材料、技术篇

2022-08-03

中国公路 2022年12期

连续玄武岩纤维是以火山岩为原料，经1500摄氏度高温熔融后快速拉制而成的连续纤维，是一种对生态和环境无毒无害，可再生循环的环境友好型绿色材料。

玄武岩纤维概述

连续玄武岩纤维（Continuous Basalt Fiber，简称CBF）是以火山岩为原料，经1500摄氏度高温熔融后快速拉制而成的连续纤维，属于非金属的无机纤维。其生产过程几乎无毒害气体排放，能耗低，是无污染的绿色工业原材料。

玄武岩纤维密度约为2.6g/cm3。单丝拉伸强度为3000MPa～4500MPa，拉伸弹性模量为85GPa～110GPa，可在-260摄氏度～850摄氏度范围内工作，具有高抗拉强度、耐高温、耐腐蚀、绝热、绝缘隔音等优异性能，与碳纤维、芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维并称“四大高技术纤维”。

玄武岩纤维生产过程

玄武岩纤维可根据强度、弹性模量分为通用型、高强型、高模型纤维，又可根据其在盐碱侵蚀环境或高温环境中表现出的不同特征而分为耐盐碱型、耐高温型纤维。利用玄武岩纤维原丝可以制备短切纱、纤维毡、（单向和双向）纤维布及混杂纤维布等纤维制品，满足建筑和路桥工程需求。

如表1所示，与E-玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维这些常用纤维相比，玄武岩纤维的性价比高。优质玄武岩纤维各项力学指标都超过玻璃纤维30%左右，抗蠕变性能尤为突出；在多方面可代替普通碳纤维（性能可达到碳纤维的70%左右，价格仅为碳纤维的1/7），玄武岩纤维的耐高温性能甚至可与碳纤维媲美；此外，玄武岩纤维的强度、刚度及各项耐久性能也达到或超过了芳纶纤维。综合评价，玄武岩纤维依靠其高性能和高性价比，可填补碳纤维与玻璃纤维之间的应用空白。

表1 玄武岩纤维与其他纤维性能对比

玄武岩纤维复合材料性能特点

玄武岩纤维和树脂通过特定工艺制备形成玄武岩纤维增强复合材料（Basalt Fiber Reinforced Polymer，简称BFRP）。根据制备工艺和用途的不同，玄武岩纤维复合材料可以分为筋、索、网格、型材四大类。相比于传统建筑材料（钢材、混凝土、木材、铝合金等），BFRP具有优越的力学、物理化学性能和其他功能特点，具体特点如下：

◆轻质：玄武岩纤维复合材料的密度为2g/cm3，是钢材的1/4。

◆高强：BFRP 筋拉伸强度为800 MP a～1600 MP a，型材拉伸强度为800MPa～1200MPa，是普通钢材的3倍～5倍。

◆耐腐蚀性能优越：对酸碱盐等各类腐蚀环境具有较强的抵抗力，在盐腐蚀环境（模拟海洋环境）下，预测100年强度退化15%；在紫外线作用下，抗拉强度和弹性模量的变化幅度在10%以内。

◆耐疲劳性能良好：疲劳强度为60%fu～85%fu，远高于钢材；长期蠕变断裂应力≥0.54fu，蠕变率小于3%（0.5fu），远大于玻璃纤维复合材料（0.3fu）。

◆耐高低温性能好：500℃下仍能保持50%的抗拉强度，特种玄武岩纤维复合材料可以达到900摄氏度～1200摄氏度；在-200摄氏度下，不同树脂体系均可保持高抗拉强度。同时，BFRP抗冻融循环性能优异，200次冻融循环作用下，抗拉强度无明显降低。

◆多功能性：导热系数0 .04 W/mk～0.4W/mk，仅为钢材的1/1200，可作为保温隔热材料；热膨胀系数为8×10-6/摄氏度，与混凝土相近；体积电阻率1.5×1013Ω·m，磁导率4π×10-8SI（1×10-8CGSM）；介电常数2.61，介电损耗0.0068。可取代低磁钢、铜筋等应用于消磁设施、雷达站等有特殊要求的基础设施结构中。

玄武岩纤维复合材料制品类型和性能

BFRP筋

玄武岩纤维复合筋（BFRP筋）是以玄武岩纤维为增强材料，树脂、填料等为基体，经过拉挤工艺制备而成的纤维增强复合材料制品，可分为光杆筋、螺纹筋、喷砂复合筋等种类。已制定国家标准GB/T26745-2021《土木工程结构用玄武岩纤维复合材料》。

