玄武巖纖維復合材料性能提升及其新型結構

吳智深，汪 昕，史健喆

(1.東南大學玄武巖纖維生產及應用技術國家地方聯(lián)合工程研究中心，江蘇，南京 210019；2.東南大學土木工程學院，江蘇，南京211189；3.東南大學城市工程科學技術研究院，江蘇，南京211189)

纖維增強復合材料(簡稱FRP)具有輕質、高強、耐腐蝕、耐疲勞等優(yōu)良特性，在工程結構的加固改造和新建結構增強中發(fā)揮了重要作用。經過30多年的研究和應用，F(xiàn)RP加固技術已發(fā)展成為提升土木工程結構使用性能、承載力、耐久性和疲勞壽命的重要手段，形成了成熟的加固施工工藝，建立了相應的技術規(guī)程。但在新建結構方面，幾種傳統(tǒng)的FRP材料，如碳纖維FRP(CFRP)、芳綸纖維FRP(AFRP)和玻璃纖維FRP(GFRP)存在一些不足，制約了FRP新建結構的推廣應用。例如，CFRP雖然強度和彈性模量高，但延伸率低，且熱膨脹系數與混凝土相差較大，嚴重影響其與混凝土的共同工作性能，且CFRP材料價格昂貴，很難大規(guī)模運用于新建結構。AFRP也存在成本過高的問題，且材料蠕變率大(0.5fu應力下1000 h蠕變率高達7%)[1]，導致結構產生較大的長期變形。GFRP的蠕變斷裂應力低(0.29fu)[2]，因此，其高強度難以得到充分發(fā)揮，且一般的玻璃纖維耐堿性差，不適合作為混凝土增強材料。近 20年興起的玄武巖纖維復合材料(BFRP)具有優(yōu)越的綜合性能，成為解決上述FRP新建結構問題的有效途徑。BFRP的強度和彈性模量比通用GFRP高30%，且斷裂延伸率較高(2.5 %)[3]，熱膨脹系數(6×10-6℃-1~8×10-6℃-1)與混凝土接近，蠕變斷裂應力為0.54fu[4]，介于AFRP和CFRP之間，且價格接近 GFRP。因此，BFRP的性價比高于三種傳統(tǒng)FRP材料。

玄武巖纖維是將火山巖原料經1500℃高溫熔融后拉制而成的連續(xù)纖維，由于生產過程中無污染，能耗低(僅為碳纖維生產能耗的1/16)，因此，被稱為21世紀無污染的“綠色工業(yè)原材料”，與碳纖維、芳綸纖維、超高分子纖維并稱中國的四大高技術纖維[5]。另一方面，中國的玄武巖礦石資源豐富，取材廣泛，為玄武巖纖維的大規(guī)模生產提供了原料保障。因此，玄武巖纖維有望推動工程結構的綠色可持續(xù)化發(fā)展，得到了國家和地方政府的政策支持。目前，玄武巖纖維及其復合材料已在土建交通基礎設施領域得到應用與示范，其在結構中所發(fā)揮的優(yōu)越性得到了行業(yè)認可，如三沙市某島礁混凝土結構、南京長江大橋加固修復、高速公路路面增強等。

為進一步提升 BFRP增強工程結構的性能與壽命，還需改善BFRP性能，并根據結構性能需求開發(fā)BFRP增強結構新形式。目前，東南大學玄武巖纖維生產及應用技術國家地方聯(lián)合工程研究中心聯(lián)合產業(yè)界已在玄武巖纖維原絲的品質穩(wěn)定化、量產化和高端化技術方面取得了重要突破。在品質穩(wěn)定化技術方面，提出玄武巖多元均配混配技術體系，實現(xiàn)了原料和生產工藝的穩(wěn)定控制，奠定了高性能玄武巖纖維生產的理論與工藝基礎[6]；在量產化技術方面，開發(fā)了一爐帶8~16塊漏板的大池窯技術[7]和1200孔以上的漏板技術，突破了年產千噸以上的規(guī)模化生產瓶頸；在高性能化及高端化技術方面，基于礦石成分結合多元均配混配技術，開發(fā)了高單絲強度(超過4000 MPa)、高彈性模量(超過 110 GPa)[5]、耐堿(強度保留率高于 80 %)[8]、耐高溫(最高工作溫度達800 ℃)[9]玄武巖纖維。在上述原絲高性能化成果的基礎上，本文主要介紹作者團隊在BFRP的高性能化和BFRP增強新建結構方面取得的成果。

