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建筑工程纖維發(fā)展簡(jiǎn)史

文章出處:管理員責(zé)任編輯:管理員人氣:-發(fā)表時(shí)間:2014-09-11 18:00【

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,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、并減少開裂。

1824年,英國(guó)人J.Aspdin(約瑟夫·阿斯普?。┌l(fā)明了“波特蘭”水泥,自此開始了現(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,使石棉水泥開始走向工業(yè)化生產(chǎn)。我國(guó)在20世紀(jì)30年代中期開始生產(chǎn)石棉水泥的“波形瓦”。到70年代,全世界石棉水泥工工業(yè)生產(chǎn)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。

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TORASUTO KIKAKUKI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)纖維水泥與纖維混凝土委員會(huì)在大連召開的第一屆全國(guó)纖維水泥與纖維混凝土學(xué)術(shù)會(huì)議,相應(yīng)地促進(jìn)了全國(guó)范圍合成纖維應(yīng)用于混凝土中各種技術(shù)的交流;此后,纖維水泥混凝土學(xué)術(shù)年會(huì)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(jì)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(huì)。2008年,在39屆奧運(yùn)會(huì)舉辦地北京,將召開纖維水泥混凝土的第十二屆學(xué)術(shù)年會(huì),相信它將會(huì)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。

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。常用于紡制纖維的有機(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。

 



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