玄武岩纤维复合筋

钢筋-连续玄武岩纤维复合筋是由内心钢筋和外包纵向BFRP复合而成的，具有钢筋高延性和BFRP筋材高强度互补的优点。玄武岩纤维智能筋是在玄武岩纤维筋的生产过程中埋入分布式传感光纤，集受力与传感特性于一体的自传感智能材料。

玄武岩纤维钢筋-连续复合筋

玄武岩纤维智能筋

BFRP索

玄武岩纤维复合材料索（BFRP索）是连续玄武岩纤维和基体材料通过拉挤工艺制备的连续材料。根据组成纤维可分为由不同种类纤维单索组成的混合索及混杂不同纤维单索组成的混杂索；根据单索扭转程度可以分为绞索和平行索。BFRP索可替代钢拉索，作为斜拉桥和悬索桥的索承部分。已制定国家标准GB/T35156-2017《结构用纤维增强复合材料拉索》。

BFRP索

BFRP网格和玄武岩纤维格栅

玄武岩纤维复合材料网格（BFRP网格）是连续玄武岩纤维和基体材料（环氧树脂等）按一定工艺（如模压成型或真空辅助成型）一体化连续生产的网格状复合材料制品。BFRP网格具有节点强度高，双向拉伸力学性能优异，耐腐蚀，耐疲劳蠕变等优异特性，可广泛用于新结构增强与老旧结构加固，提升结构抗裂性能、耐久性能、抗震性能和力学性能。

玄武岩纤维土工格栅是用高强的玄武岩纤维通过先进经编工艺制成的网格状基材，是经过表面涂覆处理制成的半刚性制品。

目前，网格可用于结构加固或增强，格栅仅用于抗裂和地基处理，已制定国家标准GB/T 36262-2018《结构工程用纤维增强复合材料网格》。

网格和格栅

将碳纤维或光纤光栅作为传感单元，分布嵌入在BFRP网格中，可形成自传感的智能BFRP网格，将其用于混凝土结构中，不仅可以提高结构的力学性能，还可实时监测结构的状态（变形、裂缝、应力分布和动态响应等指标）。

智能BFRP网格图

BFRP型材

玄武岩纤维型材（BFRP型材）是以玄武岩纤维为增强材料，与树脂、填料等基体结合后经拉挤工艺形成的制品。拉挤工艺可以生产出截面形状复杂的连续型材，包括工字梁、棒材、圆管、方管、板、角材、异型材等。型材中纤维体积含量可以达到50%～60%，且纤维主要沿轴向，因此型材具有优异的轴向性能，如表2所示。

BFRP拉挤型材具有相对于普通钢材更轻的质量和更高的抗拉强度，但弹性模量相对钢材较低。抗压强度方面，BFRP型材的抗压性能受纵向纤维的局部屈曲控制，如纵向纤维有很好的横向纤维约束，其抗压性能也能够接近抗拉性能，但一般情况下只能达到抗拉强度的50%～70%；抗剪强度方面，纵向纤维能对纵向抗剪性能起到一定贡献。

BFRP型材

表2.BFRP型材力学性能

结构型短切玄武岩纤维

结构型短切玄武岩纤维是通过拉挤成型工艺将连续玄武岩纤维与树脂基体浸渍固化形成细棒，然后切短成一定长度。最终产品的直径一般在0.40毫米～1.00毫米之间，纤维长度根据使用的混凝土混合物确定。

与钢纤维相比，结构型短切玄武岩纤维具有耐腐蚀、比重较小、热膨胀系数与混凝土接近等优点。与常用非金属纤维（PP、PVA）相比，玄武岩纤维具有更高的抗拉强度及弹性模量，且生产工艺绿色环保，更具有环境友好性，如表3所示。玄武岩纤维密度与混凝土接近，搅拌时在混凝土基体中随机定向、均匀分布，并形成均匀的三维网架，可在混凝土裂缝的断裂面处起到桥接作用，能有效提升混凝土开裂后的性能。

结构型短切玄武岩纤维

表3 结构型短切玄武岩纤维材料特性

路桥寿命及综合性能增强技术

应用最新BFRP增强设计理念，形成了路桥连续配BFRP筋/网格增强技术、轻量化BFRP型材桁架桥技术、BFRP拉索长寿命斜拉桥技术、结构型玄武岩纤维增强水泥基及沥青路面技术。