1 玄武巖纖維復合材料(BFRP)高性能化

1.1 纖維混雜提升綜合性能

單一玄武巖纖維復合材料雖然延性好、成本較低，但強度和彈性模量遠低于碳纖維，無法滿足對材料力學性能要求較高的應用需求。為此，作者團隊[10]提出了混雜FRP材料，并通過應力波動控制技術抑制了不同纖維之間斷裂不同步導致的材料連續(xù)破壞(圖1(a)、圖1(b))，實現(xiàn)了FRP高強、高彈性模量、高延性和高性價比的效果，B/CFRP混雜筋相比CFRP筋延性系數提升105 %，相比BFRP筋強度提升35 %?；诶髦欣w維連續(xù)斷裂的失效機理，建立了考慮纖維/樹脂界面應力傳遞的斷裂力學理論預測模型，實現(xiàn)了新型混雜FRP筋拉伸性能的精確預測。另一方面，混雜還可提升FRP材料的疲勞性能，Wu等[11]的試驗表明，玄武巖纖維/碳纖維混雜可使BFRP的疲勞強度從0.55fu提升至0.7fu(圖1(c))，玻璃纖維無此提升效應，這是因為延伸率較小的碳纖維先斷裂后，由于玄武巖纖維與基體的粘結完好，纖維與樹脂之間共同受力性能好；相反，玻璃纖維與樹脂之間易發(fā)生剝離，導致連續(xù)破壞(圖1(d))。

圖1 纖維混雜技術Fig.1 Fiber hybridization

1.2 基于“外封、中阻、內護”三層次理念的BFRP性能提升技術

1.2.1 設計理念

作者團隊以 FRP制品的性能為目標，提出了“外封、中阻、內護”三層次理念。“外封”是對FRP材料外表層涂覆防護層，作為FRP材料和外界環(huán)境之間的第一層屏障；“中阻”是對樹脂基體進行微觀層次的改性(包括增韌和替換樹脂)，根據實際需求提升基體性能，限制基體在外界環(huán)境因素(腐蝕、高溫等)影響下的裂紋擴展或軟化；“內護”即利用纖維表面涂層技術對纖維絲進行防護，隔絕外界腐蝕介質與纖維的直接接觸?；谠撊龑哟卫砟?，開發(fā)了以下三方面BFRP性能提升技術。

1.2.2 耐堿性能提升技術

FRP制品在堿性環(huán)境中的退化問題是限制其在混凝土結構應用的瓶頸。針對既有BFRP在極端堿腐蝕溶液中耐久性不足以及在荷載-腐蝕環(huán)境耦合下性能亟需提升的問題，基于作者團隊提出的FRP材料“外封、中阻、內護”三層次理念，開發(fā)了FRP耐堿性能改性技術。其中，作者團隊在“中阻”和“內護”兩個層面進行了改性試驗研究。作者團隊最新研究表明，通過對內部纖維表面涂覆防護層，實現(xiàn)對纖維絲的保護(圖2)，涂層根據材料類型可分為有機涂層和無機涂層，有機涂層是隔絕外部堿溶液，避免其和內部纖維發(fā)生反應；無機涂層在隔絕的基礎上，還能和堿反應生成難溶物(如氫氧化鋯類)，進一步阻止堿溶液對纖維的侵蝕。Shi等[12]對樹脂基體進行微米級的防裂球狀顆粒體增韌改性，實現(xiàn)阻隔腐蝕粒子侵入的作用(圖3)。采用上述技術處理后，F(xiàn)RP材料在堿性腐蝕溶液環(huán)境下拉伸強度保留率從原先的不到 40 %提升至60 %以上，且該改性方法成本低廉，適宜于在量大面廣的土木工程結構中推廣和應用。

圖2 纖維涂層改性BFRP耐堿性能Fig.2 Alkaline resistance of BFRP with fiber coating

圖3 增韌改性BFRP耐堿性能[12]Fig.3 Alkaline resistance of BFRP with resin modification

1.2.3 耐高溫性能提升技術

FRP材料的耐高溫性能是建筑材料防火中的重要工程問題。針對組成FRP的環(huán)氧基體材料玻璃化溫度低、難以滿足防火要求的問題，作者團隊通過“中阻、外封”二層次理念，提升FRP制品耐高溫性能。其中，在“中阻”層面進行了改性試驗研究?！爸凶琛本唧w采用兩種方法：1)在樹脂基體中添加蒙脫土進行改性提升FRP材料高溫下的力學性能；2)采用一種可用于拉擠成型的耐高溫酚醛樹脂替換傳統(tǒng)樹脂作為FRP的基體。作者團隊的最新成果表明，樹脂替換和改性處理后的BFRP在高溫下的強度保留率與未經處理的普通BFRP相比明顯提高(如 300 ℃下分別提升 150 %和 230 %)，如圖4。并且，經改性后的樹脂在高溫下無煙無毒，并同時具備成熟的生產工藝、穩(wěn)定的力學性能及合理的制備成本。所提出的技術有效解決了普通FRP在高溫下力學性能退化嚴重的工程難題，進一步推動了FRP在高溫環(huán)境下的應用。

