玄武岩纤维复合材料性能提升及其新型结构Word格式.docx
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近20年兴起的玄武岩纤维复合材料（BFRP）具有优越的综合性能，成为解决上述FRP新建结构问题的有效途径。
BFRP的强度和弹性模量比通用GFRP高30%，且断裂延伸率较高（2.5%）[3]，热膨胀系数（6×
10-6
℃-1~8×
℃-1）与混凝土接近，蠕变断裂应力为0.54
fu[4]，介于AFRP和CFRP之间，且价格接近GFRP。
因此，BFRP的性价比高于三种传统FRP材料。
玄武岩纤维是将火山岩原料经1500℃高温熔融后拉制而成的连续纤维，由于生产过程中无污染，能耗低（仅为碳纤维生产能耗的1/16），因此，被称为21世纪无污染的“绿色工业原材料”，与碳纤维、芳纶纤维、超高分子纤维并称中国的四大高技术纤维[5]。
另一方面，中国的玄武岩矿石资源丰富，取材广泛，为玄武岩纤维的大规模生产提供了原料保障。
因此，玄武岩纤维有望推动工程结构的绿色可持续化发展，得到了国家和地方政府的政策支持。
目前，玄武岩纤维及其复合材料已在土建交通基础设施领域得到应用与示范，其在结构中所发挥的优越性得到了行业认可，如三沙市某岛礁混凝土结构、南京长江大桥加固修复、高速公路路面增强等。
为进一步提升BFRP增强工程结构的性能与寿命，还需改善BFRP性能，并根据结构性能需求开发BFRP增强结构新形式。
目前，东南大学玄武岩纤维生产及应用技术国家地方联合工程研究中心联合产业界已在玄武岩纤维原丝的品质稳定化、量产化和高端化技术方面取得了重要突破。
在品质稳定化技术方面，提出玄武岩多元均配混配技术体系，实现了原料和生产工艺的稳定控制，奠定了高性能玄武岩纤维生产的理论与工艺基础[6]；
在量产化技术方面，开发了一炉带8~16块漏板的大池窑技术[7]和1200孔以上的漏板技术，突破了年产千吨以上的规模化生产瓶颈；
在高性能化及高端化技术方面，基于矿石成分结合多元均配混配技术，开发了高单丝强度（超过4000MPa）、高弹性模量（超过110GPa）[5]、耐碱（强度保留率高于80%）[8]、耐高温（最高工作温度达800℃）[9]玄武岩纤维。
在上述原丝高性能化成果的基础上，本文主要介绍作者团队在BFRP的高性能化和BFRP增强新建结构方面取得的成果。
1玄武岩纤维复合材料（BFRP）高性能化
1.1纤维混杂提升综合性能
单一玄武岩纤维复合材料虽然延性好、成本较低，但强度和弹性模量远低于碳纤维，无法满足对材料力学性能要求较高的应用需求。
为此，作者团队[10]提出了混杂FRP材料，并通过应力波动控制技术抑制了不同纤维之间断裂不同步导致的材料连续破坏（图1（a）、图1（b）），实现了FRP高强、高弹性模量、高延性和高性价比的效果，B/CFRP混杂筋相比CFRP筋延性系数提升105%，相比BFRP筋强度提升35%。
基于拉索中纤维连续断裂的失效机理，建立了考虑纤维/树脂界面应力传递的断裂力学理论预测模型，实现了新型混杂FRP筋拉伸性能的精确预测。
另一方面，混杂还可提升FRP材料的疲劳性能，Wu等[11]的试验表明，玄武岩纤维/碳纤维混杂可使BFRP的疲劳强度从0.55
fu提升至0.7
fu（图1（c）），玻璃纤维无此提升效应，这是因为延伸率较小的碳纤维先断裂后，由于玄武岩纤维与基体的粘结完好，纤维与树脂之间共同受力性能好；
相反，玻璃纤维与树脂之间易发生剥离，导致连续破坏（图1（d））。
图1纤维混杂技术
