纤维增强磷酸镁水泥基复合材料在结构修补加固领域应用的展望

施志豪 支正东

（1.盐城市华荣建设监理有限公司，江苏 盐城224400；2.盐城工学院 土木工程学院，江苏 盐城224051）

0 前言

随着我国大量的钢筋混凝土结构不断老化，修补与加固日益频繁。纤维增强聚合物复合材料具有高比强度、高比模量、可设计性、可成型性、抗疲劳、耐腐蚀和对原结构影响较小等特点,已成为土木工程加固领域研究和应用的热点。环氧树脂类有机胶粘剂具有粘接强度高、耐介质性优、易于改性和易于施工等优点，成为纤维加固技术应用最多的胶粘剂； 但环氧树脂类有机胶粘剂存在受力变形量和徐变大、耐久性差、耐热性不良、耐火性差、价格高与老混凝土的相容性差等弱点。无机胶凝材料一般具有耐久性好、耐火性优良、与旧混凝土粘结力好、价格低等优点，因此，采用无机胶凝材料作为基体,与纤维材料结合形成复合材料来加固钢筋混凝土构件已成为结构加固领域的一个新的研究方向。

1 纤维增强无机胶凝材料用于钢筋混凝土结构修补加固的研究现状

目前已有一些将无机胶凝材料结合纤维用作修补加固钢筋混凝土结构的研究，其中用得最多的是硅酸盐水泥。硅酸盐水泥价格低廉、货源丰富、施工可操作性强、耐久性好且与老混凝土相容性好，是首选的无机胶凝材料。以硅酸盐水泥为胶凝材料的织物增强混凝土（TRC）加固技术和钢筋网增强砂浆加固技术的研究均在开展[1]，但硅酸盐水泥基体存在的关键问题是其固有的收缩性，且与老混凝土粘结差，这与结构修补用胶粘剂的最基本要求相矛盾。氯氧镁水泥与纤维的粘结强度高于硅酸盐水泥，易于制成复合材料，与老混凝土的粘结强度高、相容性好,且防火耐高温性能优于硅酸盐水泥，用改性氯氧镁水泥基纤维增强复合材料加固钢筋混凝土结构的研究证实其有较好的力学性能和耐高温性能[2]，但其耐水性差和有氯离子存在，其耐久性有待进一步研究。地聚合物是一类新型的高性能无机聚合物材料，它与硅酸盐水泥基材料相比具有高早强、无污染、收缩小和耐高温等特点，用地聚合物替代有机胶用于CFRP 加固混凝土柱，其力学性能可达到与有机胶类似的效果，且耐高温性能远高于有机胶，但目前国内对优选与优化地聚合物的组成材料、合成技术、活性激发技术方面还有待进一步开展，且地聚合物基材料的耐久性有待进一步研究。

作为结构修补加固用胶凝材料,应满足在各种环境条件下有较好的施工可操作性、硬化快和早期强度高、与老混凝土的粘结强度高和相容性好、较好的耐久性、防水、抗渗以及低收缩等要求，兼考虑价格和环保因素。美国Stephen Kurtz 等[3]人做了碳纤维与胶粘剂复合加固梁的对比试验，结果显示:在增加承载力和刚度方面，无机胶和有机胶的效果相近,但无机胶加固梁的破坏挠度比有机胶加固梁少25%,可见无机胶的脆性较大，需要通过适当措施加以改善。改善无机脆性基材料的主要技术手段是纤维与金属网，用钢筋网增强硅酸盐水泥复合材料加固混凝土结构的新技术，因诸多优点逐渐得到了工程加固领域的认可[1]，但仍存在钢筋自重大和容易锈蚀等问题；用纤维增强、增韧无机脆性材料近几年成为研究热点，用聚乙烯醇短纤维增强脆性无机基体材料,可得到应变硬化特性的水泥基复合材料，该复合材料具有非常显著的韧性和优良的耐久性，用其来修补和加固受损的建筑物是大有前途的[4]。但是短纤维增强脆性基复合材料在结构设计中不能代替钢筋承担某个明确方向上的荷载作用，作为结构整体，其抗拉和抗折性能有局限性；用织物纤维增强无机脆性材料，织物纤维粗纱能沿构件应力主向布置，纤维对基体的增强效率大大提高，该复合材料具有良好的承载能力和韧性，但是织物增强复合材料受力开裂瞬间对应的承载力下降偏大，开裂处基体不能再传递荷载，不利于发挥织物纤维的极限承载力，构件刚度明显下降[5]；已有部分用混杂纤维（短纤维与织物纤维）增强无机脆性基体材料的研究，证实利用两种纤维的优势互补可获得更为优良的抗裂、裂缝控制能力以及更高的承载能力的复合材料[5]。

