基于建筑工業化的纖維網水泥板創新技術可行性分析

梁媛，徐帥，孟凡林

（吉林建筑大學 土木工程學院，吉林長春 130118）

0 引言

2020 年8 月28 日，住房和城鄉建設部等9 部門聯合印發了《關于加快新型建筑工業化發展的若干意見》[1]，從政策上推動城鄉綠色發展和高質量發展同步建設，加快建筑業全面轉型進程，提升“中國建造”在國際舞臺上的影響力和品牌魅力，這也是促進智能建筑工業化高速發展、推動建筑業向創新驅動全面轉型升級的重要指導綱領，2020 年9 月7 日，中央人民政府網站轉發了這一文件及其解讀[2-4]。發展新型建筑工業化是實現我國綠色發展和“碳中和”“碳達峰”目標的重要舉措，既是穩增長、促改革、調結構的重要手段，又是打造經濟發展“雙引擎”的內在要求，在生態文明建設和加快推進新型城鎮化進程中，其作用不可忽視。

自2016 年9 月30 日國務院辦公廳印發《關于大力發展裝配式建筑的指導意見》[5]以來，新型建筑工業化得以快速推進，裝配式建筑的建造水平和建筑品質明顯提高。從中央到地方相繼編制多部標準規范推動裝配式建筑發展，實施了認定示范城市和產業基地、建設裝配式建筑示范工程項目等措施，為全面推進新型建筑工業化奠定了良好的發展基礎。

現行裝配式建筑中，混凝土樓蓋板普遍采用混凝土疊合板，雖然混凝土疊合板底板通過工廠制造，現場安裝，但是受到投資建設廠房設備及生產成本的限制，且在目前我國人工成本與發達國家比較相對較低的背景下，混凝土疊合板底板生產的工業化程度仍然很低，基本只是將現場作業轉移到工廠作業，不僅沒有發揮工業化的優勢，反而導致質量不穩定、鋼筋和混凝土等原材料浪費、效率低下以及成本較高等諸多問題。

《裝配式建筑評價標準》第4.0.5 條第3 款規定，在施工現場免支模的樓蓋和屋蓋屬于裝配式建造方式[6]。以工業化方式生產一種水泥基的板材，以這種板材作為混凝土疊合板的底板避免支模，實現混凝土樓蓋板底面免抹灰、免拆模，這種板材兼做混凝土疊合板底部的混凝土保護層，并且利用其頂面的抗拉材料達到免布設混凝土疊合板底部鋼筋的目的，這樣的水泥基板材以高度工業化的高效生產線生產，生產質量好、效率高且成本低，采用這種水泥基板材作為混凝土疊合板底板建造的混凝土疊合板也質量好、建造效率高，板厚可以按照傳統的現澆混凝土板的厚度設計，布設板中的線管等也更為方便，與現有的混凝土板建造方式比較，建造成本較低，有利于實現“四節一環保”的技術、經濟和社會發展目標。

1 國內外研究現狀

1.1 纖維水泥板

梁堅凝、曹倩[7]采用具有高延性的亂向短纖維增強水泥基復合材料板材取代傳統的木模板，一方面輔助混凝土成型，一方面作為結構構件的一部分承受荷載，除了有效提高混凝土耐久性外，還具有節約勞動力、提高施工效率、減少木材消耗等優點。周浩、賈彬、黃輝[8]通過對不同體積摻量的玄武巖纖維混凝土做直接拉伸試驗，得到玄武巖纖維混凝土的受拉應力-應變曲線，對比了試驗現象、破壞形態、抗拉強度、彈性模量、斷裂能、裂縫寬度、特征長度，并對玄武巖纖維混凝土的韌性性能及抗裂性能進行研究，得出了摻入玄武巖纖維可以提高混凝土的抗拉強度，改善混凝土的韌性性能和抗裂性能的結論。

Osama[9]研究了玄武巖纖維混凝土的耐久性和受力性能，提出玄武巖纖維混凝土具有更好的環境適應性，在眾多基礎設施中有廣泛的應用前景。Shamass R[10]針對玄武巖纖維混凝土受彎構件開展了大量的試驗研究，深入探討了其開裂彎矩、極限承載力、撓度以及裂縫寬度等內容。Elgabbas F 等[11]通過對長度3100mm，高寬300×200mm 的梁開展研究，對比梁配置不同尺寸的玄武巖纖維的受力情況，試驗結果低于按照美國規范推薦公式計算的數值。

上述研究尚未明確提出纖維材料對混凝土構件抗彎性能的作用和影響。

1.2 纖維網水泥板

于清緣[12]采用玻璃纖維網格布和水泥砂漿制作免拆模混凝土模板，并與后澆混凝土制成混凝土疊合板，對其共同工作性能、疊合板的承載能力和變形性能進行了試驗研究，得出了以下結論：（1）作為模板的玻璃纖維增強水泥薄板與后澆混凝土之間粘結良好;（2）與同等條件的普通混凝土試件相比，不同形式的疊合試件的承載力并未降低，部分疊合試件的承載力和延性性能還有不同程度的提高。該研究成果對于開發用于免拆模混凝土疊合板的水泥基板材具有非常重要的參考價值。