Fig.1Fiberhybridization
1.2基于“外封、中阻、内护”三层次理念的BFRP性能提升技术
1.2.1设计理念
作者团队以FRP制品的性能为目标，提出了“外封、中阻、内护”三层次理念。
“外封”是对FRP材料外表层涂覆防护层，作为FRP材料和外界环境之间的第一层屏障；
“中阻”是对树脂基体进行微观层次的改性（包括增韧和替换树脂），根据实际需求提升基体性能，限制基体在外界环境因素（腐蚀、高温等）影响下的裂纹扩展或软化；
“内护”即利用纤维表面涂层技术对纤维丝进行防护，隔绝外界腐蚀介质与纤维的直接接触。
基于该三层次理念，开发了以下三方面BFRP性能提升技术。
1.2.2耐碱性能提升技术
FRP制品在碱性环境中的退化问题是限制其在混凝土结构应用的瓶颈。
针对既有BFRP在极端碱腐蚀溶液中耐久性不足以及在荷载-腐蚀环境耦合下性能亟需提升的问题，基于作者团队提出的FRP材料“外封、中阻、内护”三层次理念，开发了FRP耐碱性能改性技术。
其中，作者团队在“中阻”和“内护”两个层面进行了改性试验研究。
作者团队最新研究表明，通过对内部纤维表面涂覆防护层，实现对纤维丝的保护（图2），涂层根据材料类型可分为有机涂层和无机涂层，有机涂层是隔绝外部碱溶液，避免其和内部纤维发生反应；
无机涂层在隔绝的基础上，还能和碱反应生成难溶物（如氢氧化锆类），进一步阻止碱溶液对纤维的侵蚀。
Shi等[12]对树脂基体进行微米级的防裂球状颗粒体增韧改性，实现阻隔腐蚀粒子侵入的作用（图3）。
采用上述技术处理后，FRP材料在碱性腐蚀溶液环境下拉伸强度保留率从原先的不到40%提升至60%以上，且该改性方法成本低廉，适宜于在量大面广的土木工程结构中推广和应用。
图2纤维涂层改性BFRP耐碱性能
Fig.2AlkalineresistanceofBFRPwithfibercoating
图3增韧改性BFRP耐碱性能[12]
Fig.3AlkalineresistanceofBFRPwithresinmodification
1.2.3耐高温性能提升技术
FRP材料的耐高温性能是建筑材料防火中的重要工程问题。
针对组成FRP的环氧基体材料玻璃化温度低、难以满足防火要求的问题，作者团队通过“中阻、外封”二层次理念，提升FRP制品耐高温性能。
其中，在“中阻”层面进行了改性试验研究。
“中阻”具体采用两种方法：
1）在树脂基体中添加蒙脱土进行改性提升FRP材料高温下的力学性能；
2）采用一种可用于拉挤成型的耐高温酚醛树脂替换传统树脂作为FRP的基体。
作者团队的最新成果表明，树脂替换和改性处理后的BFRP在高温下的强度保留率与未经处理的普通BFRP相比明显提高（如300℃下分别提升150%和230%），如图4。
并且，经改性后的树脂在高温下无烟无毒，并同时具备成熟的生产工艺、稳定的力学性能及合理的制备成本。
所提出的技术有效解决了普通FRP在高温下力学性能退化严重的工程难题，进一步推动了FRP在高温环境下的应用。
图4树脂改性/替换提升BFRP耐高温性能
Fig.4EnhancementofhightemperatureresistanceofBFRPwithresinmodificationorreplacement
1.2.4多场耦合下疲劳性能提升技术
FRP制品在多场耦合（腐蚀、温度、湿度、应力等）下的疲劳性能是其工程应用中的关键问题。
既有FRP材料中BFRP相对CFRP成本较低，但耐疲劳性能不足。
作者团队[13]首先针对工程结构长寿命设计，深入研究从200万到1000万次的FRP疲劳破坏形态和性能评价。