圖4 樹脂改性/替換提升BFRP耐高溫性能Fig.4 Enhancement of high temperature resistance of BFRP with resin modification or replacement

1.2.4 多場耦合下疲勞性能提升技術

FRP制品在多場耦合(腐蝕、溫度、濕度、應力等)下的疲勞性能是其工程應用中的關鍵問題。既有FRP材料中BFRP相對CFRP成本較低，但耐疲勞性能不足。作者團隊[13]首先針對工程結構長壽命設計，深入研究從200萬到1000萬次的FRP疲勞破壞形態(tài)和性能評價?；陂L壽命1000萬次疲勞試驗，所得到的BFRP疲勞強度預測值從200萬疲勞試驗的0.74fu提升至0.8fu(應力比=0.8)，提升了土木工程用BFRP 材料的利用效率(圖5(a))。針對材料本身疲勞性能不足的問題，作者團隊[13]通過“中阻、內護”復合技術共同作用提升制品疲勞性能?！爸凶琛笔峭ㄟ^在基體中添加納米高嶺土改善樹脂結構，增強樹脂抵抗提供裂紋開展的能力(圖6(a)和圖6(b))，從而提升FRP的疲勞性能?！皟茸o”是對纖維表面進行涂層改性，從而改善纖維-樹脂界面的粘結強度，延緩纖維-樹脂界面剝離(圖6(c)和圖6(d))。試驗結果表明，通過增韌乙烯基樹脂延性有較大提高，增韌乙烯基BFRP在靜力和疲勞作用下樹脂開裂明顯減小。雖然增韌后靜力強度有所下降，但是其疲勞壽命隨應力水平降低的增加速率提高。在相同疲勞應力水平下增韌乙烯基BFRP疲勞壽命高于普通乙烯基試件，應力比 0.6下的 1000萬次循環(huán)疲勞強度水平從 0.7fu提升至0.8fu(圖5(b))。界面改性環(huán)氧基BFRP 1000萬次循環(huán)疲勞強度提升幅度較小，僅從 0.75fu提升至 0.8fu。

圖5 BFRP疲勞S-N曲線[13]Fig.5 S-N curves of BFRP

圖6 BFRP疲勞性能提升機理[13]Fig.6 Mechanism of enhancement of faitgue behaviors of BFR

1.3 多場耦合下蠕變松弛控制與性能提升技術

樹脂基體的粘彈性導致 FRP材料的蠕變變形不可避免，且多場耦合(腐蝕、溫度、濕度、應力等)環(huán)境會使FRP的蠕變變形進一步增加。FRP中的粘彈性變形會造成預應力損失，是FRP材料預應力應用中亟需解決的關鍵問題。針對高性價比BFRP作為預應力材料的應用前景，為進一步提升BFRP的耐蠕變松弛性能，作者團隊[14]提出了二階段預張拉技術提升BFRP的蠕變松弛性能。首先，在材料的制備階段樹脂處于流動狀態(tài)時，對纖維施加一定預張拉力調直纖維；待樹脂固化收縮產生一定的纖維彎曲后，對BFRP材料進行第二次預張拉處理，使FRP材料內部的彎曲纖維隨著樹脂粘彈性變形被逐漸調直，從而實現(xiàn)纖維共同受力，限制FRP材料整體粘彈性變形。Wang等的試驗研究表明，經過預張拉處理后的預應力BFRP筋1000 h蠕變/松弛率由處理前的5 %以上降低至3 %以內(圖7)[14]，接近CFRP和普通鋼絞線的松弛率相應值(2 %~3 %)，蠕變斷裂應力從0.52fu提升到0.54fu[15]。并且，預張拉不會造成強度、彈性模量等力學性能的降低。該技術成功解決了 BFRP材料蠕變/松弛率過大的問題，保證了BFRP作為預應力材料應用時的長期性能可靠性和有效性。

圖7 預張拉提升BFRP蠕變性能[14]Fig.7 Enhancement of creep behaviors of BFRP by pretension

2 BFRP增強新結構體系

以上述 BFRP材料高性能化技術為基礎，作者團隊開發(fā)了 BFRP網格、筋材、型材及拉索(圖8)等多種不同形式的BFRP制品。基于這些制品形式，根據結構性能需求，進一步開發(fā)了 BFRP筋/網格-鋼筋混合配置混凝土結構、BFRP型材-混凝土組合結構以及BFRP拉索大跨結構三種BFRP增強新建結構形式。

