基于建筑工業(yè)化的纖維網(wǎng)水泥板創(chuàng)新技術(shù)可行性分析

梁媛，徐帥，孟凡林

（吉林建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，吉林長春 130118）

0 引言

2020 年8 月28 日，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部等9 部門聯(lián)合印發(fā)了《關(guān)于加快新型建筑工業(yè)化發(fā)展的若干意見》[1]，從政策上推動城鄉(xiāng)綠色發(fā)展和高質(zhì)量發(fā)展同步建設(shè)，加快建筑業(yè)全面轉(zhuǎn)型進(jìn)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(jìn)智能建筑工業(yè)化高速發(fā)展、推動建筑業(yè)向創(chuàng)新驅(qū)動全面轉(zhuǎn)型升級的重要指導(dǎo)綱領(lǐng)，2020 年9 月7 日，中央人民政府網(wǎng)站轉(zhuǎn)發(fā)了這一文件及其解讀[2-4]。發(fā)展新型建筑工業(yè)化是實(shí)現(xiàn)我國綠色發(fā)展和“碳中和”“碳達(dá)峰”目標(biāo)的重要舉措，既是穩(wěn)增長、促改革、調(diào)結(jié)構(gòu)的重要手段，又是打造經(jīng)濟(jì)發(fā)展“雙引擎”的內(nèi)在要求，在生態(tài)文明建設(shè)和加快推進(jìn)新型城鎮(zhèn)化進(jìn)程中，其作用不可忽視。

自2016 年9 月30 日國務(wù)院辦公廳印發(fā)《關(guān)于大力發(fā)展裝配式建筑的指導(dǎo)意見》[5]以來，新型建筑工業(yè)化得以快速推進(jìn)，裝配式建筑的建造水平和建筑品質(zhì)明顯提高。從中央到地方相繼編制多部標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范推動裝配式建筑發(fā)展，實(shí)施了認(rèn)定示范城市和產(chǎn)業(yè)基地、建設(shè)裝配式建筑示范工程項(xiàng)目等措施，為全面推進(jìn)新型建筑工業(yè)化奠定了良好的發(fā)展基礎(chǔ)。

現(xiàn)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(xiàn)場安裝，但是受到投資建設(shè)廠房設(shè)備及生產(chǎn)成本的限制，且在目前我國人工成本與發(fā)達(dá)國家比較相對較低的背景下，混凝土疊合板底板生產(chǎn)的工業(yè)化程度仍然很低，基本只是將現(xiàn)場作業(yè)轉(zhuǎn)移到工廠作業(yè)，不僅沒有發(fā)揮工業(yè)化的優(yōu)勢，反而導(dǎo)致質(zhì)量不穩(wěn)定、鋼筋和混凝土等原材料浪費(fèi)、效率低下以及成本較高等諸多問題。

《裝配式建筑評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》第4.0.5 條第3 款規(guī)定，在施工現(xiàn)場免支模的樓蓋和屋蓋屬于裝配式建造方式[6]。以工業(yè)化方式生產(chǎn)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(shí)現(xiàn)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(hù)層，并且利用其頂面的抗拉材料達(dá)到免布設(shè)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(yè)化的高效生產(chǎn)線生產(chǎn)，生產(chǎn)質(zhì)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(zhì)量好、建造效率高，板厚可以按照傳統(tǒng)的現(xiàn)澆混凝土板的厚度設(shè)計(jì)，布設(shè)板中的線管等也更為方便，與現(xiàn)有的混凝土板建造方式比較，建造成本較低，有利于實(shí)現(xiàn)“四節(jié)一環(huán)?！钡募夹g(shù)、經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展目標(biāo)。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 纖維水泥板

梁堅(jiān)凝、曹倩[7]采用具有高延性的亂向短纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料板材取代傳統(tǒng)的木模板，一方面輔助混凝土成型，一方面作為結(jié)構(gòu)構(gòu)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(jié)約勞動力、提高施工效率、減少木材消耗等優(yōu)點(diǎn)。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(yàn)，得到玄武巖纖維混凝土的受拉應(yīng)力-應(yīng)變曲線，對比了試驗(yàn)現(xiàn)象、破壞形態(tài)、抗拉強(qiáng)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(jìn)行研究，得出了摻入玄武巖纖維可以提高混凝土的抗拉強(qiáng)度，改善混凝土的韌性性能和抗裂性能的結(jié)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(huán)境適應(yīng)性，在眾多基礎(chǔ)設(shè)施中有廣泛的應(yīng)用前景。Shamass R[10]針對玄武巖纖維混凝土受彎構(gòu)件開展了大量的試驗(yàn)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(nèi)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(yàn)結(jié)果低于按照美國規(guī)范推薦公式計(jì)算的數(shù)值。

