玄武巖纖維在建筑工程領域的應用探討

王曼華 黃安芳 莫炳強

目前我國現存的各種建(構)筑物的總面積至少在100億m2以上,其中絕大多數是混凝土及砌體結構,而且至少有50%以上已投入使用20年以上。這些既有結構在使用過程中,由于自身老化、各種災害和人為損壞等原因,使建筑物不斷產生各種結構安全隱患;對一些新建成的工程項目,由于勘察、設計和施工過程中的技術和管理問題,導致工程在建成初期就出現各種質量安全隱患;另外,相當一部分既有結構設計在功能上不能滿足目前使用的需要。為此,國家每年要投入大量資金用于各種建筑加固修復,這給建筑加固修復業的發展,無疑提供了巨大的市場空間。在歐美發達國家中,目前用于建筑加固改造的投資已占國家建筑業總投資的1/2以上,美國勞工部門在20世紀末的一項產業預測報告中曾經預言:建筑維修加固業將是21世紀最為熱門的行業之一[1,2]。

1 FRP加固法

混凝土結構常用加固方法主要有:加大截面加固法,外包鋼加固法,外部粘鋼加固法,粘貼纖維增強材料加固法,預應力加固法,增設支點加固法。相關技術包括托換技術、植筋技術、裂縫處理技術、結構表面處理技術4大類。粘貼FRP加固法有以下優點:1)FRP有更好的抗腐蝕性能;2)FRP有較高的比強度、比剛度;3)FRP有較好的抗疲勞性能;4)施工過程和加固后相關費用少;5)質量較輕,使用較少的勞動力,便于施工安裝,工作效率較高;6)可設計性和工藝性好;7)施工現場相關的障礙物幾乎無須拆除。由于其優點多,效果明顯,在日美韓歐洲等國家和地區得到了大量的推廣,目前在加固修補技術領域已成為最廣泛使用的一項技術,并已完全產業化[3,4]。目前,國內外應用于建筑結構加固的纖維增強復合材料主要有碳纖維增強復合材料(CFRP)、玻璃纖維增強復合材料(GFRP)和芳綸纖維增強復合材料(AFRP)。這些纖維增強復合材料的抗拉強度是普通鋼材的8倍～10倍,密度約為鋼材的1/5,而且彈性模量與鋼材處于同一個水平甚至可以達到鋼材的2倍。碳纖維增強復合材料(CFRP)又以較高的抗拉強度和彈性模量而在三種主要纖維增強復合材料中應用最為普遍,而且其加固技術最為成熟[4,5]。

2 玄武巖纖維

連續玄武巖纖維(Continuous Basalt Fibre,簡稱CBF或BF),是一種無機纖維材料,是火山爆發形成的一種玻璃態的玄武巖礦石,經高溫熔融后快速拉制而成的纖維,其外觀為深棕色,色澤與碳纖維十分相似。玄武巖礦石本身就是一種玻璃態礦石,完全可以用這種單一的玄武巖礦石熔融后拉絲而成纖維,成纖后其他化學組分不變[7]。20世紀90年代中期,南京玻璃纖維研究設計院最早在中國開始CBF的研究,專注于適合充當隔熱材料的超細玄武巖纖維,主要用于戰斗機的發動機外殼等軍工用途,但目前仍然停留在實驗室階段。2002年11月我國將“CBF及其復合材料”批準列為國家863計劃(2002AA334110);2003年該863計劃成果與浙江民營企業對接成立了橫店集團上海俄金玄武巖纖維有限公司。該公司經過1年多的研究試驗,克服了氧化還原不好等技術難題,現已掌握了CBF生產所有工藝技術。2004年開始在上海實現產業化,目前技術已經達到國內領先水平,部分技術達到國際先進水平和領先水平[7]。

3 玄武巖纖維復合材料的優勢

1)玄武巖纖維成本較低[9]。玄武巖是一種火山噴出巖,是地球上貯藏量最大,分布面非常廣的礦產。我國火山和火山巖分布廣泛,按照地理位置,可劃分為兩大區域:a.沿我國東部大陸邊緣,形成數以百計的火山群和火山錐,成為環太平洋火山鏈的一部分;b.位于青藏高原及周邊地區的火山群。玄武巖礦大多裸露易于開采,礦石的價格非常低廉,尤其是在國際市場碳纖維極度短缺、價格昂貴而且國內碳纖維全部依賴進口。

2)優異的耐溫和耐濕熱老化性能。CBF的使用溫度范圍為:-269℃～700℃(軟化點為960℃),而玻璃纖維為-60℃～450℃。CBF在400℃下工作時,其斷后強度能夠保持 85%;在600℃下工作時,其斷后強度仍能夠保持80%的原始強度;如果CBF預先在780℃～820℃下進行處理,還能在860℃下工作而不會出現收縮,即使耐溫性優良的礦棉此時也只能保持50%～60%的強度,玻璃棉則完全破壞。碳纖維的抗氧化性較差,在300℃時有CO和CO2產生;纖維芳綸最高使用溫度也只有250℃。

3)較高的抗拉強度。加拿大Albarrie公司研制出的CBF的抗拉強度達到4 800 MPa,比大絲束碳纖維、芳綸、PBI纖維、鋼纖維、硼纖維、氧化鋁纖維都要高,與S玻璃纖維相當。烏克蘭的玄武巖纖維公司生產的CBF的抗拉強度為3 000 MPa～3 500 MPa。國內試驗表明,目前國產BFRP片材的抗拉強度達到2 300 MPa左右,彈性模量達到105.6 GPa,其力學性能完全可滿足工程使用。在提高混凝土結構的抗彎和抗剪性能上,雖在提高加固構件的剛度上無CFRP效果好,但因為其優異的性價比仍然值得推廣使用。

4)優異的耐堿性能。與硅酸鹽的天然相容性,且以同屬硅酸鹽的火山噴出巖為原料制成的CBF,耐酸堿性強。試驗發現,CBF在飽和Ca(OH)2溶液以及在水泥等堿性介質中耐久性比玻璃纖維好,能保持高度的穩定性,可代替鋼筋用作混凝土建筑結構的增強材料,制作橋梁等大型建筑的結構件。利用CBF較高的抗拉強度和抗剪切強度這一特性,加上CBF具有天性的與水泥、混凝土的親和力和耐堿性,在建筑增強領域的應用已顯示出它獨特的優勢和發展潛力。

4 結語

玄武巖纖維具有較好的耐高溫性能、較高的抗拉強度、優異的延性及耐腐蝕性能。另外,國內玄武巖礦產豐富,其發展也具有很好的政策優勢。因此,玄武巖纖維在建筑工程加固領域有較好的應用前景。

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[9]楊勇新,李洪安,于忠生.連續玄武巖纖維的工業化生產[J].工業建筑,2007,37(6):331-333.