻入不同尺寸的鋼纖維，構(gòu)成混合鋼纖維混凝土。不同種類(lèi)纖維混凝土又可分為尺寸相同的纖維、尺寸不同的纖維、作用不同的纖維構(gòu)成的混合纖維混凝土，如其尺寸相近和尺寸不同的鋼纖維和合成纖維構(gòu)成的混合纖維混凝土。

  組合纖維混凝土是指用兩種或兩種以上作用和功能不同的纖維，其中有的纖維摻入主要是為了增強(qiáng)和增韌，有的纖維主要是為了阻裂。摻入的纖維有的與混凝土各組分材料混合攪拌，有的纖維并不與混凝土各組分材料混合攪拌，而是將纖維分布于不同結(jié)構(gòu)層次，將不同功能的纖維組合應(yīng)用，并與混凝土拌合料結(jié)合，構(gòu)成整體的纖維混凝土，稱(chēng)為組合纖維混凝土。

  混合纖維混凝土與組合纖維混凝土的作用原理是，通過(guò)合理的設(shè)計(jì)，充分發(fā)揮不同纖維的優(yōu)點(diǎn)，使它們互相取長(zhǎng)補(bǔ)短，在不同的結(jié)構(gòu)層次和受力階段，既發(fā)揮各單一纖維的作用和功能，又發(fā)揮多種纖維復(fù)合的疊加作用，可明顯提高或改善原先單一纖維混凝土的若干性能，以取得優(yōu)良的綜合性能。與采用單一的纖維混凝土相比，既可提高混凝土的強(qiáng)度，又能明顯提高其韌性、抗沖擊性、耐疲勞及抗裂等性能。

  3.2 粗合成纖維

  近來(lái)更多粗合成物纖維得到發(fā)展并引進(jìn)市場(chǎng)。這些纖維在大量領(lǐng)域的運(yùn)用中與鋼纖維有很多類(lèi)似的特點(diǎn)，當(dāng)用量比細(xì)纖維更多時(shí)（達(dá)到最大用量，大約12kg/m3，體積率1.35%）粗纖維可為混凝土裂后提供承載能力。

  此類(lèi)產(chǎn)品所采用材料有聚丙烯或聚乙烯所屬聚烯烴、聚酯、尼龍、聚乙烯醇、聚丙烯腈、芳族聚酰胺或它們的混合物。最初人們主要看到粗合成纖維在噴射混凝土中應(yīng)用的潛能，后來(lái)發(fā)展到在地基承載板和其他方面的一些應(yīng)用。

  使用該纖維可明顯改善混凝土的抗彎強(qiáng)度和彎曲韌性，增加混凝土的抗沖擊和抗疲勞性能，降低噴射混凝土的回彈率、克服塑性收縮裂縫。該產(chǎn)品施工操作簡(jiǎn)單，克服了鋼纖維易腐蝕生銹、結(jié)團(tuán)、磨損機(jī)械、運(yùn)輸困難、反彈傷人等缺陷，而且對(duì)混凝土的增韌、抗裂作用與鋼纖維相當(dāng)。在各種各樣的應(yīng)用中此類(lèi)纖維甚至可以作為鋼纖維的一種替代品來(lái)使用。

  目前國(guó)內(nèi)外已經(jīng)進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究工作，英國(guó)混凝土協(xié)會(huì)在2007年出版了一本粗纖維施工指南，總結(jié)了粗合成纖維在建筑中的使用情況。在我國(guó)粗合成纖維也取得了隧道噴射、橋面鋪裝、大壩修補(bǔ)等工程應(yīng)用。

  3.3超高韌性混凝土用高性能纖維材料

  將一種特殊有機(jī)高性能纖維加入水泥砂漿中，制成了一種重量輕，并且更具有耐久性的可彎曲材料，這種纖維增強(qiáng)材料（常稱(chēng)超高韌性水泥基復(fù)合材料，簡(jiǎn)稱(chēng)ECC），使水泥脆性材料轉(zhuǎn)為韌性更好的材料，在承受巨大壓力時(shí)，它會(huì)彎曲而不是斷裂。