圖8 BFRP主要制品形式Fig.8 Typical forms of BFRP products

2.1 BFRP筋/網格-鋼筋混合配置混凝土結構

2.1.1 設計理念

高溫高濕高鹽、晝夜溫差大且紫外線強的海洋環(huán)境對傳統(tǒng)鋼筋混凝土結構耐久性產生了巨大的威脅，嚴重阻礙了海洋工程的發(fā)展。為此，吳智深等[16]提出利用BFRP筋/網格輕質、高強和耐腐蝕的優(yōu)勢，將BFRP筋/網格增設于傳統(tǒng)結構外側(圖9)，使BFRP筋/網格-鋼筋混合配置混凝土結構的截面剛度與抗裂性能得到同步提升，可較好地解決因結構內部鋼筋銹蝕而導致的混凝土結構耐久性問題。這種混合配置方式也是實現(xiàn)結構損傷可靠和災后可恢復的有效手段。BFRP筋/網格的線彈性使其能夠在鋼筋屈服后為結構提供二次剛度(圖10中的可修復狀態(tài))，卸載后的結構殘余變形明顯小于相同位移下的普通鋼筋混凝土結構；同時，BFRP筋/網格與混凝土之間粘結滑移曲線中穩(wěn)定的下降段(圖11)可保證變形過大時結構不發(fā)生倒塌(圖10中的極限狀態(tài))。為了實現(xiàn)這一效果，必須通過合理的設計使FRP筋/網格的實際粘結強度小于其受拉斷裂時對應的粘結應力，否則將無法有效可靠地限制結構不可恢復的變形。

2.1.2 關鍵技術

BFRP筋/網格與混凝土粘結性能的優(yōu)劣是其作為結構增強材料的關鍵。BFRP網格為網狀材料，因此其在混凝土內具有良好的粘結性能。與鋼筋和混凝土間優(yōu)異的粘結性能相比，傳統(tǒng) BFRP筋與混凝土粘結性能相對較差。為此，可對 BFRP筋表面肋進行了優(yōu)化處理來提升其粘結性能。吳智深等[16]的試驗研究表明，表面肋優(yōu)化后的 BFRP筋不僅擁有穩(wěn)定的粘結滑移性能，并且粘結滑移曲線上升段的粘結剛度和鋼筋-混凝土接近。同時，優(yōu)化后的BFRP筋的粘結強度與鋼筋-混凝土粘結強度相當(圖11)。此外，由于 BFRP筋的表面肋在發(fā)生滑移后，并未損傷粘結處的混凝土，所以，優(yōu)化 BFRP筋發(fā)生滑移后的粘結應力明顯高于普通鋼筋。因此，該研究結果為BFRP筋作為混凝土增強材料奠定了基礎。

圖9 BFRP筋-鋼筋混合配置示意圖Fig.9 Concrete reinforced by steel bars and BFRP bars

圖10 損傷可控結構荷載-變形曲線圖Figure 10 Load-deformation curves of damage-controllable structures

圖11 BFRP筋-混凝土粘結滑移實驗結果[16]Fig.11 Results of BFRP bar-concrete pullout tests

2.1.3 BFRP筋/網格-鋼筋混合配置結構力學性能

1)靜力性能

吳智深等[16]通過試驗證明，BFRP筋-鋼筋混配梁鋼筋屈服前的受彎性能與鋼筋混凝土梁類似。鋼筋屈服后，由于FRP筋一直處于線彈性階段，因此，結構仍可以繼續(xù)承受一定荷載，這與普通的鋼筋混凝土屈服后荷載即無明顯增長的現(xiàn)象有所不同。由于帶肋BFRP筋具有較好粘結性能，可以有效控制裂縫寬度，顯著提升結構剛度。BFRP筋-鋼筋混配梁的承載力和延性明顯高于僅配置鋼筋的梁，并且在相同的跨中撓度下，前者的裂縫寬度更小(圖12)。相比鋼筋混凝土梁，BFRP筋-鋼筋混配結構的裂縫更細且更加彌散。

如圖13所示，作者團隊[17]對BFRP網格-鋼筋混配柱的軸壓試驗結果表明，與鋼筋混凝土柱相比，BFRP網格-鋼筋配混柱由于增設BFRP網格，提高了對核心混凝土的約束作用，因此，靜力加載下BFRP網格-鋼筋混凝土柱表現(xiàn)出更大的抗壓承載能力和更好的延性。此外，BFRP網格能夠有效減小混凝土柱開裂后裂縫開展的速度，并抑制表面混凝土剝落。

圖12 BFRP筋/網格-鋼筋混合配置結構靜力性能(S和B分別表示鋼筋混凝土梁和BFRP筋-鋼筋混配梁)[16]Fig.12 Static behaviors of concrete structures reinforced with BFRP bars or grids and steel bars (S and B represent concrete beams reinforced with steel bars and those reinforced with BFRP bars and steel bars)

