纖維增強磷酸鎂水泥基復(fù)合材料在結(jié)構(gòu)修補加固領(lǐng)域應(yīng)用的展望

施志豪 支正東

（1.鹽城市華榮建設(shè)監(jiān)理有限公司，江蘇 鹽城224400；2.鹽城工學(xué)院 土木工程學(xué)院，江蘇 鹽城224051）

0 前言

隨著我國大量的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)不斷老化，修補與加固日益頻繁。纖維增強聚合物復(fù)合材料具有高比強度、高比模量、可設(shè)計性、可成型性、抗疲勞、耐腐蝕和對原結(jié)構(gòu)影響較小等特點,已成為土木工程加固領(lǐng)域研究和應(yīng)用的熱點。環(huán)氧樹脂類有機膠粘劑具有粘接強度高、耐介質(zhì)性優(yōu)、易于改性和易于施工等優(yōu)點，成為纖維加固技術(shù)應(yīng)用最多的膠粘劑； 但環(huán)氧樹脂類有機膠粘劑存在受力變形量和徐變大、耐久性差、耐熱性不良、耐火性差、價格高與老混凝土的相容性差等弱點。無機膠凝材料一般具有耐久性好、耐火性優(yōu)良、與舊混凝土粘結(jié)力好、價格低等優(yōu)點，因此，采用無機膠凝材料作為基體,與纖維材料結(jié)合形成復(fù)合材料來加固鋼筋混凝土構(gòu)件已成為結(jié)構(gòu)加固領(lǐng)域的一個新的研究方向。

1 纖維增強無機膠凝材料用于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)修補加固的研究現(xiàn)狀

目前已有一些將無機膠凝材料結(jié)合纖維用作修補加固鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的研究，其中用得最多的是硅酸鹽水泥。硅酸鹽水泥價格低廉、貨源豐富、施工可操作性強、耐久性好且與老混凝土相容性好，是首選的無機膠凝材料。以硅酸鹽水泥為膠凝材料的織物增強混凝土（TRC）加固技術(shù)和鋼筋網(wǎng)增強砂漿加固技術(shù)的研究均在開展[1]，但硅酸鹽水泥基體存在的關(guān)鍵問題是其固有的收縮性，且與老混凝土粘結(jié)差，這與結(jié)構(gòu)修補用膠粘劑的最基本要求相矛盾。氯氧鎂水泥與纖維的粘結(jié)強度高于硅酸鹽水泥，易于制成復(fù)合材料，與老混凝土的粘結(jié)強度高、相容性好,且防火耐高溫性能優(yōu)于硅酸鹽水泥，用改性氯氧鎂水泥基纖維增強復(fù)合材料加固鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的研究證實其有較好的力學(xué)性能和耐高溫性能[2]，但其耐水性差和有氯離子存在，其耐久性有待進一步研究。地聚合物是一類新型的高性能無機聚合物材料，它與硅酸鹽水泥基材料相比具有高早強、無污染、收縮小和耐高溫等特點，用地聚合物替代有機膠用于CFRP 加固混凝土柱，其力學(xué)性能可達到與有機膠類似的效果，且耐高溫性能遠高于有機膠，但目前國內(nèi)對優(yōu)選與優(yōu)化地聚合物的組成材料、合成技術(shù)、活性激發(fā)技術(shù)方面還有待進一步開展，且地聚合物基材料的耐久性有待進一步研究。

