玄武巖纖維在橋梁工程中的應(yīng)用前景及需解決的問題

王海良，常春偉，楊新磊，董 鵬，任權(quán)昌

(1.天津城市建設(shè)學(xué)院 土木工程系，天津 300384;2.解放軍軍事交通學(xué)院，天津 300161)

1 玄武巖纖維特性

玄武巖纖維簡稱 CBF或 BF，是以火山噴發(fā)形成的玄武巖礦石為原料經(jīng)粉碎、高溫熔融后，拉絲而成的無機(jī)纖維材料，其外觀為深褐色，色澤和碳纖維相似。玄武巖纖維完全由單一玄武巖礦石熔融后拉絲而成，和其它纖維比較具有以下特性:①具有良好的耐溫性［1-3］，玄武巖纖維的工作溫度范圍為 －269℃ ～700℃，研究表明，雖然玄武巖纖維、碳纖維、玻璃纖維在加熱超過200℃后強(qiáng)度均有下降，碳纖維和玻璃纖維強(qiáng)度下降得十分明顯，碳纖維約在300℃時(shí)就有CO和CO2產(chǎn)生，而玄武巖纖維在加熱到600℃后其強(qiáng)度保持率仍在90%以上;②具有較好的化學(xué)穩(wěn)定性和耐酸堿腐蝕性;③具有較好的力學(xué)性能，抗拉強(qiáng)度更高;④取材廣泛、價(jià)格低廉，約為碳纖維的1/10、高硅纖維的1/4～1/6［4］;⑤耐輻射和紫外線;⑥100%由礦物組成，生產(chǎn)時(shí)不添加其它成分，對(duì)健康和環(huán)境無害。

2 玄武巖纖維在結(jié)構(gòu)工程中的研究現(xiàn)狀

玄武巖纖維最早在1953—1954年由前蘇聯(lián)莫斯科玻璃和塑料研究院開發(fā)、生產(chǎn)，近幾年美國、日本、德國等都加強(qiáng)了對(duì)CBF的研究。國內(nèi)在20世紀(jì)90年代由南京玻璃纖維研究設(shè)計(jì)院最早開展CBF的研究，主要側(cè)重軍工用途，2002年11月我國將“CBF及其復(fù)合材料”批準(zhǔn)列為863計(jì)劃，2003年成立橫店集團(tuán)上海俄金玄武巖纖維有限公司。國內(nèi)對(duì)CBF研究起步較晚，但在部分領(lǐng)域已達(dá)到國際領(lǐng)先水平。

隨著玄武巖纖維在結(jié)構(gòu)工程應(yīng)用的推廣，近年國內(nèi)對(duì)玄武巖纖維應(yīng)用研究主要在玄武巖纖維混凝土受力性能及玄武巖纖維片材加固既有結(jié)構(gòu)受力性能兩方面。在玄武巖纖維混凝土復(fù)合材料研究領(lǐng)域，沈陽建筑大學(xué)唐明等［4］為探索玄武巖纖維的增強(qiáng)效果，采用玄武巖纖維作為增強(qiáng)材料，探討了玄武巖纖維摻量、水膠比和灰砂比3個(gè)因素對(duì)7 d，28 d抗壓、抗折強(qiáng)度的影響規(guī)律，指出玄武巖纖維摻量對(duì)不同齡期的強(qiáng)度影響顯著，遠(yuǎn)大于水膠比、灰砂比影響;并通過掃描電鏡揭示玄武巖纖維在砂漿中分散均勻，無結(jié)團(tuán)現(xiàn)象。

在玄武巖纖維加固既有結(jié)構(gòu)受力特性研究領(lǐng)域，東南大學(xué)吳剛等［5］進(jìn)行了玄武巖纖維絲束纏繞與碳纖維布包裹加固圓柱和方柱，在低周反復(fù)荷載下的對(duì)比試驗(yàn)，證實(shí)了玄武巖纖維加固對(duì)提高混凝土柱抗剪承載力、延性及耗能能力的有效性，指出玄武巖纖維絲束纏繞加固能夠顯著提高混凝土柱的抗剪承載力，改變試件的破壞形態(tài)，在相近側(cè)向約束剛度下，玄武巖纖維加固對(duì)柱承載力的提高及延性、耗能等結(jié)構(gòu)性能的改善都能夠達(dá)到，甚至超過碳纖維(CFRP)加固柱。河北建筑工程學(xué)院李志強(qiáng)等［6］等通過抗剪加固試驗(yàn)研究證實(shí)了采用玄武巖纖維對(duì)混凝土梁進(jìn)行加固能延緩斜裂縫的出現(xiàn)，約束斜裂縫的發(fā)展，從而提高梁的抗剪承載能力、剛度以及變形能力。同等條件下，該試驗(yàn)方案比采用碳纖維加固更加經(jīng)濟(jì)。麻建鎖等［7］采用玄武巖纖維布對(duì)6根混凝土偏壓柱進(jìn)行加固試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果表明，玄武巖纖維加固偏壓柱的極限承載能力和變形能力均得到了明顯提高。韓國的Sim［8］開展了10根玄武巖纖維布加固混凝土簡支梁四點(diǎn)加載破壞試驗(yàn)，并與同等工況下玻璃纖維布加固梁進(jìn)行了對(duì)比，發(fā)現(xiàn)玄武巖纖維布加固梁表現(xiàn)出更好的延性，破壞前有明顯征兆。華僑大學(xué)楊勇新等［9］通過2根玄武巖纖維布加固的鋼筋混凝土梁和1根普通鋼筋混凝土梁的彎曲疲勞性能試驗(yàn)分析研究，結(jié)果表明采用玄武巖纖維布加固后，梁的抗疲勞性能得到極大改善，粘貼1層和2層玄武巖纖維后，鋼筋混凝土梁的疲勞壽命分別提高了66%和235%;在纖維布與混凝土粘結(jié)可靠的情況下，若梁的配筋率不超過2.5%，加固梁發(fā)生疲勞斷裂破壞的可能性較大。

