我國現存的各種建（構）筑物的總面積在400億m2以上，并以每年5億m2的速度增長，其中絕大多數是混凝土及砌體結構，至少有507-/0以上己投入使用20年以上。而且據相關資料，由于設計和施工過程中的技術問題和管理不當，目前設計壽命為50年的建筑物，實際壽命僅為30年，造成了資源的浪費：加上我國是地震災害多發(fā)國家，震后建筑物的加固修復工作在震后重建中顯得尤為重要。如何對現有建筑物進行維護，加固改造、處理各類病害，將成為未來建筑領域的主題。目前，一些發(fā)達國家的建筑物改造工程已達到建筑市場總量的6%‘”。
纖維增強復合材料( Fiber Reinforced Polymer／Plastic)具有質量輕、抗拉強度高、密度低、抗疲勞性強等獨特的性能。廣泛應用于世界軍工生產與航空航天領域。隨著近年來材料工業(yè)的迅速發(fā)展，粘貼纖維增強材料加固成為了針對粘鋼加固結構易被腐蝕和工作效率不高等缺陷發(fā)展起來的一種新興的加固方法。該種材料技術用于土建結構加固始于上世紀80年代中期，特別是在1994年美國的N orhridge地震和1995年日本的阪神地震后的快速。碳纖維加固技術起到重大作用后，粘貼纖維增強復合材料在建筑。
工程加固得到了各國的廣泛重視。美國和日本等國近二十年來創(chuàng)辦了纖維增強混凝土結構的相關的期刊。成立了相關的專業(yè)委員會。也提出了纖維增強混凝土結構的相關規(guī)范等。我國從1997開始研究纖維增強材料加固修復混凝土結構，現己出版（碳纖維片材加固混凝土結構技術規(guī)程》（CECS146 2003 ）和《混凝土結構設計加固規(guī)范》(GB50367- 2006)'。國內外應用于建筑結構加固的纖維增強復合材料主要有碳纖維增強復合材料（CFRP）、玻璃纖維增強復合材料（GFRP）和芳綸纖維增強復合材料（AFRP）。CFRP以較高的抗拉強度和彈性模量在三種主要纖維增強復合材料中應用最為普遍。同時。目前使用的纖維增強復合材料也暴露出了一些缺點：①AFRP和GFRP熱穩(wěn)定性、耐高溫、抗堿性差；②CFRP物理、力學性能較好但價格昂貴，依賴進口；③CFRP加固的構件易發(fā)生脆性破壞，特別是高溫下碳纖維抗拉強度下降明顯，FRP有導電性，不能應用在要求絕緣的場合。鑒于CFRP.GFRPAFRP在以上幾個方面的缺陷，亟需一種價格低廉且具獨特力學性能的工程加固材料。因此。本文建議將一種綜合性能較好的玄武巖纖維增強復合材料f BFRP)應用于建筑結構加固。
1玄武巖纖維材料
1.1玄武巖纖維的特性
連續(xù)玄武巖纖維(C ontinuous Basalt Fibre)，簡稱CBF或BF.是一種無機纖維材料，是以火山爆發(fā)形成的一種玻璃態(tài)的玄武巖礦石為原料經粉碎、高溫熔融后。通過噴絲板拉伸而成的纖維，其外觀為深棕色，色澤與碳纖維十分相似。玄武巖礦石本身就是一種玻璃態(tài)礦石，完全可以用這種單一的玄武巖礦石熔融后拉絲而成纖維，成纖后其它化學組分不變，玄武巖纖維與其他纖維各性能指標比較見表1。
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研究表明，將玄武巖纖維、碳纖維、玻璃纖維分別在100℃、200℃、400℃、600℃、1 200℃下加熱2h冷卻后進行強度測試，發(fā)現三種纖維加熱超過200。C后強度均會出現下降，碳纖維和玻璃纖維強度下降十分明顯。而玄武巖纖維加熱到600℃后強度保持率還在9%以上，強度保持率溫度關系如圖1所示。三種纖維加熱到1200℃后的體積維持情況如
圖2所示。另有研究證實¨1'131。玄武巖纖維在100~250℃下，抗拉強度可提高3D，而玻璃纖維下降23%：玄武巖纖維在70℃的熱水作用下。強度可保持1200h一般玻璃纖維不到200h便會失去強度。
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玄武巖纖維和各類樹脂復合時。比玻璃纖維和碳纖維有著更強的親和力。能夠有效提高加固效果和加固構件的耐久性。玄武巖礦床在我國東部大陸邊緣和青藏高原及周邊地區(qū)都有豐富的儲量，并且玄武巖礦石開采和生產工藝非常便捷，只需經高溫熔融后快速拉制成纖維。目前。玄武巖纖維的價格僅為碳纖維的1/6。