路桥连续配BFRP筋/网格增强技术

BFRP筋海水海砂混凝土结构

近年来，我国基础设施建设发展迅速，城市化规模不断扩大，一些沿海城市和岛屿地区由于淡水和河砂资源日益枯竭，建筑用河砂供不应求，从内陆运输淡水和河砂，又会造成建设成本增加。为解决这一问题，同时也出于我国加速发展海洋产业和巩固海洋主权的迫切需求，开发海水海砂替代淡水河砂作为混凝土建筑结构原材料具有良好而广阔的应用前景。然而，海水与海砂中含有丰富的氯离子会破坏钢筋表面钝化膜，腐蚀原电池并造成钢筋的腐蚀，从而导致混凝土保护层的开裂、剥落和钢筋裸露等一系列耐久性问题，严重降低钢筋混凝土结构的力学性能和服役年限。为解决海水海砂混凝土中的钢筋锈蚀问题，可采用不发生锈胀的BFRP筋纵筋和箍筋全部替代钢筋，以提高混凝土结构的耐久性。

BFRP筋海水海砂混凝土构件

BFRP筋/网格-钢筋混合配筋混凝土结构

针对传统钢筋混凝土结构耐久性不足、可恢复性差，以及FRP筋混凝土结构延性差、缺乏经济性的问题，可将耐久性优异的BFRP筋/网格替换钢筋混凝土结构中离混凝土表面较近的钢筋，形成混合配筋结构。BFRP筋配置在外侧，可减小裂缝宽度，试验表明，混合配筋梁的裂缝宽度相比于钢筋混凝土梁减少约40%。不发生锈胀的BFRP筋在钢筋外侧阻止腐蚀介质侵入，提高结构耐久性。线弹性的BFRP筋可在钢筋屈服后提供二次刚度，采用BFRP箍筋替换柱脚处的钢箍筋可避免纵向钢筋的屈曲，起到减小残余变形、提高结构延性和抗震性能的作用。桥梁的桥墩等构件因体积较大，会面临大体积混凝土开裂的棘手问题。在结构保护层中增配钢筋网片是有效的抗裂方法之一，但钢筋会带来不可避免的锈胀问题，降低结构的耐久性。因此，可采用耐久性优异的BFRP网格或筋替代钢筋网片，配置在保护层中，通过与混凝土的黏结抵抗混凝土表面的拉应力，减小该拉应力，从而避免裂缝的出现。

BFRP网格用于大体积混凝土抗裂

混合配筋结构

BFRP筋连续配筋路/桥面

混凝土在温降和干缩作用下开裂，使传统钢筋混凝土路/桥面处于带裂缝工作状态。裂缝加速了雨水和空气侵入，导致钢筋锈胀，引起混凝土分层、剥落等问题。此外，钢筋与混凝土之间热膨胀系数差异和车辆疲劳荷载也会加剧耐久性问题，使得传统路/桥面服役寿命严重不足。耐腐蚀FRP筋可有效解决这一问题，但CFRP筋与混凝土的共同工作性能差、价格昂贵，不适宜在路面大面积使用；GFRP筋在沥青或混凝土路面的碱性环境中性能退化严重。采用BFRP筋全部替换钢筋，可实现长距离连续配筋。与同期施工的普通混凝土桥面相比，裂缝减少30%；无需和传统钢筋一样进行搭接、焊接，工期缩短60%，施工效率提高5倍；材料重量轻，施工方便，劳务成本降低，总体造价节约20%以上；同时，解决了北方高速路面除冰盐对钢筋的腐蚀问题，提高了耐久性。目前，连续BFRP筋增强路面已成功应用于阳江公路、张石高速公路等工程。

BFRP筋连续配筋路/桥面铺装层

轻量化BFRP型材桁架桥技术

近年来，随着BFRP型材性能的提升及生产成本的降低，从最初的应用于加固既有结构，到后来逐步在桁架、网架、网壳等新建结构中替代传统钢材。相比传统的钢结构桁架，玄武岩纤维型材在重量、强度和耐腐蚀性方面均具有优势，可实现轻量化结构，大跨结构、具有良好的耐腐蚀性，在沿江沿海桥梁中具有良好的应用前景。

FRP桁架桥

多轴向/铺层设计

BFRP型材主要由单向纤维拉挤而成，表现为明显的各向异性，采用螺栓节点进行连接时，容易出现低承载的脆性剪切破坏，导致BFRP型材的高强度得不到有效发挥。在微观层面可利用铺层方向、纤维种类及比例的可设计性，改善复合材料的抗冲击性能及耐疲劳性能。

在材料可设计性的基础上，以改善节点破坏模式与保证构件刚度为目标，可以优化出桁架结构用型材的铺层设计，以实现结构构件及节点的最优性能。BFRP桁架结构用BFRP型材的0铺层比例范围为70%～80%，多轴向铺层45°及90°需按等比例确定。

