玄武岩纤维及其复合材料作为建材的创新应用

吴智深

(玄武岩纤维生产及应用技术国家地方联合工程研究中心，江苏 南京 210096）

0 引言

随着改革开放、城镇化发展及 “十三五”规划战略的实施，我国基础设施（大跨建筑、桥梁、隧道）发展迅速，体量、数量均居世界首位。但随着基础设施服役时间的推进，国内外工程结构逐渐暴露出寿命短、自重大、灾后可修复能力差、后期维护费用高等严峻的安全问题。美国土木工程师学会提出2025年实现全寿命周期成本减半的行动纲领，其关键是实现结构的长寿命化设计 （100～300年寿命）。传统的建筑材料（钢材、混凝土等）存在耐腐蚀性能差，自重大等问题，具有轻质、高强、耐腐蚀及耐疲劳性能优异的纤维及其复合材料，是实现建筑结构长寿命、轻量化、耐腐蚀、全寿命周期成本低的理想材料[1]。

纤维增强复合材料（Fiber Reinforced Polymer,FRP）是由两种或两种以上不同性能的材料通过复合手段而形成，纤维作为增强体一般包括碳纤维、芳纶纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维等。目前，以碳纤维为代表的复合材料在加固和增强既有结构中成为加固材料的主流且在新建建筑中也有应用。但CFRP作为土木工程材料存在价格高、生产工艺控制水平不高、原丝关键制备技术未能掌握及与传统建筑材料兼容性差等核心问题。芳纶纤维虽然强度高，但蠕变率大，价格贵，也不宜作为建筑材料。玻璃纤维虽然价格低，但蠕变、耐腐蚀性能较差，限制其在建筑领域应用[2]。而玄武岩纤维是一种无污染、可重复利用的“绿色工业原材料”，能耗是碳纤维的1/16，价格是碳纤维的1/6，蠕变率仅为芳纶纤维的1/4，耐腐蚀性优于玻璃纤维[3]，力学性能指标超过通用玻璃纤维30%以上，具有高抗拉强度、耐高温、耐腐蚀、绝热隔音等优异性能，被认为是建筑材料中性价比高的纤维材料。近年来，短切玄武岩纤维及连续纤维增强复合材料制品 （筋材/连接件、索材、网格、型材等）作为结构材料和功能材料（地暖板、吸声板等）在建材中得到广泛应用[4]，且用量已超过碳纤维。所以，未来建材用纤维材料的发展方向是以综合高性能的玄武岩纤维为主，根据结构应用要求，混杂碳纤维等多种纤维以满足建材需求，发挥最佳性价比优势。

1 高性能玄武岩纤维及其复合材料

连续玄武岩纤维是以天然火山岩为原料经1 500℃高温熔融后快速拉制而成的连续纤维，连续玄武岩纤维属于非金属的无机纤维，生产过程几乎无“三废”产生，被称为21世纪无污染的“绿色工业原材料”。以玄武岩纤维为增强体的复合材料强度、刚度及耐久性性能优异，可替代玻璃纤维作为建筑材料应用到建筑结构中。

1.1 玄武岩纤维产业发展现状

连续玄武岩纤维与碳纤维、芳纶纤维、高分子量聚乙烯纤维并称我国四大高技术纤维。虽然起步晚于其它三种高技术纤维，但由于连续玄武岩纤维性价比高，应用领域广，国内外对其寄予厚望，不断投入研发，推动玄武岩产业化生产。我国矿藏资源丰富，分布范围广泛，可为玄武岩纤维产业的发展提供充足的原材料。自我国玄武岩纤维产业发展之初（21世纪初），东南大学就联合浙江石金玄武岩纤维有限公司率先在玄武岩纤维原丝生产技术和应用技术方面进行了基础性研究，至今我国在高性能玄武岩纤维生产技术等方面已取得了不少先进成果。目前，世界玄武岩纤维年产量已达5万t，而我国玄武岩纤维的年产量就占一半左右规模。

