纖維增強磷酸鎂水泥基復合材料在結構修補加固領域應用的展望

施志豪 支正東

（1.鹽城市華榮建設監理有限公司，江蘇 鹽城224400；2.鹽城工學院 土木工程學院，江蘇 鹽城224051）

0 前言

隨著我國大量的鋼筋混凝土結構不斷老化，修補與加固日益頻繁。纖維增強聚合物復合材料具有高比強度、高比模量、可設計性、可成型性、抗疲勞、耐腐蝕和對原結構影響較小等特點,已成為土木工程加固領域研究和應用的熱點。環氧樹脂類有機膠粘劑具有粘接強度高、耐介質性優、易于改性和易于施工等優點，成為纖維加固技術應用最多的膠粘劑； 但環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、耐火性優良、與舊混凝土粘結力好、價格低等優點，因此，采用無機膠凝材料作為基體,與纖維材料結合形成復合材料來加固鋼筋混凝土構件已成為結構加固領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構修補加固的研究現狀

目前已有一些將無機膠凝材料結合纖維用作修補加固鋼筋混凝土結構的研究，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）加固技術和鋼筋網增強砂漿加固技術的研究均在開展[1]，但硅酸鹽水泥基體存在的關鍵問題是其固有的收縮性，且與老混凝土粘結差，這與結構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強度高于硅酸鹽水泥，易于制成復合材料，與老混凝土的粘結強度高、相容性好,且防火耐高溫性能優于硅酸鹽水泥，用改性氯氧鎂水泥基纖維增強復合材料加固鋼筋混凝土結構的研究證實其有較好的力學性能和耐高溫性能[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，但目前國內對優選與優化地聚合物的組成材料、合成技術、活性激發技術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。

作為結構修補加固用膠凝材料,應滿足在各種環境條件下有較好的施工可操作性、硬化快和早期強度高、與老混凝土的粘結強度高和相容性好、較好的耐久性、防水、抗滲以及低收縮等要求，兼考慮價格和環保因素。美國Stephen Kurtz 等[3]人做了碳纖維與膠粘劑復合加固梁的對比試驗，結果顯示: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手段是纖維與金屬網，用鋼筋網增強硅酸鹽水泥復合材料加固混凝土結構的新技術，因諸多優點逐漸得到了工程加固領域的認可[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,可得到應變硬化特性的水泥基復合材料，該復合材料具有非常顯著的韌性和優良的耐久性，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合材料在結構設計中不能代替鋼筋承擔某個明確方向上的荷載作用，作為結構整體，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件應力主向布置，纖維對基體的增強效率大大提高，該復合材料具有良好的承載能力和韌性，但是織物增強復合材料受力開裂瞬間對應的承載力下降偏大，開裂處基體不能再傳遞荷載，不利于發揮織物纖維的極限承載力，構件剛度明顯下降[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勢互補可獲得更為優良的抗裂、裂縫控制能力以及更高的承載能力的復合材料[5]。

2 磷酸鎂水泥及以其為基體的纖維增強復合材料的特點

磷酸鎂水泥（MPC）是由燒結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反應及物理作用生成的以磷酸鹽水化物為黏結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、早期強度發展迅速、環境溫度適應性強、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點[6]。

MPC 基材料與老混凝土有較高的粘結強度，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物或未水化的熟料顆粒反應生成具有膠凝性的磷酸鈣產物，使粘結界面附近，除了物理粘結外，還存在很強的化學粘結作用；MPC 基材料硬化時收縮變形小,有較好的體積穩定性,同時還具有優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,使得硬化體內部結構密實。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合作用, 摻粉煤灰和無機鈣硅質細骨料的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 基復合材料的力學性能和耐久性均優于硅酸鹽水泥復合材料,摻適量的聚丙烯纖維或鋼纖維可使MPC 基砂漿表現出應變硬化特性和較高的彎曲韌性, 且在濕熱環境下仍保持較好的穩定性[8]；MPC 硬化體的pH 值小于10，對玻璃纖維不存在腐蝕現象[8]。

3 展望

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

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，設計出高延性短切纖維增強磷酸鎂水泥復合材料；將織物纖維與該復合材料基體分層疊放，使織物纖維沿構件應力主向布置，設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合材料，用復合材料修補、加固老混凝土構件，有望為混凝土結構加固技術提供新思路和開創混凝土結構加固技術研究的新領域。

［1］卜良桃,葉蓁,周子范,等.鋼筋網復合砂漿加固受彎足尺RC 梁二次受力試驗研究[J].建筑結構學報,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.碳纖維編織網增強超高韌性水泥基復合材料彎曲性能的試驗研究[J].土木工程學報,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].材料科學與工程學報,2010,28(1):31－35.