玄武岩纤维在桥梁工程中的应用前景及需解决的问题

王海良，常春伟，杨新磊，董 鹏，任权昌

(1.天津城市建设学院 土木工程系，天津 300384;2.解放军军事交通学院，天津 300161)

1 玄武岩纤维特性

玄武岩纤维简称 CBF或 BF，是以火山喷发形成的玄武岩矿石为原料经粉碎、高温熔融后，拉丝而成的无机纤维材料，其外观为深褐色，色泽和碳纤维相似。玄武岩纤维完全由单一玄武岩矿石熔融后拉丝而成，和其它纤维比较具有以下特性:①具有良好的耐温性［1-3］，玄武岩纤维的工作温度范围为 －269℃ ～700℃，研究表明，虽然玄武岩纤维、碳纤维、玻璃纤维在加热超过200℃后强度均有下降，碳纤维和玻璃纤维强度下降得十分明显，碳纤维约在300℃时就有CO和CO2产生，而玄武岩纤维在加热到600℃后其强度保持率仍在90%以上;②具有较好的化学稳定性和耐酸碱腐蚀性;③具有较好的力学性能，抗拉强度更高;④取材广泛、价格低廉，约为碳纤维的1/10、高硅纤维的1/4～1/6［4］;⑤耐辐射和紫外线;⑥100%由矿物组成，生产时不添加其它成分，对健康和环境无害。

2 玄武岩纤维在结构工程中的研究现状

玄武岩纤维最早在1953—1954年由前苏联莫斯科玻璃和塑料研究院开发、生产，近几年美国、日本、德国等都加强了对CBF的研究。国内在20世纪90年代由南京玻璃纤维研究设计院最早开展CBF的研究，主要侧重军工用途，2002年11月我国将“CBF及其复合材料”批准列为863计划，2003年成立横店集团上海俄金玄武岩纤维有限公司。国内对CBF研究起步较晚，但在部分领域已达到国际领先水平。

随着玄武岩纤维在结构工程应用的推广，近年国内对玄武岩纤维应用研究主要在玄武岩纤维混凝土受力性能及玄武岩纤维片材加固既有结构受力性能两方面。在玄武岩纤维混凝土复合材料研究领域，沈阳建筑大学唐明等［4］为探索玄武岩纤维的增强效果，采用玄武岩纤维作为增强材料，探讨了玄武岩纤维掺量、水胶比和灰砂比3个因素对7 d，28 d抗压、抗折强度的影响规律，指出玄武岩纤维掺量对不同龄期的强度影响显著，远大于水胶比、灰砂比影响;并通过扫描电镜揭示玄武岩纤维在砂浆中分散均匀，无结团现象。

在玄武岩纤维加固既有结构受力特性研究领域，东南大学吴刚等［5］进行了玄武岩纤维丝束缠绕与碳纤维布包裹加固圆柱和方柱，在低周反复荷载下的对比试验，证实了玄武岩纤维加固对提高混凝土柱抗剪承载力、延性及耗能能力的有效性，指出玄武岩纤维丝束缠绕加固能够显著提高混凝土柱的抗剪承载力，改变试件的破坏形态，在相近侧向约束刚度下，玄武岩纤维加固对柱承载力的提高及延性、耗能等结构性能的改善都能够达到，甚至超过碳纤维(CFRP)加固柱。河北建筑工程学院李志强等［6］等通过抗剪加固试验研究证实了采用玄武岩纤维对混凝土梁进行加固能延缓斜裂缝的出现，约束斜裂缝的发展，从而提高梁的抗剪承载能力、刚度以及变形能力。同等条件下，该试验方案比采用碳纤维加固更加经济。麻建锁等［7］采用玄武岩纤维布对6根混凝土偏压柱进行加固试验研究，试验结果表明，玄武岩纤维加固偏压柱的极限承载能力和变形能力均得到了明显提高。韩国的Sim［8］开展了10根玄武岩纤维布加固混凝土简支梁四点加载破坏试验，并与同等工况下玻璃纤维布加固梁进行了对比，发现玄武岩纤维布加固梁表现出更好的延性，破坏前有明显征兆。华侨大学杨勇新等［9］通过2根玄武岩纤维布加固的钢筋混凝土梁和1根普通钢筋混凝土梁的弯曲疲劳性能试验分析研究，结果表明采用玄武岩纤维布加固后，梁的抗疲劳性能得到极大改善，粘贴1层和2层玄武岩纤维后，钢筋混凝土梁的疲劳寿命分别提高了66%和235%;在纤维布与混凝土粘结可靠的情况下，若梁的配筋率不超过2.5%，加固梁发生疲劳断裂破坏的可能性较大。