圖13 BFRP網格與GFRP網格增強鋼筋混凝土柱軸壓性能對比[17]Fig.13 Axial compressive behaviors of RC concrete columns reinforced with BFRP grids or GFRP grids

2)抗震性能

對于地震頻發(fā)區(qū)域的混凝土柱結構，通過BFRP筋-鋼筋混合配置可實現(xiàn)損傷可控。表面肋紋優(yōu)化后的BFRP筋和混凝土之間的粘結應力峰值與鋼筋接近，且BFRP筋粘結滑移曲線的下降段明顯高于鋼筋。因此，當鋼筋與混凝土之間出現(xiàn)滑移時，BFRP筋能夠有效地限制滑移量。作者團隊[18]的試驗研究表明，普通鋼筋混凝土柱在側向荷載下的破壞始于混凝土保護層的剝落，最終鋼筋屈曲時延性系數(μ)為10.3；而損傷可控結構具有明顯的二次剛度，并使結構具有和鋼筋混凝土相似的延性，不僅能實現(xiàn)結構在地震作用下良好的耗能能力，且能夠有效地控制結構損傷，提升結構災后可修復性能(圖14)。對 BFRP筋-鋼筋混合配置損傷可控結構進行了三維有限元模型分析，驗證了相關試驗結果，如圖15[19]。

圖14 側向荷載-層間位移角曲線[18]Fig.14 Lateral load-drift curves of concrete structures reinforced with

圖15 損傷可控結構的有限元模型[19]Fig.15 Finite element (FE)model of a damage-controllable structure

3)耐久性

為了驗證2.1.1節(jié)中BFRP筋-鋼筋混配結構的高耐久性，作者團隊[20]分別對普通鋼筋混凝土梁和BFRP筋-鋼筋混配梁進行了模擬海水環(huán)境下的干濕循環(huán)加速腐蝕。通過三點彎曲試驗發(fā)現(xiàn)，普通鋼筋混凝土梁在為期6個月的海水環(huán)境腐蝕后，受拉鋼筋和箍筋均出現(xiàn)了一定程度的銹蝕，但由于腐蝕齡期較短，承載力僅下降5 %；BFRP筋-鋼筋混配梁中的鋼筋在腐蝕6個月后未出現(xiàn)明顯的腐蝕現(xiàn)象，其極限承載力無退化現(xiàn)象，且經過腐蝕后梁的抗彎剛度略高于未腐蝕的對照梁(圖16)。

圖16 鹽腐蝕環(huán)境下BFRP筋-鋼筋混合配筋混凝土梁荷載-跨中位移曲線[20]Fig.16 Load-deflection curves of concrete structures reinforced with BFRP bars and steel bars exposed to salt corrosion

2.2 BFRP型材-混凝土組合結構

2.2.1 設計理念

傳統(tǒng)鋼筋混凝土橋面板結構存在疲勞壽命短和耐久性差的問題，而既有FRP 型材-混凝土組合橋面板結構大多存在型材用量多、截面利用率低和組合連接件性能不足等缺陷[21－23]。針對上述問題，作者團隊[24－26]開發(fā)了新型預應力 BFRP型材-混凝土組合橋面板(如圖17所示)。一方面，將 FRP材料置于受拉區(qū)、混凝土置于受壓區(qū)，充分發(fā)揮FRP抗拉強度高和耐腐蝕性強以及混凝土抗壓強度高的特點；另一方面，通過在BFRP型材底板內壁張拉預應力BFRP板條進而使橋面板形成反拱，大幅提高橋面板在施工狀態(tài)和正常使用狀態(tài)下的整體剛度，節(jié)省了FRP型材用量。同時，BFRP型材可兼作模板，避免了其腹板屈曲的問題。另外，各BFRP型材組裝模塊之間采用波紋齒和預緊螺栓連接，型材表面經過打磨粘砂處理，充分保證了各界面的有效傳力及橋面板優(yōu)異的整體性

