基于建筑工业化的纤维网水泥板创新技术可行性分析

梁媛，徐帅，孟凡林

（吉林建筑大学 土木工程学院，吉林长春 130118）

0 引言

2020 年8 月28 日，住房和城乡建设部等9 部门联合印发了《关于加快新型建筑工业化发展的若干意见》[1]，从政策上推动城乡绿色发展和高质量发展同步建设，加快建筑业全面转型进程，提升“中国建造”在国际舞台上的影响力和品牌魅力，这也是促进智能建筑工业化高速发展、推动建筑业向创新驱动全面转型升级的重要指导纲领，2020 年9 月7 日，中央人民政府网站转发了这一文件及其解读[2-4]。发展新型建筑工业化是实现我国绿色发展和“碳中和”“碳达峰”目标的重要举措，既是稳增长、促改革、调结构的重要手段，又是打造经济发展“双引擎”的内在要求，在生态文明建设和加快推进新型城镇化进程中，其作用不可忽视。

自2016 年9 月30 日国务院办公厅印发《关于大力发展装配式建筑的指导意见》[5]以来，新型建筑工业化得以快速推进，装配式建筑的建造水平和建筑品质明显提高。从中央到地方相继编制多部标准规范推动装配式建筑发展，实施了认定示范城市和产业基地、建设装配式建筑示范工程项目等措施，为全面推进新型建筑工业化奠定了良好的发展基础。

现行装配式建筑中，混凝土楼盖板普遍采用混凝土叠合板，虽然混凝土叠合板底板通过工厂制造，现场安装，但是受到投资建设厂房设备及生产成本的限制，且在目前我国人工成本与发达国家比较相对较低的背景下，混凝土叠合板底板生产的工业化程度仍然很低，基本只是将现场作业转移到工厂作业，不仅没有发挥工业化的优势，反而导致质量不稳定、钢筋和混凝土等原材料浪费、效率低下以及成本较高等诸多问题。

《装配式建筑评价标准》第4.0.5 条第3 款规定，在施工现场免支模的楼盖和屋盖属于装配式建造方式[6]。以工业化方式生产一种水泥基的板材，以这种板材作为混凝土叠合板的底板避免支模，实现混凝土楼盖板底面免抹灰、免拆模，这种板材兼做混凝土叠合板底部的混凝土保护层，并且利用其顶面的抗拉材料达到免布设混凝土叠合板底部钢筋的目的，这样的水泥基板材以高度工业化的高效生产线生产，生产质量好、效率高且成本低，采用这种水泥基板材作为混凝土叠合板底板建造的混凝土叠合板也质量好、建造效率高，板厚可以按照传统的现浇混凝土板的厚度设计，布设板中的线管等也更为方便，与现有的混凝土板建造方式比较，建造成本较低，有利于实现“四节一环保”的技术、经济和社会发展目标。

1 国内外研究现状

1.1 纤维水泥板

梁坚凝、曹倩[7]采用具有高延性的乱向短纤维增强水泥基复合材料板材取代传统的木模板，一方面辅助混凝土成型，一方面作为结构构件的一部分承受荷载，除了有效提高混凝土耐久性外，还具有节约劳动力、提高施工效率、减少木材消耗等优点。周浩、贾彬、黄辉[8]通过对不同体积掺量的玄武岩纤维混凝土做直接拉伸试验，得到玄武岩纤维混凝土的受拉应力-应变曲线，对比了试验现象、破坏形态、抗拉强度、弹性模量、断裂能、裂缝宽度、特征长度，并对玄武岩纤维混凝土的韧性性能及抗裂性能进行研究，得出了掺入玄武岩纤维可以提高混凝土的抗拉强度，改善混凝土的韧性性能和抗裂性能的结论。

Osama[9]研究了玄武岩纤维混凝土的耐久性和受力性能，提出玄武岩纤维混凝土具有更好的环境适应性，在众多基础设施中有广泛的应用前景。Shamass R[10]针对玄武岩纤维混凝土受弯构件开展了大量的试验研究，深入探讨了其开裂弯矩、极限承载力、挠度以及裂缝宽度等内容。Elgabbas F 等[11]通过对长度3100mm，高宽300×200mm 的梁开展研究，对比梁配置不同尺寸的玄武岩纤维的受力情况，试验结果低于按照美国规范推荐公式计算的数值。

上述研究尚未明确提出纤维材料对混凝土构件抗弯性能的作用和影响。

1.2 纤维网水泥板

于清缘[12]采用玻璃纤维网格布和水泥砂浆制作免拆模混凝土模板，并与后浇混凝土制成混凝土叠合板，对其共同工作性能、叠合板的承载能力和变形性能进行了试验研究，得出了以下结论：（1）作为模板的玻璃纤维增强水泥薄板与后浇混凝土之间粘结良好;（2）与同等条件的普通混凝土试件相比，不同形式的叠合试件的承载力并未降低，部分叠合试件的承载力和延性性能还有不同程度的提高。该研究成果对于开发用于免拆模混凝土叠合板的水泥基板材具有非常重要的参考价值。