上述研究尚未明確提出纖維材料對混凝土構(gòu)件抗彎性能的作用和影響。

1.2 纖維網(wǎng)水泥板

于清緣[12]采用玻璃纖維網(wǎng)格布和水泥砂漿制作免拆?；炷聊０?，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(jìn)行了試驗(yàn)研究，得出了以下結(jié)論：（1）作為模板的玻璃纖維增強(qiáng)水泥薄板與后澆混凝土之間粘結(jié)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(fā)用于免拆?；炷怜B合板的水泥基板材具有非常重要的參考價(jià)值。

王勇萌[13]采用纖維網(wǎng)格布水泥基模板制作混凝土疊合板，并對其進(jìn)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(shè)的鋼筋，并沒有考慮其中纖維網(wǎng)的作用。

高孟冉等[14]設(shè)計(jì)制作了4 組不同配網(wǎng)率的玄武巖纖維編織網(wǎng)增強(qiáng)混凝土薄板材料，通過TRC 薄板單軸拉伸試驗(yàn)，研究配網(wǎng)率對TRC 的抗拉強(qiáng)度與變形能力的影響，結(jié)果表明，玄武巖纖維網(wǎng)可在一定程度上提高混凝土的斷裂強(qiáng)度和抵抗變形能力，TRC 的抗拉強(qiáng)度和變形能力隨著配網(wǎng)率的增加顯著提高。該成果對玄武巖纖維編織網(wǎng)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(wǎng)格布增強(qiáng)混凝土（BFT/PC）板的雙向彎曲性能，開展了雙向板彎曲試驗(yàn)，研究了網(wǎng)格布層數(shù)、混凝土保護(hù)層厚度和結(jié)構(gòu)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(yàn)?zāi)Ｐ统叽巛^小且為雙向板彎曲試驗(yàn)，未能清晰揭示玄武巖纖維網(wǎng)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(xiàn)場試驗(yàn)，得出了玄武巖纖維和碳纖維加固混凝土板的數(shù)據(jù)，并對其加固效果進(jìn)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(yīng)力影響。此研究對玄武巖纖維混凝土受彎構(gòu)件的抗彎承載力研究具有一定參考價(jià)值。

20 世紀(jì)90 年代，Hall 和Hillman 等學(xué)者提出FRP 永久性模板的概念，但是當(dāng)時(shí)模板并未投入生產(chǎn)并實(shí)際應(yīng)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(huán)形薄壁筒狀的FRP 模板，且在模板內(nèi)部澆筑混凝土得到組合柱，并對組合柱進(jìn)行試驗(yàn)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(jìn)行了系統(tǒng)研究[19]。Gai 提出了一種新型FRP-混凝土組合結(jié)構(gòu)，其中組合結(jié)構(gòu)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(gòu)件，上層GFRP 格柵和下層GFRP 箱體結(jié)構(gòu)之間通過GFRP 銷釘連接，通過推出試驗(yàn)和四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，證明了該組合模板的可行性[20]。

TLAIJI T 等學(xué)者[21]針對水泥基和耐堿玻璃纖維網(wǎng)格制成的纖維編織網(wǎng)增強(qiáng)混凝土，開展了大量熱機(jī)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(jié)構(gòu)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(wǎng)增強(qiáng)混凝土可以有效提高結(jié)構(gòu)性能。

2 纖維網(wǎng)水泥板應(yīng)用的可行性

纖維網(wǎng)水泥板技術(shù)創(chuàng)新包括纖維網(wǎng)水泥板、以纖維網(wǎng)水泥板為混凝土疊合板底板的混凝土疊合板和纖維網(wǎng)水泥板生產(chǎn)技術(shù)。