3 玄武岩纤维在桥梁工程中的应用前景

我国目前铁路运营线路总长约70 000 km，桥梁总延长约2 400 km，其中，混凝土桥梁共计12万余孔，占桥梁的90%以上。铁路桥梁设计、施工规范已进行了多次修订，20世纪80年代以前我国修建的铁路桥梁大多技术标准偏低，导致早期梁体的预应力度和抗裂性不能满足现行规范的要求。此外，为了适应市场经济而实现铁路的扭亏为盈，铁道部在“九五”、“十五”、“十一五”期间持续实施了提速战略，分步骤把繁忙干线的旅客列车运行速度由过去的60～80 km/h提高到200 km/h，致使对既有铁路桥梁的要求逐渐提高。因此，如何对既有混凝土铁路桥梁进行提速加固、改造，以满足列车安全运行要求是目前亟待解决的问题［10］。

公路桥梁现状也不容乐观，资料显示［11-12］:国内早期建造的公路桥梁，特别是20世纪70，80年代建造的桥梁，设计荷载偏低，随着城市建设和交通运输量的增加，行车密度及车辆载重的增大，满足现行线路荷载设计标准的不足30%，存在缺陷需维修的占40%，很多桥梁属于带病工作，对公路运输安全构成极大威胁。为适应实际需要，交通部在2008年已颁布实施《公路桥梁加固施工技术规范》(JTG/T J23—2008)，《公路桥梁加固设计规范》(JTG/T J22—2008)，并将纤维复合材料作为其中一种加固材料。我国从1997年开始研究纤维增强材料加固混凝土结构，并颁布实施《碳纤维片材加固混凝土结构技术规程》(CECS146:2003)，《混凝土结构设计加固规程》(GB50367—2006)。

在已颁布的纤维片材加固规范中，主要指碳纤维、玻璃及芳纶纤维，未提及玄武岩纤维，在纤维复合材料中，钢纤维在公路桥梁桥面铺装、机场跑道、钢管混凝土中应用更多。

如上所述，纤维复合材料在桥梁工程加固中已得到广泛应用［13-14］，而玄武岩纤维是100%矿物材料，在混凝土中不会组团，施工方便;加之其取材方便，价格较其它纤维低廉，其在桥梁工程中的应用前景不言而喻。

4 玄武岩纤维在桥梁工程中应用需解决的问题

在纤维复合增强混凝土领域，国内对玄武岩纤维混凝土的受力特性研究有待加强，对玄武岩纤维混凝土力学性能的研究才刚刚起步［15-16］;在玄武岩纤维片材加固既有结构领域，更多的是在研究粘贴玄武岩纤维布后结构的静力性能，对采用玄武岩纤维加固后结构的疲劳特性、耐久性等研究不足。

虽然国内对玄武岩纤维混凝土复合材料及玄武岩纤维布加固既有结构受力性能进行了大量研究，但玄武岩纤维作为一种新型复合材料，无论在混凝土中作为掺合材料还是在加固中作为加劲材料，如应用在实际桥梁结构中，必须考虑桥梁结构受力特点，进行大量的前期研究，目前宜先解决下述相关技术问题。

1)高等级玄武岩纤维混凝土的徐变特性

桥梁工程结构中，预应力混凝土结构数量较多，上部结构混凝土等级一般在C50以上，而混凝土的徐变对预应力结构的受力影响较大，因此，应开展高等级玄武岩纤维混凝土徐变特性的相关技术研究，为玄武岩纤维应用到桥梁结构混凝土中提供技术支持。

2)玄武岩纤维混凝土应用于高性能混凝土中相关问题

目前，在高速铁路及大跨公路桥梁中，高性能混凝土应用越来越广泛，应开展玄武岩纤维掺量对流动性、和易性、抗渗、塌落度损失等要求较高的高性能混凝土的性能影响研究，尤其是适用长、高距离泵送混凝土的性能研究，对玄武岩纤维混凝土在大体积现浇与钢管混凝土等领域的应用很有必要。

3)玄武岩纤维掺量对高等级混凝土抗弯冲击性能影响

资料显示［15］:掺加玄武岩纤维可提高C40混凝土的抗压、抗折强度20%左右，且可提高混凝土延性指标1倍以上，最佳掺量为2.0～2.5 kg/m3，超过此掺量以上指标有下降趋势，对桥梁结构中C50以上混凝土和文献［15］不同粗、细骨料下是否有相同的结论，有待大量的试验验证。

