1.3　玄武巖纖維復合材料

纖維增強復合材料(Fiber Reinforced Polymer,FRP)具有強度高、耐腐蝕、自重輕、壽命長和耐久性好等優點,可替代混凝土結構中的鋼筋、預應力鋼筋以及加固混凝土結構用的外粘鋼板等。與傳統的加固技術相比,FRP加固技術具有明顯的技術優勢[6,26,34,38]:①具有較高的比強度;②具有極佳的耐腐蝕性能及耐久性能;③具有較好的耐疲勞性能;④施工便捷,工效高,施工占用場地少;⑤可設計性和工藝性好;⑥基本不增加原結構自重及原構件尺寸,對正常使用的影響較小;⑦適用面廣。由于其優點多,效果明顯,目前FRP成為加固維修技術領域中使用最為廣泛的材料,并已完全產業化。應用于結構加固的纖維增強復合材料主要有玻璃纖維增強復合材料(GFRP)、碳纖維增強復合材料(CFRP)和芳綸纖維增強復合材料(AFRP)。這些纖維增強復合材料的抗拉強度是普通鋼材的8～10倍,密度約為鋼材的1/5,而且彈性模量與鋼材處于同一個水平甚至可以達到鋼材的2倍。同時,在三種主要纖維增強復合材料中,CFRP的應用最為普遍,因為它具有較高的抗拉強度和彈性模量,而且其加固技術也最為成熟[44-45]。但目前使用的FRP也暴露出了一些缺陷[35,46-47],如①AFRP和GFRP熱穩定性、耐高溫性能差;②GFRP的抗堿性差;③CFRP有導電性,不能應用在要求絕緣的場合;④CFRP的物理、力學性能較好但價格不菲。

玄武巖纖維增強復合材料(Basalt Fiber-Reinfoced Polymer,BFRP)是以玄武巖纖維為增強體制成的新型增強復合材料,具有較高比強度、耐高溫、耐燒蝕、熱穩定性優越、介電性良好和對腐蝕介質的化學穩定性等優點。測試結果顯示,BFRP的強度約為高強CFRP的2/3,高于GFRP和AFRP。相對于其他FRP,其耐高溫性能較好[46]。沒有經過樹脂浸漬的布(纖維增強復合材料,FRP)通常稱為“干布”。纖維布根據編織方式可以分為三種:平紋布、斜紋布和光面布[3,48]。平紋布是將粗纖維按照經向、緯向編織而成,優點是剛度較大、結構穩定,缺點是樹脂不易浸漬、粗纖維彎曲較大。斜紋布和光面布相對較柔軟,但在操作過程中易受損壞。纖維布根據纖維的方向性可以分為單向纖維布、雙向纖維布和多向纖維布。單向纖維布的主要受力方向是粗纖維,橫向通過輕質非結構性纖維連接在一起[3,48]。

按照《定向纖維增強塑料拉伸性能試驗方法》(GB/T 3354—1999)進行的有關玄武巖纖維單向布的拉伸試驗表明(材料是平紋的玄武巖纖維單向布,編織方法和其他纖維布相同;試件尺寸為長230mm、寬15mm),試件抗拉強度的最大值為2464.6MPa,最小值為2163.0MPa,平均值為2331.5MPa,均方差為118.9MPa,變異系數為0.051[48]。對玄武巖纖維復合材料與其他增強復合材料的對比研究表明,其物理力學性能與玻璃纖維增強復合材料性能相當。

表1.8是各種纖維增強環氧樹脂制成的復合材料性能比較[39,43]。

從表1.8中可知,用玄武巖連續纖維制成單向增強復合材料在強度方面與E-玻璃纖維相當,但彈性模量在各種纖維中具有明顯優勢。用玄武巖連續纖維制成的層合板也有類似結果。研究表明,無論是非表面處理纖維,還是有機硅處理劑處理過的纖維,玄武巖纖維與環氧樹脂的黏合強度都要高于E-玻璃纖維與相同環氧基的黏合強度。玄武巖纖維-環氧復合材料的研究也表明,玄武巖纖維具有良好的增強效應。玄武巖連續纖維增強材料所具有的這種性能,也可以用于制作長期工作在高壓、熱應力環境下的復雜容器[30]。

制作纖維復合材料常用的樹脂為環氧樹脂、乙烯酯及聚酯。樹脂的主要作用是將纖維黏結在一起填充纖維間的縫隙,傳遞纖維間的力,防止在壓力作用下纖維屈曲,同時可以保護纖維。試驗研究結論表明,樹脂類型、纖維原絲的直徑等對測試結果均有一定影響[48]。因為生產的原材料不同,玄武巖復合材料在使用之前需對其性能進行測定。本書中采用的單絲纖維直徑7μm和13μm的BFRP主要力學性能的測試,在YG065電子織物強力儀上進行,其加載速度200mm/min,加載溫度20℃,加載濕度65%。表1.9為單絲纖維直徑7μm的玄武巖纖維復合材料的主要力學性能指標[7]。

表1.10為單絲纖維直徑13μm玄武巖纖維復合材料的主要力學性能指標[7]。

根據表1.9和表1.10的測試結論,單絲直徑7μm的玄武巖纖維復合材料(布)的抗拉強度平均值為1487.9MPa,斷裂伸長率為1.67%;單絲直徑為13μm的纖維布抗拉強度平均值為1940.9MPa,斷裂伸長率為1.98%。上述力學性能指標的隨機性相對較小,最大的變異系數僅0.090(單絲直徑7μm的斷裂伸長率)。因此,直徑為13μm的玄武巖纖維復合材料,無論是強度還是極限拉伸,都比直徑為7μm的力學性能更好。

文獻[48]中,不同纖維直徑的玄武巖纖維布的抗拉強度為1392～2240MPa,但單絲直徑為7μm的平均抗拉強度優于單絲直徑為13μm的。本書采用的材料測試所得的數據,比較接近于其他途徑研究的結果[6,11,13]。現行規范規定,Ⅰ級及Ⅱ級玄武巖纖維單向布,其拉伸強度分別不小于2000MPa和1500MPa[50],本書中,試驗與計算研究時選用的玄武巖纖維復合材料,其物理力學性能基本符合規范的要求,具有一定的代表性。