上述國內(nèi)外的研究表明，高強(qiáng)度纖維材料對水泥基復(fù)合材料或結(jié)構(gòu)構(gòu)件具有很好的增強(qiáng)作用，其中又以纖維網(wǎng)的增強(qiáng)效果更為明顯，但目前還沒有明確可行的應(yīng)用路線，為此，提出了纖維網(wǎng)水泥板[23]的技術(shù)方案。纖維網(wǎng)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(hù)層厚度相適應(yīng)；為了保證纖維網(wǎng)水泥板在生產(chǎn)、儲運(yùn)和施工期間的抗彎折工作性能，纖維網(wǎng)水泥板的頂面和底面均布設(shè)有纖維網(wǎng)；頂面纖維網(wǎng)不僅需要在纖維網(wǎng)水泥板的生產(chǎn)、儲運(yùn)和施工期間發(fā)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(dá)到節(jié)省鋼筋的目的，因此對其力學(xué)性能、耐久性能以及耐火性能要求較高，而玄武巖纖維網(wǎng)具有抗拉強(qiáng)度高（2000～3000MPa）、耐久性和耐火性好等優(yōu)點(diǎn)，所以在頂面布設(shè)玄武巖纖維網(wǎng)；而底面纖維網(wǎng)僅需要在纖維網(wǎng)水泥板的生產(chǎn)、儲運(yùn)和施工期間發(fā)揮作用，混凝土疊合板建造完成后其使命即完成，所以優(yōu)選方案為底面布設(shè)成本較低、耐久性能相對較差的耐堿玻纖網(wǎng)，以降低綜合建造成本。為了提高以纖維網(wǎng)水泥板為混凝土疊合板底板的疊合面抗剪強(qiáng)度，在纖維水泥板的頂面上設(shè)置鍵槽或鍵齒。

以纖維網(wǎng)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(wǎng)作為混凝土疊合板的底部受力筋進(jìn)行混凝土疊合板的建造，實(shí)現(xiàn)免布設(shè)底部受力筋的目的，提高施工工效、降低建造成本。在纖維網(wǎng)水泥板拼縫處鋪貼同性能的連接纖維網(wǎng)，用于拼縫兩側(cè)頂面纖維網(wǎng)的搭接連接，以保證縱向拉力的有效傳遞，確?；炷怜B合板安全可靠。

綜上提出的纖維網(wǎng)水泥板和應(yīng)用纖維網(wǎng)水泥板建造混凝土疊合板的技術(shù)方案清晰明確，具備可操作性和可實(shí)施性，是可行的技術(shù)方案，類似的研究[12,16]也提供了有力的證明。雖然纖維網(wǎng)水泥板和應(yīng)用纖維網(wǎng)水泥板建造混凝土疊合板的技術(shù)方案具備可行性，但更重要的是如何以工業(yè)化方式生產(chǎn)纖維網(wǎng)水泥板，以利于提高生產(chǎn)質(zhì)量和效率、降低生產(chǎn)成本。為此，提出了纖維網(wǎng)水泥板生產(chǎn)線[24]（圖1），包括1-上層纖維網(wǎng)卷架、2-下層纖維網(wǎng)卷架、3-上接網(wǎng)機(jī)、4-下接網(wǎng)機(jī)、5-上開卷機(jī)、6-下開卷機(jī)、7-上層纖維網(wǎng)倉、8-下層纖維網(wǎng)倉、9-上布網(wǎng)機(jī)、10-下布網(wǎng)機(jī)、11-布料斗、12-成型輥、15-傳輸帶、16-隧道養(yǎng)護(hù)窯、17-加熱裝置以及18-截?cái)鄼C(jī)。該生產(chǎn)線借鑒技術(shù)非常成熟的紙面石膏板生產(chǎn)線設(shè)計(jì)，石膏和水泥同屬于膠凝材料，該生產(chǎn)線可以高效率生產(chǎn)纖維網(wǎng)水泥板。

圖1 纖維網(wǎng)水泥板生產(chǎn)線

為了提高纖維網(wǎng)水泥板和應(yīng)用纖維網(wǎng)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(wǎng)預(yù)應(yīng)力水泥板生產(chǎn)線[24]（圖2），在纖維網(wǎng)水泥板生產(chǎn)線的基礎(chǔ)上加以改進(jìn)，9-上布網(wǎng)機(jī)和10-下布網(wǎng)機(jī)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(qū)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(cè)設(shè)置19-拉力機(jī)，19-拉力機(jī)的驅(qū)動輪配置力矩限制器。該生產(chǎn)線可以高效率生產(chǎn)纖維網(wǎng)預(yù)應(yīng)力水泥板，其力學(xué)和結(jié)構(gòu)性能更加優(yōu)異，可以推動纖維網(wǎng)水泥板的廣泛應(yīng)用。

圖2 纖維網(wǎng)預(yù)應(yīng)力水泥板生產(chǎn)線

上述纖維網(wǎng)水泥板和纖維網(wǎng)預(yù)應(yīng)力水泥板的生產(chǎn)方案是在現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)上的二次開發(fā)，技術(shù)相對比較成熟，具有較好的可行性。

