建筑与土木工程用纤维材料的开发与应用

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摘要：本文简要介绍了建筑与土木工程中使用的化学纤维的技术特征，并从纤维品质，以及特种PVA纤维、碳纤维和碳纳米纤维在高端水泥混凝土制品中的应用等方面探讨了拓展技术纺织品市场的新途径。

关键词：建筑与土木工程；纤维增强混凝土；聚乙烯醇纤维；碳纳米纤维

中图分类号：TQ340.79 文献标志码：A

水泥与混凝土制品是建筑与土木工程中大量使用的高强度、低成本材料。但常规水泥混凝土在性能上存在着缺陷与不足，如：抗拉强度低，当受到拉伸应力作用时，极易产生脆性破坏发生剥落或破碎；耐久性差，面对环境、化学侵蚀等外界因素的影响，混凝土不断扩展的裂缝会极大地破坏结构的耐用性并影响其使用寿命。这些都极大地限制了混凝土的使用及新应用领域的拓展。

自20世纪中叶以来，尝试通过添加纤维材料改善混凝土使用性能的努力已取得了成功。水泥混凝土增强纤维主要包括玻璃纤维、钢纤维、石棉纤维，其他纤维材料主要为天然纤维、化学纤维如聚烯烃纤维、碳纤维、芳香族聚酰胺纤维以及再生纤维素纤维等。

纤维增强水泥混凝土的性能，即抗裂性能、极限抗弯强度、抗压强度以及韧性的提高取决于纤维的机械性、易粘附性、分散性以及纤维的添加剂量。本文仅就聚合物纤维在水泥与混凝土制品中的使用做简要论述。

1 化纤在纤维增强混凝土（FRC）领域的应用

目前广泛用于水泥与混凝土增强的化学纤维主要包括聚烯烃（PP或PE）纤维、聚酰胺（PA）纤维、聚丙烯腈（PAN）纤维、聚乙烯醇（PVA）纤维以及纤维素纤维等。

1.1 聚烯烃纤维系列

1.1.1 聚烯烃纤维增强混凝土

纤维增强水泥与混凝土使用的合纤特别是聚烯烃纤维品种主要是单丝型产品、原纤化（fibrillated-）和粗旦窄带型（macro-）产品以及混纤型产品。

单丝型水泥混凝土增强纤维多采用PP或PE为原料，纤维经表面处理赋予其不成球、易分散特征，并能有效降低可能产生的夹持气泡，以优化水泥制品的使用特性。该类纤维通常使用100%的原生PP切片，纤维单丝线密度在 6 ～10 000 D之间，切断长度在 6 ～ 50 mm之间。

原纤化水泥混凝土增强纤维的使用长度在 6 ～ 50 mm之间，纤维截面的长宽比在29左右。该纤维的添加可赋予水泥混凝土制品良好的耐冲击性、耐磨性、抗疲劳性和最佳的抗弯强度。

粗旦型水泥混凝土增强纤维是一种直径大于0.3 mm的多功能纤维，具有十分优良的混纤和分散性能，纤维的

与普通混凝土和钢纤混凝土相比，ECC水泥基复合材料的韧性、耐久性和抗疲劳性等均有大幅提升。目前欧美市场上的ECC制品已在土木工程的边坡加固、桥面修复、桥梁联接板和高层建筑物连梁等构筑物上使用。可乐丽公司的RECS-15 PVA纤维是专门用在ECC上的纤维品种，其品质指标为：切断长度 8 mm，单丝直径0.04 mm，伸长7%，断裂强度为1 600 N/mm2，杨氏模量为40 kN/mm2。

我国高韧性纤维基增强水泥复合材料的研究与开发刚刚起步，目前实验中使用的PVA增韧纤维仍需依赖进口。可以说，国内目前已拥有全球最大的PVA纤维生产能力，烷维科技、上海石化和四川维纶都有丰富的PVA纤维生产经验，具备开发ECC专用PVA纤维的技术条件。

1.3 碳纤维增强混凝土 1.3.1 碳纤维在FRC上的使用

碳纤维增强混凝土具有替代或补充钢纤增强材料的实用性。与传统钢纤相比，碳纤维有极高的比表面积并与水泥有更大的亲和力，强度指标亦更具优势。目前新一代碳纤维增强混凝土的强度可达1 500 N/mm2。较之于传统的纤维钢结构制品，断裂强度可提升 3 倍，与玻璃纤维网栅结构相比，强度也可提高两倍。碳纤维的使用不仅提高了混凝土的抗裂性能，也明显改善了混凝土裂缝的间隔和宽度分布状况。

