玄武巖纖維在建筑工程領(lǐng)域的應(yīng)用探討

王曼華 黃安芳 莫炳強(qiáng)

目前我國現(xiàn)存的各種建(構(gòu))筑物的總面積至少在100億m2以上,其中絕大多數(shù)是混凝土及砌體結(jié)構(gòu),而且至少有50%以上已投入使用20年以上。這些既有結(jié)構(gòu)在使用過程中,由于自身老化、各種災(zāi)害和人為損壞等原因,使建筑物不斷產(chǎn)生各種結(jié)構(gòu)安全隱患;對(duì)一些新建成的工程項(xiàng)目,由于勘察、設(shè)計(jì)和施工過程中的技術(shù)和管理問題,導(dǎo)致工程在建成初期就出現(xiàn)各種質(zhì)量安全隱患;另外,相當(dāng)一部分既有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(fù),這給建筑加固修復(fù)業(yè)的發(fā)展,無疑提供了巨大的市場空間。在歐美發(fā)達(dá)國家中,目前用于建筑加固改造的投資已占國家建筑業(yè)總投資的1/2以上,美國勞工部門在20世紀(jì)末的一項(xiàng)產(chǎn)業(yè)預(yù)測報(bào)告中曾經(jīng)預(yù)言:建筑維修加固業(yè)將是21世紀(jì)最為熱門的行業(yè)之一[1,2]。

1 FRP加固法

混凝土結(jié)構(gòu)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(qiáng)材料加固法,預(yù)應(yīng)力加固法,增設(shè)支點(diǎn)加固法。相關(guān)技術(shù)包括托換技術(shù)、植筋技術(shù)、裂縫處理技術(shù)、結(jié)構(gòu)表面處理技術(shù)4大類。粘貼FRP加固法有以下優(yōu)點(diǎn):1)FRP有更好的抗腐蝕性能;2)FRP有較高的比強(qiáng)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(guān)費(fèi)用少;5)質(zhì)量較輕,使用較少的勞動(dòng)力,便于施工安裝,工作效率較高;6)可設(shè)計(jì)性和工藝性好;7)施工現(xiàn)場相關(guān)的障礙物幾乎無須拆除。由于其優(yōu)點(diǎn)多,效果明顯,在日美韓歐洲等國家和地區(qū)得到了大量的推廣,目前在加固修補(bǔ)技術(shù)領(lǐng)域已成為最廣泛使用的一項(xiàng)技術(shù),并已完全產(chǎn)業(yè)化[3,4]。目前,國內(nèi)外應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)加固的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料主要有碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(CFRP)、玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(GFRP)和芳綸纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(AFRP)。這些纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)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(gè)水平甚至可以達(dá)到鋼材的2倍。碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(CFRP)又以較高的抗拉強(qiáng)度和彈性模量而在三種主要纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中應(yīng)用最為普遍,而且其加固技術(shù)最為成熟[4,5]。

2 玄武巖纖維

連續(xù)玄武巖纖維(Continuous Basalt Fibre,簡稱CBF或BF),是一種無機(jī)纖維材料,是火山爆發(fā)形成的一種玻璃態(tài)的玄武巖礦石,經(jīng)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(tài)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(xué)組分不變[7]。20世紀(jì)90年代中期,南京玻璃纖維研究設(shè)計(jì)院最早在中國開始CBF的研究,專注于適合充當(dāng)隔熱材料的超細(xì)玄武巖纖維,主要用于戰(zhàn)斗機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)外殼等軍工用途,但目前仍然停留在實(shí)驗(yàn)室階段。2002年11月我國將“CBF及其復(fù)合材料”批準(zhǔn)列為國家863計(jì)劃(2002AA334110);2003年該863計(jì)劃成果與浙江民營企業(yè)對(duì)接成立了橫店集團(tuán)上海俄金玄武巖纖維有限公司。該公司經(jīng)過1年多的研究試驗(yàn),克服了氧化還原不好等技術(shù)難題,現(xiàn)已掌握了CBF生產(chǎn)所有工藝技術(shù)。2004年開始在上海實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化,目前技術(shù)已經(jīng)達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先水平,部分技術(shù)達(dá)到國際先進(jìn)水平和領(lǐng)先水平[7]。

3 玄武巖纖維復(fù)合材料的優(yōu)勢(shì)

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(chǎn)。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(qū)域:a.沿我國東部大陸邊緣,形成數(shù)以百計(jì)的火山群和火山錐,成為環(huán)太平洋火山鏈的一部分;b.位于青藏高原及周邊地區(qū)的火山群。玄武巖礦大多裸露易于開采,礦石的價(jià)格非常低廉,尤其是在國際市場碳纖維極度短缺、價(jià)格昂貴而且國內(nèi)碳纖維全部依賴進(jìn)口。

2)優(yōu)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(diǎn)為960℃),而玻璃纖維為-60℃～450℃。CBF在400℃下工作時(shí),其斷后強(qiáng)度能夠保持 85%;在600℃下工作時(shí),其斷后強(qiáng)度仍能夠保持80%的原始強(qiáng)度;如果CBF預(yù)先在780℃～820℃下進(jìn)行處理,還能在860℃下工作而不會(huì)出現(xiàn)收縮,即使耐溫性優(yōu)良的礦棉此時(shí)也只能保持50%～60%的強(qiáng)度,玻璃棉則完全破壞。碳纖維的抗氧化性較差,在300℃時(shí)有CO和CO2產(chǎn)生;纖維芳綸最高使用溫度也只有250℃。

3)較高的抗拉強(qiáng)度。加拿大Albarrie公司研制出的CBF的抗拉強(qiáng)度達(dá)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(dāng)。烏克蘭的玄武巖纖維公司生產(chǎn)的CBF的抗拉強(qiáng)度為3 000 MPa～3 500 MPa。國內(nèi)試驗(yàn)表明,目前國產(chǎn)BFRP片材的抗拉強(qiáng)度達(dá)到2 300 MPa左右,彈性模量達(dá)到105.6 GPa,其力學(xué)性能完全可滿足工程使用。在提高混凝土結(jié)構(gòu)的抗彎和抗剪性能上,雖在提高加固構(gòu)件的剛度上無CFRP效果好,但因?yàn)槠鋬?yōu)異的性價(jià)比仍然值得推廣使用。

4)優(yōu)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(qiáng)。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),CBF在飽和Ca(OH)2溶液以及在水泥等堿性介質(zhì)中耐久性比玻璃纖維好,能保持高度的穩(wěn)定性,可代替鋼筋用作混凝土建筑結(jié)構(gòu)的增強(qiáng)材料,制作橋梁等大型建筑的結(jié)構(gòu)件。利用CBF較高的抗拉強(qiáng)度和抗剪切強(qiáng)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(qiáng)領(lǐng)域的應(yīng)用已顯示出它獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和發(fā)展?jié)摿Α?/p>

4 結(jié)語

玄武巖纖維具有較好的耐高溫性能、較高的抗拉強(qiáng)度、優(yōu)異的延性及耐腐蝕性能。另外,國內(nèi)玄武巖礦產(chǎn)豐富,其發(fā)展也具有很好的政策優(yōu)勢(shì)。因此,玄武巖纖維在建筑工程加固領(lǐng)域有較好的應(yīng)用前景。

[1]宋中南.我國混凝土結(jié)構(gòu)加固修復(fù)業(yè)技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展對(duì)策[J].混凝土,2002(10):55-56.

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[8]劉福杰,王浩靜,范立東.PAN碳纖維在高溫石墨化過程中密度的變化規(guī)律[J].化工新型材料,2007,35(1):99-101.

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