国家相关部委以及有关地方政府不断加大研发投入，致力于发展玄武岩纤维高新技术产业，推动其在建筑材料领域中的应用。《〈中国制造2025〉重点领域技术路线图》提出，将玄武岩纤维列入关键战略材料中的高性能纤维及复合材料进行重点发展。国家科技部《“十三五”材料领域科技创新专项规划》将玄武岩纤维列为先进结构与复合材料的重点支撑材料。工信部网站公布的《重点新材料首批次应用示范指导目录（2017年版）》，将玄武岩纤维列入关键战略材料。

1.2 玄武岩纤维高性能化

玄武岩纤维在稳定规模化、量产化、高端化、特种化方面取得了长足进展，综合性能好。①力学强度高，单丝强度稳定在3 000～4 840 MPa，可达到碳纤维T300水平；弹性模量为91～110 GPa。②重量轻，密度一般为2.6～2.8 g/cm3，是钢材的1/4。③蠕变性能优良，蠕变断裂应力为0.55 fu（fu为静力拉伸强度），略低于碳纤维（0.71），超过芳纶纤维（0.5），远高于玻璃纤维（0.29）。④耐疲劳性能好，疲劳强度可以达到0.6 fu以上。⑤耐化学腐蚀性能好，耐酸、碱腐蚀，耐碱纤维的强度保留率高于80%。⑥耐高低温，使用温度范围为-269～700℃，远高于碳纤维、芳纶纤维、岩棉。⑦热、声、电绝缘性能好，透波性和吸波性优良，与水泥、混凝土等硅酸盐材料具有天然的相容性，可广泛用于土建交通、能源环保、汽车船舶、航空航天、石油化工以及武器装备等领域。此外，高性能玄武岩纤维各项力学指标超过通用的玻璃纤维，在多方面可代替普通的碳纤维，其耐高温性能甚至可达到或超过碳纤维；强度、刚度及各项耐久性能也达到或超过芳纶纤维，性价比将高于任何一种纤维材料[2]。

近年来，随着连续玄武岩纤维生产和应用技术的发展和复合材料对高性能连续玄武岩纤维需求的增长，玄武岩纤维的稳定化、规模化、高性能化及高端化技术取得重大突破。①稳定化技术：玄武岩多元均配混配技术体系的提出及应用，实现了原料和生产工艺的稳定，同时奠定了高性能玄武岩纤维生产的理论与工艺基础[5]；②量产化技术：长寿命大池窑（一炉带8～16块漏板）和漏板技术（1 200孔以上）的开发，突破了年产1 000 t以上的规模化生产能力；③高性能化和高端化技术：开发了高强度、耐高温、耐碱玄武岩纤维，实现高强度纤维的新生态单丝强度大于4 000 MPa，模量高于110 GPa；针对玄武岩耐碱性能较弱的特点，开发了耐碱玄武岩纤维，强度保留率高于80%；耐高温纤维的耐温性达800℃[6]。

1.3 高性能玄武岩纤维复合材料

为实现玄武岩纤维及其复合材料在建筑结构中的应用，制备形成了一系列的综合基本力学性能高的FRP制品，如玄武岩纤维布、BFRP筋材、BFRP网格、BFRP型材及BFRP拉索、智能筋材等20多种制品，如图1所示。建材领域中玄武岩纤维复合材料可作为结构产品和功能产品开展应用，其特点有：比强度高，可作为建筑结构的加固增强材料及实现全FRP结构的轻量化。耐腐蚀性能优越，利用BFRP建造的结构在沿海地区的服役寿命可以达到100年以上。耐疲劳性能优越，可作为承受动荷载的结构构件，有效提高结构的疲劳寿命。可设计性强，FRP纤维种类多且性能各有特点，可以通过混杂/复合设计实现不同工程结构要求。如：玄武岩纤维疲劳强度0.55 fu，通过混杂，疲劳极限应力比可提升至70%，但玻纤无此效应。多功能性，无磁性能、吸波性能、低传导系数等，可作为功能材料（地暖板、保温墙连接件等）用于非结构构件中。