2 磷酸镁水泥及以其为基体的纤维增强复合材料的特点

磷酸镁水泥（MPC）是由烧结氧化镁与可溶性磷酸盐、外加剂以及矿物掺合料按照一定比例，在酸性条件下通过酸碱化学反应及物理作用生成的以磷酸盐水化物为黏结相的新型无机胶凝材料，与其他无机胶凝材料比较,它具有硬化快、早期强度发展迅速、环境温度适应性强、体积变形小、与老混凝土相容性好和粘接强度高、抗冻性和抗盐冻剥蚀性能高、护筋性好以及耐高温等优点[6]。

MPC 基材料与老混凝土有较高的粘结强度，这是因为MPC 中的磷酸盐能与普通硅酸盐水泥混凝土中的水化产物或未水化的熟料颗粒反应生成具有胶凝性的磷酸钙产物，使粘结界面附近，除了物理粘结外，还存在很强的化学粘结作用；MPC 基材料硬化时收缩变形小,有较好的体积稳定性,同时还具有优良的抗冻性和抗盐冻剥蚀性能,这均缘于该水泥的需水量很小,使得硬化体内部结构密实。由于MPC 中的磷酸盐会与钙、硅和铝类氧化物玻璃相反应生成具有较高密实度和强度的无定形水化物,MPC 与富含钙、 硅和铝元素的无机掺合料和无机骨料有较好的界面结合作用, 掺粉煤灰和无机钙硅质细骨料的MPC砂浆的抗折强度远高于硅酸盐水泥砂浆的抗折强度。

目前已有少量以MPC 为基体的纤维增强复合材料的研究成果：掺适量钢纤维可有效改善MPC 基材料的韧性并保持好的耐久性[7]；与硅酸盐水泥基材料比较,MPC 基材料与纤维有更好的粘接强度和相容性,由玻璃纤维、聚丙烯纤维和钢纤维增强的MPC 基复合材料的力学性能和耐久性均优于硅酸盐水泥复合材料,掺适量的聚丙烯纤维或钢纤维可使MPC 基砂浆表现出应变硬化特性和较高的弯曲韧性, 且在湿热环境下仍保持较好的稳定性[8]；MPC 硬化体的pH 值小于10，对玻璃纤维不存在腐蚀现象[8]。

3 展望

长久以来限制MPC 研究和应用发展的主要原因是MPC 浆体的快凝特性，MPC 浆体在200C 以上环境温度时在几分钟内就会迅速凝结硬化，施工可操作性差。但杨建明等[9]已研制出可有效调节MPC 的早期水化速度、凝结时间和改善浆体的流动性的复合外加剂，掺复合外加剂的MPC 在环境环境温度较高时(夏季)仍可保持足够的施工操作时间,且力学性能基本不受影响。

基于磷酸镁水泥以上特点以及近年来的研究成果，通过掺高弹模短切纤维改善其脆性，设计出高延性短切纤维增强磷酸镁水泥复合材料；将织物纤维与该复合材料基体分层叠放，使织物纤维沿构件应力主向布置，设计出具有良好的承载能力和韧性的混杂纤维增强磷酸镁水泥复合材料，用复合材料修补、加固老混凝土构件，有望为混凝土结构加固技术提供新思路和开创混凝土结构加固技术研究的新领域。

［1］卜良桃,叶蓁,周子范,等.钢筋网复合砂浆加固受弯足尺RC 梁二次受力试验研究[J].建筑结构学报,2006,27(5):93－100.

［2］陈忠范,万黎黎,李建龙,等.无机胶粘纤维布加固钢筋混凝土梁高温性能研究[J].四川建筑科学研究,2007,12:169－173.

［3］Stephen Kurtz,Associate Member, ASCE, and P Balaguru, Member, ASCE；Comparison of Inogranic and Organic Matrices for Strengthening of RC Beams withCarbon Sheets； Journal of Strucural Engineering 2001.1[J]

［4］Mechtcherine, V., ed., 2005, Ultra－ductile concrete with short fibres—Development, Testing, Applications[J]. ibidem－Verlag, Stuttgart.

［5］徐世烺,李庆华,李贺东.碳纤维编织网增强超高韧性水泥基复合材料弯曲性能的试验研究[J].土木工程学报,2007,40(12):69－75.

［6］Yang Quan bing, WuXueli. Factors Influencing Properties of Phosphate Cementbased Binder for Rapid Repair of Concrete[J]. Cement and Concrete Research, 1999,29(3):389－396.

［7］P.Frantzis,R.Baggott.Bond betweed reinforcing steel fibres and magnesium phosphate/calcium aluminate binders[J].Cement and Concrete Research,2000,22:187－192.

［8］Jean Pera,Jean Ambroise. Fiber－reinforced Magnesia－phosphate Cement Composites for Rapid Repair[J].Cement and Concrete Composites.1998,20:31－39.

［9］杨建明,钱春香,焦宝祥,等.缓凝剂硼砂对磷酸镁水泥水化硬化特性的影响[J].材料科学与工程学报,2010,28(1):31－35.