母材铺层设计示意图

连接技术

对型材展开多轴向铺层设计，可以使得螺栓节点的极限荷载提升100%以上，且使节点获得了延性的挤压破坏，而非传统节点的脆性剪切破坏。此外，通过在多轴向型材板中混杂少量碳纤维，可在保证构件刚度的同时，提升节点的承载能力。与传统螺栓节点和胶结节点相比，胶栓混接节点中螺栓与胶层共同承担荷载并实现了线性叠加的创新。通过组合发生挤压破坏模式的螺栓连接与具有极大变形能力的低刚度丙烯酸（ADP）胶层，实现了胶栓混接中螺栓与胶层共同承担荷载，且其极限荷载几乎是两者承载力的线性叠加。通过加载、卸载、再加载的试验评估表明，该胶栓混接具有较好的延性。在疲劳性能试验中，实现了胶栓混接节点的疲劳寿命大于同荷载水平下螺栓节点与胶结节点疲劳寿命总和（高一个数量级）的目标。

多轴向铺层节点连接效果

胶栓混合节点连接效果

结构设计

根据制备工艺区分，复合材料桁架可分为分布成型式桁架和整体成型式桁架。其中，分布成型式桁架又可称为拼装式桁架；整体成型式桁架又可按成型工艺分为纤维编织、纤维缠绕和模压成型式桁架。对比单轴向方管，加入多轴向布后，多轴向方管组成的结构节点破坏模式从剪切破坏变为挤压破坏，破坏模式转变为延性，结构极限承载力提升了60.4%，结构的材料利用率大幅度提升，在结构层面上实现了延性破坏。在桁架结构设计上，可以通过将不同材料类型的杆件进行混杂设计，实现桁架结构的性价比最大化。

多轴向方管桁架单元

BFRP拉索长寿命斜拉桥技术

BFRP拉索具有轻质、耐腐、抗拉强度高等优异性能，是有效解决传统钢拉索自重大、易腐蚀等性能缺陷的重要选择，也是推动斜拉桥向轻量化、长寿命方向发展的关键一环。

BFRP拉索及混杂拉索

基于高性能玄武岩纤维，开发了BFRP及其与碳纤维、钢丝混杂的系列混杂FRP拉索，可实现混杂拉索弹模、强度、延性和经济跨径的同步提升和设计。通过混杂BFRP拉索和CFRP（碳纤维增强复合材料）拉索，可实现混杂拉索的强度、弹模、疲劳性能和蠕变断裂应力的同步提升。

表1.常见FRP拉索分类及基本力学性能

大吨位BFRP拉索锚固

根据FRP拉索的受力原理，锚固系统可分为黏结型、摩擦型和挤压型（机械挤压和黏结挤压）。与机械挤压型相比，黏结挤压型的荷载传递介质与拉索之间具有额外的黏结力作用。该锚固方法具有整体性好、可设计性强、适用于锚固多筋拉索等优点，是目前发展大吨位FRP拉索-锚固系统的理想形式。

大吨位BFRP拉索变刚度设计理念

基于该锚固形式，通过对锚固荷载传递介质进行变刚度设计，可实现锚固区拉索应力均匀化，从而有效提升拉索的锚固效率。笔者团队于近期开发了一种短切微纤维改性树脂变刚度荷载传递介质，通过试验验证，该锚固系统对Φ7-37 BFRP拉索具有95%的平均锚固效率，平均极限索力为1919千牛，失效模式如下图所示。

大吨位BFRP拉索失效模式

BFRP拉索静/动力性能

静力性能BFRP拉索静力性能主要通过索体强度和端部锚固效率来表征。具体而言，BFRP拉索的强度可通过单筋强度、BFRP筋根数和锚固效率系数的乘积进行计算。锚固效率一般是指拉索实测极限荷载与公称极限抗拉力的比值，其中现行标准规定预应力BFRP筋的锚固效率≥95%。

疲劳性能与传统钢材相比，BFRP具有优异的疲劳性能。相关研究表明，BFRP浅肋筋在应力上限为0.54fu和应力幅为0.04fu下的疲劳循环次数超过200万次。盐腐蚀后的BFRP筋在北纬20°、40°和60°的年均温度下设计使用期为100年的疲劳强度分别为0.41fu、0.43fu和0.45fu，为海洋环境下的预应力BFRP筋疲劳设计提供指导和依据。BFRP光圆拉索（Φ4-37）在应力上限为0.5fu和应力幅为0.05fu下的疲劳循环次数大于200万次，且拉索疲劳后的本体强度没有发生降低，为BFRP拉索的工程应用提供了理论支撑。目前国内外大量研究表明，BFRP材料的疲劳性能远好于钢材。

