纤维混凝土工程材料行业发展情况

来源:CCPA纤维混凝土分会[2017/01/06]

核心提示: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。

  一、行业简介

  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。

  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。

  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。

  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。

  二、行业现状、市场及企业特征

  从2015年开始到2016年的今天,全国经济进入“新常态”,纤维混凝土工程材料行业与下游企业一样进入了新的调整期,从宏观来看整个行业的销售量较上一年有较大幅度的下滑。但是,从行业的发展趋势来看本行业仍然处于升级、调整的稳步向好阶段。

  1、常规纤维稳步发展,优质品牌逐渐显现并被用户市场认可。

  较早出现在市场的纤维种类例如:聚丙烯纤维、聚丙烯腈纤维、聚乙烯醇纤维、聚酯纤维等等,生产商在不断改善产品质量的同时也在不断的提升产品的性能。或者开发着不同细分用途的种类与规格,例如:干混砂浆专用纤维、ECC专用聚丙烯纤维......。同时,常规纤维中的优质品牌产品渐渐显现,市场上已经出现了口口相传的“名牌企业”“名牌商标”“名牌产品”。

  2、新的纤维不断诞生

  1)粗合成纤维

  近来更多粗合成物纤维得到发展并引进市场。这些纤维在大量领域的运用中与钢纤维有很多类似的特点,当用量比细纤维更多时(达到最大用量,大约12kg/m3,体积率1.35%)粗纤维可为混凝土裂后提供承载能力。

  此类产品所采用材料有聚丙烯或聚乙烯所属聚烯烃、聚酯、尼龙、聚乙烯醇、聚丙烯腈、芳族聚酰胺或它们的混合物。最初人们主要看到粗合成纤维在喷射混凝土中应用的潜能,后来发展到在地基承载板和其他方面的一些应用。

  使用该纤维可明显改善混凝土的抗弯强度和弯曲韧性,增加混凝土的抗冲击和抗疲劳性能,降低喷射混凝土的回弹率、克服塑性收缩裂缝。该产品施工操作简单,克服了钢纤维易腐蚀生锈、结团、磨损机械、运输困难、反弹伤人等缺陷,而且对混凝土的增韧、抗裂作用与钢纤维相当。在各种各样的应用中此类纤维甚至有时可以作为钢纤维的一种替代品来使用。在我国粗合成纤维(俗称:仿钢纤维)也取得了隧道喷射、桥面铺装、大坝修补等工程应用。

  2)ECC纤维

  将这种特殊有机高性能纤维加入水泥砂浆中,制成了一种重量轻,并且更具有耐久性的可弯曲材料,这种纤维增强材料可以使水泥脆性材料转为韧性更好的材料,在承受巨大压力时,它会弯曲而不是断裂,常称:超高韧性水泥基复合材料(ECC)。

  超高韧性水泥基复合材料的配制中至关重要的是专用纤维的开发,近几年来,我国的科研工作者和相关企业为此付出了大量的智慧和辛勤的劳动,在纤维开发、工程应用方面已经有了良好的开始。超高韧性水泥基复合材料与普通纤维增强水泥相比较,主要有以下特点:使用高抗压强度与高致密度的水泥基体;增大纤维体积率或使用直径较细的纤维,以增多单位体积复合材料中的纤维数量;增强纤维与水泥基体的界面黏结,在复合材料受荷载过程中,使纤维不致拉断,在其拉应力接近极限强度时由水泥基体中拔出;使水泥复合材料兼具高抗压、高抗拉与高抗折强度、高延性、高韧性、高抗冲击性与高抗疲劳性等优良的综合性能。

  3)其它

  新的纤维品种其它新的纤维品种研究开发活跃,例如:碳纤维、芳纶纤维、硅灰石纤维、POM纤维、竹碳纤维......。

  但是它们的工程效果还需要大量的工程实践来佐证。

  3、应用研究十分活跃

  1)纤维的混杂应用

  利用不同纤维的作用和功能,将多种纤维同时掺入混凝土中,以进一步提高混凝土的性能,称此种混凝土为混合(混杂)纤维混凝土。混合纤维混凝土中纤维是有其内在规律性和按一定的比例关系掺入,才能发挥效用。根据近年来的应用发展状况和纤维掺入的方法不同,可将其分为混合纤维混凝土与组合纤维混凝土。

  混合纤维混凝土是指用两种或两种以上同种材质、不同尺寸或不同品种的纤维,适量掺入混凝土组分材料中,按一定程序经混合搅拌而成整体的混凝土。混合纤维混凝土可分为两种:同一种类(相同品种、质量)但不同尺寸的混合纤维混凝土和不同种类的混合纤维混凝土,如在混凝土中掺入不同尺寸的钢纤维,构成混合钢纤维混凝土。不同种类纤维混凝土又可分为尺寸相同的纤维、尺寸不同的纤维、作用不同的纤维构成的混合纤维混凝土,如其尺寸相近和尺寸不同的钢纤维和合成纤维构成的混合纤维混凝土。

  组合纤维混凝土是指用两种或两种以上作用和功能不同的纤维,其中有的纤维掺入主要是为了增强和增韧,有的纤维主要是为了阻裂。掺入的纤维有的与混凝土各组分材料混合搅拌,有的纤维并不与混凝土各组分材料混合搅拌,而是将纤维分布于不同结构层次,将不同功能的纤维组合应用,并与混凝土拌合料结合,构成整体的纤维混凝土,称为组合纤维混凝土。通过合理的设计,充分发挥不同纤维的优点,使它们互相取长补短,在不同的结构层次和受力阶段,既发挥各单一纤维的作用和功能,又发挥多种纤维复合的叠加作用,可明显提高或改善原先单一纤维混凝土的若干性能,以取得优良的综合性能。