碳纤维混凝土制品具有相对低的热传导性能，不易进行热或冷介质的转移，其水泥基复合材料正成为新一代建筑物板材。

SGL公司提供的纤维增强混凝土用碳纤维，使用

碳纤维基构件传感系统可用于重载荷高速公路的车辆流量、乘用车重量、行驶速度的监测。通过实时记录构筑物振动的状态变化，有助于减震或减轻地震可能带来的危害。1.3.2 碳纳米纤维（CNF）在智能混凝土中的使用

美国威斯康星大学在其碳纳米纤维增强水泥复合材料的电性能与机械性能的研究中，使用了Pyrograf公司生产的低成本碳纳米纤维PR-19系列和PR-24系列。

添加3%（wt%）碳纳米纤维的增强水泥复合材料，与粗旦型纤维增强水泥制品（MDF）比较，其抗压强度可提高324%，但抗弯强度有所下降。在烟灰（fly ash）增强水泥的实验中，碳纳米纤维的添加剂量为3.3%（wt%）时，抗压强度可提高490%。

近年来，在高性能纤维增强混凝土领域，使用两种或两种以上纤维的混杂方式受到人们的广泛重视。水泥基复合材料的研究显示，混杂纤维系统可有效强化混凝土制品的品质，北美混凝土研究所（ACI）的研究人员采用碳纳米纤维与微细PVA纤维混杂的方法制得的纤维增强水泥复合材料，其抗弯强度、杨氏模量等指标均有明显的提升，特别是制品的韧性提高了33倍之多。研究中使用的碳纳米纤维和微细PVA纤维的技术特征如表 6 所示。 1.4 纤维素纤维在建筑与土木工程中的使用

建筑与土木工程用纤维素纤维取材于可再生资源，其比表面积通常在2 500 cm2/g左右，优于合成纤维的1 500 cm2/g，与水泥有十分优良的黏合力。美国Buckeye公司生产的500型再生纤维素纤维，使用剂量为1.0 ～ 4.0 磅/码3，该纤维获得ASTM C1116-08和ASTM D7357-07质量认证。鉴于纤维素纤维的不熔融性，奥地利Lenzing（兰精）公司使

20世纪70年代，芳香族聚酰胺纤维开始进入纤维混凝土领域，但高成本限制了其商业化进程。近来帝人公司开展了芳香族聚酰胺纤维（Twaron和Technora）在土木工程领域的开发与应用研究。美国混凝土研究所（ACI）关于芳香族聚酰胺纤维增强混凝土的研究报告认为，FRC用途的芳香族聚酰胺纤维的切断长度 6 mm，断裂强力2 800 MPa，弹性模量130 GPa，纤维表面光滑，与聚烯烃纤维相似。

国内济南大学使用芳纶1414的短切纤维，单丝直径15 μm，密度1 440 kg/m3。掺入水泥砂浆，体积剂量1%，水泥砂浆制品的抗折强力提高26.49%，塑性收缩裂缝下降24.95%。表 8 为使用芳香族聚酰胺纤维的增强混凝土养生条件与技术特征。

2 纤维增强混凝土的技术现状与发展趋势2.1 国外纤维增强混凝土的技术发展

据统计，全球5%的CO2排放量来源于水泥工业。依据德国亚琛大学纺织研究所“纺织品增强混凝土生态效益”的研究报告，采用纤维增强混凝土方法，具有节省70% ～80%混凝土用量的潜力。一般情况下，在建筑物使用期限内，由于采用增强纤维而节省的建筑材料，相当于在生产、运输、安装和使用过程中节约80%能耗和降低CO2排放量的效果。一个基于成本效率、性能最佳化和最小环境冲击的“绿色混凝土”技术理念正在形成。

自20世纪70年代末，美国Forta公司使用三维纤维材料用作建筑增强材料以来，各类纤维增强水泥与混凝土制品的研究开发和使用不断取得新的进步。

土木工程素来对品质有极高的要求，作为增强水泥与混凝土用纤维材料，一般要经过长时间的应用实验和严格的品质认证，这无疑促进了产品的系列化和专用化研究。Forta公司、BASF（巴斯夫）公司用于混凝土增强的纤维品种均有非常详尽的技术说明，包括纤维技术特征、规格、使用剂量、处置方法、品质保证和包装运输等要求。除常规产品外，如Forta公司还有专用的产品系列，其中的 6 个品种中，PE-2型为使用PE为原料的单丝型纤维，Green-net型为100%使用PP回收料的原纤化品种。

