吳智深

(玄武巖纖維生產(chǎn)及應用技術(shù)國家地方聯(lián)合工程研究中心，江蘇 南京 210096）

0 引言

隨著改革開放、城鎮(zhèn)化發(fā)展及 “十三五”規(guī)劃戰(zhàn)略的實施，我國基礎(chǔ)設施（大跨建筑、橋梁、隧道）發(fā)展迅速，體量、數(shù)量均居世界首位。但隨著基礎(chǔ)設施服役時間的推進，國內(nèi)外工程結(jié)構(gòu)逐漸暴露出壽命短、自重大、災后可修復能力差、后期維護費用高等嚴峻的安全問題。美國土木工程師學會提出2025年實現(xiàn)全壽命周期成本減半的行動綱領(lǐng)，其關(guān)鍵是實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的長壽命化設計 （100～300年壽命）。傳統(tǒng)的建筑材料（鋼材、混凝土等）存在耐腐蝕性能差，自重大等問題，具有輕質(zhì)、高強、耐腐蝕及耐疲勞性能優(yōu)異的纖維及其復合材料，是實現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)長壽命、輕量化、耐腐蝕、全壽命周期成本低的理想材料[1]。

纖維增強復合材料（Fiber Reinforced Polymer,FRP）是由兩種或兩種以上不同性能的材料通過復合手段而形成，纖維作為增強體一般包括碳纖維、芳綸纖維、玻璃纖維、玄武巖纖維等。目前，以碳纖維為代表的復合材料在加固和增強既有結(jié)構(gòu)中成為加固材料的主流且在新建建筑中也有應用。但CFRP作為土木工程材料存在價格高、生產(chǎn)工藝控制水平不高、原絲關(guān)鍵制備技術(shù)未能掌握及與傳統(tǒng)建筑材料兼容性差等核心問題。芳綸纖維雖然強度高，但蠕變率大，價格貴，也不宜作為建筑材料。玻璃纖維雖然價格低，但蠕變、耐腐蝕性能較差，限制其在建筑領(lǐng)域應用[2]。而玄武巖纖維是一種無污染、可重復利用的“綠色工業(yè)原材料”，能耗是碳纖維的1/16，價格是碳纖維的1/6，蠕變率僅為芳綸纖維的1/4，耐腐蝕性優(yōu)于玻璃纖維[3]，力學性能指標超過通用玻璃纖維30%以上，具有高抗拉強度、耐高溫、耐腐蝕、絕熱隔音等優(yōu)異性能，被認為是建筑材料中性價比高的纖維材料。近年來，短切玄武巖纖維及連續(xù)纖維增強復合材料制品 （筋材/連接件、索材、網(wǎng)格、型材等）作為結(jié)構(gòu)材料和功能材料（地暖板、吸聲板等）在建材中得到廣泛應用[4]，且用量已超過碳纖維。所以，未來建材用纖維材料的發(fā)展方向是以綜合高性能的玄武巖纖維為主，根據(jù)結(jié)構(gòu)應用要求，混雜碳纖維等多種纖維以滿足建材需求，發(fā)揮最佳性價比優(yōu)勢。

1 高性能玄武巖纖維及其復合材料

連續(xù)玄武巖纖維是以天然火山巖為原料經(jīng)1 500℃高溫熔融后快速拉制而成的連續(xù)纖維，連續(xù)玄武巖纖維屬于非金屬的無機纖維，生產(chǎn)過程幾乎無“三廢”產(chǎn)生，被稱為21世紀無污染的“綠色工業(yè)原材料”。以玄武巖纖維為增強體的復合材料強度、剛度及耐久性性能優(yōu)異，可替代玻璃纖維作為建筑材料應用到建筑結(jié)構(gòu)中。