图1 多种FRP制品

2 高性能纤维及复合材料在建筑工程中的创新应用

通过材料创新、技术创新以及理论创新，形成标准化研究成果，逐步推进高性能玄武岩纤维及其复合材料作为建筑材料在工程中的创新应用。一方面，FRP作为结构材料加固结构和增强工程体系；另一方面，作为功能材料等应用到非结构构件中。

2.1 在建筑结构中的重点应用

（1）BFRP 筋材

FRP筋材具有抗拉强度高、重量轻、无磁性、耐腐蚀性能好、抗疲劳性能好、热膨胀系数与混凝土接近等特点，可代钢筋从根本上解决混凝土结构耐久性不足的问题。CFRP筋抗拉强度高达1 500～2 500 MPa，但成本高，很难作为建筑材料。与GFRP筋材相比，BFRP筋抗拉强度可达到1 000～1 800 MPa，是普通GFRP筋材强度的1.5倍左右，弹性模量也略高；BFRP筋具有较好的耐碱和耐盐腐蚀性能。研究表明：GFRP筋在常温下的干燥混凝土中腐蚀140 d后，强度保留率为80%左右，而相同环境下BFRP筋强度保留率高达99%；在20～60℃的海水环境下进行72 d的干湿循环后，GFRP筋的强度损失达14%，而BFRP筋的强度保留率高达91%[7]。利用BFRP筋优异的耐久性能，笔者的团队采用全BFRP筋增强海水海砂混凝土，解决了传统沿海建筑结构施工过程中材料运费高、内部钢筋易受氯离子侵蚀的问题。然而，单纯地采用BFRP筋对混凝土结构进行增强会造成延性和刚度不足等问题。为解决这一问题，笔者的团队开发了混合配置BFRP筋-钢筋混凝土结构，将表面有特殊肋纹的BFRP筋布置在钢筋的外侧，利用BFRP筋优于钢筋的粘结性能（图2），延缓裂缝开展，使腐蚀介质难以渗透到内部钢筋的表面（图3）；并且由于配置了钢筋，结构的延性和刚度也得到了显著提升。另外，由于BFRP筋与混凝土之间稳定的粘结滑移性能，BFRP筋-钢筋混配结构还可实现结构二次刚度，使结构具有传统钢筋混凝土不具备的抗倒塌、损伤可控可恢复性能（图4）[8]。典型应用实例有高耐腐玄武岩纤维筋在南海三沙市某岛礁中结构示范应用，结构综合造价增加不超过20%，无需维护管理，使用寿命大于50年。

图2 BFRP筋与钢筋在混凝土中的粘结-滑移对比

图3 BFRP筋-钢筋混配结构提高耐久性机理

图4 BFRP筋-钢筋混配损伤可控结构荷载-位移曲线

针对热固性BFRP筋在施工现场无法二次加工、箍筋/异形筋需预制等问题，笔者团队开展了热塑性BFRP筋材的研发，首创复合筋弯折技术（图5），且弯折处强度降低率小于30%，极大方便现场施工，且耐碱腐蚀及疲劳性能较热固FRP筋材有一定的提升[9]。