由表1、2的數據及文獻[ 12 16 17 18]的分析可知，玄武巖纖維與玻璃纖維力學性能相當，并優(yōu)于芳綸纖維；玄武巖纖維的耐腐蝕性能明顯強于玻璃纖維和芳綸纖維：在抗高溫性能方面。玄武巖纖維高于碳纖維、玻璃纖維和芳綸纖維。雖然目前玄武巖纖維抗拉強度和彈性模量比碳纖維低，但是綜合延性、成本、耐腐蝕性及抗高溫性等方面，玄武巖纖維
有一定的優(yōu)勢。
有一定的優(yōu)勢。
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1.2 國內外玄武巖纖維的發(fā)展
玄武巖纖維作為一種新型綠色環(huán)保材料出現于20世紀60年代。蘇聯莫斯科玻璃和塑料研究院于1953- 1954年開發(fā)出玄武巖纖維。1960- 1970年代，全蘇玻璃鋼與玻璃纖維烏克蘭分院根據前蘇聯國防部的指令，開始研制玄武巖纖維材料。烏克蘭建筑材料工業(yè)部設立了專門的“別列切”絕熱隔音材料科研生產聯合體，主要研制CBF及其制品制備工藝的生產線。聯合體的科研實驗室于1972年開始研制制備C BF曾研制出20多種CBF制品的生產工藝；1985年CBF研制成功并實現了工業(yè)化生產。由此可見。CBF從開發(fā)出到投入生產有30多年的歷史。近幾年來，美國、日本、德國等一些科技發(fā)達國家都加強了對CBF的研究開發(fā)，并取得了一系列新的應用研究成果。
我國開展玄武巖纖維的研究較晚。20世紀90年代中期，南京玻璃纖維研究設計院最早在中國開始CBF的研究，專注于適合充當隔熱材料的超細玄武巖纖維，主要用于戰(zhàn)斗機的發(fā)動機外殼等軍工用途，但目前仍然停留在實驗室階段。2002年11月我國將“CBF及其復合材料”批準列為國家863計劃：2003年該863計劃成果與浙江民營企業(yè)對接成立了橫店集團上海俄金玄武巖纖維有限公司。該公司經過一年多的研究試驗。己掌握了CBF生產工藝技術。2004年開始在上海實現產業(yè)化，部分技術達到國際先進水平和領先水平。目前，國內許多廠家相繼立項生產C BF主要產品為耐堿CBF原絲、紡織紗、短切纖維薄氈、無捻粗紗網布、FRP筋等。
2玄武巖纖維應用于建筑結構加固的研究現狀
目前，玄武巖纖維在建筑結構加固方面的試驗研究較少。從搜集到的文獻資料看，國內玄武巖纖維加固研究起步于最近兩年的時間，并先于其他國家。東南大學吳剛等進行了玄武巖纖維絲束纏繞與碳纖維布包裹加固圓柱和方柱在低周反復荷載下的對比試驗，證實了玄武巖纖維加固對提高混凝土柱抗剪承載力、延性及耗能能力的有效性，指出玄武巖纖維絲束纏繞加固能夠顯著提高混凝土柱的抗剪承載力。改變試件的破壞形態(tài)，在相近側向約束剛度下，玄武巖纖維加固對柱承載力的提高及延性、耗能等結構性能的改善都能夠達到、甚至超過CFRP加固柱。BFRP加固混凝土柱具有更好的抗震性能。試驗結果如表3所示。
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河北建筑工程學院李志強等，對6根混凝土梁進行了抗剪加固試驗研究。通過分析加固后梁的破壞特征、抗剪承載力，證實了采用玄武巖纖維對混凝土梁進行加固能延緩斜裂縫的出現，約束斜裂縫的發(fā)展。從而提高梁的抗剪承載能力、剛度以及變形能力。同等條件下。該試驗方案比采用碳纖維加固更加經濟。河北建筑工程學院麻建鎖等，列采用玄武巖纖維布對6根混凝土偏壓柱進行加固試驗研究，試驗結果表明，玄武巖纖維加固偏壓柱的極限承載能力和變形能力都得到了明顯提高。
上海大學歐陽煜等參考現行《混凝土加固設計規(guī)范》中的纖維加固理論公式，對玄武巖纖維布加固混凝土梁抗彎和抗剪承載力進行了計算分析，從理論角度探討了玄武巖纖維對混凝土梁的加固效果，并指出采用現有規(guī)范對玄武巖纖維加固結構構件的計算方法有待試驗驗證；在后續(xù)研究中，考慮玄武巖纖維布寬度、間距、加固量等因素，對5根玄武巖纖維加固混凝土梁的抗剪性能進行了試驗研究，指出玄武巖纖維能有效提高混凝土梁的抗剪承載力及變形能力，并根據實驗結果提出了玄武巖纖維加固混凝土梁的抗剪承載力公式心”。其中。玄武巖纖維布抗剪承載力公式為：