王勇萌[13]采用纤维网格布水泥基模板制作混凝土叠合板，并对其进行了受弯承载力研究，叠合板的抗弯承载力完全依靠其上敷设的钢筋，并没有考虑其中纤维网的作用。

高孟冉等[14]设计制作了4 组不同配网率的玄武岩纤维编织网增强混凝土薄板材料，通过TRC 薄板单轴拉伸试验，研究配网率对TRC 的抗拉强度与变形能力的影响，结果表明，玄武岩纤维网可在一定程度上提高混凝土的断裂强度和抵抗变形能力，TRC 的抗拉强度和变形能力随着配网率的增加显著提高。该成果对玄武岩纤维编织网受拉锚固性能研究具有借鉴意义。

王庆轩、丁一宁[15]为研究玄武岩纤维网格布增强混凝土（BFT/PC）板的双向弯曲性能，开展了双向板弯曲试验，研究了网格布层数、混凝土保护层厚度和结构型聚丙烯（PP）纤维分别对BFT/PC板受弯性能的影响。该研究试验模型尺寸较小且为双向板弯曲试验，未能清晰揭示玄武岩纤维网混凝土板的抗弯性能。

徐新建[16]通过对碳纤维和玄武岩纤维加固钢筋混凝土板的现场试验，得出了玄武岩纤维和碳纤维加固混凝土板的数据，并对其加固效果进行了对比分析，研究了加固效果对板跨中挠度、板上部和下部钢筋的应力影响。此研究对玄武岩纤维混凝土受弯构件的抗弯承载力研究具有一定参考价值。

20 世纪90 年代，Hall 和Hillman 等学者提出FRP 永久性模板的概念，但是当时模板并未投入生产并实际应用于工程[17-18]。Mirmiran 提出FRP 可以很好地作为柱模板使用，且成功浇筑了环形薄壁筒状的FRP 模板，且在模板内部浇筑混凝土得到组合柱，并对组合柱进行试验研究了其受力性能，还对FRP 模板对组合柱核心混凝土的约束作用进行了系统研究[19]。Gai 提出了一种新型FRP-混凝土组合结构，其中组合结构上层是抗压的GFRP格栅，填充在混凝土中，而下层则是受拉的GFRP 箱型构件，上层GFRP 格栅和下层GFRP 箱体结构之间通过GFRP 销钉连接，通过推出试验和四点弯曲试验，证明了该组合模板的可行性[20]。

TLAIJI T 等学者[21]针对水泥基和耐碱玻璃纤维网格制成的纤维编织网增强混凝土，开展了大量热机械性能和残余性能方面的研究。Ali Nassir[22]研究了FRP 约束混凝土结构对改善混凝土柱膨胀和轴向性能的可行性，说明纤维编织网增强混凝土可以有效提高结构性能。

2 纤维网水泥板应用的可行性

纤维网水泥板技术创新包括纤维网水泥板、以纤维网水泥板为混凝土叠合板底板的混凝土叠合板和纤维网水泥板生产技术。

上述国内外的研究表明，高强度纤维材料对水泥基复合材料或结构构件具有很好的增强作用，其中又以纤维网的增强效果更为明显，但目前还没有明确可行的应用路线，为此，提出了纤维网水泥板[23]的技术方案。纤维网水泥板的主体材料为水泥，可以全部采用水泥，也可以采用石英砂为骨料，板厚度为10～20mm，以与混凝土叠合板的底部受力筋保护层厚度相适应；为了保证纤维网水泥板在生产、储运和施工期间的抗弯折工作性能，纤维网水泥板的顶面和底面均布设有纤维网；顶面纤维网不仅需要在纤维网水泥板的生产、储运和施工期间发挥作用，更重要的是还要作为混凝土叠合板的底部纵向受力筋加以利用，达到节省钢筋的目的，因此对其力学性能、耐久性能以及耐火性能要求较高，而玄武岩纤维网具有抗拉强度高（2000～3000MPa）、耐久性和耐火性好等优点，所以在顶面布设玄武岩纤维网；而底面纤维网仅需要在纤维网水泥板的生产、储运和施工期间发挥作用，混凝土叠合板建造完成后其使命即完成，所以优选方案为底面布设成本较低、耐久性能相对较差的耐碱玻纤网，以降低综合建造成本。为了提高以纤维网水泥板为混凝土叠合板底板的叠合面抗剪强度，在纤维水泥板的顶面上设置键槽或键齿。

以纤维网水泥板为混凝土叠合板底板建造混凝土叠合板[23]，其顶面纤维网作为混凝土叠合板的底部受力筋进行混凝土叠合板的建造，实现免布设底部受力筋的目的，提高施工工效、降低建造成本。在纤维网水泥板拼缝处铺贴同性能的连接纤维网，用于拼缝两侧顶面纤维网的搭接连接，以保证纵向拉力的有效传递，确保混凝土叠合板安全可靠。