（2）预应力 BFRP筋材

针对重载/大跨结构加固效果不足，FRP高性能得不到充分发挥的瓶颈，团队研发的预应力FRP筋材是实现结构大跨度、轻量化的重要建筑材料。GFRP筋蠕变断裂应力过低（＜0.3 fu）不适合用作预应力筋，而BFRP蠕变断裂应力为0.55 fu，与AFRP筋材相当，略低于CFRP筋材（0.7 fu）。其次，BFRP筋在0.5 fu初始应力下的百万小时松弛率为6.7%，介于CFRP和AFRP筋之间。BFRP筋在0.6 fu的最大荷载及0.05 fu应力幅下能够保持200万次疲劳循环荷载下不发生破坏；而AFRP筋材在应力幅为0.025 fu的情况下，其疲劳强度仅为0.5 fu[10]。故蠕变和疲劳性能优异的BFRP作为预应力筋材是实现结构大跨度、轻量化的重要建筑材料，具有不可比拟的优势。针对传统粘结型锚具蠕变大、传统钢夹片锚具切口效应的问题，笔者的团队开发了BFRP同源材料夹片锚固方法（图6），有效地减缓了锚固区的应力集中，并基于BFRP筋的蠕变断裂应力，确定了预应力筋的张拉控制应力。另外，BFRP体外预应力筋有效提升了结构刚度、开裂及屈服荷载，并且所开发的同源材料夹片锚具在结构极限荷载和正常使用长期荷载下不会发生任何形式的破坏，端部滑移量很小[11-12]。针对预应力BFRP筋嵌入式加固结构开发了成套的张拉锚固装置（图7，8），尤其是针对外嵌式加固，提出了聚酯砂浆（PCM）浇筑成型后的预应力筋张拉、灌胶、包裹FRP布的工艺，有效解决了内嵌式方法中存在的端部应力集中问题。除了BFRP筋，笔者团队还针对预应力BFRP布开发了分层锚固和分布张拉锚固两种方法以降低端部应力集中问题。

图5 热塑性FRP筋材弯折

图7 内嵌入式BFRP筋加固关键技术

图8 外嵌入式BFRP筋加固关键技术

（3）BFRP 网格

针对纤维布/板条粘贴技术在抗剥离、抗火、耐久性等方面的不足，并很难适用水下结构、隧道加固等问题，团队发明了BFRP网格加固增强技术体系[13]。目前，限制FRP网格使用的原因主要有：①碳纤维网格价格高昂；②玻璃纤维和芳纶纤维耐久性差，对耐久性有较高要求的网格，不适用；③国内网格生产效率低、生产质量较差。BFRP网格因优异的力学性能及高性价比逐步在结构加固中展开应用。针对目前网格生产质量不稳定、批量化生产难等问题，笔者团队开发了连续化网格制备技术，生产效率提高10倍，成本降低80%。为提高网格粘结强度，开发了低回弹高粘结性能的聚合物砂浆喷射工艺，保证了长期效果。为防止混凝土剥落，开发适用于薄面粘贴的柔性玄武岩纤维格栅。为进一步提升网格对建筑结构的增强效果，率先采用预应力网格张拉锚固技术；为更好地实现预应力，开发了机械摩擦复合式张拉锚固装置（图9）。

图9 BFRP网格预应力张拉装置

代表性应用有对南京长江大桥采用玄武岩纤维网格进行加固设计。另外，针对传统加固方法对水下结构加固困难、效果不显著的问题，开发了BFRP网格水下无排水、高效加固技术（图10）。浙江、江西、日本等30多项示范工程，证明BFRP网格加固技术有效解决了水下结构加固排水难、工序复杂、耐久性差等问题，值得大力推广。

（4）BFRP 型材

FRP型材具有轻质、高强、耐腐蚀等特点，在降低结构自重、施工便利和提高结构耐久性方面是其他FRP制品无法取代的。目前，GFRP型材相对于CFRP因价格优势成为型材应用的主要材料，但GFRP型材存在蠕变断裂应力低（0.29 fu）、蠕变率大（＞5%）、材料利用率较低并且长期变形较大等问题，制约了GFRP型材向更轻量化、大跨度方向发展。而BFRP型材的拉伸强度可达到600～1 200 MPa，弹性模量40～55 MPa，并有效克服了GFRP模量低、蠕变断裂应力低等缺点，且耐腐蚀性能优于GFRP，可逐步取代GFRP作为建筑材料在结构中的应用，实现桥梁轻量化、跨度大、耐腐蚀性能好等需求[14]。但节点连接效率低是FRP型材应用时的一个瓶颈问题。研究表明，采用栓-胶混合机械连接可有效提高节点的抗疲劳蠕变性能；针对螺栓连接效率低、型材强度利用率低等问题，可采用预紧力齿连接技术实现高效连接（＞60%），如图11所示[15]。目前，采用玄武岩纤维/碳纤维混杂技术，已成功架设出跨度54 m承载30 t的FRP索承桁架轻量化桥梁（减重40%），完全满足正常使用及极限使用状态下的要求。另一方面，笔者团队开发设计了BFRP型材-混凝土组合桥面板（图12），采用预应力技术和齿粘结技术实现FRP-混凝土组合桥面性能高度提升，疲劳试验结果表明，其疲劳强度为钢筋混凝土桥面板的2.5～3倍[16]。