1.1 玄武巖纖維產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

連續(xù)玄武巖纖維與碳纖維、芳綸纖維、高分子量聚乙烯纖維并稱我國四大高技術(shù)纖維。雖然起步晚于其它三種高技術(shù)纖維，但由于連續(xù)玄武巖纖維性價比高，應用領(lǐng)域廣，國內(nèi)外對其寄予厚望，不斷投入研發(fā)，推動玄武巖產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。我國礦藏資源豐富，分布范圍廣泛，可為玄武巖纖維產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供充足的原材料。自我國玄武巖纖維產(chǎn)業(yè)發(fā)展之初（21世紀初），東南大學就聯(lián)合浙江石金玄武巖纖維有限公司率先在玄武巖纖維原絲生產(chǎn)技術(shù)和應用技術(shù)方面進行了基礎(chǔ)性研究，至今我國在高性能玄武巖纖維生產(chǎn)技術(shù)等方面已取得了不少先進成果。目前，世界玄武巖纖維年產(chǎn)量已達5萬t，而我國玄武巖纖維的年產(chǎn)量就占一半左右規(guī)模。

國家相關(guān)部委以及有關(guān)地方政府不斷加大研發(fā)投入，致力于發(fā)展玄武巖纖維高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)，推動其在建筑材料領(lǐng)域中的應用?！丁粗袊圃?025〉重點領(lǐng)域技術(shù)路線圖》提出，將玄武巖纖維列入關(guān)鍵戰(zhàn)略材料中的高性能纖維及復合材料進行重點發(fā)展。國家科技部《“十三五”材料領(lǐng)域科技創(chuàng)新專項規(guī)劃》將玄武巖纖維列為先進結(jié)構(gòu)與復合材料的重點支撐材料。工信部網(wǎng)站公布的《重點新材料首批次應用示范指導目錄（2017年版）》，將玄武巖纖維列入關(guān)鍵戰(zhàn)略材料。

1.2 玄武巖纖維高性能化

玄武巖纖維在穩(wěn)定規(guī)?；?、量產(chǎn)化、高端化、特種化方面取得了長足進展，綜合性能好。①力學強度高，單絲強度穩(wěn)定在3 000～4 840 MPa，可達到碳纖維T300水平；彈性模量為91～110 GPa。②重量輕，密度一般為2.6～2.8 g/cm3，是鋼材的1/4。③蠕變性能優(yōu)良，蠕變斷裂應力為0.55 fu（fu為靜力拉伸強度），略低于碳纖維（0.71），超過芳綸纖維（0.5），遠高于玻璃纖維（0.29）。④耐疲勞性能好，疲勞強度可以達到0.6 fu以上。⑤耐化學腐蝕性能好，耐酸、堿腐蝕，耐堿纖維的強度保留率高于80%。⑥耐高低溫，使用溫度范圍為-269～700℃，遠高于碳纖維、芳綸纖維、巖棉。⑦熱、聲、電絕緣性能好，透波性和吸波性優(yōu)良，與水泥、混凝土等硅酸鹽材料具有天然的相容性，可廣泛用于土建交通、能源環(huán)保、汽車船舶、航空航天、石油化工以及武器裝備等領(lǐng)域。此外，高性能玄武巖纖維各項力學指標超過通用的玻璃纖維，在多方面可代替普通的碳纖維，其耐高溫性能甚至可達到或超過碳纖維；強度、剛度及各項耐久性能也達到或超過芳綸纖維，性價比將高于任何一種纖維材料[2]。

近年來，隨著連續(xù)玄武巖纖維生產(chǎn)和應用技術(shù)的發(fā)展和復合材料對高性能連續(xù)玄武巖纖維需求的增長，玄武巖纖維的穩(wěn)定化、規(guī)?；?、高性能化及高端化技術(shù)取得重大突破。①穩(wěn)定化技術(shù)：玄武巖多元均配混配技術(shù)體系的提出及應用，實現(xiàn)了原料和生產(chǎn)工藝的穩(wěn)定，同時奠定了高性能玄武巖纖維生產(chǎn)的理論與工藝基礎(chǔ)[5]；②量產(chǎn)化技術(shù)：長壽命大池窯（一爐帶8～16塊漏板）和漏板技術(shù)（1 200孔以上）的開發(fā)，突破了年產(chǎn)1 000 t以上的規(guī)?；a(chǎn)能力；③高性能化和高端化技術(shù)：開發(fā)了高強度、耐高溫、耐堿玄武巖纖維，實現(xiàn)高強度纖維的新生態(tài)單絲強度大于4 000 MPa，模量高于110 GPa；針對玄武巖耐堿性能較弱的特點，開發(fā)了耐堿玄武巖纖維，強度保留率高于80%；耐高溫纖維的耐溫性達800℃[6]。