动力特性在桥梁结构振动分析中，频率、模态和阻尼特性是三个最基本的动力特性参数。结构的动力响应和振动衰减由阻尼主导，阻尼的大小直接关系到桥梁在动荷载作用下的强弱。

若按等强度替换钢拉索，CFR P拉索与BFRP拉索的面内振动各阶模态阻尼比均大于钢索。由于斜拉索的面内振动是斜拉桥拉索振动的主要形式，采用复合材料能够更有效地耗散抑制斜拉索的振动能量，确保拉索的使用性能，延长拉索的使用寿命。

若按等强度替换钢拉索，CFR P拉索与BFRP拉索面外振动的各阶阻尼比大部分小于钢索，而且BFRP拉索面外振动的各阶模态阻尼比大多大于CFRP拉索面外振动的各阶模态阻尼比。主要原因在于拉索的面外振动方向与拉索的重力方向正交，重力对拉索面外振动的阻尼耗能影响较小，其面外振动模态阻尼比主要受各阶模态自振频率的影响。

结构型玄武岩纤维增强水泥基路面技术

纤维根据其几何尺寸可分为非结构型纤维与结构型纤维两种。其中，非结构型纤维主要改善混凝土裂前性能；结构型纤维主要作用于抵抗与限制构件中出现的宏观裂缝，起到增强混凝土延性、韧性和裂后承载能力的作用。

结构型玄武岩纤维对宏观裂缝的桥连作用

结构型纤维与混凝土基体界面黏结性能

纤维与基体的界面性能在纤维增强混凝土的整体效果中起着至关重要的作用。结构型纤维与基体之间黏结性能的优劣，直接影响着基体受力、变形、开裂及破坏等一系列过程。现有的结构型玄武岩纤维通常分为肋纹型和平直型。肋纹型玄武岩纤维主要在拉出过程中增加机械锚固作用。由下图可知，无论是对峰值荷载还是对曲线积分面积即耗能能力而言，肋纹型玄武岩纤维与基体黏结性能相较于平直型均有明显提高。采用肋纹型玄武岩纤维能够对纤维混凝土的宏观力学产生更好的改善作用。

不同埋置深度平直型纤维拉拔曲线

不同埋置深度肋纹型纤维拉拔曲线

结构型玄武岩纤维增强普通混凝土力学性能

纤维增强混凝土力学性能试验参考国家标准《混凝土物理力学性能试验方法标准》（GB/T 50081-2019）。纤维长度均为35mm，纤维掺量均为1%体积掺量，均采用C30混凝土配合比。

从抗压及抗弯性能上看，掺入结构型玄武岩纤维，能够有效提升混凝土力学性能，近似于钢纤维增强混凝土的效果。

不同种类纤维增强试件荷载-位移曲线

结构型玄武岩纤维增强UHPC力学性能

玄武岩纤维具有轻质、高强、耐腐蚀等特点，因此采用结构型玄武岩纤维替代钢纤维增强UHPC（超高性能混凝土），能够有效提升UHPC力学性能及耐久性能。下图为结构型玄武岩纤维增强UHPC抗拉性能试验，从图中可以看出，结构型玄武岩纤维能够略微提升UHPC初裂强度，并大幅度提升极限抗拉强度，同时兼具应变硬化效应。

结构型玄武岩纤维增强UHPC荷载-位移曲线

短切玄武岩纤维增强沥青路面技术

近年来，对沥青路面进行外掺纤维改性以提高其路用性能受到了越来越多行业学者的关注，木质纤维虽凭借其优异的吸油性在沥青混合料体系中得到大量应用，但更多研究发现，沥青路面中的木质纤维存在易降解、高温稳定性较差、易吸水等弊端，影响了沥青混合料的性能。而玄武岩纤维具有良好的力学性能和高温稳定性，且可循环再生利用，使得其在沥青混合料中的应用得到越来越多的关注。

短切玄武岩纤维，是由连续玄武岩纤维经过切割设备按一定长度尺寸切断而得到的。短切玄武岩纤维增强沥青，其作用原理包括加筋增强作用、增韧作用和阻裂作用，可提高沥青混合料的自愈合能力，显著降低了路面裂缝和车辙病害，提高了路面使用品质，大大延长了路面使用寿命和养护周期，明显节省了后期养护费用。

纤维增强沥青路面技术

桥梁长寿命加固技术

针对传统加固及纤维布方法在耐久性、自重、脆性等方面问题，开发了BFRP网格、筋、板等结构及预应力加固技术，有效提升了结构的抗裂性能、抗疲劳性能、抗震性能和耐腐蚀性能。