作為結(jié)構(gòu)修補加固用膠凝材料,應(yīng)滿足在各種環(huán)境條件下有較好的施工可操作性、硬化快和早期強度高、與老混凝土的粘結(jié)強度高和相容性好、較好的耐久性、防水、抗?jié)B以及低收縮等要求，兼考慮價格和環(huán)保因素。美國Stephen Kurtz 等[3]人做了碳纖維與膠粘劑復(fù)合加固梁的對比試驗，結(jié)果顯示:在增加承載力和剛度方面，無機膠和有機膠的效果相近,但無機膠加固梁的破壞撓度比有機膠加固梁少25%,可見無機膠的脆性較大，需要通過適當措施加以改善。改善無機脆性基材料的主要技術(shù)手段是纖維與金屬網(wǎng)，用鋼筋網(wǎng)增強硅酸鹽水泥復(fù)合材料加固混凝土結(jié)構(gòu)的新技術(shù)，因諸多優(yōu)點逐漸得到了工程加固領(lǐng)域的認可[1]，但仍存在鋼筋自重大和容易銹蝕等問題；用纖維增強、增韌無機脆性材料近幾年成為研究熱點，用聚乙烯醇短纖維增強脆性無機基體材料,可得到應(yīng)變硬化特性的水泥基復(fù)合材料，該復(fù)合材料具有非常顯著的韌性和優(yōu)良的耐久性，用其來修補和加固受損的建筑物是大有前途的[4]。但是短纖維增強脆性基復(fù)合材料在結(jié)構(gòu)設(shè)計中不能代替鋼筋承擔(dān)某個明確方向上的荷載作用，作為結(jié)構(gòu)整體，其抗拉和抗折性能有局限性；用織物纖維增強無機脆性材料，織物纖維粗紗能沿構(gòu)件應(yīng)力主向布置，纖維對基體的增強效率大大提高，該復(fù)合材料具有良好的承載能力和韌性，但是織物增強復(fù)合材料受力開裂瞬間對應(yīng)的承載力下降偏大，開裂處基體不能再傳遞荷載，不利于發(fā)揮織物纖維的極限承載力，構(gòu)件剛度明顯下降[5]；已有部分用混雜纖維（短纖維與織物纖維）增強無機脆性基體材料的研究，證實利用兩種纖維的優(yōu)勢互補可獲得更為優(yōu)良的抗裂、裂縫控制能力以及更高的承載能力的復(fù)合材料[5]。

2 磷酸鎂水泥及以其為基體的纖維增強復(fù)合材料的特點

磷酸鎂水泥（MPC）是由燒結(jié)氧化鎂與可溶性磷酸鹽、外加劑以及礦物摻合料按照一定比例，在酸性條件下通過酸堿化學(xué)反應(yīng)及物理作用生成的以磷酸鹽水化物為黏結(jié)相的新型無機膠凝材料，與其他無機膠凝材料比較,它具有硬化快、早期強度發(fā)展迅速、環(huán)境溫度適應(yīng)性強、體積變形小、與老混凝土相容性好和粘接強度高、抗凍性和抗鹽凍剝蝕性能高、護筋性好以及耐高溫等優(yōu)點[6]。

MPC 基材料與老混凝土有較高的粘結(jié)強度，這是因為MPC 中的磷酸鹽能與普通硅酸鹽水泥混凝土中的水化產(chǎn)物或未水化的熟料顆粒反應(yīng)生成具有膠凝性的磷酸鈣產(chǎn)物，使粘結(jié)界面附近，除了物理粘結(jié)外，還存在很強的化學(xué)粘結(jié)作用；MPC 基材料硬化時收縮變形小,有較好的體積穩(wěn)定性,同時還具有優(yōu)良的抗凍性和抗鹽凍剝蝕性能,這均緣于該水泥的需水量很小,使得硬化體內(nèi)部結(jié)構(gòu)密實。由于MPC 中的磷酸鹽會與鈣、硅和鋁類氧化物玻璃相反應(yīng)生成具有較高密實度和強度的無定形水化物,MPC 與富含鈣、 硅和鋁元素的無機摻合料和無機骨料有較好的界面結(jié)合作用, 摻粉煤灰和無機鈣硅質(zhì)細骨料的MPC砂漿的抗折強度遠高于硅酸鹽水泥砂漿的抗折強度。