  ECC已在美國(guó)、日本、韓國(guó)、瑞士和澳大利亞得到應(yīng)用，可用于建造新的結(jié)構(gòu)物，如橋面板，道路路面，建筑物隔墻、洞庫(kù)、隧道襯砌等，也可用于舊有結(jié)構(gòu)物修整、翻新，可以在工地現(xiàn)澆，也可制成規(guī)格板材。現(xiàn)場(chǎng)拼裝，它可用螺栓連接或用砂漿連接，可用于一般建筑物也可用于抗地震加固。

  超高韌性水泥基復(fù)合材料與普通纖維增強(qiáng)水泥相比較，主要有以下特點(diǎn)：使用高抗壓強(qiáng)度與高致密度的水泥基體；增大纖維體積率或使用直徑較細(xì)的纖維，以增多單位體積復(fù)合材料中的纖維數(shù)量；增強(qiáng)纖維與水泥基體的界面黏結(jié)，在復(fù)合材料受荷載過(guò)程中，使纖維不致拉斷，在其拉應(yīng)力接近極限強(qiáng)度時(shí)由水泥基體中拔出；復(fù)合材料兼具高抗壓、高抗拉與高抗折強(qiáng)度、高延性、高韌性、高抗沖擊性與高抗疲勞性。

  目前國(guó)內(nèi)許多科研機(jī)構(gòu)致力于此種材料的研制和推廣，其中高性能纖維是強(qiáng)韌性纖維混凝土發(fā)展的制約因素之一。研究者常用的多為具有高強(qiáng)高模的纖維材料，如PVA纖維、高強(qiáng)高模PE纖維等，高昂的成本使其距產(chǎn)業(yè)化還有較長(zhǎng)的距離。國(guó)內(nèi)最新的研究有采用高性能改性聚丙烯纖維來(lái)實(shí)現(xiàn)高韌性纖維混凝土，并且已經(jīng)出現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)纖維ECC材料的工程案例。高的性?xún)r(jià)比將使其成為纖維混凝土更高端的發(fā)展方向之一。

  4 前景展望

  隨著我國(guó)工業(yè)水平提升、石油工業(yè)的發(fā)展，纖維品種越來(lái)越多，產(chǎn)量不斷增加，成本不斷降低，纖維用于抗裂、增韌、增強(qiáng)混凝土的發(fā)展前景十分看好。特別是有機(jī)合成纖維，目前已被大家認(rèn)可的低彈性模量纖維低摻量（體積率0.1%左右）用于防止和減少砂漿、混凝土早期收縮裂縫，其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)?huì)不斷擴(kuò)大，與此同時(shí)，用合成纖維代替石棉制作纖維水泥制品，如波紋瓦、屋面板、內(nèi)墻裝飾板等。

  開(kāi)發(fā)高彈性模量的合成纖維，用于混凝土增強(qiáng)和增韌，將使合成纖維更有用武之地。目前已見(jiàn)報(bào)道的有高強(qiáng)模聚乙烯纖維和高彈性模量芳綸纖維等。配置的纖維混凝土在相同體積率下，其增強(qiáng)增韌效果比鋼纖維混凝土顯著提高。但因此類(lèi)纖維價(jià)格太高，目前應(yīng)用還十分有限，僅用于對(duì)防腐蝕、防電磁有特殊要求的部位。

  總之，具有獨(dú)特性能的纖維混凝土既是一種新型復(fù)合材料，又是一門(mén)新興的材料科學(xué)，在纖維混凝土的領(lǐng)域中，還有許多理論和應(yīng)用問(wèn)題尚待今后進(jìn)一步研究開(kāi)發(fā)，工程應(yīng)用中有時(shí)可能初期投資較大，但是從提高使用性能、延長(zhǎng)使用壽命、減少維護(hù)費(fèi)用等綜合效益和長(zhǎng)期效益考慮，是十分有利的，深信纖維混凝土必將在我國(guó)的工程建設(shè)中發(fā)揮更加重要的作用，而纖維混凝土工程材料的未來(lái)應(yīng)用的前景將更加廣闊。