圖17 BFRP型材-混凝土組合橋面板結構示意[24]Fig.17 BFRP profile-concrete composite bridge deck

2.2.2 關鍵技術

1)BFRP型材-混凝土界面性能提升

在組合結構中，F(xiàn)RP與混凝土之間的粘結性能是保證組合結構協(xié)同工作的基礎，也是發(fā)揮各組成部分力學性能的前提。目前，針對新建FRP-混凝土組合結構的界面粘結性能研究相對較少[27]。作者團隊[25]基于波紋齒BFRP型材腹板和石英砂粘結方法，對本橋面板的 BFRP型材和混凝土之間的粘結性能開展了雙剪靜力和疲勞試驗。模殼和混凝土之間的界面分別采用僅打磨(無膠層)、打磨+涂抹環(huán)氧膠+粘石英砂(單層膠)和打磨+涂抹環(huán)氧膠+粘石英砂+二次涂抹環(huán)氧膠(雙層膠)這三種處理方式。如圖18所示，采用單層膠處理FRP-混凝土界面可使界面最大粘結剪應力和界面斷裂能(即剪應力-滑移曲線所含面積)最大，界面粘結性能最優(yōu)。作者團隊[25]在此基礎上開展的不同應力水平下的疲勞試驗結果表明，界面損傷，即試件端部滑移，隨疲勞循環(huán)次數的增加呈現(xiàn)出明顯的前期快速，后期穩(wěn)定的特點。界面疲勞S-N曲線基本符合對數擬合規(guī)律，并可推知在200萬次疲勞循環(huán)下，其疲勞極限應力水平可達0.51以上，反應了其界面優(yōu)異的粘結性能。

2)自平衡預應力BFRP型材

圖18 BFRP型材-混凝土界面靜力和疲勞試驗結果[25]Fig.18 Results of static and fatigue tests on BFRP profile-concrete interface

型材可作為組合橋面板施工時的模板和平臺，需要承擔混凝土重量和各種施工荷載，由于 BFRP材料本身強度受限，因此，施工荷載下的型材變形往往是設計時的重要控制因素。對預應力BFRP型材進行了預應力板條張拉試驗和混凝土澆筑施工過程模擬試驗。作者團隊[24]采用專門的張拉裝置對預應力BFRP板條進行先張法張拉，并對張拉完成后的型材采用等重灌砂法模擬混凝土澆筑。BFRP板條的張拉荷載可有效形成型材反拱，并且在持荷和放張階段型材各部位內應力保持相對穩(wěn)定，反映了組合橋面板良好的整體性。如圖19所示，相比無預應力，有預應力的型材可有效控制施工荷載下的結構變形，在強度驗算狀態(tài)下，預應力可使組合橋面板跨中撓度降低約50%。

圖19 BFRP型材在施工荷載下的荷載-撓度曲線[24]Fig.19 BFRP profile under construction load

2.2.3 組合橋面板力學性能

依據國內外相關規(guī)范，作者團隊[24－26]分別對本組合橋面板開展了靜力、疲勞和持荷試驗。靜力試驗[24]表明，本組合橋面板極限承載力達到644 kN，破壞模式主要由受壓區(qū)混凝土壓碎控制，基本未發(fā)現(xiàn)結構界面滑移和BFRP型材屈曲的現(xiàn)象，反映了其良好的整體性。通過進一步的參數對比試驗結果發(fā)現(xiàn)，在正常使用極限狀態(tài)下，預應力橋面板的跨中撓度相比無預應力降低了近50 %；腹板波紋齒和界面粘砂的連接措施可使結構極限承載力提升56 %，能夠滿足實際工程需求(圖20)。

圖20 組合橋面板靜力試驗的參數對比結果[24]Fig.20 Static behaviors of composite bridge decks

在靜力試驗的基礎上，作者團隊[25]對橋面板進行了等疲勞下限、不同荷載水平下的車載模擬疲勞試驗，發(fā)現(xiàn)了該橋面板高荷載下發(fā)生混凝土沖切破壞，中低荷載下混凝土沖切和型材撕裂破壞這一疲勞破壞模式。由疲勞S-N曲線(圖21)可以推知，當荷載水平為 0.46Fu(Fu為極限承載力)、荷載幅為211.3 kN時，該結構的疲勞壽命可達 1000萬次以上，遠高于各國規(guī)范值。此外，在中低荷載水平下，橋面板的殘余強度和剛度均達到90 %以上，反映了其優(yōu)越的疲勞性能。

圖21 組合橋面板S-N曲線[25]Fig.21 S-Ncurve of composite bridge decks

橋面板在混凝土長期荷載作用下會產生收縮徐變，BFRP型材本身也可能發(fā)生蠕變，因而橋面板的持荷性能有待研究。作者團隊[26]采用反向千斤頂頂壓的方式加載，由圖22可見橋面板的跨中撓度呈現(xiàn)出明顯的“前期快速發(fā)展，中期不穩(wěn)定上升，后期穩(wěn)定平緩”的三階段特征，在0.3Fu持荷水平下4000 h撓度增長率為5.4 %。后期撓度與荷載水平呈正相關關系，正則化的跨中撓度與時間的關系符合雙對數線性規(guī)律。