1.3 高性能玄武巖纖維復合材料

為實現(xiàn)玄武巖纖維及其復合材料在建筑結(jié)構(gòu)中的應用，制備形成了一系列的綜合基本力學性能高的FRP制品，如玄武巖纖維布、BFRP筋材、BFRP網(wǎng)格、BFRP型材及BFRP拉索、智能筋材等20多種制品，如圖1所示。建材領(lǐng)域中玄武巖纖維復合材料可作為結(jié)構(gòu)產(chǎn)品和功能產(chǎn)品開展應用，其特點有：比強度高，可作為建筑結(jié)構(gòu)的加固增強材料及實現(xiàn)全FRP結(jié)構(gòu)的輕量化。耐腐蝕性能優(yōu)越，利用BFRP建造的結(jié)構(gòu)在沿海地區(qū)的服役壽命可以達到100年以上。耐疲勞性能優(yōu)越，可作為承受動荷載的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，有效提高結(jié)構(gòu)的疲勞壽命。可設計性強，F(xiàn)RP纖維種類多且性能各有特點，可以通過混雜/復合設計實現(xiàn)不同工程結(jié)構(gòu)要求。如：玄武巖纖維疲勞強度0.55 fu，通過混雜，疲勞極限應力比可提升至70%，但玻纖無此效應。多功能性，無磁性能、吸波性能、低傳導系數(shù)等，可作為功能材料（地暖板、保溫墻連接件等）用于非結(jié)構(gòu)構(gòu)件中。

圖1 多種FRP制品

2 高性能纖維及復合材料在建筑工程中的創(chuàng)新應用

通過材料創(chuàng)新、技術(shù)創(chuàng)新以及理論創(chuàng)新，形成標準化研究成果，逐步推進高性能玄武巖纖維及其復合材料作為建筑材料在工程中的創(chuàng)新應用。一方面，F(xiàn)RP作為結(jié)構(gòu)材料加固結(jié)構(gòu)和增強工程體系；另一方面，作為功能材料等應用到非結(jié)構(gòu)構(gòu)件中。

2.1 在建筑結(jié)構(gòu)中的重點應用

（1）BFRP 筋材

FRP筋材具有抗拉強度高、重量輕、無磁性、耐腐蝕性能好、抗疲勞性能好、熱膨脹系數(shù)與混凝土接近等特點，可代鋼筋從根本上解決混凝土結(jié)構(gòu)耐久性不足的問題。CFRP筋抗拉強度高達1 500～2 500 MPa，但成本高，很難作為建筑材料。與GFRP筋材相比，BFRP筋抗拉強度可達到1 000～1 800 MPa，是普通GFRP筋材強度的1.5倍左右，彈性模量也略高；BFRP筋具有較好的耐堿和耐鹽腐蝕性能。研究表明：GFRP筋在常溫下的干燥混凝土中腐蝕140 d后，強度保留率為80%左右，而相同環(huán)境下BFRP筋強度保留率高達99%；在20～60℃的海水環(huán)境下進行72 d的干濕循環(huán)后，GFRP筋的強度損失達14%，而BFRP筋的強度保留率高達91%[7]。利用BFRP筋優(yōu)異的耐久性能，筆者的團隊采用全BFRP筋增強海水海砂混凝土，解決了傳統(tǒng)沿海建筑結(jié)構(gòu)施工過程中材料運費高、內(nèi)部鋼筋易受氯離子侵蝕的問題。然而，單純地采用BFRP筋對混凝土結(jié)構(gòu)進行增強會造成延性和剛度不足等問題。為解決這一問題，筆者的團隊開發(fā)了混合配置BFRP筋-鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，將表面有特殊肋紋的BFRP筋布置在鋼筋的外側(cè)，利用BFRP筋優(yōu)于鋼筋的粘結(jié)性能（圖2），延緩裂縫開展，使腐蝕介質(zhì)難以滲透到內(nèi)部鋼筋的表面（圖3）；并且由于配置了鋼筋，結(jié)構(gòu)的延性和剛度也得到了顯著提升。另外，由于BFRP筋與混凝土之間穩(wěn)定的粘結(jié)滑移性能，BFRP筋-鋼筋混配結(jié)構(gòu)還可實現(xiàn)結(jié)構(gòu)二次剛度，使結(jié)構(gòu)具有傳統(tǒng)鋼筋混凝土不具備的抗倒塌、損傷可控可恢復性能（圖4）[8]。典型應用實例有高耐腐玄武巖纖維筋在南海三沙市某島礁中結(jié)構(gòu)示范應用，結(jié)構(gòu)綜合造價增加不超過20%，無需維護管理，使用壽命大于50年。