桥梁BFRP网格长寿命综合加固技术

BFRP网格是将玄武岩连续纤维浸渍于树脂，经固化形成的二维网格状FRP制品，一般为正交双向形式，具有轻质、高强、耐腐蚀、耐疲劳等优点。BFRP网格长寿命综合加固技术的原理是在混凝土构件表面铺设BFRP网格，并用聚合物砂浆作为保护和黏结材料，使网格与原构件一体化，共同承担荷载作用下的弯矩和剪力，从而提高构件的使用与承载性能。根据加固需求，BFRP网格加固技术可应用于主梁、盖梁、桥墩等部位，使原结构抗弯、抗剪、抗裂、抗震等性能得到综合提升。

BFRP网格长寿命综合加固技术

BFRP网格长寿命综合加固技术施工工艺如上图所示，主要分为以下步骤：

步骤1.表面处理：采用喷砂工艺或手工打磨混凝土表面，利用超高压水洗或气压吸尘去除附着物、油污等污垢及已经脆弱的水泥外层，对施工对象结构的表面进行清理，直至露出坚实混凝土表面。

步骤2.找平层：刷涂或喷涂底层找平层，找平层厚度为0.5毫米～1毫米。

步骤3.网格临时固定：通过机械栓钉进行临时固定。为了在拧紧铆钉时不损伤纤维网格，应采用垫橡胶垫等保护措施，安装时应尽可能避免BFRP网格与原有混凝土间出现间隙。网格宜连续通长布置，如网格长度不足需要搭接时，搭接长度至少为3个节点。

步骤4.涂刷界面剂：用高压气泵将构件加固面上因作业带来的浮尘、浮渣等清理干净；并提前6小时对被加固构件表面进行喷水养护，保持湿润无明水；基层养护完成后即可喷涂界面剂，界面剂随拌随用，且喷涂过程中应确保界面剂均匀分布。

步骤5.PCM封涂：按设计厚度进行施工区域边界压条的定位，并找平工作面；采用机械喷涂的方式进行聚合物砂浆施工，每次喷涂的厚度应适合施工操作，厚度控制在10毫米～15毫米，后一次喷涂应在施工面指触不黏手后进行，且后续喷涂时应将上层砂浆表面拉毛；当喷涂厚度达到设计要求后，应及时进行压抹收光。

步骤6.养护：施工现场的环境温度以5℃～35℃为宜。冬天、通风场所、有阳光直射的施工场地，砂浆表面易干燥，容易产生干缩裂缝，此时应采取适当的养护和防裂措施。

通过上述施工工艺分别对钢筋混凝土梁进行抗弯和抗剪加固相比于未加固梁，加固后结构的抗弯承载力提升39%。对于抗剪加固后的梁，其破坏模式由脆性剪切破坏转变为延性受弯破坏，抗剪承载力提升37%。

喻苓芝摄

桥梁BFRP预应力加固技术

预应力FRP板外贴加固技术

FRP板是一种拉伸性能优异的非金属复合材料，它是通过拉挤成型等工艺将纤维原丝和基体复合而成的单向纤维增强复合材料。利用环氧树脂等胶黏剂将FRP板黏贴到待加固混凝土结构受拉侧表面，当结构承受荷载时，FRP板与混凝土结构协同变形而共同受力，可改善结构的受力状态，抑制结构裂缝的产生与开展，从而提高混凝土结构的刚度与承载力。在结构承受荷载之前，预先对其施加压力，使其在外荷载作用时，预先施加在受拉区混凝土的压应力可用来抵消或减小外荷载产生的拉应力，使结构在正常使用状态下不产生裂缝或延迟裂缝产生，可有效改善结构的正常使用性能。将FRP板与预应力相结合的预应力FRP板外贴加固法可有效避免普通FRP板外贴加固法存在的正常使用阶段的性能改善程度有限、强度利用率低且易发生剥离破坏等问题，能显著提高结构性能、充分发挥混凝土和FRP板的材料性能，具有抗剥离破坏、耐疲劳等优点，因此在结构加固方面具有良好的应用前景。

预应力FRP板外贴加固施工工艺如下：

步骤1.定位放线及底层处理：用裂缝修补胶灌注结构裂缝；将混凝土表面剥落、疏松、蜂窝、腐蚀等劣化部分清除，并进行清洗、打磨，待表面干燥后，用修补材料将混凝土表面凹凸部位修复平整，需确保混凝土保护层厚度满足相关规范要求；施工前应按设计图纸，在桥梁的加固部位放线定位，初步确定锚具位置和FRP板长度。