3 玄武巖纖維在橋梁工程中的應(yīng)用前景

我國目前鐵路運(yùn)營線路總長約70 000 km，橋梁總延長約2 400 km，其中，混凝土橋梁共計(jì)12萬余孔，占橋梁的90%以上。鐵路橋梁設(shè)計(jì)、施工規(guī)范已進(jìn)行了多次修訂，20世紀(jì)80年代以前我國修建的鐵路橋梁大多技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)偏低，導(dǎo)致早期梁體的預(yù)應(yīng)力度和抗裂性不能滿足現(xiàn)行規(guī)范的要求。此外，為了適應(yīng)市場經(jīng)濟(jì)而實(shí)現(xiàn)鐵路的扭虧為盈，鐵道部在“九五”、“十五”、“十一五”期間持續(xù)實(shí)施了提速戰(zhàn)略，分步驟把繁忙干線的旅客列車運(yùn)行速度由過去的60～80 km/h提高到200 km/h，致使對(duì)既有鐵路橋梁的要求逐漸提高。因此，如何對(duì)既有混凝土鐵路橋梁進(jìn)行提速加固、改造，以滿足列車安全運(yùn)行要求是目前亟待解決的問題［10］。

公路橋梁現(xiàn)狀也不容樂觀，資料顯示［11-12］:國內(nèi)早期建造的公路橋梁，特別是20世紀(jì)70，80年代建造的橋梁，設(shè)計(jì)荷載偏低，隨著城市建設(shè)和交通運(yùn)輸量的增加，行車密度及車輛載重的增大，滿足現(xiàn)行線路荷載設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的不足30%，存在缺陷需維修的占40%，很多橋梁屬于帶病工作，對(duì)公路運(yùn)輸安全構(gòu)成極大威脅。為適應(yīng)實(shí)際需要，交通部在2008年已頒布實(shí)施《公路橋梁加固施工技術(shù)規(guī)范》(JTG/T J23—2008)，《公路橋梁加固設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG/T J22—2008)，并將纖維復(fù)合材料作為其中一種加固材料。我國從1997年開始研究纖維增強(qiáng)材料加固混凝土結(jié)構(gòu)，并頒布實(shí)施《碳纖維片材加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(CECS146:2003)，《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)加固規(guī)程》(GB50367—2006)。

在已頒布的纖維片材加固規(guī)范中，主要指碳纖維、玻璃及芳綸纖維，未提及玄武巖纖維，在纖維復(fù)合材料中，鋼纖維在公路橋梁橋面鋪裝、機(jī)場跑道、鋼管混凝土中應(yīng)用更多。

如上所述，纖維復(fù)合材料在橋梁工程加固中已得到廣泛應(yīng)用［13-14］，而玄武巖纖維是100%礦物材料，在混凝土中不會(huì)組團(tuán)，施工方便;加之其取材方便，價(jià)格較其它纖維低廉，其在橋梁工程中的應(yīng)用前景不言而喻。

4 玄武巖纖維在橋梁工程中應(yīng)用需解決的問題

在纖維復(fù)合增強(qiáng)混凝土領(lǐng)域，國內(nèi)對(duì)玄武巖纖維混凝土的受力特性研究有待加強(qiáng)，對(duì)玄武巖纖維混凝土力學(xué)性能的研究才剛剛起步［15-16］;在玄武巖纖維片材加固既有結(jié)構(gòu)領(lǐng)域，更多的是在研究粘貼玄武巖纖維布后結(jié)構(gòu)的靜力性能，對(duì)采用玄武巖纖維加固后結(jié)構(gòu)的疲勞特性、耐久性等研究不足。

