王曼华 黄安芳 莫炳强

目前我国现存的各种建(构)筑物的总面积至少在100亿m2以上,其中绝大多数是混凝土及砌体结构,而且至少有50%以上已投入使用20年以上。这些既有结构在使用过程中,由于自身老化、各种灾害和人为损坏等原因,使建筑物不断产生各种结构安全隐患;对一些新建成的工程项目,由于勘察、设计和施工过程中的技术和管理问题,导致工程在建成初期就出现各种质量安全隐患;另外,相当一部分既有结构设计在功能上不能满足目前使用的需要。为此,国家每年要投入大量资金用于各种建筑加固修复,这给建筑加固修复业的发展,无疑提供了巨大的市场空间。在欧美发达国家中,目前用于建筑加固改造的投资已占国家建筑业总投资的1/2以上,美国劳工部门在20世纪末的一项产业预测报告中曾经预言:建筑维修加固业将是21世纪最为热门的行业之一[1,2]。

1 FRP加固法

混凝土结构常用加固方法主要有:加大截面加固法,外包钢加固法,外部粘钢加固法,粘贴纤维增强材料加固法,预应力加固法,增设支点加固法。相关技术包括托换技术、植筋技术、裂缝处理技术、结构表面处理技术4大类。粘贴FRP加固法有以下优点:1)FRP有更好的抗腐蚀性能;2)FRP有较高的比强度、比刚度;3)FRP有较好的抗疲劳性能;4)施工过程和加固后相关费用少;5)质量较轻,使用较少的劳动力,便于施工安装,工作效率较高;6)可设计性和工艺性好;7)施工现场相关的障碍物几乎无须拆除。由于其优点多,效果明显,在日美韩欧洲等国家和地区得到了大量的推广,目前在加固修补技术领域已成为最广泛使用的一项技术,并已完全产业化[3,4]。目前,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)。这些纤维增强复合材料的抗拉强度是普通钢材的8倍～10倍,密度约为钢材的1/5,而且弹性模量与钢材处于同一个水平甚至可以达到钢材的2倍。碳纤维增强复合材料(CFRP)又以较高的抗拉强度和弹性模量而在三种主要纤维增强复合材料中应用最为普遍,而且其加固技术最为成熟[4,5]。

2 玄武岩纤维

连续玄武岩纤维(Continuous Basalt Fibre,简称CBF或BF),是一种无机纤维材料,是火山爆发形成的一种玻璃态的玄武岩矿石,经高温熔融后快速拉制而成的纤维,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,成纤后其他化学组分不变[7]。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(2002AA334110);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1年多的研究试验,克服了氧化还原不好等技术难题,现已掌握了CBF生产所有工艺技术。2004年开始在上海实现产业化,目前技术已经达到国内领先水平,部分技术达到国际先进水平和领先水平[7]。

3 玄武岩纤维复合材料的优势

1)玄武岩纤维成本较低[9]。玄武岩是一种火山喷出岩,是地球上贮藏量最大,分布面非常广的矿产。我国火山和火山岩分布广泛,按照地理位置,可划分为两大区域:a.沿我国东部大陆边缘,形成数以百计的火山群和火山锥,成为环太平洋火山链的一部分;b.位于青藏高原及周边地区的火山群。玄武岩矿大多裸露易于开采,矿石的价格非常低廉,尤其是在国际市场碳纤维极度短缺、价格昂贵而且国内碳纤维全部依赖进口。

2)优异的耐温和耐湿热老化性能。CBF的使用温度范围为:-269℃～700℃(软化点为960℃),而玻璃纤维为-60℃～450℃。CBF在400℃下工作时,其断后强度能够保持 85%;在600℃下工作时,其断后强度仍能够保持80%的原始强度;如果CBF预先在780℃～820℃下进行处理,还能在860℃下工作而不会出现收缩,即使耐温性优良的矿棉此时也只能保持50%～60%的强度,玻璃棉则完全破坏。碳纤维的抗氧化性较差,在300℃时有CO和CO2产生;纤维芳纶最高使用温度也只有250℃。

3)较高的抗拉强度。加拿大Albarrie公司研制出的CBF的抗拉强度达到4 800 MPa,比大丝束碳纤维、芳纶、PBI纤维、钢纤维、硼纤维、氧化铝纤维都要高,与S玻璃纤维相当。乌克兰的玄武岩纤维公司生产的CBF的抗拉强度为3 000 MPa～3 500 MPa。国内试验表明,目前国产BFRP片材的抗拉强度达到2 300 MPa左右,弹性模量达到105.6 GPa,其力学性能完全可满足工程使用。在提高混凝土结构的抗弯和抗剪性能上,虽在提高加固构件的刚度上无CFRP效果好,但因为其优异的性价比仍然值得推广使用。

4)优异的耐碱性能。与硅酸盐的天然相容性,且以同属硅酸盐的火山喷出岩为原料制成的CBF,耐酸碱性强。试验发现,CBF在饱和Ca(OH)2溶液以及在水泥等碱性介质中耐久性比玻璃纤维好,能保持高度的稳定性,可代替钢筋用作混凝土建筑结构的增强材料,制作桥梁等大型建筑的结构件。利用CBF较高的抗拉强度和抗剪切强度这一特性,加上CBF具有天性的与水泥、混凝土的亲和力和耐碱性,在建筑增强领域的应用已显示出它独特的优势和发展潜力。

4 结语

玄武岩纤维具有较好的耐高温性能、较高的抗拉强度、优异的延性及耐腐蚀性能。另外,国内玄武岩矿产丰富,其发展也具有很好的政策优势。因此,玄武岩纤维在建筑工程加固领域有较好的应用前景。

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