步骤2.种植锚栓：使用钢筋探测仪探测钢筋位置，错开钢筋布置孔位并打孔，随后植入锚栓，若FRP板长度大于5米，则每隔5米布置钢压板锚栓孔位，并植筋。

步骤3.制作FRP板-锚具组装件：根据设计图纸和施工现场情况确定FRP板长度，下料，并准备FRP板-锚具组装件，FRP板黏接面需进行打磨并用清洁剂擦拭干净。

步骤4.安装FRP板锚具：安装固定端锚具支架和张拉端锚具支架，应确保各部件在同一轴线上。将组装件的固定端锚具推入固定端锚具支架内，拧上固定螺栓。将张拉端锚具推入张拉端锚具支架内。

步骤5.预张拉：安装张拉工装。使用千斤顶对FRP板进行预张拉，预张拉荷载20千牛～30千牛，确认加固系统工作正常后卸载。

步骤6.涂抹胶黏剂：在FRP板黏贴部位涂刷胶黏剂。

步骤7.正式张拉：逐级张拉，每级张拉完毕，间隔2分钟～3分钟后再进行下一级张拉。张拉完成后，旋紧张拉端锚具螺母，拆除千斤顶和张拉装置，在空隙处补胶并清除多余胶黏剂。

步骤8.安装FRP板压条。

步骤9.涂刷防护材料：在FRP板表面涂抹防腐层，并给锚具两端安装防护罩。

与未加固梁相比，预应力BFRP板黏贴加固梁的开裂荷载、屈服荷载和极限荷载分别提升了317%、55%和48.2%。与CFRP板加固梁相比，同规格的BFRP板加固梁延性更好、裂缝控制效果更好、承载力波动性更小。相同规格的FRP板，BFRP板加固梁承载力可达到CFRP板的85%以上，而价格仅为1/3。采用等刚度的BFRP板进行加固，BFRP板加固梁承载力与CFRP板相似，而加固成本可降低40%。

桥梁BFRP筋体外预应力加固技术

体外预应力加固技术示意图

体外预应力FRP筋加固技术是将FRP筋布置在混凝土截面之外并进行张拉，利用FRP筋的回缩对结构施加预应力，从而达到限制裂缝、提高承载力的加固目的。体外预应力FRP筋加固技术的特点主要包括：方便维护管理人员对预应力FRP筋进行质量检查，发现问题可以及时采取措施；除了锚固端外，预应力筋仅在转向块处与结构体接触，可以减少预应力的摩擦损失；预应力筋布置在截面之外，可以有效减小混凝土梁的截面尺寸；避免体外预应力筋的孔道布置、灌浆等工序，施工方便，工期相对较短，对工程经济效益有积极有效的影响。

体外预应力FRP筋加固混凝土结构的关键工艺流程如下：

步骤1.在混凝土构件两端安装FRP筋锚具支座，在混凝土构件中部设计位置处布置转向块。

步骤2.按设计长度对FRP筋进行裁剪下料，并对其两端采用工具锚进行锚固，制作FRP筋-工具锚组装件。

步骤3.安装FRP筋-工具锚组装件。

步骤4.安装张拉工装，使用千斤顶对FRP筋进行预张拉，预张拉荷载20千牛～30千牛，确认加固系统工作正常后卸载。

步骤5.逐级张拉，每级张拉的时间间隔为2分钟～3分钟。正式张拉完成后，安装FRP筋永久锚具，拆除千斤顶和张拉装置，完成加固。体外预应力BFRP筋加固技术实现了被加固梁开裂荷载、屈服荷载和极限荷载分别提升450%、110%和140%的效果，并与体外预应力钢绞线加固梁相比，具有相近的延性和更小的残余变形（降低1.3倍），同时满足了疲劳作用-腐蚀环境耦合等严苛条件下的50-100年长寿命加固需求。