王勇萌[13]采用纖維網格布水泥基模板制作混凝土疊合板，并對其進行了受彎承載力研究，疊合板的抗彎承載力完全依靠其上敷設的鋼筋，并沒有考慮其中纖維網的作用。

高孟冉等[14]設計制作了4 組不同配網率的玄武巖纖維編織網增強混凝土薄板材料，通過TRC 薄板單軸拉伸試驗，研究配網率對TRC 的抗拉強度與變形能力的影響，結果表明，玄武巖纖維網可在一定程度上提高混凝土的斷裂強度和抵抗變形能力，TRC 的抗拉強度和變形能力隨著配網率的增加顯著提高。該成果對玄武巖纖維編織網受拉錨固性能研究具有借鑒意義。

王慶軒、丁一寧[15]為研究玄武巖纖維網格布增強混凝土（BFT/PC）板的雙向彎曲性能，開展了雙向板彎曲試驗，研究了網格布層數、混凝土保護層厚度和結構型聚丙烯（PP）纖維分別對BFT/PC板受彎性能的影響。該研究試驗模型尺寸較小且為雙向板彎曲試驗，未能清晰揭示玄武巖纖維網混凝土板的抗彎性能。

徐新建[16]通過對碳纖維和玄武巖纖維加固鋼筋混凝土板的現場試驗，得出了玄武巖纖維和碳纖維加固混凝土板的數據，并對其加固效果進行了對比分析，研究了加固效果對板跨中撓度、板上部和下部鋼筋的應力影響。此研究對玄武巖纖維混凝土受彎構件的抗彎承載力研究具有一定參考價值。

20 世紀90 年代，Hall 和Hillman 等學者提出FRP 永久性模板的概念，但是當時模板并未投入生產并實際應用于工程[17-18]。Mirmiran 提出FRP 可以很好地作為柱模板使用，且成功澆筑了環形薄壁筒狀的FRP 模板，且在模板內部澆筑混凝土得到組合柱，并對組合柱進行試驗研究了其受力性能，還對FRP 模板對組合柱核心混凝土的約束作用進行了系統研究[19]。Gai 提出了一種新型FRP-混凝土組合結構，其中組合結構上層是抗壓的GFRP格柵，填充在混凝土中，而下層則是受拉的GFRP 箱型構件，上層GFRP 格柵和下層GFRP 箱體結構之間通過GFRP 銷釘連接，通過推出試驗和四點彎曲試驗，證明了該組合模板的可行性[20]。

TLAIJI T 等學者[21]針對水泥基和耐堿玻璃纖維網格制成的纖維編織網增強混凝土，開展了大量熱機械性能和殘余性能方面的研究。Ali Nassir[22]研究了FRP 約束混凝土結構對改善混凝土柱膨脹和軸向性能的可行性，說明纖維編織網增強混凝土可以有效提高結構性能。

2 纖維網水泥板應用的可行性

纖維網水泥板技術創新包括纖維網水泥板、以纖維網水泥板為混凝土疊合板底板的混凝土疊合板和纖維網水泥板生產技術。

上述國內外的研究表明，高強度纖維材料對水泥基復合材料或結構構件具有很好的增強作用，其中又以纖維網的增強效果更為明顯，但目前還沒有明確可行的應用路線，為此，提出了纖維網水泥板[23]的技術方案。纖維網水泥板的主體材料為水泥，可以全部采用水泥，也可以采用石英砂為骨料，板厚度為10～20mm，以與混凝土疊合板的底部受力筋保護層厚度相適應；為了保證纖維網水泥板在生產、儲運和施工期間的抗彎折工作性能，纖維網水泥板的頂面和底面均布設有纖維網；頂面纖維網不僅需要在纖維網水泥板的生產、儲運和施工期間發揮作用，更重要的是還要作為混凝土疊合板的底部縱向受力筋加以利用，達到節省鋼筋的目的，因此對其力學性能、耐久性能以及耐火性能要求較高，而玄武巖纖維網具有抗拉強度高（2000～3000MPa）、耐久性和耐火性好等優點，所以在頂面布設玄武巖纖維網；而底面纖維網僅需要在纖維網水泥板的生產、儲運和施工期間發揮作用，混凝土疊合板建造完成后其使命即完成，所以優選方案為底面布設成本較低、耐久性能相對較差的耐堿玻纖網，以降低綜合建造成本。為了提高以纖維網水泥板為混凝土疊合板底板的疊合面抗剪強度，在纖維水泥板的頂面上設置鍵槽或鍵齒。

以纖維網水泥板為混凝土疊合板底板建造混凝土疊合板[23]，其頂面纖維網作為混凝土疊合板的底部受力筋進行混凝土疊合板的建造，實現免布設底部受力筋的目的，提高施工工效、降低建造成本。在纖維網水泥板拼縫處鋪貼同性能的連接纖維網，用于拼縫兩側頂面纖維網的搭接連接，以保證縱向拉力的有效傳遞，確保混凝土疊合板安全可靠。