目前已有少量以MPC 為基體的纖維增強復(fù)合材料的研究成果：摻適量鋼纖維可有效改善MPC 基材料的韌性并保持好的耐久性[7]；與硅酸鹽水泥基材料比較,MPC 基材料與纖維有更好的粘接強度和相容性,由玻璃纖維、聚丙烯纖維和鋼纖維增強的MPC 基復(fù)合材料的力學(xué)性能和耐久性均優(yōu)于硅酸鹽水泥復(fù)合材料,摻適量的聚丙烯纖維或鋼纖維可使MPC 基砂漿表現(xiàn)出應(yīng)變硬化特性和較高的彎曲韌性, 且在濕熱環(huán)境下仍保持較好的穩(wěn)定性[8]；MPC 硬化體的pH 值小于10，對玻璃纖維不存在腐蝕現(xiàn)象[8]。

3 展望

長久以來限制MPC 研究和應(yīng)用發(fā)展的主要原因是MPC 漿體的快凝特性，MPC 漿體在200C 以上環(huán)境溫度時在幾分鐘內(nèi)就會迅速凝結(jié)硬化，施工可操作性差。但楊建明等[9]已研制出可有效調(diào)節(jié)MPC 的早期水化速度、凝結(jié)時間和改善漿體的流動性的復(fù)合外加劑，摻復(fù)合外加劑的MPC 在環(huán)境環(huán)境溫度較高時(夏季)仍可保持足夠的施工操作時間,且力學(xué)性能基本不受影響。

基于磷酸鎂水泥以上特點以及近年來的研究成果，通過摻高彈模短切纖維改善其脆性，設(shè)計出高延性短切纖維增強磷酸鎂水泥復(fù)合材料；將織物纖維與該復(fù)合材料基體分層疊放，使織物纖維沿構(gòu)件應(yīng)力主向布置，設(shè)計出具有良好的承載能力和韌性的混雜纖維增強磷酸鎂水泥復(fù)合材料，用復(fù)合材料修補、加固老混凝土構(gòu)件，有望為混凝土結(jié)構(gòu)加固技術(shù)提供新思路和開創(chuàng)混凝土結(jié)構(gòu)加固技術(shù)研究的新領(lǐng)域。

［1］卜良桃,葉蓁,周子范,等.鋼筋網(wǎng)復(fù)合砂漿加固受彎足尺RC 梁二次受力試驗研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報,2006,27(5):93－100.

［2］陳忠范,萬黎黎,李建龍,等.無機膠粘纖維布加固鋼筋混凝土梁高溫性能研究[J].四川建筑科學(xué)研究,2007,12:169－173.

［3］Stephen Kurtz,Associate Member, ASCE, and P Balaguru, Member, ASCE；Comparison of Inogranic and Organic Matrices for Strengthening of RC Beams withCarbon Sheets； Journal of Strucural Engineering 2001.1[J]

［4］Mechtcherine, V., ed., 2005, Ultra－ductile concrete with short fibres—Development, Testing, Applications[J]. ibidem－Verlag, Stuttgart.

［5］徐世烺,李慶華,李賀東.碳纖維編織網(wǎng)增強超高韌性水泥基復(fù)合材料彎曲性能的試驗研究[J].土木工程學(xué)報,2007,40(12):69－75.

［6］Yang Quan bing, WuXueli. Factors Influencing Properties of Phosphate Cementbased Binder for Rapid Repair of Concrete[J]. Cement and Concrete Research, 1999,29(3):389－396.

［7］P.Frantzis,R.Baggott.Bond betweed reinforcing steel fibres and magnesium phosphate/calcium aluminate binders[J].Cement and Concrete Research,2000,22:187－192.

［8］Jean Pera,Jean Ambroise. Fiber－reinforced Magnesia－phosphate Cement Composites for Rapid Repair[J].Cement and Concrete Composites.1998,20:31－39.

［9］楊建明,錢春香,焦寶祥,等.緩凝劑硼砂對磷酸鎂水泥水化硬化特性的影響[J].材料科學(xué)與工程學(xué)報,2010,28(1):31－35.