上海大學歐陽煜等參考現行《混凝土加固設計規(guī)范》中的纖維加固理論公式，對玄武巖纖維布加固混凝土梁抗彎和抗剪承載力進行了計算分析，從理論角度探討了玄武巖纖維對混凝土梁的加固效果，并指出采用現有規(guī)范對玄武巖纖維加固結構構件的計算方法有待試驗驗證；在后續(xù)研究中，考慮玄武巖纖維布寬度、間距、加固量等因素，對5根玄武巖纖維加固混凝土梁的抗剪性能進行了試驗研究，指出玄武巖纖維能有效提高混凝土梁的抗剪承載力及變形能力，并根據實驗結果提出了玄武巖纖維加固混凝土梁的抗剪承載力公式心”。其中。玄武巖纖維布抗剪承載力公式為：
韓國Jongsu ng SiI1等，對10根玄武巖纖維布加固混凝土的簡支梁進行了四點加載破壞試驗。加固試件設計成不同加固量(123層）以及不同的纖維布粘貼長度(0. 8L 1L)；Jongsung Sm所屬課題組還在相同工況下進行了玻璃纖維布加固混凝土簡支梁試件的試驗。試驗均得到了一些非常有意義的結論：粘貼一層玄武巖纖維布對提高加固試件的極限強度收效甚微。屈服強度可提高15%：粘貼二層和三層玄武巖纖維布的加固試件。屈服強度、極限強度分別提高26%、27%和16%、29%，不同粘貼長度的加固試件受力性能并無明顯不同；粘貼三層玄武巖纖維布的加固試件易發(fā)生纖維與混凝土的剝離破壞。二層玄武巖纖維布能夠充分發(fā)揮玄武巖纖維的自身強度，并能避免剝離破壞：與同等工況下玻璃纖維布加固試驗相比玄武巖纖維布加固試件體現出更好的延性。破壞前有明顯征兆。加不同量和粘貼不同長度進行加固，采用二片玄武巖纖維布的比采用一片和三片片材具有更好的加固效果，更能充分發(fā)揮出玄武巖纖維布延性好的優(yōu)點。增加玄武
巖纖維布的粘貼長度并不能提高梁的抗彎承載能力。
3需進一步研究的問題
雖然國內外在玄武巖纖維加固混凝土構件方面進行了一些試驗研究，但是對掌握玄武巖纖維加固混凝土構件的破壞特征和承載力提高程度并基于此得到玄武巖纖維加固結構構件的設計方法，還有許多工作需要完善和進一步開展，主要體現在如下幾個方面：
(1)玄武巖纖維對混凝土構件的抗彎加固試驗研究比較少，僅韓國Jongsung Sm等進行了初步研究，但U型箍和壓條在抗彎加固中對梁底纖維的錨固作用欠考慮。在此種情況下得到的采用二片玄武巖纖維布得到更好的加固效果的結論有待驗證，后續(xù)試驗研究需要加強錨固措施，以發(fā)揮玄武巖纖維布的強度，從而改善加固效果；
(2)目前玄武巖加固構件的試驗研究僅停留在簡支梁及柱試件的基礎上。實際工程中纖維加固對象主要是連續(xù)梁、板、柱及框架節(jié)點構件。需進一步研究連續(xù)構件采用玄武巖纖維加固后承載力提高程度和彎矩重分布變化及破壞模式的轉變以建議加固后連續(xù)構件較理想的破壞模式。采用玄武巖纖維對框架節(jié)點和短柱的抗震加固試驗研究還有待深入：
(3)相比目前應用的其他纖維材料，玄武巖纖維具有較好的耐高溫性，有必要進行有防火保護的玄武巖纖維加固混凝土構件火災下的受力性能和破壞機理研究。玄武巖紆維具有較好的延性和樹脂增強性。加固構件在受載過程中發(fā)生的粘結破壞以及混凝土剝離破壞特征需要通過試驗進一步研究：
(4)玄武巖纖維具有較高的抗拉強度、低廉的價格、較好的耐腐蝕及耐高溫性能。另外，國內玄武巖礦產豐富，其發(fā)展也具有很好的政策優(yōu)勢。目前，對于抗震加固、承載力提高較少和需要耐高溫、耐腐蝕的加固工程，可以采用玄武巖纖維。在一般的加固工程中亦可部分取代碳纖維或者混合碳纖維使用。隨著玄武巖纖維制作工藝日趨成熟以及力學性能的提高。其在建筑結構加固領域的應用前景廣闊。
資料下載：
玄武巖纖維及其在建筑結構加固中的應用研究進展_歐陽利軍.pdf
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