綜上提出的纖維網水泥板和應用纖維網水泥板建造混凝土疊合板的技術方案清晰明確，具備可操作性和可實施性，是可行的技術方案，類似的研究[12,16]也提供了有力的證明。雖然纖維網水泥板和應用纖維網水泥板建造混凝土疊合板的技術方案具備可行性，但更重要的是如何以工業化方式生產纖維網水泥板，以利于提高生產質量和效率、降低生產成本。為此，提出了纖維網水泥板生產線[24]（圖1），包括1-上層纖維網卷架、2-下層纖維網卷架、3-上接網機、4-下接網機、5-上開卷機、6-下開卷機、7-上層纖維網倉、8-下層纖維網倉、9-上布網機、10-下布網機、11-布料斗、12-成型輥、15-傳輸帶、16-隧道養護窯、17-加熱裝置以及18-截斷機。該生產線借鑒技術非常成熟的紙面石膏板生產線設計，石膏和水泥同屬于膠凝材料，該生產線可以高效率生產纖維網水泥板。

圖1 纖維網水泥板生產線

為了提高纖維網水泥板和應用纖維網水泥板建造的混凝土疊合板的抗開裂性能及剛度，提出了纖維網預應力水泥板生產線[24]（圖2），在纖維網水泥板生產線的基礎上加以改進，9-上布網機和10-下布網機均配置制動器，且制動器配置制動力矩控制器；15-傳輸帶的驅動輪配置力矩限制器或承托15-傳送帶的滾輪均為被動輪；在15-傳輸帶末端的外側設置19-拉力機，19-拉力機的驅動輪配置力矩限制器。該生產線可以高效率生產纖維網預應力水泥板，其力學和結構性能更加優異，可以推動纖維網水泥板的廣泛應用。

圖2 纖維網預應力水泥板生產線

上述纖維網水泥板和纖維網預應力水泥板的生產方案是在現有技術基礎上的二次開發，技術相對比較成熟，具有較好的可行性。

綜上所述，纖維網水泥板的生產和應用纖維網水泥板建造混凝土疊合板的技術方案都具有可行性，為工業化生產纖維網水泥板，并采用其以裝配式方法建造混凝土疊合板創造了必要的條件。

3 纖維網水泥板技術應用優勢

現有的研究成果和生產工藝都表明，應用纖維網水泥板建造混凝土疊合板的技術路線和纖維網水泥板的生產方案都是可行的，纖維網水泥板和混凝土疊合板的性能和生產工藝可以滿足工程建設的需求。

纖維網水泥板可以實現以高質量、高效率、低成本的工業化生產方式大規模生產。以纖維網水泥板作為混凝土疊合板底板建造混凝土疊合板，可以實現混凝土樓蓋板的底部免抹灰、免拆模以及免敷設底部受力鋼筋，可以顯著提高混凝土樓蓋板的建造質量和效率、降低成本。由于泵送預拌混凝土也是工業化施工方式，那么整體上這種施工方法就是一種高度工業化的建造方式，實現了加快新型建筑工業化發展的目標。

由于我國建筑業產業規模巨大，以每年6 億m2纖維網水泥板的市場需求、50 元/m2計算，市場規模為300 億元，利稅近100 億元。

以纖維網水泥板作為混凝土疊合板底板建造混凝土疊合板的技術，有效解決了目前混凝土疊合板底板生產效率低下、容易出現開裂、截面較厚且配筋量較大、嚴重浪費原材料、工業化水平較低以及混凝土疊合板建造效率低、成本較高致使裝配式建筑推廣困難等問題，其綜合生產和施工質量、效率以及建造成本將明顯優于目前的建造方式。不僅可發揮我國的技術優勢，加快重點推廣玄武巖纖維的應用進程，大幅度提高玄武巖纖維的應用規模，減少對國外鐵礦石的進口，而且對于保護生態環境、實現我國城鄉建設綠色與高質量發展，都具有十分重要的意義。

4 結論與展望

（1）以纖維網水泥板為混凝土疊合板底板的混凝土疊合板疊合面抗剪切性能研究，通過設置鍵槽或鍵齒，可以實現滿足等同現澆的整體性要求。

（2）以纖維網水泥板為底板的混凝土疊合板結構性能研究包括抗彎承載力、短期和長期剛度、撓度和裂縫計算公式、拼縫處構造要求、耐久性能和耐火性能等，由于玄武巖纖維的彈性模量約為鋼筋的1/3～1/2，相對較低，以玄武巖纖維網作為混凝土疊合板的底部受力筋為了保證撓度和裂縫滿足現行技術標準的要求，可以采用預應力纖維網水泥板有效解決變形問題。

（3）纖維網水泥板生產線可以采用目前成熟的紙面石膏板生產線稍加以技術改進，實現高效生產。但為了生產結構性能優異的纖維網預應力水泥板，則需要對生產線進行進一步的技術創新升級。通過在生產線出口端設置拉力機牽引生產線上水泥已經固化的纖維網水泥板，在生產線入口端為布網機配置制動器且制動器配置制動力矩控制器，使生產線中的上下層纖維網均處于設定的承受拉力狀態，生產出的纖維網水泥板即可成為纖維網預應力水泥板。