綜上所述，纖維網(wǎng)水泥板的生產(chǎn)和應(yīng)用纖維網(wǎng)水泥板建造混凝土疊合板的技術(shù)方案都具有可行性，為工業(yè)化生產(chǎn)纖維網(wǎng)水泥板，并采用其以裝配式方法建造混凝土疊合板創(chuàng)造了必要的條件。

3 纖維網(wǎng)水泥板技術(shù)應(yīng)用優(yōu)勢

現(xiàn)有的研究成果和生產(chǎn)工藝都表明，應(yīng)用纖維網(wǎng)水泥板建造混凝土疊合板的技術(shù)路線和纖維網(wǎng)水泥板的生產(chǎn)方案都是可行的，纖維網(wǎng)水泥板和混凝土疊合板的性能和生產(chǎn)工藝可以滿足工程建設(shè)的需求。

纖維網(wǎng)水泥板可以實(shí)現(xiàn)以高質(zhì)量、高效率、低成本的工業(yè)化生產(chǎn)方式大規(guī)模生產(chǎn)。以纖維網(wǎng)水泥板作為混凝土疊合板底板建造混凝土疊合板，可以實(shí)現(xiàn)混凝土樓蓋板的底部免抹灰、免拆模以及免敷設(shè)底部受力鋼筋，可以顯著提高混凝土樓蓋板的建造質(zhì)量和效率、降低成本。由于泵送預(yù)拌混凝土也是工業(yè)化施工方式，那么整體上這種施工方法就是一種高度工業(yè)化的建造方式，實(shí)現(xiàn)了加快新型建筑工業(yè)化發(fā)展的目標(biāo)。

由于我國建筑業(yè)產(chǎn)業(yè)規(guī)模巨大，以每年6 億m2纖維網(wǎng)水泥板的市場需求、50 元/m2計(jì)算，市場規(guī)模為300 億元，利稅近100 億元。

以纖維網(wǎng)水泥板作為混凝土疊合板底板建造混凝土疊合板的技術(shù)，有效解決了目前混凝土疊合板底板生產(chǎn)效率低下、容易出現(xiàn)開裂、截面較厚且配筋量較大、嚴(yán)重浪費(fèi)原材料、工業(yè)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(chǎn)和施工質(zhì)量、效率以及建造成本將明顯優(yōu)于目前的建造方式。不僅可發(fā)揮我國的技術(shù)優(yōu)勢，加快重點(diǎn)推廣玄武巖纖維的應(yīng)用進(jìn)程，大幅度提高玄武巖纖維的應(yīng)用規(guī)模，減少對國外鐵礦石的進(jìn)口，而且對于保護(hù)生態(tài)環(huán)境、實(shí)現(xiàn)我國城鄉(xiāng)建設(shè)綠色與高質(zhì)量發(fā)展，都具有十分重要的意義。

4 結(jié)論與展望

（1）以纖維網(wǎng)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(shè)置鍵槽或鍵齒，可以實(shí)現(xiàn)滿足等同現(xiàn)澆的整體性要求。

（2）以纖維網(wǎng)水泥板為底板的混凝土疊合板結(jié)構(gòu)性能研究包括抗彎承載力、短期和長期剛度、撓度和裂縫計(jì)算公式、拼縫處構(gòu)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(wǎng)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(xiàn)行技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的要求，可以采用預(yù)應(yīng)力纖維網(wǎng)水泥板有效解決變形問題。

（3）纖維網(wǎng)水泥板生產(chǎn)線可以采用目前成熟的紙面石膏板生產(chǎn)線稍加以技術(shù)改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)高效生產(chǎn)。但為了生產(chǎn)結(jié)構(gòu)性能優(yōu)異的纖維網(wǎng)預(yù)應(yīng)力水泥板，則需要對生產(chǎn)線進(jìn)行進(jìn)一步的技術(shù)創(chuàng)新升級。通過在生產(chǎn)線出口端設(shè)置拉力機(jī)牽引生產(chǎn)線上水泥已經(jīng)固化的纖維網(wǎng)水泥板，在生產(chǎn)線入口端為布網(wǎng)機(jī)配置制動器且制動器配置制動力矩控制器，使生產(chǎn)線中的上下層纖維網(wǎng)均處于設(shè)定的承受拉力狀態(tài)，生產(chǎn)出的纖維網(wǎng)水泥板即可成為纖維網(wǎng)預(yù)應(yīng)力水泥板。