综上提出的纤维网水泥板和应用纤维网水泥板建造混凝土叠合板的技术方案清晰明确，具备可操作性和可实施性，是可行的技术方案，类似的研究[12,16]也提供了有力的证明。虽然纤维网水泥板和应用纤维网水泥板建造混凝土叠合板的技术方案具备可行性，但更重要的是如何以工业化方式生产纤维网水泥板，以利于提高生产质量和效率、降低生产成本。为此，提出了纤维网水泥板生产线[24]（图1），包括1-上层纤维网卷架、2-下层纤维网卷架、3-上接网机、4-下接网机、5-上开卷机、6-下开卷机、7-上层纤维网仓、8-下层纤维网仓、9-上布网机、10-下布网机、11-布料斗、12-成型辊、15-传输带、16-隧道养护窑、17-加热装置以及18-截断机。该生产线借鉴技术非常成熟的纸面石膏板生产线设计，石膏和水泥同属于胶凝材料，该生产线可以高效率生产纤维网水泥板。

图1 纤维网水泥板生产线

为了提高纤维网水泥板和应用纤维网水泥板建造的混凝土叠合板的抗开裂性能及刚度，提出了纤维网预应力水泥板生产线[24]（图2），在纤维网水泥板生产线的基础上加以改进，9-上布网机和10-下布网机均配置制动器，且制动器配置制动力矩控制器；15-传输带的驱动轮配置力矩限制器或承托15-传送带的滚轮均为被动轮；在15-传输带末端的外侧设置19-拉力机，19-拉力机的驱动轮配置力矩限制器。该生产线可以高效率生产纤维网预应力水泥板，其力学和结构性能更加优异，可以推动纤维网水泥板的广泛应用。

图2 纤维网预应力水泥板生产线

上述纤维网水泥板和纤维网预应力水泥板的生产方案是在现有技术基础上的二次开发，技术相对比较成熟，具有较好的可行性。

综上所述，纤维网水泥板的生产和应用纤维网水泥板建造混凝土叠合板的技术方案都具有可行性，为工业化生产纤维网水泥板，并采用其以装配式方法建造混凝土叠合板创造了必要的条件。

3 纤维网水泥板技术应用优势

现有的研究成果和生产工艺都表明，应用纤维网水泥板建造混凝土叠合板的技术路线和纤维网水泥板的生产方案都是可行的，纤维网水泥板和混凝土叠合板的性能和生产工艺可以满足工程建设的需求。

纤维网水泥板可以实现以高质量、高效率、低成本的工业化生产方式大规模生产。以纤维网水泥板作为混凝土叠合板底板建造混凝土叠合板，可以实现混凝土楼盖板的底部免抹灰、免拆模以及免敷设底部受力钢筋，可以显著提高混凝土楼盖板的建造质量和效率、降低成本。由于泵送预拌混凝土也是工业化施工方式，那么整体上这种施工方法就是一种高度工业化的建造方式，实现了加快新型建筑工业化发展的目标。

由于我国建筑业产业规模巨大，以每年6 亿m2纤维网水泥板的市场需求、50 元/m2计算，市场规模为300 亿元，利税近100 亿元。

以纤维网水泥板作为混凝土叠合板底板建造混凝土叠合板的技术，有效解决了目前混凝土叠合板底板生产效率低下、容易出现开裂、截面较厚且配筋量较大、严重浪费原材料、工业化水平较低以及混凝土叠合板建造效率低、成本较高致使装配式建筑推广困难等问题，其综合生产和施工质量、效率以及建造成本将明显优于目前的建造方式。不仅可发挥我国的技术优势，加快重点推广玄武岩纤维的应用进程，大幅度提高玄武岩纤维的应用规模，减少对国外铁矿石的进口，而且对于保护生态环境、实现我国城乡建设绿色与高质量发展，都具有十分重要的意义。

4 结论与展望

（1）以纤维网水泥板为混凝土叠合板底板的混凝土叠合板叠合面抗剪切性能研究，通过设置键槽或键齿，可以实现满足等同现浇的整体性要求。

（2）以纤维网水泥板为底板的混凝土叠合板结构性能研究包括抗弯承载力、短期和长期刚度、挠度和裂缝计算公式、拼缝处构造要求、耐久性能和耐火性能等，由于玄武岩纤维的弹性模量约为钢筋的1/3～1/2，相对较低，以玄武岩纤维网作为混凝土叠合板的底部受力筋为了保证挠度和裂缝满足现行技术标准的要求，可以采用预应力纤维网水泥板有效解决变形问题。

（3）纤维网水泥板生产线可以采用目前成熟的纸面石膏板生产线稍加以技术改进，实现高效生产。但为了生产结构性能优异的纤维网预应力水泥板，则需要对生产线进行进一步的技术创新升级。通过在生产线出口端设置拉力机牵引生产线上水泥已经固化的纤维网水泥板，在生产线入口端为布网机配置制动器且制动器配置制动力矩控制器，使生产线中的上下层纤维网均处于设定的承受拉力状态，生产出的纤维网水泥板即可成为纤维网预应力水泥板。