图10 FRP网格水下加固桥梁

图11 预紧力齿连接技术

图12 预应力FRP加固技术

（5）BFRP 拉索

传统钢索存在自重大、承载率低等问题，无法实现桥梁的大跨度要求。且钢索寿命短、腐蚀严重、疲劳退化明显等带来的换索问题，造成的交通不便及更换、维护费用是无法估量的。FRP拉索是实现索结构轻量化、长寿命、高性能的重要途径。玻璃纤维由于长期蠕变性能差，一般不作为拉索材料；CFRP性能好但价格高，脆性、动力稳定差。近年来开发的玄武岩纤维由于蠕变断裂应力高，蠕变率低（介于CFRP和AFRP之间），在跨度和刚度要求不高的情况下，BFRP拉索相比于CFRP及AFRP拉索是性价比最高的选择[17]。为满足大跨桥梁性能要求，进一步提升BFRP拉索的刚度、蠕变性能，可采用玄武岩纤维/碳纤维或玄武岩纤维/钢丝性能互补的混杂FRP拉索。不同种类的FRP拉索单筋，应力幅一定，CFRP拉索疲劳强度在200万次循环次数条件下疲劳强度为0.75 fu，BFRP拉索为0.55 fu左右，B/CFRP拉索的疲劳强度可提升至0.74 fu[18]。由此说明，以玄武岩纤维为主，混杂碳纤维可实现FRP拉索的高性能化。故笔者团队开发了大跨桥梁用高性能FRP拉索，建立了BFRP拉索大跨桥梁结构轻量化长寿命改造 （如换索等）及实现1 200 m以上跨度的分析和100年寿命优化设计方法。为降低锚固区域剪应力及径向应力集中，首创同源变刚度锚固方法（图13）及非同源分段变刚度锚固方法（图14），攻克了大吨位FRP拉索锚固技术难题[19]，并通过300 t规模试验及有限元模拟实现了千吨级锚固设计。故未来FRP拉索结构用纤维材料的发展方向以综合高性能的玄武岩纤维为主，根据结构应用要求，混杂碳纤维等多种纤维满足拉索性能需求，发挥最佳性价比优势[20]。

（6）BFRP 短切纤维

针对水泥基复合材料存在韧性差、抗开裂能力弱以及耐久性不足等问题，掺入短切纤维（钢纤维、PVA纤维、碳纤维等）是改善其脆性破坏的有效方法。但钢纤维过硬，密度过大，影响浇筑质量；碳纤维制备时排放废料废气，污染环境且价格昂贵；PVA纤维耐高温及耐碱性能差，不适合添加到强碱环境的水泥基复合材料中。而耐碱短切玄武岩纤维具有很好的耐腐蚀性能 （60℃碱环境下，2 h强度保留率为80%），亦可采用增加耐碱涂层的普通玄武岩纤维，可有效提升水泥基复合材料的抗折和抗拉性能，充分发挥玄武岩纤维增韧作用。在桥梁、隧道等关键部位使用，可有效提升抗裂性能和结构延性[21]。

