1.3 玄武岩纤维复合材料
纤维增强复合材料(Fiber Reinforced Polymer,FRP)具有强度高、耐腐蚀、自重轻、寿命长和耐久性好等优点,可替代混凝土结构中的钢筋、预应力钢筋以及加固混凝土结构用的外粘钢板等。与传统的加固技术相比,FRP加固技术具有明显的技术优势[6,26,34,38]:①具有较高的比强度;②具有极佳的耐腐蚀性能及耐久性能;③具有较好的耐疲劳性能;④施工便捷,工效高,施工占用场地少;⑤可设计性和工艺性好;⑥基本不增加原结构自重及原构件尺寸,对正常使用的影响较小;⑦适用面广。由于其优点多,效果明显,目前FRP成为加固维修技术领域中使用最为广泛的材料,并已完全产业化。应用于结构加固的纤维增强复合材料主要有玻璃纤维增强复合材料(GFRP)、碳纤维增强复合材料(CFRP)和芳纶纤维增强复合材料(AFRP)。这些纤维增强复合材料的抗拉强度是普通钢材的8～10倍,密度约为钢材的1/5,而且弹性模量与钢材处于同一个水平甚至可以达到钢材的2倍。同时,在三种主要纤维增强复合材料中,CFRP的应用最为普遍,因为它具有较高的抗拉强度和弹性模量,而且其加固技术也最为成熟[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热稳定性、耐高温性能差;②GFRP的抗碱性差;③CFRP有导电性,不能应用在要求绝缘的场合;④CFRP的物理、力学性能较好但价格不菲。
玄武岩纤维增强复合材料(Basalt Fiber-Reinfoced Polymer,BFRP)是以玄武岩纤维为增强体制成的新型增强复合材料,具有较高比强度、耐高温、耐烧蚀、热稳定性优越、介电性良好和对腐蚀介质的化学稳定性等优点。测试结果显示,BFRP的强度约为高强CFRP的2/3,高于GFRP和AFRP。相对于其他FRP,其耐高温性能较好[46]。没有经过树脂浸渍的布(纤维增强复合材料,FRP)通常称为“干布”。纤维布根据编织方式可以分为三种:平纹布、斜纹布和光面布[3,48]。平纹布是将粗纤维按照经向、纬向编织而成,优点是刚度较大、结构稳定,缺点是树脂不易浸渍、粗纤维弯曲较大。斜纹布和光面布相对较柔软,但在操作过程中易受损坏。纤维布根据纤维的方向性可以分为单向纤维布、双向纤维布和多向纤维布。单向纤维布的主要受力方向是粗纤维,横向通过轻质非结构性纤维连接在一起[3,48]。
按照《定向纤维增强塑料拉伸性能试验方法》(GB/T 3354—1999)进行的有关玄武岩纤维单向布的拉伸试验表明(材料是平纹的玄武岩纤维单向布,编织方法和其他纤维布相同;试件尺寸为长230mm、宽15mm),试件抗拉强度的最大值为2464.6MPa,最小值为2163.0MPa,平均值为2331.5MPa,均方差为118.9MPa,变异系数为0.051[48]。对玄武岩纤维复合材料与其他增强复合材料的对比研究表明,其物理力学性能与玻璃纤维增强复合材料性能相当。
表1.8是各种纤维增强环氧树脂制成的复合材料性能比较[39,43]。
表1.8 各种纤维增强环氧树脂制成的复合材料性能[39,43]
从表1.8中可知,用玄武岩连续纤维制成单向增强复合材料在强度方面与E-玻璃纤维相当,但弹性模量在各种纤维中具有明显优势。用玄武岩连续纤维制成的层合板也有类似结果。研究表明,无论是非表面处理纤维,还是有机硅处理剂处理过的纤维,玄武岩纤维与环氧树脂的黏合强度都要高于E-玻璃纤维与相同环氧基的黏合强度。玄武岩纤维-环氧复合材料的研究也表明,玄武岩纤维具有良好的增强效应。玄武岩连续纤维增强材料所具有的这种性能,也可以用于制作长期工作在高压、热应力环境下的复杂容器[30]。
制作纤维复合材料常用的树脂为环氧树脂、乙烯酯及聚酯。树脂的主要作用是将纤维黏结在一起填充纤维间的缝隙,传递纤维间的力,防止在压力作用下纤维屈曲,同时可以保护纤维。试验研究结论表明,树脂类型、纤维原丝的直径等对测试结果均有一定影响[48]。因为生产的原材料不同,玄武岩复合材料在使用之前需对其性能进行测定。本书中采用的单丝纤维直径7μm和13μm的BFRP主要力学性能的测试,在YG065电子织物强力仪上进行,其加载速度200mm/min,加载温度20℃,加载湿度65%。表1.9为单丝纤维直径7μm的玄武岩纤维复合材料的主要力学性能指标[7]。
表1.9 单丝直径7μm的玄武岩纤维复合材料主要力学性能指标[7]
续表
表1.10为单丝纤维直径13μm玄武岩纤维复合材料的主要力学性能指标[7]。
表1.10 单丝直径13μm的玄武岩纤维复合材料主要力学性能指标[7]
根据表1.9和表1.10的测试结论,单丝直径7μm的玄武岩纤维复合材料(布)的抗拉强度平均值为1487.9MPa,断裂伸长率为1.67%;单丝直径为13μm的纤维布抗拉强度平均值为1940.9MPa,断裂伸长率为1.98%。上述力学性能指标的随机性相对较小,最大的变异系数仅0.090(单丝直径7μm的断裂伸长率)。因此,直径为13μm的玄武岩纤维复合材料,无论是强度还是极限拉伸,都比直径为7μm的力学性能更好。
文献[48]中,不同纤维直径的玄武岩纤维布的抗拉强度为1392～2240MPa,但单丝直径为7μm的平均抗拉强度优于单丝直径为13μm的。本书采用的材料测试所得的数据,比较接近于其他途径研究的结果[6,11,13]。现行规范规定,Ⅰ级及Ⅱ级玄武岩纤维单向布,其拉伸强度分别不小于2000MPa和1500MPa[50],本书中,试验与计算研究时选用的玄武岩纤维复合材料,其物理力学性能基本符合规范的要求,具有一定的代表性。