在产品专用化方面日本可乐丽公司最具特点，该公司提供的PVA纤维系列中，RECS-7型产品是专门用于砂浆增强防裂的；RECS-15型专用于高韧性水泥基复合材料中；RSC-15型是低剂量防裂纤维；RFS400主要用在砂浆与混凝土中；RF4000型主要在粒度为20 mm的物料喷射混凝土上使用。

Nycon公司除钢纤、玻纤外，合成纤维产品有PP、PA、PVA等约23个品种，同时还提供 4 个专门用途的产品，即特别抗冻型、专用轻薄板材型、高耐用型和使用100%回收PA原料的绿色增强纤维。

建材用纤维材料的品质认证也具体到产品系列，如美国水泥与混凝土增强纤维生产厂家即通过认证的11家企业中，Grace和Prolex公司分别有 6 个系列，Forta公司有 3 个系列。

2.2 国内水泥与混凝土

用纤维材料的供需

状况

依据《建材工业“十二五”发展规划》的设想，“十二五”末我国水泥产量预计将达22亿t左右。

发达国家如美国等的纤维增强水泥混凝土约占混凝土耗量的7%左右。基于我国庞大的建筑市场，潜在的纤维需求量不应低于80万 ～ 120万t/a。

国内水泥与混凝土增强纤维的常规品种在数量上可满足市场需求，但和其他化纤品种一样，亦存在着经营理念上的共性不足，即“产品一投入使用，会很快形成规模，同时也放松了对产品持续性的研发投入，而转入价格战营销的生存模式”。基于这一现实，虽有基本齐全的品种，但产品品质、系列化和专用化水平相对而言较低。因此，国内商家在大型建筑和土木工程施工中更愿意选择进口产品，在高端纤维增强水泥与混凝土的研究开发中，涉及到碳纤维、碳纳米纤维以及特种PVA纤维时只能依靠进口。目前国内还不能提供类似日本东丽T1000碳纤维或Pyrograf公司PR19/24型碳纳米纤维的品种。特别是在碳纳米纤维领域，Pyrograf公司、日本昭和电工等公司已有 7 ～ 8 年的商业化生产建材用碳纳米纤维的经验，2004年Pyrograf公司还专门实施了为高端水泥复合材料而扩大碳纳米纤维产能的计划。

ECC是高延性纤维增强混凝土材料，在欧美和日本的建筑与土木工程市场已广泛使用。而国内ECC尚在研究中，实验用的PVA纤维也只能靠进口。ECC纤维增强混凝土的研究、开发和应用止步不前的状况，可以说是我国FRC技术粗放经营的一个缩影。据此可以清晰地看到，在国外已广泛使用而国内市场急需的如ECC等产品，我国的化纤行业尚无力提供配套的纤维。而建材研究院所使用进口纤维开发应急产品，也表明用户对国内纤维厂家的疏远。相关行业应正视这一事实，并尽快找出解决之道。

2.3 国内建筑与土木工程用纤维的

技术现状

国内用于水泥与混凝土领域的主流纤维包括聚烯烃纤维、PA纤维、PVA纤维和PAN纤维等品种。自20世纪90年代以来，上海合成纤维研究所使用PA短纤维用作水泥增强复合材料；张家港合纤厂与东华大学协作实现了改性PP水泥防裂纤维的规模化生产。其后烷维科技完成了高强高模PVA纤维的规模生产，在无石棉水泥波瓦产品方面取得了不错的市场效益，产品已批量进入欧洲市场。

目前国内建筑与土木工程用纤维材料的研究基本分布在烷维科技、上海石化、四川维纶等大型企业，涉足该领域的研究院所亦多系资质较佳的国家纺织研究院、上海合成纤维研究所、东华大学和吉林纺织研究设计院等单位。可以说，国内建材用纤维行业的技术状况还是比较好的。建议国家下达一些全局性或涉及行业发展的重大研究课题给这些单位，通过研究课题的实践，可充实一线科研队伍，亦可在竞争中自然形成行业的研究基地或开发中心，这将对我国建材用技术纺织品行业的转型和发展产生一定的积极影响。

3 结语

化学纤维在提高水泥与混凝土制品的韧性、抗震性，有效抑制塑性收缩产生裂缝等方面效果显著。我国每年耗用的混凝土数量约占世界市场的1/3，这给国内建筑与土木工程用纤维提供了极大的发展空间。

与此同时，我们也应注意到建筑与土木工程是有着“质量第一”传统的技术领域，任何纤维品质方面的问题都可能造成构筑物重建的巨大损失。因此说，在品质管理上一丝不苟是纤维生产商涉足纺织增强混凝土领域的基本要求和素质。