图13 同源变刚度锚固方法

图14 分段变刚度锚固方法

2.2 在建筑结构中的其他应用

（1）连接件

以钢筋作为连接件的保温板存在热桥效应，导致墙体保温效果及节能环保性能较差。BFRP连接件可代替传统钢筋连接件应用到保温墙板的连接中。首先，BFRP的导热系数明显低于其他FRP材料及钢筋，可以明显改善墙体的保温效果；保温板连接件一般是大批量使用的部件，若采用CFRP会造成过高的建设成本，因此BFRP的高性价比也成为其作为连接件使用的优势；另外，BFRP的耐碱性能优异，在保温墙体的混凝土环境中能够长期保持稳定的力学性能。GFRP连接件与混凝土的粘结性能差，需对其进行工艺特殊处理才能满足使用条件，而BFRP-混凝土粘结性能好，无需对其进行任何处理，因此生产效率高，并且由于BFRP的力学性能高于GFRP，因此采用BFRP连接件的保温墙板的刚度和整体性好于GFRP连接件（图15）。上述优点表明，BFRP是作为替换钢筋连接件的最优选择。

图15BFRP代替GFRP连接件

（2）保温板

一般的空调保温通过空气对流供暖，室内燥热、有异味，易造成人体皮肤失水，口干舌燥，室内尘埃飞扬。传统的水地暖传热速度慢，补水泄水麻烦，主机设备初期投资较大。玄武岩纤维具有耐高温（-269～700℃）、绝热性能优异 （导热系数为0.04 W/m·K，远低于碳纤维及玻璃纤维）、电绝缘性能好等特点，故以玄武岩保温板作为地暖板的保温储热材料，由碳纤维导线发热，热量以远红外辐射至地板，可充分发挥其保温储热性能且不燃、无烟、无味，安装方便，升温迅速，如图16所示。

图16 玄武岩保温板

（3）有防磁、绝缘性要求的结构

传统的钢筋混凝土地磁观测室无法满足不断提高的无磁性要求，国际上常常使用铜材代替传统的钢材，但铜材本身是导体，会产生磁场，因此也会对地磁观测造成很大的干扰，效果并不理想，而且存在造价过高的问题。针对此现状，无磁性的纤维筋混凝土结构、纤维砌块结构等无金属结构可用于地磁观测室，且效果显著，施工方便。碳纤维由于价格太高，其应用并没有推广开来。玄武岩纤维的最大磁化率小于5×10-7CGSM，不到钢材的1/2。笔者团队创新性地提出采用电绝缘性能好 （电阻率比E-玻纤高一个数量级）、非磁性的玄武岩纤维材料代替碳纤维应用到无磁结构中。典型应用有兰州、宁夏等五处（2007年）采用BFRP筋代替钢筋用于地震台建设工程，很好地实现了结构无磁性，并提高结构安全储备，节约造价50%。

（4）隔音板

玄武岩纤维具有较高的吸声系数，且随着音频增加，其吸声系数显著增加，可作为建筑结构中的性价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厅，可以使用环保、无污染的玄武岩材料吸声毡或吸声板，同时也兼顾了保温隔热的功能。

3 结语

针对碳纤维价高脆性、玻璃纤维作为结构材料耐腐性、蠕变与疲劳不足的瓶颈问题，经过10多年的自主创新，东南大学吴智深团队不断完善高性能玄武岩纤维及复合材料在建材中的应用技术体系，大力扶持相关产业发展，以实现结构性能和功能提升及全寿命周期维护成本降低。近年来，玄武岩纤维作为建材已在房屋建筑、机场跑道、桥梁中得到合理应用。为推进及加大玄武岩纤维及其复合材料作为创新性建筑材料的进一步应用，本文提出以下两点建议：

（1）注重技术完善。一方面，进一步完善玄武岩复合材料在不同结构形式中的设计方法，包括寿命可控设计、轻量化设计、损伤可控设计、耐久性设计、低碳化设计等，逐步建立全寿命周期维护成本最小化的材料选择和设计应用理念；另一方面，选择代表性示范工程，通过FRC结构、FRP拉索换索、FRP筋/网格增强结构、FRP型材增强体系的示范，积累实际工程经验。

（2）注重产业发展，国家应大力扶持非金属资源纤维产业，特别是具有绿色、可持续性发展的高性能玄武岩纤维材料，进一步提升FRP的性价比，争取今后在建筑领域中发挥更大的作用。