雖然國內(nèi)對(duì)玄武巖纖維混凝土復(fù)合材料及玄武巖纖維布加固既有結(jié)構(gòu)受力性能進(jìn)行了大量研究，但玄武巖纖維作為一種新型復(fù)合材料，無論在混凝土中作為摻合材料還是在加固中作為加勁材料，如應(yīng)用在實(shí)際橋梁結(jié)構(gòu)中，必須考慮橋梁結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，進(jìn)行大量的前期研究，目前宜先解決下述相關(guān)技術(shù)問題。

1)高等級(jí)玄武巖纖維混凝土的徐變特性

橋梁工程結(jié)構(gòu)中，預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)數(shù)量較多，上部結(jié)構(gòu)混凝土等級(jí)一般在C50以上，而混凝土的徐變對(duì)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的受力影響較大，因此，應(yīng)開展高等級(jí)玄武巖纖維混凝土徐變特性的相關(guān)技術(shù)研究，為玄武巖纖維應(yīng)用到橋梁結(jié)構(gòu)混凝土中提供技術(shù)支持。

2)玄武巖纖維混凝土應(yīng)用于高性能混凝土中相關(guān)問題

目前，在高速鐵路及大跨公路橋梁中，高性能混凝土應(yīng)用越來越廣泛，應(yīng)開展玄武巖纖維摻量對(duì)流動(dòng)性、和易性、抗?jié)B、塌落度損失等要求較高的高性能混凝土的性能影響研究，尤其是適用長、高距離泵送混凝土的性能研究，對(duì)玄武巖纖維混凝土在大體積現(xiàn)澆與鋼管混凝土等領(lǐng)域的應(yīng)用很有必要。

3)玄武巖纖維摻量對(duì)高等級(jí)混凝土抗彎沖擊性能影響

資料顯示［15］:摻加玄武巖纖維可提高C40混凝土的抗壓、抗折強(qiáng)度20%左右，且可提高混凝土延性指標(biāo)1倍以上，最佳摻量為2.0～2.5 kg/m3，超過此摻量以上指標(biāo)有下降趨勢，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)中C50以上混凝土和文獻(xiàn)［15］不同粗、細(xì)骨料下是否有相同的結(jié)論，有待大量的試驗(yàn)驗(yàn)證。

4)玄武巖纖維加固梁的受力性能研究

影響纖維材料加固效果的影響眾多，包括纖維布加固層數(shù)、加固間距、構(gòu)件表面處理方法、片材厚度、既有結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力水平等。從目前國內(nèi)有關(guān)文獻(xiàn)看，對(duì)此領(lǐng)域研究不夠，應(yīng)針對(duì)橋梁的荷載特點(diǎn)及使用情況，開展多參數(shù)的試驗(yàn)研究，并基于試驗(yàn)結(jié)果，找出影響玄武巖纖維加固效果的主要因素。同時(shí)，通過對(duì)比試驗(yàn)，系統(tǒng)掌握玄武巖纖維加固既有橋梁的受力性能。

5)玄武巖纖維加固梁的疲勞性能研究

橋梁結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)是承受動(dòng)荷載，對(duì)結(jié)構(gòu)疲勞性能要求較高，尤其是鐵路橋梁，動(dòng)活載所占比重較大，因此應(yīng)開展玄武巖纖維加固既有損傷梁的200萬次疲勞試驗(yàn)研究，驗(yàn)證玄武巖纖維加固梁的可靠性和抗疲勞性。因此，圍繞影響加固梁疲勞性能的主要因素開展試驗(yàn)研究，提出確保玄武巖纖維加固梁疲勞性能的構(gòu)造措施和方案，為既有橋梁的安全運(yùn)營和維護(hù)提供科學(xué)依據(jù)，具有極為重要的實(shí)際意義。

6)玄武巖纖維加固梁的耐久性研究

既有橋梁的使用環(huán)境復(fù)雜，如何確保既有橋梁加固后的耐久性是個(gè)十分重要的問題。根據(jù)橋梁使用環(huán)境的特點(diǎn)，開展高溫、低溫、水、紫外線、酸(堿)腐蝕等復(fù)雜環(huán)境下玄武巖纖維加固梁的耐久性試驗(yàn)，掌握其性能退化機(jī)理，對(duì)玄武巖纖維片材加固既有橋梁很有必要。

5 結(jié)語

玄武巖纖維是一種新型纖維材料，由于其取材廣泛、生產(chǎn)過程無污染、價(jià)格低廉、性能優(yōu)越，在橋梁工程結(jié)構(gòu)中應(yīng)用前景廣闊;但作為一種新型材料，要應(yīng)用到實(shí)際橋梁工程中，應(yīng)結(jié)合橋梁結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，開展相關(guān)技術(shù)研究。本文目的是想起到拋磚引玉的作用，以引起國內(nèi)橋梁工作者對(duì)于玄武巖纖維研究的重視，使這種新型、性能優(yōu)異的纖維材料能在我國橋梁建設(shè)中早日得到廣泛應(yīng)用。

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