BFRP网格预应力加固技术分段张拉工艺

桥梁BFRP网格预应力加固技术

在施加预应力前，预应力BFRP网格加固施工工艺与BFRP网格非预应力加固步骤1～4相同，此处不再赘述。BFRP网格预应力加固混凝土结构的关键工艺流程如下：

步骤1.安装FRP网格锚具：在待加固混凝土结构的表面安装用于FRP网格张拉的预应力锚具，将FRP网格的两端分别紧固在安装好的预应力锚具中。

步骤2.预张拉：使用千斤顶对FRP网格进行预张拉，预张拉荷载2.5千牛～5千牛，确认加固系统工作正常后卸载。

步骤3.涂抹第一层聚合物砂浆：采用机械喷涂的方式进行聚合物砂浆施工，涂抹一层5毫米厚的聚合物砂浆，并及时进行压抹收光。

步骤4.第一次张拉：张拉预应力锚具，对FRP网格施加预应力，将位于中部的全长1/2段梁继续覆盖15毫米聚合物砂浆。

步骤5.第二次张拉：养护1周后，FRP网格张拉端释放1/2荷载，并用聚合物砂浆覆盖剩余端部网格，砂浆厚度为15毫米。

步骤6.第三次张拉：继续养护1周后，释放网格张拉端剩余荷载。

通过上述施工工艺对钢筋混凝土梁进行预应力加固。相比于非预应力加固方式，分段张拉工艺能充分发挥FRP网格的抗拉能力，将FRP网格的应变利用率提升30%以上。

桥梁BFRP嵌入式加固技术

嵌入式加固（Near surface mounted，NSM）技术是FRP材料加固混凝土结构领域一种新的加固技术。该技术利用具有高黏结强度的环氧树脂或者砂浆将拉挤成型的FRP筋或板条（矩形截面，亦称筋条）放入结构表面预先开好的槽中,并向槽中注入黏结材料使之形成整体，以此来改善结构性能。混凝土保护层的存在使得FRP材料受到很好的保护，从而极大地减少了环境对其产生的不利影响，提高了FRP材料的耐久性。尤其是在火灾环境下，FRP筋处于混凝土保护层内部，埋于槽道黏结剂中，未直接暴露在火灾环境中。因此，嵌入式加固混凝土结构的抗火性能优于外贴式加固结构。当采用无预应力的FRP材料进行嵌入式加固后，虽然可以显著提高加固构件的极限承载力，但对加固构件早期裂缝的出现及限制作用不大，而且在破坏阶段，嵌入式FRP的材料利用率也不高。在既有非预应力FRP筋嵌入式加固技术的基础之上，通过对内嵌的FRP筋施加预应力的新型嵌入式预应力FRP筋加固技术则可以很好地解决该问题。嵌入式预应力FRP筋加固混凝土结构的关键工艺流程如下：

步骤1.在混凝土构件表面按预定位置开出槽道，用打磨机将槽道附近混凝土表面的浮浆打磨掉，然后用清水将槽道清洗干净并晾干。

步骤2.将FRP筋的两端用内灌黏结胶的螺纹套管锚固，用酒精将FRP筋材的表面擦拭干净后，将FRP筋放入槽道，对FRP筋施加指定水平的预应力。

步骤3.FRP筋张拉完成后，在槽道外表面紧密黏贴一层薄膜塑料，在槽道内采用压力注胶，注胶完毕后将两端用玻璃胶封闭。

步骤4.待槽道内的胶达到规定强度后，揭去薄膜塑料，在槽道外表面涂抹一定厚度的聚合物砂浆保护层，并将端部锚固装置覆盖；用聚合物砂浆将端部张拉时对混凝土保护层的剔除部分修补平整。

步骤5.待树脂和环氧砂浆保护层达到规定强度后，放张FRP筋的预应力，完成加固。

嵌入式预应力FRP筋加固混凝土结构的关键工艺流程

相关试验结果表明，嵌入式预应力BFRP筋加固技术实现了被加固梁开裂荷载、屈服荷载和极限荷载分别提升50%、36%和68%的效果。

BFRP预应力锚杆边坡支护技术

岩土中的结构支撑体系处于地层酸碱潮湿环境、地下水侵蚀、地层杂散电流作用、高应力水平应力腐蚀等恶劣条件下，金属支撑体系腐蚀严重，影响了岩土中结构的使用寿命。而BFRP锚杆自重轻、抗拉强度高，施工便捷安全，加固支护效果更为显著，耐久性和使用寿命均有所提升，是一种适用于长期边坡支护的材料。BFRP锚杆的杆体为BFRP筋，并且和专用的锚头与锚尾等部件匹配形成锚杆结构。

预应力BFRP锚杆充分发挥了材料的力学性能，有效提高承载力、刚度和抗裂性能，具有主动加固、降低成本、安全可靠的特点。预应力BFRP锚杆可主动限制前期变形，取得更有效的支护作用，且能够提高BFRP锚杆的螺纹承载力，使得锚杆的端部锚固可靠。预应力BFRP锚杆一般包括外锚段、锚杆杆体和锚固段三部分。锚固段可有效地增大与稳定岩土体间的咬合力；杆体材料采用直径较大、抗拉强度高的BFRP筋；而外锚段包括锚固墩、垫板和配套锚具，锚固墩和垫板具有足够的强度，能够充分发挥预应力的作用。

预应力BFRP锚杆能对被支护的构筑物提供足够承载力，有效地控制围岩向不利的方向变形，调整锚杆周围岩土体的应力分布。支挡结构物表层岩土体处于主动受压状态，提高了支挡结构物岩土体的整体稳定性。此外，预应力BFRP锚杆的适用范围广泛，能够有效将极限承载力均匀地分散在被锚固的结构上，不受锚固对象及其地质条件的影响。