4)玄武岩纤维加固梁的受力性能研究

影响纤维材料加固效果的影响众多，包括纤维布加固层数、加固间距、构件表面处理方法、片材厚度、既有结构中的应力水平等。从目前国内有关文献看，对此领域研究不够，应针对桥梁的荷载特点及使用情况，开展多参数的试验研究，并基于试验结果，找出影响玄武岩纤维加固效果的主要因素。同时，通过对比试验，系统掌握玄武岩纤维加固既有桥梁的受力性能。

5)玄武岩纤维加固梁的疲劳性能研究

桥梁结构受力特点是承受动荷载，对结构疲劳性能要求较高，尤其是铁路桥梁，动活载所占比重较大，因此应开展玄武岩纤维加固既有损伤梁的200万次疲劳试验研究，验证玄武岩纤维加固梁的可靠性和抗疲劳性。因此，围绕影响加固梁疲劳性能的主要因素开展试验研究，提出确保玄武岩纤维加固梁疲劳性能的构造措施和方案，为既有桥梁的安全运营和维护提供科学依据，具有极为重要的实际意义。

6)玄武岩纤维加固梁的耐久性研究

既有桥梁的使用环境复杂，如何确保既有桥梁加固后的耐久性是个十分重要的问题。根据桥梁使用环境的特点，开展高温、低温、水、紫外线、酸(碱)腐蚀等复杂环境下玄武岩纤维加固梁的耐久性试验，掌握其性能退化机理，对玄武岩纤维片材加固既有桥梁很有必要。

5 结语

玄武岩纤维是一种新型纤维材料，由于其取材广泛、生产过程无污染、价格低廉、性能优越，在桥梁工程结构中应用前景广阔;但作为一种新型材料，要应用到实际桥梁工程中，应结合桥梁结构特点，开展相关技术研究。本文目的是想起到抛砖引玉的作用，以引起国内桥梁工作者对于玄武岩纤维研究的重视，使这种新型、性能优异的纤维材料能在我国桥梁建设中早日得到广泛应用。

［1］欧阳利军，丁斌，陆洲导.玄武岩纤维及其在建筑结构加固中的应用研究进展［J］.玻璃钢/复合材料，2010(30):84-85.

［2］王舜.玄武岩纤维性能与用途探讨［J］.纺织科技进展，2010(1):40-41.

［3］武迪，邵式亮.玄武岩纤维混凝土的特性及应用［J］.路基工程，2010(2):37-38.

［4］唐明，杨欢.玄武岩纤维增强水泥基复合材料研究［J］.混凝土，2010(5):76-77.

［5］吴刚，魏洋，吴智深.玄武岩纤维与碳纤维加固混凝土矩形柱抗震性能比较研究［J］.工业建筑，2007，37(6):8-10.

［6］李志强，麻建锁，白润山.玄武岩纤维布提高钢筋混凝土梁受剪承载能力试验研究［J］.河北建筑工程学院学报，2008，26(3):7-8.

［7］麻建锁，白润山，郝勇.玄武岩纤维布加固混凝土偏压柱试验方法研究［J］.河北建筑工程学院学报，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］杨勇新，陈绪军，邢建英，等.玄武岩纤维布加固混凝土梁的抗弯疲劳性能试验［J］.华侨大学学报(自然科学版)，2010，31(4):443-447.

［10］郑希正.铁路提速既有线简支梁桥加固问题研究［J］.国防交通工程与技术，2007(2):7-9.

［11］刘策.桥梁现状及养护管理［J］.交通世界，2007(6):129-130.

［12］潘言全，冯大鹏.国内桥梁的现状与应解决的问题［J］.中国水运，2007(8):78-79.

［13］吴美琴，梁炯丰.预应力碳纤维布加固 RC梁试验研究及有限元分析［J］.铁道建筑，2009(6):9-11.

［14］彭全敏，白玉川，王海良.预应力碳纤维片材加固的桥梁使用阶段应力分析初探［J］.铁道建筑，2009(6):15-18.

［15］潘慧敏.玄武岩纤维混凝土力学性能的试验研究［J］.硅酸盐通报，2009(5):955-959.

［16］李为民，许金余，沈刘军，等.玄武岩纤维混凝土的动态力学性能［J］.复合材料学报，2008(2):531-731.