基于长寿命1000万次疲劳试验，所得到的BFRP疲劳强度预测值从200万疲劳试验的0.74
fu提升至0.8
fu（应力比=0.8），提升了土木工程用BFRP材料的利用效率（图5（a））。
针对材料本身疲劳性能不足的问题，作者团队[13]通过“中阻、内护”复合技术共同作用提升制品疲劳性能。
“中阻”是通过在基体中添加纳米高岭土改善树脂结构，增强树脂抵抗提供裂纹开展的能力（图6（a）和图6（b）），从而提升FRP的疲劳性能。
“内护”是对纤维表面进行涂层改性，从而改善纤维-树脂界面的粘结强度，延缓纤维-树脂界面剥离（图6（c）和图6（d））。
试验结果表明，通过增韧乙烯基树脂延性有较大提高，增韧乙烯基BFRP在静力和疲劳作用下树脂开裂明显减小。
虽然增韧后静力强度有所下降，但是其疲劳寿命随应力水平降低的增加速率提高。
在相同疲劳应力水平下增韧乙烯基BFRP疲劳寿命高于普通乙烯基试件，应力比0.6下的1000万次循环疲劳强度水平从0.7
fu（图5（b））。
界面改性环氧基BFRP1000万次循环疲劳强度提升幅度较小，仅从0.75
fu提升至0.8
fu。
图5BFRP疲劳S-N曲线[13]
Fig.5
S-N
curvesofBFRP
图6BFRP疲劳性能提升机理[13]
Fig.6MechanismofenhancementoffaitguebehaviorsofBFR
1.3多场耦合下蠕变松弛控制与性能提升技术
树脂基体的粘弹性导致FRP材料的蠕变变形不可避免，且多场耦合（腐蚀、温度、湿度、应力等）环境会使FRP的蠕变变形进一步增加。
FRP中的粘弹性变形会造成预应力损失，是FRP材料预应力应用中亟需解决的关键问题。
针对高性价比BFRP作为预应力材料的应用前景，为进一步提升BFRP的耐蠕变松弛性能，作者团队[14]提出了二阶段预张拉技术提升BFRP的蠕变松弛性能。
首先，在材料的制备阶段树脂处于流动状态时，对纤维施加一定预张拉力调直纤维；
待树脂固化收缩产生一定的纤维弯曲后，对BFRP材料进行第二次预张拉处理，使FRP材料内部的弯曲纤维随着树脂粘弹性变形被逐渐调直，从而实现纤维共同受力，限制FRP材料整体粘弹性变形。
Wang等的试验研究表明，经过预张拉处理后的预应力BFRP筋1000h蠕变/松弛率由处理前的5%以上降低至3%以内（图7）[14]，接近CFRP和普通钢绞线的松弛率相应值（2%~3%），蠕变断裂应力从0.52
fu提升到0.54
fu[15]。
并且，预张拉不会造成强度、弹性模量等力学性能的降低。
该技术成功解决了BFRP材料蠕变/松弛率过大的问题，保证了BFRP作为预应力材料应用时的长期性能可靠性和有效性。
图7预张拉提升BFRP蠕变性能[14]
Fig.7EnhancementofcreepbehaviorsofBFRPbypretension
2BFRP增强新结构体系
以上述BFRP材料高性能化技术为基础，作者团队开发了BFRP网格、筋材、型材及拉索（图8）等多种不同形式的BFRP制品。
基于这些制品形式，根据结构性能需求，进一步开发了BFRP筋/网格-钢筋混合配置混凝土结构、BFRP型材-混凝土组合结构以及BFRP拉索大跨结构三种BFRP增强新建结构形式。
图8BFRP主要制品形式
Fig.8TypicalformsofBFRPproducts
2.1BFRP筋/网格-钢筋混合配置混凝土结构
2.1.1设计理念
高温高湿高盐、昼夜温差大且紫外线强的海洋环境对传统钢筋混凝土结构耐久性产生了巨大的威胁，严重阻碍了海洋工程的发展。