圖2 BFRP筋與鋼筋在混凝土中的粘結(jié)-滑移對比

圖3 BFRP筋-鋼筋混配結(jié)構(gòu)提高耐久性機理

圖4 BFRP筋-鋼筋混配損傷可控結(jié)構(gòu)荷載-位移曲線

針對熱固性BFRP筋在施工現(xiàn)場無法二次加工、箍筋/異形筋需預制等問題，筆者團隊開展了熱塑性BFRP筋材的研發(fā)，首創(chuàng)復合筋彎折技術(shù)（圖5），且彎折處強度降低率小于30%，極大方便現(xiàn)場施工，且耐堿腐蝕及疲勞性能較熱固FRP筋材有一定的提升[9]。

（2）預應力 BFRP筋材

針對重載/大跨結(jié)構(gòu)加固效果不足，F(xiàn)RP高性能得不到充分發(fā)揮的瓶頸，團隊研發(fā)的預應力FRP筋材是實現(xiàn)結(jié)構(gòu)大跨度、輕量化的重要建筑材料。GFRP筋蠕變斷裂應力過低（＜0.3 fu）不適合用作預應力筋，而BFRP蠕變斷裂應力為0.55 fu，與AFRP筋材相當，略低于CFRP筋材（0.7 fu）。其次，BFRP筋在0.5 fu初始應力下的百萬小時松弛率為6.7%，介于CFRP和AFRP筋之間。BFRP筋在0.6 fu的最大荷載及0.05 fu應力幅下能夠保持200萬次疲勞循環(huán)荷載下不發(fā)生破壞；而AFRP筋材在應力幅為0.025 fu的情況下，其疲勞強度僅為0.5 fu[10]。故蠕變和疲勞性能優(yōu)異的BFRP作為預應力筋材是實現(xiàn)結(jié)構(gòu)大跨度、輕量化的重要建筑材料，具有不可比擬的優(yōu)勢。針對傳統(tǒng)粘結(jié)型錨具蠕變大、傳統(tǒng)鋼夾片錨具切口效應的問題，筆者的團隊開發(fā)了BFRP同源材料夾片錨固方法（圖6），有效地減緩了錨固區(qū)的應力集中，并基于BFRP筋的蠕變斷裂應力，確定了預應力筋的張拉控制應力。另外，BFRP體外預應力筋有效提升了結(jié)構(gòu)剛度、開裂及屈服荷載，并且所開發(fā)的同源材料夾片錨具在結(jié)構(gòu)極限荷載和正常使用長期荷載下不會發(fā)生任何形式的破壞，端部滑移量很小[11-12]。針對預應力BFRP筋嵌入式加固結(jié)構(gòu)開發(fā)了成套的張拉錨固裝置（圖7，8），尤其是針對外嵌式加固，提出了聚酯砂漿（PCM）澆筑成型后的預應力筋張拉、灌膠、包裹FRP布的工藝，有效解決了內(nèi)嵌式方法中存在的端部應力集中問題。除了BFRP筋，筆者團隊還針對預應力BFRP布開發(fā)了分層錨固和分布張拉錨固兩種方法以降低端部應力集中問題。

圖5 熱塑性FRP筋材彎折

圖7 內(nèi)嵌入式BFRP筋加固關(guān)鍵技術(shù)

圖8 外嵌入式BFRP筋加固關(guān)鍵技術(shù)