圖22 組合橋面板的長期持荷試驗結果[26]Fig.22 Long-term test results of composite bridge decks

2.3 BFRP拉索大跨結構

2.3.1 設計理念

FRP拉索的錨固是制約其運用于大跨橋梁結構的關鍵問題。既有FRP拉索粘結型、摩擦型和金屬擠壓型錨固技術多適用于單根小直徑、小噸位FRP拉索，難以對多根、大噸位FRP拉索進行有效錨固。針對上述瓶頸，作者團隊[28]提出一種同源變剛度BFRP拉索錨固方法，從BFRP拉索性能預測、拉索-錨固系統(tǒng)性能評價以及大跨斜拉橋整體設計三個方面開展研究，最終形成輕量化、長壽命的大跨斜拉橋整體設計方法(圖23)。BFRP拉索的運用能夠解決傳統(tǒng)鋼拉索自重大、易腐蝕問題，為實現(xiàn)大跨橋梁向更大跨徑發(fā)展提供新的選擇。

圖23 BFRP拉索設計理念Fig.23 Design philosophies of BFRP cables

2.3.2 關鍵技術

1)BFRP拉索性能預測

BFRP拉索的性能預測對于其性能控制和提升具有重要意義，傳統(tǒng)預測方法主要存在未考慮強度隨機性或計算量過大的問題。作者團隊[29]建立了考慮材料強度隨機分布的浸膠紗-單筋-拉索多尺度精細化模型(圖24)，模型基本組成單元為縱向纖維浸膠紗和橫向樹脂，并能考慮初始纖維彎曲帶來的影響。如圖25所示，通過試驗分別得到環(huán)氧/乙烯基樹脂BFRP浸膠紗隨機強度分布，輸入模型后分別得到 4 mm/6 mm，環(huán)氧/乙烯基筋材的強度分布規(guī)律，經試驗驗證其擬合精度達到90 %以上，誤差相比傳統(tǒng)方法減少10 %以上。另外，如圖26所示，模型還能正確揭示拉索內部的損傷演化規(guī)律和破壞機理。

圖24 浸膠紗-單筋-拉索多尺度有限元模型Fig.24 Impregnated fiber bundle-single tendon-cable multiscale FE model

圖25 BFRP浸膠紗-單筋隨機強度分布Fig.25 Strength distributions of BFRP single tendon by different methods

圖26 拉索單筋損傷演化模擬Fig.26 Simulation of damage process in single tendon

2)BFRP拉索錨固體系

如圖27所示，為解決BFRP拉索加載端應力集中問題，Wang等[28]提出了一種加載端剛度小、自由端剛度大的同源變剛度錨固體系，其最大特點在于通過沿BFRP拉索錨固區(qū)分段纏繞不同種纖維來實現(xiàn)荷載傳遞介質的剛度變化。圖28為有限元分析結果，由圖可知，采用剛度變化的荷載傳遞介質可顯著緩解BFRP拉索加載端應力集中。

圖27 同源變剛度錨固體系Fig.27 Variable-stiffness anchorage

圖28 FRP拉索錨固區(qū)徑向應力Fig.28 Radial stress on FRP tendons at anchor

變剛度錨頭制備過程具體如下：1)在BFRP筋錨固區(qū)纏繞一層纖維粗紗，其目的在于填充多根BFRP筋之間的間隙以及提高內層筋與外層筋之間的協(xié)同受力能力。2)利用塑料定位板將多根BFRP筋集束成索。為了提高錨固區(qū)BFRP拉索整體性能，在BFRP拉索錨固區(qū)纏繞一層5 mm厚的碳纖維浸膠紗。3)BFRP拉索錨固區(qū)自加載端至自由端依次纏繞滌綸、玄武巖纖維、玄武巖纖維和碳纖維、碳纖維。分段數量和分段長度通過試驗和有限元模擬確定。4)將纏繞好的錨頭放置于具有錐形內腔的模具內，經模壓-加熱可以形成一體化變剛度錨頭。

通過對37根BFRP拉索開展靜力拉伸試驗[28]，進一步驗證了變剛度錨固體系的有效性。BFRP拉索的失效模式為自由段炸裂式破壞，屬于理想破壞形態(tài)。相同荷載下多根BFRP筋的軸向拉應變相差不大，表明提出的變剛度錨固體系可以確保內層筋與外層筋之間的協(xié)同工作性能。此外，試驗驗證了3組 37根 BFRP拉索的平均靜力錨固效率高達99.2 %，錨固效率十分理想。

3)大跨結構用BFRP拉索設計方法

與傳統(tǒng)鋼拉索的設計方法相比，F(xiàn)RP拉索的設計方法所需考慮的因素有所不同。大跨橋梁用FRP拉索的設計方法應當充分考慮材料的綜合性能、功能需求和結構非線性要求。因此，作者團隊[30]在兩種傳統(tǒng)FRP拉索設計方法(等強度和等剛度設計)的基礎之上，進一步提出新型FRP拉索設計方法，旨在解決FRP拉索的材料利用率、綜合性能和結構使用要求問題，以便實現(xiàn)FRP拉索的優(yōu)化設計。如圖29所示，以材料利用率與軸向剛度為設計目標，基于不同材料 FRP拉索等效彈性模量比，根據 FRP拉索長度分三個階段選取不同的設計安全系數對FRP拉索進行設計。FRP拉索三階段的設計理念旨在滿足不同橋梁跨度的需求，實現(xiàn)不同F(xiàn)RP材料的高效利用[30]。根據長度的不同，主要分為小于1000 m、1000 m~2000 m和大于2000 m三個長度區(qū)間，具體分析如下：

