玄武岩纤维及其在建筑结构加固中的应用研究进展

玄武岩纤维及其在建筑结构加固中的应用研究进展欧阳利军1,丁 斌2,陆洲导1(1 同济大学结构工程与防灾研究所,上海200092;2 温州职业技术学院建筑工程系,温州325035)摘要:玄武岩纤维增强复合材料(BFRP )是一种新型纤维复合材料,相比目前在建筑结构加固中广泛使用的碳纤维来说,BFRP 具有较好的延性、耐高温、耐腐蚀特性并且在加固成本方面也有较突出的优势。

因而玄武岩纤维材料在某些情况下可替代或混杂碳纤维使用,以期达到同样加固效果的同时降低费用。

本文从玄武岩纤维的发展、特性、加固试验研究总结和展望了玄武岩纤维在建筑结构构件加固中的研究现状以及应用前景,并指出当前研究存在的问题及未来需要解决的关键问题。

关键词:玄武岩纤维;加固;建筑结构中图分类号:TU 528 文献标识码:A 文章编号:1003-0999(2010)03-0084-05收稿日期:2009 06 29基金项目:温州市科技计划项目(G2*******)作者简介:欧阳利军(1982 ),男,博士,主要从事混凝土结构鉴定与加固研究。

我国现存的各种建(构)筑物的总面积在400亿m 2以上,并以每年5亿m 2的速度增长,其中绝大多数是混凝土及砌体结构,至少有50%以上已投入使用20年以上,而且据相关资料,由于设计和施工过程中的技术问题和管理不当,目前设计寿命为50年的建筑物,实际寿命仅为30年,造成了资源的浪费;加上我国是地震灾害多发国家,震后建筑物的加固修复工作在震后重建中显得尤为重要。

如何对现有建筑物进行维护,加固改造、处理各类病害,将成为未来建筑领域的主题。

目前,一些发达国家的建筑物改造工程已达到建筑市场总量的60%[1]。

纤维增强复合材料(Fiber Reinforced Poly m er /P l a stic)具有质量轻、抗拉强度高、密度低、抗疲劳性强等独特的性能,广泛应用于世界军工生产与航空航天领域。

随着近年来材料工业的迅速发展,粘贴纤维增强材料加固成为了针对粘钢加固结构易被腐蚀和工作效率不高等缺陷发展起来的一种新兴的加固方法。

该种材料技术用于土建结构加固始于上世纪80年代中期,特别是在1994年美国的Nort h ridge 地震和1995年日本的阪神地震后的快速,碳纤维加固技术起到重大作用后,粘贴纤维增强复合材料在建筑工程加固得到了各国的广泛重视。

美国和日本等国近二十年来创办了纤维增强混凝土结构的相关的期刊,成立了相关的专业委员会,也提出了纤维增强混凝土结构的相关规范等。

我国从1997开始研究纤维增强材料加固修复混凝土结构,现已出版碳纤维片材加固混凝土结构技术规程 (CECS 146:2003)和 混凝土结构设计加固规范 (GB 50367 2006)[2~6]。

国内外应用于建筑结构加固的纤维增强复合材料主要有碳纤维增强复合材料(CFRP)、玻璃纤维增强复合材料(GFRP)和芳纶纤维增强复合材料(AFRP )。

CFRP 以较高的抗拉强度和弹性模量在三种主要纤维增强复合材料中应用最为普遍。

同时,目前使用的纤维增强复合材料也暴露出了一些缺点: AFRP 和GFRP 热稳定性、耐高温、抗碱性差; CFRP 物理、力学性能较好但价格昂贵,依赖进口; CFRP 加固的构件易发生脆性破坏,特别是高温下碳纤维抗拉强度下降明显,CFRP 有导电性,不能应用在要求绝缘的场合。