为此，吴智深等[16]提出利用BFRP筋/网格轻质、高强和耐腐蚀的优势，将BFRP筋/网格增设于传统结构外侧（图9），使BFRP筋/网格-钢筋混合配置混凝土结构的截面刚度与抗裂性能得到同步提升，可较好地解决因结构内部钢筋锈蚀而导致的混凝土结构耐久性问题。
这种混合配置方式也是实现结构损伤可靠和灾后可恢复的有效手段。
BFRP筋/网格的线弹性使其能够在钢筋屈服后为结构提供二次刚度（图10中的可修复状态），卸载后的结构残余变形明显小于相同位移下的普通钢筋混凝土结构；
同时，BFRP筋/网格与混凝土之间粘结滑移曲线中稳定的下降段（图11）可保证变形过大时结构不发生倒塌（图10中的极限状态）。
为了实现这一效果，必须通过合理的设计使FRP筋/网格的实际粘结强度小于其受拉断裂时对应的粘结应力，否则将无法有效可靠地限制结构不可恢复的变形。
2.1.2关键技术
BFRP筋/网格与混凝土粘结性能的优劣是其作为结构增强材料的关键。
BFRP网格为网状材料，因此其在混凝土内具有良好的粘结性能。
与钢筋和混凝土间优异的粘结性能相比，传统BFRP筋与混凝土粘结性能相对较差。
为此，可对BFRP筋表面肋进行了优化处理来提升其粘结性能。
吴智深等[16]的试验研究表明，表面肋优化后的BFRP筋不仅拥有稳定的粘结滑移性能，并且粘结滑移曲线上升段的粘结刚度和钢筋-混凝土接近。
同时，优化后的BFRP筋的粘结强度与钢筋-混凝土粘结强度相当（图11）。
此外，由于BFRP筋的表面肋在发生滑移后，并未损伤粘结处的混凝土，所以，优化BFRP筋发生滑移后的粘结应力明显高于普通钢筋。
因此，该研究结果为BFRP筋作为混凝土增强材料奠定了基础。
图9BFRP筋-钢筋混合配置示意图
Fig.9ConcretereinforcedbysteelbarsandBFRPbars
图10损伤可控结构荷载-变形曲线图
Figure10Load-deformationcurvesofdamage-controllablestructures
图11BFRP筋-混凝土粘结滑移实验结果[16]
Fig.11ResultsofBFRPbar-concretepullouttests
2.1.3BFRP筋/网格-钢筋混合配置结构力学性能
1）静力性能
吴智深等[16]通过试验证明，BFRP筋-钢筋混配梁钢筋屈服前的受弯性能与钢筋混凝土梁类似。
钢筋屈服后，由于FRP筋一直处于线弹性阶段，因此，结构仍可以继续承受一定荷载，这与普通的钢筋混凝土屈服后荷载即无明显增长的现象有所不同。
由于带肋BFRP筋具有较好粘结性能，可以有效控制裂缝宽度，显著提升结构刚度。
BFRP筋-钢筋混配梁的承载力和延性明显高于仅配置钢筋的梁，并且在相同的跨中挠度下，前者的裂缝宽度更小（图12）。
相比钢筋混凝土梁，BFRP筋-钢筋混配结构的裂缝更细且更加弥散。
如图13所示，作者团队[17]对BFRP网格-钢筋混配柱的轴压试验结果表明，与钢筋混凝土柱相比，BFRP网格-钢筋配混柱由于增设BFRP网格，提高了对核心混凝土的约束作用，因此，静力加载下BFRP网格-钢筋混凝土柱表现出更大的抗压承载能力和更好的延性。
此外，BFRP网格能够有效减小混凝土柱开裂后裂缝开展的速度，并抑制表面混凝土剥落。
图12BFRP筋/网格-钢筋混合配置结构静力性能（S和B分别表示钢筋混凝土梁和BFRP筋-钢筋混配梁）[16]
