王海良，常春偉，楊新磊，董 鵬，任權昌

(1.天津城市建設學院 土木工程系，天津 300384;2.解放軍軍事交通學院，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℃后強度均有下降，碳纖維和玻璃纖維強度下降得十分明顯，碳纖維約在300℃時就有CO和CO2產(chǎn)生，而玄武巖纖維在加熱到600℃后其強度保持率仍在90%以上;②具有較好的化學穩(wěn)定性和耐酸堿腐蝕性;③具有較好的力學性能，抗拉強度更高;④取材廣泛、價格低廉，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)時不添加其它成分，對健康和環(huán)境無害。

2 玄武巖纖維在結構工程中的研究現(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、德國等都加強了對CBF的研究。國內在20世紀90年代由南京玻璃纖維研究設計院最早開展CBF的研究，主要側重軍工用途，2002年11月我國將“CBF及其復合材料”批準列為863計劃，2003年成立橫店集團上海俄金玄武巖纖維有限公司。國內對CBF研究起步較晚，但在部分領域已達到國際領先水平。

隨著玄武巖纖維在結構工程應用的推廣，近年國內對玄武巖纖維應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構受力性能兩方面。在玄武巖纖維混凝土復合材料研究領域，沈陽建筑大學唐明等［4］為探索玄武巖纖維的增強效果，采用玄武巖纖維作為增強材料，探討了玄武巖纖維摻量、水膠比和灰砂比3個因素對7 d，28 d抗壓、抗折強度的影響規(guī)律，指出玄武巖纖維摻量對不同齡期的強度影響顯著，遠大于水膠比、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，無結團現(xiàn)象。

在玄武巖纖維加固既有結構受力特性研究領域，東南大學吳剛等［5］進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，在低周反復荷載下的對比試驗，證實了玄武巖纖維加固對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)，在相近側向約束剛度下，玄武巖纖維加固對柱承載力的提高及延性、耗能等結構性能的改善都能夠達到，甚至超過碳纖維(CFRP)加固柱。河北建筑工程學院李志強等［6］等通過抗剪加固試驗研究證實了采用玄武巖纖維對混凝土梁進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，該試驗方案比采用碳纖維加固更加經(jīng)濟。麻建鎖等［7］采用玄武巖纖維布對6根混凝土偏壓柱進行加固試驗研究，試驗結果表明，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加載破壞試驗，并與同等工況下玻璃纖維布加固梁進行了對比，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分析研究，結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用前景

我國目前鐵路運營線路總長約70 000 km，橋梁總延長約2 400 km，其中，混凝土橋梁共計12萬余孔，占橋梁的90%以上。鐵路橋梁設計、施工規(guī)范已進行了多次修訂，20世紀80年代以前我國修建的鐵路橋梁大多技術標準偏低，導致早期梁體的預應力度和抗裂性不能滿足現(xiàn)行規(guī)范的要求。此外，為了適應市場經(jīng)濟而實現(xiàn)鐵路的扭虧為盈，鐵道部在“九五”、“十五”、“十一五”期間持續(xù)實施了提速戰(zhàn)略，分步驟把繁忙干線的旅客列車運行速度由過去的60～80 km/h提高到200 km/h，致使對既有鐵路橋梁的要求逐漸提高。因此，如何對既有混凝土鐵路橋梁進行提速加固、改造，以滿足列車安全運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］:國內早期建造的公路橋梁，特別是20世紀70，80年代建造的橋梁，設計荷載偏低，隨著城市建設和交通運輸量的增加，行車密度及車輛載重的增大，滿足現(xiàn)行線路荷載設計標準的不足30%，存在缺陷需維修的占40%，很多橋梁屬于帶病工作，對公路運輸安全構成極大威脅。為適應實際需要，交通部在2008年已頒布實施《公路橋梁加固施工技術規(guī)范》(JTG/T J23—2008)，《公路橋梁加固設計規(guī)范》(JTG/T J22—2008)，并將纖維復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材料加固混凝土結構，并頒布實施《碳纖維片材加固混凝土結構技術規(guī)程》(CECS146:2003)，《混凝土結構設計加固規(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，在纖維復合材料中，鋼纖維在公路橋梁橋面鋪裝、機場跑道、鋼管混凝土中應用更多。

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

4 玄武巖纖維在橋梁工程中應用需解決的問題

在纖維復合增強混凝土領域，國內對玄武巖纖維混凝土的受力特性研究有待加強，對玄武巖纖維混凝土力學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構領域，更多的是在研究粘貼玄武巖纖維布后結構的靜力性能，對采用玄武巖纖維加固后結構的疲勞特性、耐久性等研究不足。

雖然國內對玄武巖纖維混凝土復合材料及玄武巖纖維布加固既有結構受力性能進行了大量研究，但玄武巖纖維作為一種新型復合材料，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，如應用在實際橋梁結構中，必須考慮橋梁結構受力特點，進行大量的前期研究，目前宜先解決下述相關技術問題。