鉴于CFRP 、GFRP 、AFRP 在以上几个方面的缺陷,亟需一种价格低廉且具独特力学性能的工程加固材料。

因此,本文建议将一种综合性能较好的玄武岩纤维增强复合材料(BFRP )应用于建筑结构加固[7~10]。

1 玄武岩纤维材料1 1 玄武岩纤维的特性连续玄武岩纤维(Continuous Basalt Fibre),简称CBF 或BF,是一种无机纤维材料,是以火山爆发形成的一种玻璃态的玄武岩矿石为原料经粉碎、高温熔融后,通过喷丝板拉伸而成的纤维,其外观为深棕色,色泽与碳纤维十分相似。

玄武岩矿石本身就是一种玻璃态矿石,完全可以用这种单一的玄武岩矿石熔融后拉丝而成纤维,成纤后其它化学组分不变,玄武岩纤维与其他纤维各性能指标比较见表1。

表1 玄武岩纤维与其他纤维的各性能指标对比[11,12]纤维类型抗拉强度/M Pa弹性模量/GPa最大伸长率/%纤维密度/g c m-3使用温度范围/玄武岩纤维3000~480080~1103 32 65-200~650玻璃纤维3100~465073~865 22 49-60~350碳纤维3500~6000230~6002 21 74500芳纶纤维2900~340070~1403 61 47250研究表明[16],将玄武岩纤维、碳纤维、玻璃纤维分别在100 、200 、400 、600 、1200 下加热2h冷却后进行强度测试,发现三种纤维加热超过200 后强度均会出现下降,碳纤维和玻璃纤维强度下降十分明显,而玄武岩纤维加热到600 后强度保持率还在90%以上,强度保持率 温度关系如图1所示,三种纤维加热到1200 后的体积维持情况如图2所示。

另有研究证实[11,13],玄武岩纤维在100 ~250 下,抗拉强度可提高30%,而玻璃纤维下降23%;玄武岩纤维在70 的热水作用下,强度可保持1200h,一般玻璃纤维不到200h便会失去强度。

图1 三种纤维强度保持率 温度关系[16]玄武岩纤维和各类树脂复合时,比玻璃纤维和碳纤维有着更强的亲和力,能够有效提高加固效果和加固构件的耐久性。

玄武岩矿床在我国东部大陆边缘和青藏高原及周边地区都有丰富的储量,并且玄武岩矿石开采和生产工艺非常便捷,只需经高温熔融后快速拉制成纤维。

目前,玄武岩纤维的价格仅为碳纤维的1/6[17]。

图2 三种纤维强度加热到1200 后的体积维持情况[16]由表1、2的数据及文献[12,16,17,18]的分析可知,玄武岩纤维与玻璃纤维力学性能相当,并优于芳纶纤维;玄武岩纤维的耐腐蚀性能明显强于玻璃纤维和芳纶纤维;在抗高温性能方面,玄武岩纤维高于碳纤维、玻璃纤维和芳纶纤维。

虽然目前玄武岩纤维抗拉强度和弹性模量比碳纤维低,但是综合延性、成本、耐腐蚀性及抗高温性等方面,玄武岩纤维有一定的优势。

表2 玄武岩纤维与其他纤维抗腐蚀性能对比[13~15]纤维类型H2O中煮3h质量损失率/%2m ol/LNa OH中煮3h质量损失率/%2m ol/L HCL中煮3h强度保持率/%H2O中煮3h强度保持率/%0.5m ol/L N a OH中煮3h强度保持率/%2mo l/LHCL中煮3h强度保持率%湿热老化时间为1000h强度损失/%湿热老化时间为1000h弹模损失/%玄武岩纤维0 44 38 199 895 865 58 616 2玻璃纤维0 7638 92 49--2617碳纤维------0 96 2芳纶纤维------21 921 21 2 国内外玄武岩纤维的发展玄武岩纤维作为一种新型绿色环保材料出现于20世纪60年代。