圖29 FRP拉索安全系數的三階段模型[30]Fig.29 Three-stage model for the safety factor of FRP cable

1)跨度在1000 m以內時，F(xiàn)RP拉索的垂度效應不明顯，可以不考慮拉索的非線性設計要求；

2)跨度在1000 m~2000 m之間時，拉索的設計需同時考慮非線性和使用性能要求；

3)跨度大于2000 m時，由于橋梁的整體活載和恒載比例發(fā)生變化，可容許的FRP拉索設計應力將進一步提升，因此FRP拉索的材料利用率將進一步提升。

2.3.3 BFRP拉索大跨斜拉橋靜動力性能

1)靜力性能

由于BFRP拉索具有輕質高強的特性，將其運用于大跨斜拉梁，可以顯著降低拉索的垂度效應、提升承載效率和承載能力，從而達到提升大跨斜拉橋靜力性能的目的。除此之外，BFRP拉索的運用還將進一步減小索體結構的自重和橋梁主梁的軸力負擔。Wang等[31]的分析研究表明，BFRP拉索及其混雜 FRP拉索在相同荷載下的位移均小于鋼拉索(圖30)。

圖30 FRP拉索超大跨斜拉橋加勁梁的豎向位移[31]Fig.30 Vertical displacements of the girder in a long-span cable-stayed bridge with FRP cables

2)動力性能

Wang等[31]的分析研究表明，與鋼拉索相比，F(xiàn)RP拉索具有更輕的質量和更高的自振頻率，有利于提升大跨斜拉橋的動力性能。如圖31所示，BFRP拉索和B/CFRP拉索的自振頻率小于CFRP拉索，但是均大于鋼拉索，因此，F(xiàn)RP拉索斜拉橋發(fā)生索橋共振的可能性小于鋼拉索。與各向同性材的鋼拉索相比，F(xiàn)RP拉索的抗側壓強度與抗剪強度較低[31]，因此，鋼拉索阻尼器無法直接應用于 FRP拉索，需要開發(fā)一種適用于FRP拉索的阻尼裝置。通過運用混雜 FRP拉索的設計方法和內部阻尼器原理，可實現(xiàn)對FRP拉索的自減振控制[32]。

圖31 FRP拉索與整橋的自振頻率[31]Fig.31 Natural vibration frequencies of FRP cables

3 結論與展望

本文詳細綜述了玄武巖纖維及其復合材料的高性能化技術和三種新型BFRP增強結構形式，包括BFRP型材-混凝土組合橋面板、高耐久損傷可控BFRP筋/網格-鋼筋混合配置混凝土結構和BFRP拉索大跨斜拉橋，主要結論如下：

(1)玄武巖纖維復合材料的纖維混雜提升技術、基于“外封、中阻、內護”三層次理念的BFRP性能提升技術以及預張拉蠕變松弛控制提升技術，顯著提升了材料的力學性能、耐久性、耐溫性，高性能玄武巖纖維復合材料在土建交通基礎設施建設中具有廣闊應用前景。

(2)針對 BFRP筋/網格-鋼筋混合配置混凝土結構，作者團隊解決了BFRP-混凝土界面的粘結技術難題，提出通過穩(wěn)定二次剛度有效控制結構損傷原理，實現(xiàn)低成本下結構高耐久、延性以及災后可恢復性高度提升。

(3)針對BFRP型材-混凝土組合橋面板，作者團隊結合波紋齒和粘砂技術，解決了型材與混凝土之間的粘結問題；通過對型材施加預應力產生反拱，解決了型材在施工荷載下變形過大的問題，提升了BFRP型材的利用效率。

(4)針對 BFRP拉索大跨斜拉橋，作者團隊建立了考慮材料強度隨機分布的多尺度精細化拉索預測模型，開發(fā)了可有效降低錨固區(qū)應力集中的同源變剛度大噸位BFRP拉索錨固體系，提出了滿足不同跨徑橋梁需求的三階段設計方法，提升了BFRP拉索的利用效率。

未來應不斷探索BFRP的新材料形式和應用技術，包括熱塑性樹脂基BFRP材料、全BFRP型材結構、BFRP增強預制裝配式結構和樁基礎等，為更廣泛地滿足土建交通基礎設施建設需求做好技術儲備。