（3）BFRP 網(wǎng)格

針對纖維布/板條粘貼技術(shù)在抗剝離、抗火、耐久性等方面的不足，并很難適用水下結(jié)構(gòu)、隧道加固等問題，團隊發(fā)明了BFRP網(wǎng)格加固增強技術(shù)體系[13]。目前，限制FRP網(wǎng)格使用的原因主要有：①碳纖維網(wǎng)格價格高昂；②玻璃纖維和芳綸纖維耐久性差，對耐久性有較高要求的網(wǎng)格，不適用；③國內(nèi)網(wǎng)格生產(chǎn)效率低、生產(chǎn)質(zhì)量較差。BFRP網(wǎng)格因優(yōu)異的力學性能及高性價比逐步在結(jié)構(gòu)加固中展開應用。針對目前網(wǎng)格生產(chǎn)質(zhì)量不穩(wěn)定、批量化生產(chǎn)難等問題，筆者團隊開發(fā)了連續(xù)化網(wǎng)格制備技術(shù)，生產(chǎn)效率提高10倍，成本降低80%。為提高網(wǎng)格粘結(jié)強度，開發(fā)了低回彈高粘結(jié)性能的聚合物砂漿噴射工藝，保證了長期效果。為防止混凝土剝落，開發(fā)適用于薄面粘貼的柔性玄武巖纖維格柵。為進一步提升網(wǎng)格對建筑結(jié)構(gòu)的增強效果，率先采用預應力網(wǎng)格張拉錨固技術(shù)；為更好地實現(xiàn)預應力，開發(fā)了機械摩擦復合式張拉錨固裝置（圖9）。

圖9 BFRP網(wǎng)格預應力張拉裝置

代表性應用有對南京長江大橋采用玄武巖纖維網(wǎng)格進行加固設計。另外，針對傳統(tǒng)加固方法對水下結(jié)構(gòu)加固困難、效果不顯著的問題，開發(fā)了BFRP網(wǎng)格水下無排水、高效加固技術(shù)（圖10）。浙江、江西、日本等30多項示范工程，證明BFRP網(wǎng)格加固技術(shù)有效解決了水下結(jié)構(gòu)加固排水難、工序復雜、耐久性差等問題，值得大力推廣。

（4）BFRP 型材

FRP型材具有輕質(zhì)、高強、耐腐蝕等特點，在降低結(jié)構(gòu)自重、施工便利和提高結(jié)構(gòu)耐久性方面是其他FRP制品無法取代的。目前，GFRP型材相對于CFRP因價格優(yōu)勢成為型材應用的主要材料，但GFRP型材存在蠕變斷裂應力低（0.29 fu）、蠕變率大（＞5%）、材料利用率較低并且長期變形較大等問題，制約了GFRP型材向更輕量化、大跨度方向發(fā)展。而BFRP型材的拉伸強度可達到600～1 200 MPa，彈性模量40～55 MPa，并有效克服了GFRP模量低、蠕變斷裂應力低等缺點，且耐腐蝕性能優(yōu)于GFRP，可逐步取代GFRP作為建筑材料在結(jié)構(gòu)中的應用，實現(xiàn)橋梁輕量化、跨度大、耐腐蝕性能好等需求[14]。但節(jié)點連接效率低是FRP型材應用時的一個瓶頸問題。研究表明，采用栓-膠混合機械連接可有效提高節(jié)點的抗疲勞蠕變性能；針對螺栓連接效率低、型材強度利用率低等問題，可采用預緊力齒連接技術(shù)實現(xiàn)高效連接（＞60%），如圖11所示[15]。目前，采用玄武巖纖維/碳纖維混雜技術(shù)，已成功架設出跨度54 m承載30 t的FRP索承桁架輕量化橋梁（減重40%），完全滿足正常使用及極限使用狀態(tài)下的要求。另一方面，筆者團隊開發(fā)設計了BFRP型材-混凝土組合橋面板（圖12），采用預應力技術(shù)和齒粘結(jié)技術(shù)實現(xiàn)FRP-混凝土組合橋面性能高度提升，疲勞試驗結(jié)果表明，其疲勞強度為鋼筋混凝土橋面板的2.5～3倍[16]。

圖10 FRP網(wǎng)格水下加固橋梁

圖11 預緊力齒連接技術(shù)

圖12 預應力FRP加固技術(shù)