  近期研究表明:混杂的概念更加广泛,例如:PVA与纤维素纤维的混杂、纳米粒子与钢纤维的混杂等等。


  2)超高韧性水泥基复合材料(ECC)的研究与应用进入快车道。

  为了促进我国ECC技术的应用与发展,CCPA纤维混凝土工程材料分会在2012和2015年分别举办了二届“纤维混凝土工程材料高峰论坛—ECC在中国”:同时,中国硅酸盐学会混凝土与水泥制品分会高性能混凝土专业委员会也在2014、2016年分别举办了二届“ECC科学技术及应用学术研讨会”。大家的共同推进,极大地鼓舞了我国广大科技人员对ECC研究开发的积极性。目前在我国,无论是专用纤维的开发还是ECC工程的应用都有了长足的进展。

  3)其它纤维、纺织品在混凝土中的应用研究也很活跃,例如:水泥帆布与FRP的结合使用;高分子吸水树脂在我国南海海工工程中的应用等等。

  行业内的企业现状特征是:行业基础差、散,投资主体小、多,行业规矩的建立在行业内的大多企业中还没有形成概念。很大一部分卖纤维的单位根本没有产品开发和研究能力,甚至没有纤维生产能力.

  三、发展环境

  行业标准和规范越来越完善、但是标准的执行还需很抓。

  通过近年来对纤维混凝土工程材料的研究和工程应用,取得了大量的研究成果,积累了丰富的经验,我国多部门也相继编制出台了有关规程和标准来规范市场。诸如:

  国家标准:《水泥混凝土和砂浆用合成纤维》GB/T21120-2007中国工程建设标准化协会:《纤维混凝土结构技术规程》CECS38:2004《纤维混凝土试验方法标准》 CECS13:2009。

  交通运输部:《公路水泥混凝土纤维材料聚丙烯纤维和聚丙烯腈纤维》JT/T525-2004、《沥青路面用聚合物纤维》JT/T534-2004、《公路水泥混凝土路面施工技术细则》JTG/TF30-2014。

  住房和城乡建设部:《纤维混凝土应用技术规程》JGJ/T221-2010。

  铁道部:《铁路混凝土桥面防水层技术条件》TB-T2965-2011以及《铁路混凝土工程施工质量验收标准》TB10424-2010和J1155-2011等等。

  国家和相关行业对纤维混凝土工程材料的性能、应用技术、试验方法的陆续规范和标准化,不仅为设计和施工提供依据,也为我国纤维混凝土事业的发展奠定了重要基础。

  四、竞争格局

  随着我国大规模基础建设的开展、建筑行业的认可及其各项标准规范的完善,加快了纤维混凝土市场的快速发展,使混凝土工程纤维材料的应用得到长足发展。混凝土工程纤维材料已成为交通、市政、水利水电和工业及民用建筑业的重要基础材料之一。从事工程纤维生产和销售的企业也从最初的几家、几十家,发展到目前的几百家甚至更多,市场对工程纤维材料的认可与用量快速增长为工程纤维的大力发展创造了机会,同时也造成了终端市场产品质量的良莠不齐,市场上频频出现掺杂使假、假冒伪劣的不良现象,市场诟病仍难消除,如:在产品中加入不应有的成分、用废弃的纺织废纤维再加工、用其它纤维偷梁换柱使用、使用废料进行生产加工等,甚至有的企业伪造检验报告、批量产品与样品不同源、产品销售价格明显低于原材料价格等等。在某些地区甚至出现正不压邪的市场现象。这些不良行为不仅对行业的信誉与发展造成极坏的影响,也对建筑工程质量埋下了巨大隐患。使正规企业的生产经营受到了严重的冲击和影响,行业渴望健康发展的呼声很高。

  产生这些问题的原因:一方面是有些经营单位采取类似“低团费”的竞争价格政策,使用瞒天过海的欺骗手段蒙骗用户,根本不管什么产品质量和工程质量,赚取昧心钱;另一方面也存在采购方的某些个别人贪图小利与供应商勾结,欺骗工程管理部门,采购和使用根本不达标的,甚至是假冒伪劣产品,损害建筑工程质量,中饱私囊。另外,工程招投标中一味的“低价中标”也助推了建筑纤维市场诟病的生存与发展。

  我们应该通过政府的严格管理、行业的引导和规范,提高使用者的责任意识、辨别能力;增加供应商的行业自律,规范行业行为;打击市场的不良经营行为;维护市场秩序,共同维护推动纤维混凝土材料行业的健康发展和繁荣。

  五、发展趋势

  随着我国工业水平提升、石油工业的发展,纤维品种越来越多,产量不断增加,成本不断降低,纤维用于阻裂、抗裂、增韧、增强混凝土的发展前景十分看好。特别是人造有机纤维的应用,总之,具有独特性能的纤维混凝土既是一种新型复合材料,又是一门新兴的材料科学,在纤维混凝土的领域中,还有许多理论和应用问题尚待今后进一步研究开发,工程应用中有时可能初期投资较大,但是从提高使用性能、延长使用寿命、减少维护费用等综合效益和长期效益考虑,是十分有利的。

  可以相信,纤维混凝土必将在我国的工程建设中发挥更加重要的作用,而纤维混凝土工程材料的未来应用的前景将更加广阔。


(责任编辑:徐洁)

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