前言

海工与水工混凝土结构所处的使用环境恶劣,对混凝土的基本物理力学性能与抗冲耐磨等耐久性能的要求更高;而在混凝土中掺加不同种类的纤维(包括碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维或钢纤维等)都可以不同程度地提高混凝土的基本物理力学与工作性能。近年来,已开展了各种纤维及其增强复合材料在混凝土和结构构件加固中的工作性能、效果及经济性等研究,取得了相应的研究成果。

水泥基材料中使用的纤维种类较多,如果按材料性质可划分为金属纤维,如钢纤维等;无机纤维,如抗碱玻璃纤维、碳纤维和碳化硅纤维等人造矿物纤维;有机纤维,主要有聚丙烯纤维、尼龙纤维等合成纤维和天然植物纤维。与其他纤维相比,玄武岩纤维(Basalt Fiber,BF)有材料的环保性、较好的物理力学性能和较稳定的化学性能等特点。相对其他纤维材料而言,作为一种应用于工程中的时间不长、以玄武岩为主原料的绿色纤维材料,对玄武岩纤维混凝土及其增强复合材料(Basalt Fiber-Reinfoced Polymer,BFRP)加固性能的系统性研究成果不多,尤其缺乏水工(海工)玄武岩纤维混凝土的工程应用性能和现场试验研究的成果,仍有不少基本的力学性能和应用技术及经济性等需要深入研究。本书以试验和理论分析及模拟计算的方法,对玄武岩纤维水工混凝土及增强复合材料加固进行了系统研究,涉及玄武岩纤维混凝土工程应用的主要性能及BFRP加固不同受力状态RC构件的性能,研究的内容拓展了纤维混凝土及纤维增强复合材料的研究范围。

本书首先介绍了玄武岩及其纤维材料的特征、玄武岩纤维材料及复合材料的应用。第2章研究了玄武岩纤维水工混凝土的基本物理力学性能,包括玄武岩纤维水工混凝土的抗压、劈裂抗拉、抗弯性能、弹性模量、抗剪性能、轴心抗拉强度、抗冻性能和抗碳化性能等。第3章研究了玄武岩纤维水工混凝土抗冲耐磨与抗渗性能,包括水工混凝土抗冲增强性能、抗磨增强性能、抗水流及现场抗冲刷性能、抗渗性能及表面修补性能等。第4章研究了玄武岩纤维水工砂浆的基本性能,包括玄武岩纤维水工砂浆的抗压性能、劈裂抗拉强度、黏结强度、抗渗性能、现场抗冲性能和抗氯离子侵蚀性能及抗冻性能等。第5章介绍了玄武岩纤维水工混凝土的抗氯离子侵蚀性能,包括玄武岩纤维混凝土在改进的自然扩散法环境下的抗氯离子侵蚀性能、自然潮差环境下抗氯离子侵蚀性能、人工模拟潮差环境下抗氯离子侵蚀性能、强感潮环境下抗氯离子侵蚀性能、短切玄武岩纤维混凝土构件的抗氯离子腐蚀性能及其抗氯离子侵蚀的微观机理等。第6章研究了BFRP加固钢筋混凝土简支梁的抗弯性能,包括BFRP加固RC简支梁正截面承载力的计算、BFRP加固RC简支梁的试验及加固效果分析和计算模型的适用性等。第7章介绍了BFRP加固RC方柱的性能及数值分析,包括BFRP加固RC方柱的试验及力学性能、理论分析和数值分析。第8章为BFRP加固RC连续梁的性能及数值分析,介绍了BFRP加固RC连续梁的试验及理论分析、BFRP加固RC连续梁的数值计算及BFRP加固RC构件的经济性。第9章为玄武岩纤维混凝土及砂浆的应用研究,包括聚合物玄武岩纤维砂浆性能的试验研究成果、水电站溢流面表层玄武岩砂浆的抗冲磨防护应用、聚合物玄武岩纤维混凝土处理水电站溢洪道伸缩缝缺陷及处理水电站表孔溢洪道底板脱空等应用成果。本书中还列出了300多个参考文献,为进一步研究提供了必要的线索。

全书中的2.2、3.2、3.3、3.4、3.5、4.5、4.6和5.5节内容由高延红撰写;2.2.3、2.8、2.9、3.6.3、4.7和9.5节内容由章晓桦和孙从炎撰写;9.1、9.2、9.3和9.4节内容由孙志恒撰写;2.6和4.4节内容由王建东撰写;其他内容由张俊芝撰写。全书由张俊芝统稿,高延红完成全书内容校对、部分图表绘制和参考文献编排等。浙江工业大学研究生刘华挺、朱燕东、傅招旗、赵璟、吴灵杰、黄俊、许亮、庄华夏、石佳乐、胡明龙、陈伟、李登辉以及本科生张灵福和徐雪峰等,浙江省水利河口研究院的陈文亮和黄建超等,具体完成了书中相应内容的试验、理论分析及数值模拟计算等研究,他们的研究成果体现在参考文献和有关研究报告中,在此未对他们的工作一一列举;研究生周胜兵、王梁英、伍亚玲、金汉阳、刘如泰、周巧萍、孙玮琨、屠一军、张杉、江维、边帆、方赵峰和郭杰等参加了部分试验研究及编写资料的收集工作。

本书是作者多年来对玄武岩纤维混凝土及其增强复合材料加固性能的系统性研究成果的总结,旨在为纤维水工混凝土及其应用的深入研究提供一些基础资料,以推动玄武岩纤维及BFRP的应用。从2009年开始,受水利部公益性行业科研专项项目(200901065)、浙江省水利厅科技项目(RB1302)资助以来,作者及项目承担单位的有关研究人员,一直致力于玄武岩纤维水工混凝土基本物理力学性能及工程性能、玄武岩纤维增强材料加固性能和实际水利工程修补应用等研究;研究过程中,还获得国家自然科学基金(50879079和51279181)、浙江省自然科学基金(LY13E090008和LY17E090007)等项目资助。这些研究项目,促进了作者对玄武岩纤维混凝土及其增强复合材料加固性能的深入研究,丰富了纤维混凝土研究领域的内容。

本书的出版得益于众多研究人员的关心和帮助,并得到了上述研究项目的资助。感谢浙江工业大学学术著作出版基金、浙江省重点学科(结构工程)和浙江工业大学重点学科(防灾减灾工程及防护工程)的资助;感谢同行学者和作者进行的有益探讨并提供了宝贵的资料。浙江工业大学杨俊杰教授、李通坤副教授、袁伟斌副教授、马成畅高级工程师、韦甦高级工程师等在项目研究过程中给予过重要的帮助。还要特别感谢浙江省钱塘江管理局黄海珍高级工程师、胡振华高级工程师和胡华强工程师,他们提供了现场试验研究的便利及宝贵的研究资料。在此一并向他们及有关协助单位表示谢意。

限于作者的水平,本书如果存在不妥、疏漏甚或错误之处,敬请读者不吝赐教。

作者

2016年10月于杭州