（5）BFRP 拉索

傳統(tǒng)鋼索存在自重大、承載率低等問題，無法實現(xiàn)橋梁的大跨度要求。且鋼索壽命短、腐蝕嚴重、疲勞退化明顯等帶來的換索問題，造成的交通不便及更換、維護費用是無法估量的。FRP拉索是實現(xiàn)索結(jié)構(gòu)輕量化、長壽命、高性能的重要途徑。玻璃纖維由于長期蠕變性能差，一般不作為拉索材料；CFRP性能好但價格高，脆性、動力穩(wěn)定差。近年來開發(fā)的玄武巖纖維由于蠕變斷裂應力高，蠕變率低（介于CFRP和AFRP之間），在跨度和剛度要求不高的情況下，BFRP拉索相比于CFRP及AFRP拉索是性價比最高的選擇[17]。為滿足大跨橋梁性能要求，進一步提升BFRP拉索的剛度、蠕變性能，可采用玄武巖纖維/碳纖維或玄武巖纖維/鋼絲性能互補的混雜FRP拉索。不同種類的FRP拉索單筋，應力幅一定，CFRP拉索疲勞強度在200萬次循環(huán)次數(shù)條件下疲勞強度為0.75 fu，BFRP拉索為0.55 fu左右，B/CFRP拉索的疲勞強度可提升至0.74 fu[18]。由此說明，以玄武巖纖維為主，混雜碳纖維可實現(xiàn)FRP拉索的高性能化。故筆者團隊開發(fā)了大跨橋梁用高性能FRP拉索，建立了BFRP拉索大跨橋梁結(jié)構(gòu)輕量化長壽命改造 （如換索等）及實現(xiàn)1 200 m以上跨度的分析和100年壽命優(yōu)化設計方法。為降低錨固區(qū)域剪應力及徑向應力集中，首創(chuàng)同源變剛度錨固方法（圖13）及非同源分段變剛度錨固方法（圖14），攻克了大噸位FRP拉索錨固技術(shù)難題[19]，并通過300 t規(guī)模試驗及有限元模擬實現(xiàn)了千噸級錨固設計。故未來FRP拉索結(jié)構(gòu)用纖維材料的發(fā)展方向以綜合高性能的玄武巖纖維為主，根據(jù)結(jié)構(gòu)應用要求，混雜碳纖維等多種纖維滿足拉索性能需求，發(fā)揮最佳性價比優(yōu)勢[20]。

（6）BFRP 短切纖維

針對水泥基復合材料存在韌性差、抗開裂能力弱以及耐久性不足等問題，摻入短切纖維（鋼纖維、PVA纖維、碳纖維等）是改善其脆性破壞的有效方法。但鋼纖維過硬，密度過大，影響澆筑質(zhì)量；碳纖維制備時排放廢料廢氣，污染環(huán)境且價格昂貴；PVA纖維耐高溫及耐堿性能差，不適合添加到強堿環(huán)境的水泥基復合材料中。而耐堿短切玄武巖纖維具有很好的耐腐蝕性能 （60℃堿環(huán)境下，2 h強度保留率為80%），亦可采用增加耐堿涂層的普通玄武巖纖維，可有效提升水泥基復合材料的抗折和抗拉性能，充分發(fā)揮玄武巖纖維增韌作用。在橋梁、隧道等關(guān)鍵部位使用，可有效提升抗裂性能和結(jié)構(gòu)延性[21]。

圖13 同源變剛度錨固方法

圖14 分段變剛度錨固方法

2.2 在建筑結(jié)構(gòu)中的其他應用

（1）連接件

以鋼筋作為連接件的保溫板存在熱橋效應，導致墻體保溫效果及節(jié)能環(huán)保性能較差。BFRP連接件可代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋼筋連接件應用到保溫墻板的連接中。首先，BFRP的導熱系數(shù)明顯低于其他FRP材料及鋼筋，可以明顯改善墻體的保溫效果；保溫板連接件一般是大批量使用的部件，若采用CFRP會造成過高的建設成本，因此BFRP的高性價比也成為其作為連接件使用的優(yōu)勢；另外，BFRP的耐堿性能優(yōu)異，在保溫墻體的混凝土環(huán)境中能夠長期保持穩(wěn)定的力學性能。GFRP連接件與混凝土的粘結(jié)性能差，需對其進行工藝特殊處理才能滿足使用條件，而BFRP-混凝土粘結(jié)性能好，無需對其進行任何處理，因此生產(chǎn)效率高，并且由于BFRP的力學性能高于GFRP，因此采用BFRP連接件的保溫墻板的剛度和整體性好于GFRP連接件（圖15）。上述優(yōu)點表明，BFRP是作為替換鋼筋連接件的最優(yōu)選擇。