Fig.12StaticbehaviorsofconcretestructuresreinforcedwithBFRPbarsorgridsandsteelbars（SandBrepresentconcretebeamsreinforcedwithsteelbarsandthosereinforcedwithBFRPbarsandsteelbars）
图13BFRP网格与GFRP网格增强钢筋混凝土柱轴压性能对比[17]
Fig.13AxialcompressivebehaviorsofRCconcretecolumnsreinforcedwithBFRPgridsorGFRPgrids
2）抗震性能
对于地震频发区域的混凝土柱结构，通过BFRP筋-钢筋混合配置可实现损伤可控。
表面肋纹优化后的BFRP筋和混凝土之间的粘结应力峰值与钢筋接近，且BFRP筋粘结滑移曲线的下降段明显高于钢筋。
因此，当钢筋与混凝土之间出现滑移时，BFRP筋能够有效地限制滑移量。
作者团队[18]的试验研究表明，普通钢筋混凝土柱在侧向荷载下的破坏始于混凝土保护层的剥落，最终钢筋屈曲时延性系数（μ）为10.3；
而损伤可控结构具有明显的二次刚度，并使结构具有和钢筋混凝土相似的延性，不仅能实现结构在地震作用下良好的耗能能力，且能够有效地控制结构损伤，提升结构灾后可修复性能（图14）。
对BFRP筋-钢筋混合配置损伤可控结构进行了三维有限元模型分析，验证了相关试验结果，如图15[19]。
图14侧向荷载-层间位移角曲线[18]
Fig.14Lateralload-driftcurvesofconcretestructuresreinforcedwith
图15损伤可控结构的有限元模型[19]
Fig.15Finiteelement（FE）modelofadamage-controllablestructure
3）耐久性
为了验证2.1.1节中BFRP筋-钢筋混配结构的高耐久性，作者团队[20]分别对普通钢筋混凝土梁和BFRP筋-钢筋混配梁进行了模拟海水环境下的干湿循环加速腐蚀。
通过三点弯曲试验发现，普通钢筋混凝土梁在为期6个月的海水环境腐蚀后，受拉钢筋和箍筋均出现了一定程度的锈蚀，但由于腐蚀龄期较短，承载力仅下降5%；
BFRP筋-钢筋混配梁中的钢筋在腐蚀6个月后未出现明显的腐蚀现象，其极限承载力无退化现象，且经过腐蚀后梁的抗弯刚度略高于未腐蚀的对照梁（图16）。
图16盐腐蚀环境下BFRP筋-钢筋混合配筋混凝土梁荷载-跨中位移曲线[20]
Fig.16Load-deflectioncurvesofconcretestructuresreinforcedwithBFRPbarsandsteelbarsexposedtosaltcorrosion
2.2BFRP型材-混凝土组合结构
2.2.1设计理念
传统钢筋混凝土桥面板结构存在疲劳寿命短和耐久性差的问题，而既有FRP型材-混凝土组合桥面板结构大多存在型材用量多、截面利用率低和组合连接件性能不足等缺陷[21－23]。
针对上述问题，作者团队[24－26]开发了新型预应力BFRP型材-混凝土组合桥面板（如图17所示）。
一方面，将FRP材料置于受拉区、混凝土置于受压区，充分发挥FRP抗拉强度高和耐腐蚀性强以及混凝土抗压强度高的特点；
另一方面，通过在BFRP型材底板内壁张拉预应力BFRP板条进而使桥面板形成反拱，大幅提高桥面板在施工状态和正常使用状态下的整体刚度，节省了FRP型材用量。
同时，BFRP型材可兼作模板，避免了其腹板屈曲的问题。
另外，各BFRP型材组装模块之间采用波纹齿和预紧螺栓连接，型材表面经过打磨粘砂处理，充分保证了各界面的有效传力及桥面板优异的整体性