1)高等級玄武巖纖維混凝土的徐變特性

橋梁工程結構中，預應力混凝土結構數(shù)量較多，上部結構混凝土等級一般在C50以上，而混凝土的徐變對預應力結構的受力影響較大，因此，應開展高等級玄武巖纖維混凝土徐變特性的相關技術研究，為玄武巖纖維應用到橋梁結構混凝土中提供技術支持。

2)玄武巖纖維混凝土應用于高性能混凝土中相關問題

目前，在高速鐵路及大跨公路橋梁中，高性能混凝土應用越來越廣泛，應開展玄武巖纖維摻量對流動性、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，對玄武巖纖維混凝土在大體積現(xiàn)澆與鋼管混凝土等領域的應用很有必要。

3)玄武巖纖維摻量對高等級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、抗折強度20%左右，且可提高混凝土延性指標1倍以上，最佳摻量為2.0～2.5 kg/m3，超過此摻量以上指標有下降趨勢，對橋梁結構中C50以上混凝土和文獻［15］不同粗、細骨料下是否有相同的結論，有待大量的試驗驗證。

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、構件表面處理方法、片材厚度、既有結構中的應力水平等。從目前國內有關文獻看，對此領域研究不夠，應針對橋梁的荷載特點及使用情況，開展多參數(shù)的試驗研究，并基于試驗結果，找出影響玄武巖纖維加固效果的主要因素。同時，通過對比試驗，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

橋梁結構受力特點是承受動荷載，對結構疲勞性能要求較高，尤其是鐵路橋梁，動活載所占比重較大，因此應開展玄武巖纖維加固既有損傷梁的200萬次疲勞試驗研究，驗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研究，提出確保玄武巖纖維加固梁疲勞性能的構造措施和方案，為既有橋梁的安全運營和維護提供科學依據(jù)，具有極為重要的實際意義。

6)玄武巖纖維加固梁的耐久性研究

既有橋梁的使用環(huán)境復雜，如何確保既有橋梁加固后的耐久性是個十分重要的問題。根據(jù)橋梁使用環(huán)境的特點，開展高溫、低溫、水、紫外線、酸(堿)腐蝕等復雜環(huán)境下玄武巖纖維加固梁的耐久性試驗，掌握其性能退化機理，對玄武巖纖維片材加固既有橋梁很有必要。

5 結語

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、價格低廉、性能優(yōu)越，在橋梁工程結構中應用前景廣闊;但作為一種新型材料，要應用到實際橋梁工程中，應結合橋梁結構特點，開展相關技術研究。本文目的是想起到拋磚引玉的作用，以引起國內橋梁工作者對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中早日得到廣泛應用。

［1］歐陽利軍，丁斌，陸洲導.玄武巖纖維及其在建筑結構加固中的應用研究進展［J］.玻璃鋼/復合材料，2010(30):84-85.

［2］王舜.玄武巖纖維性能與用途探討［J］.紡織科技進展，2010(1):40-41.

［3］武迪，邵式亮.玄武巖纖維混凝土的特性及應用［J］.路基工程，2010(2):37-38.

［4］唐明，楊歡.玄武巖纖維增強水泥基復合材料研究［J］.混凝土，2010(5):76-77.

［5］吳剛，魏洋，吳智深.玄武巖纖維與碳纖維加固混凝土矩形柱抗震性能比較研究［J］.工業(yè)建筑，2007，37(6):8-10.

［6］李志強，麻建鎖，白潤山.玄武巖纖維布提高鋼筋混凝土梁受剪承載能力試驗研究［J］.河北建筑工程學院學報，2008，26(3):7-8.

［7］麻建鎖，白潤山，郝勇.玄武巖纖維布加固混凝土偏壓柱試驗方法研究［J］.河北建筑工程學院學報，2008，26(3):1-4.

［8］SIM J.Static and dynamics analysis of strengthening effect of glass FRP for bridge deck plate［R］.Tech Res Report submitted to Hanzyan University，2001.

［9］楊勇新，陳緒軍，邢建英，等.玄武巖纖維布加固混凝土梁的抗彎疲勞性能試驗［J］.華僑大學學報(自然科學版)，2010，31(4):443-447.

［10］鄭希正.鐵路提速既有線簡支梁橋加固問題研究［J］.國防交通工程與技術，2007(2):7-9.

［11］劉策.橋梁現(xiàn)狀及養(yǎng)護管理［J］.交通世界，2007(6):129-130.

［12］潘言全，馮大鵬.國內橋梁的現(xiàn)狀與應解決的問題［J］.中國水運，2007(8):78-79.

［13］吳美琴，梁炯豐.預應力碳纖維布加固 RC梁試驗研究及有限元分析［J］.鐵道建筑，2009(6):9-11.

［14］彭全敏，白玉川，王海良.預應力碳纖維片材加固的橋梁使用階段應力分析初探［J］.鐵道建筑，2009(6):15-18.

［15］潘慧敏.玄武巖纖維混凝土力學性能的試驗研究［J］.硅酸鹽通報，2009(5):955-959.

［16］李為民，許金余，沈劉軍，等.玄武巖纖維混凝土的動態(tài)力學性能［J］.復合材料學報，2008(2):531-731.