圖15BFRP代替GFRP連接件

（2）保溫板

一般的空調(diào)保溫通過空氣對流供暖，室內(nèi)燥熱、有異味，易造成人體皮膚失水，口干舌燥，室內(nèi)塵埃飛揚。傳統(tǒng)的水地暖傳熱速度慢，補水泄水麻煩，主機設備初期投資較大。玄武巖纖維具有耐高溫（-269～700℃）、絕熱性能優(yōu)異 （導熱系數(shù)為0.04 W/m·K，遠低于碳纖維及玻璃纖維）、電絕緣性能好等特點，故以玄武巖保溫板作為地暖板的保溫儲熱材料，由碳纖維導線發(fā)熱，熱量以遠紅外輻射至地板，可充分發(fā)揮其保溫儲熱性能且不燃、無煙、無味，安裝方便，升溫迅速，如圖16所示。

圖16 玄武巖保溫板

（3）有防磁、絕緣性要求的結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)的鋼筋混凝土地磁觀測室無法滿足不斷提高的無磁性要求，國際上常常使用銅材代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鋼材，但銅材本身是導體，會產(chǎn)生磁場，因此也會對地磁觀測造成很大的干擾，效果并不理想，而且存在造價過高的問題。針對此現(xiàn)狀，無磁性的纖維筋混凝土結(jié)構(gòu)、纖維砌塊結(jié)構(gòu)等無金屬結(jié)構(gòu)可用于地磁觀測室，且效果顯著，施工方便。碳纖維由于價格太高，其應用并沒有推廣開來。玄武巖纖維的最大磁化率小于5×10-7CGSM，不到鋼材的1/2。筆者團隊創(chuàng)新性地提出采用電絕緣性能好 （電阻率比E-玻纖高一個數(shù)量級）、非磁性的玄武巖纖維材料代替碳纖維應用到無磁結(jié)構(gòu)中。典型應用有蘭州、寧夏等五處（2007年）采用BFRP筋代替鋼筋用于地震臺建設工程，很好地實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)無磁性，并提高結(jié)構(gòu)安全儲備，節(jié)約造價50%。

（4）隔音板

玄武巖纖維具有較高的吸聲系數(shù)，且隨著音頻增加，其吸聲系數(shù)顯著增加，可作為建筑結(jié)構(gòu)中的性價比高的高效隔音材料。例如在影院或其他具有隔音要求的公共大廳，可以使用環(huán)保、無污染的玄武巖材料吸聲氈或吸聲板，同時也兼顧了保溫隔熱的功能。

3 結(jié)語

針對碳纖維價高脆性、玻璃纖維作為結(jié)構(gòu)材料耐腐性、蠕變與疲勞不足的瓶頸問題，經(jīng)過10多年的自主創(chuàng)新，東南大學吳智深團隊不斷完善高性能玄武巖纖維及復合材料在建材中的應用技術(shù)體系，大力扶持相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，以實現(xiàn)結(jié)構(gòu)性能和功能提升及全壽命周期維護成本降低。近年來，玄武巖纖維作為建材已在房屋建筑、機場跑道、橋梁中得到合理應用。為推進及加大玄武巖纖維及其復合材料作為創(chuàng)新性建筑材料的進一步應用，本文提出以下兩點建議：

（1）注重技術(shù)完善。一方面，進一步完善玄武巖復合材料在不同結(jié)構(gòu)形式中的設計方法，包括壽命可控設計、輕量化設計、損傷可控設計、耐久性設計、低碳化設計等，逐步建立全壽命周期維護成本最小化的材料選擇和設計應用理念；另一方面，選擇代表性示范工程，通過FRC結(jié)構(gòu)、FRP拉索換索、FRP筋/網(wǎng)格增強結(jié)構(gòu)、FRP型材增強體系的示范，積累實際工程經(jīng)驗。

（2）注重產(chǎn)業(yè)發(fā)展，國家應大力扶持非金屬資源纖維產(chǎn)業(yè)，特別是具有綠色、可持續(xù)性發(fā)展的高性能玄武巖纖維材料，進一步提升FRP的性價比，爭取今后在建筑領(lǐng)域中發(fā)揮更大的作用。