苏联莫斯科玻璃和塑料研究院于1953~1954年开发出玄武岩纤维。

1960~1970年代,全苏玻璃钢与玻璃纤维乌克兰分院根据前苏联国防部的指令,开始研制玄武岩纤维材料。

乌克兰建筑材料工业部设立了专门的 别列切 绝热隔音材料科研生产联合体,主要研制CBF及其制品制备工艺的生产线。

联合体的科研实验室于1972年开始研制制备CBF,曾研制出20多种CBF制品的生产工艺;1985年CBF研制成功并实现了工业化生产。

由此可见,CBF从开发出到投入生产有30多年的历史。

近几年来,美国、日本、德国等一些科技发达国家都加强了对CBF的研究开发,并取得了一系列新的应用研究成果[17,18]。

我国开展玄武岩纤维的研究较晚。

20世纪90年代中期,南京玻璃纤维研究设计院最早在中国开始CBF的研究,专注于适合充当隔热材料的超细玄武岩纤维,主要用于战斗机的发动机外壳等军工用途,但目前仍然停留在实验室阶段。

2002年11月我国将 CBF及其复合材料 批准列为国家863计划;2003年该863计划成果与浙江民营企业对接成立了横店集团上海俄金玄武岩纤维有限公司。

该公司经过一年多的研究试验,已掌握了CBF生产工艺技术。

2004年开始在上海实现产业化,部分技术达到国际先进水平和领先水平。

目前,国内许多厂家相继立项生产CBF,主要产品为耐碱CBF原丝、纺织纱、短切纤维薄毡、无捻粗纱网布、FRP筋等[17]。

2 玄武岩纤维应用于建筑结构加固的研究现状目前,玄武岩纤维在建筑结构加固方面的试验研究较少。

从搜集到的文献资料看,国内玄武岩纤维加固研究起步于最近两年的时间,并先于其他国家。

东南大学吴刚等进行了玄武岩纤维丝束缠绕与碳纤维布包裹加固圆柱和方柱在低周反复荷载下的对比试验,证实了玄武岩纤维加固对提高混凝土柱抗剪承载力、延性及耗能能力的有效性,指出玄武岩纤维丝束缠绕加固能够显著提高混凝土柱的抗剪承载力,改变试件的破坏形态,在相近侧向约束刚度下,玄武岩纤维加固对柱承载力的提高及延性、耗能等结构性能的改善都能够达到、甚至超过CFRP加固柱。

BFRP加固混凝土柱具有更好的抗震性能[20]。

试验结果如表3所示。

表3 玄武岩纤维丝束和碳纤维布加固方柱试验结果[20]柱编号峰值荷载侧向位移位移延性系数荷载/kN提高/%屈服值极限值提高/%破坏模式S 0621-3 686 151 67-剪切S 2 5C74620 105 9824 804 15148弯曲S 4 5C76022 407 2131 654 39163弯曲S BF76523 207 6235 104 61176弯曲 注:S 0为对比柱,S 2 5C和S 4 5C分别粘贴2 5和4 5层碳纤维,S BF为粘贴玄武岩纤维。

峰值荷载、位移延性系数提高以未加固柱为基准确定。

河北建筑工程学院李志强等[21]对6根混凝土梁进行了抗剪加固试验研究,通过分析加固后梁的破坏特征、抗剪承载力,证实了采用玄武岩纤维对混凝土梁进行加固能延缓斜裂缝的出现,约束斜裂缝的发展,从而提高梁的抗剪承载能力、刚度以及变形能力。

同等条件下,该试验方案比采用碳纤维加固更加经济。

河北建筑工程学院麻建锁等[22]采用玄武岩纤维布对6根混凝土偏压柱进行加固试验研究,试验结果表明,玄武岩纤维加固偏压柱的极限承载能力和变形能力都得到了明显提高。

上海大学欧阳煜等参考现行 混凝土加固设计规范 中的纤维加固理论公式,对玄武岩纤维布加固混凝土梁抗弯和抗剪承载力进行了计算分析,从理论角度探讨了玄武岩纤维对混凝土梁的加固效果,并指出采用现有规范对玄武岩纤维加固结构构件的计算方法有待试验验证;在后续研究中,考虑玄武岩纤维布宽度、间距、加固量等因素,对5根玄武岩纤维加固混凝土梁的抗剪性能进行了试验研究,指出玄武岩纤维能有效提高混凝土梁的抗剪承载力及变形能力,并根据实验结果提出了玄武岩纤维加固混凝土梁的抗剪承载力公式[23,24]。