图17BFRP型材-混凝土组合桥面板结构示意[24]
Fig.17BFRPprofile-concretecompositebridgedeck
2.2.2关键技术
1）BFRP型材-混凝土界面性能提升
在组合结构中，FRP与混凝土之间的粘结性能是保证组合结构协同工作的基础，也是发挥各组成部分力学性能的前提。
目前，针对新建FRP-混凝土组合结构的界面粘结性能研究相对较少[27]。
作者团队[25]基于波纹齿BFRP型材腹板和石英砂粘结方法，对本桥面板的BFRP型材和混凝土之间的粘结性能开展了双剪静力和疲劳试验。
模壳和混凝土之间的界面分别采用仅打磨（无胶层）、打磨+涂抹环氧胶+粘石英砂（单层胶）和打磨+涂抹环氧胶+粘石英砂+二次涂抹环氧胶（双层胶）这三种处理方式。
如图18所示，采用单层胶处理FRP-混凝土界面可使界面最大粘结剪应力和界面断裂能（即剪应力-滑移曲线所含面积）最大，界面粘结性能最优。
作者团队[25]在此基础上开展的不同应力水平下的疲劳试验结果表明，界面损伤，即试件端部滑移，随疲劳循环次数的增加呈现出明显的前期快速，后期稳定的特点。
界面疲劳S-N曲线基本符合对数拟合规律，并可推知在200万次疲劳循环下，其疲劳极限应力水平可达0.51以上，反应了其界面优异的粘结性能。
2）自平衡预应力BFRP型材
图18BFRP型材-混凝土界面静力和疲劳试验结果[25]
Fig.18ResultsofstaticandfatiguetestsonBFRPprofile-concreteinterface
型材可作为组合桥面板施工时的模板和平台，需要承担混凝土重量和各种施工荷载，由于BFRP材料本身强度受限，因此，施工荷载下的型材变形往往是设计时的重要控制因素。
对预应力BFRP型材进行了预应力板条张拉试验和混凝土浇筑施工过程模拟试验。
作者团队[24]采用专门的张拉装置对预应力BFRP板条进行先张法张拉，并对张拉完成后的型材采用等重灌砂法模拟混凝土浇筑。
BFRP板条的张拉荷载可有效形成型材反拱，并且在持荷和放张阶段型材各部位内应力保持相对稳定，反映了组合桥面板良好的整体性。
如图19所示，相比无预应力，有预应力的型材可有效控制施工荷载下的结构变形，在强度验算状态下，预应力可使组合桥面板跨中挠度降低约50%。
图19BFRP型材在施工荷载下的荷载-挠度曲线[24]
Fig.19BFRPprofileunderconstructionload
2.2.3组合桥面板力学性能
依据国内外相关规范，作者团队[24－26]分别对本组合桥面板开展了静力、疲劳和持荷试验。
静力试验[24]表明，本组合桥面板极限承载力达到644kN，破坏模式主要由受压区混凝土压碎控制，基本未发现结构界面滑移和BFRP型材屈曲的现象，反映了其良好的整体性。
通过进一步的参数对比试验结果发现，在正常使用极限状态下，预应力桥面板的跨中挠度相比无预应力降低了近50%；
腹板波纹齿和界面粘砂的连接措施可使结构极限承载力提升56%，能够满足实际工程需求（图20）。
图20组合桥面板静力试验的参数对比结果[24]
Fig.20Staticbehaviorsofcompositebridgedecks
在静力试验的基础上，作者团队[25]对桥面板进行了等疲劳下限、不同荷载水平下的车载模拟疲劳试验，发现了该桥面板高荷载下发生混凝土冲切破
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