使用玄武岩纺织加强砂浆对钢筋混凝土梁的抗弯加固：实验与分析研究

用一层薄新护套让桥梁和建筑更坚固

许多老化的桥梁、停车库和建筑依赖于最初并未为当今更重的交通与更长使用寿命而设计的钢筋混凝土梁。完全更换这些梁既扰民又昂贵，因此工程师正寻找巧妙的外部加固方法。本研究考察了一种此类方法：用一层薄的水泥基护套包裹梁体，护套中嵌入如织物排列的玄武岩纤维，旨在在不进行大规模拆除的情况下提升承载力与安全性。

给疲惫混凝土披上一层富含纤维的外衣

研究人员将注意力集中在承载楼板和桥面板的钢筋混凝土梁上。随着时间推移，梁内的钢筋可能发生锈蚀，混凝土也会劣化，削弱安全裕度。一种有前景的修复技术是纺织加强砂浆（TRM）：在薄薄的砂浆层中嵌入细密的纤维网，并将其粘结到梁的外表面。与使用环氧树脂的传统纤维增强聚合物不同，TRM采用水泥基砂浆，对潮湿和高温的耐受性更好，不易在这些条件下失效。

为何玄武岩纺织材料颇具吸引力

本研究聚焦于一种由玄武岩纤维制成的TRM，称为玄武岩纺织加强砂浆（BTRM）。玄武岩纤维源自火山岩石，具有高强度、良好的耐腐蚀性，并且相较于碳纤维可能成本更低。团队希望了解不同设计选择——例如纺织层数、网眼尺寸、在护套内加入细长玄武岩棒以及使用机械锚固——如何影响用BTRM包裹后的钢筋混凝土梁的承载力和韧性。

对实尺寸梁进行试验

为回答这些问题，研究人员浇筑了六根全尺寸混凝土梁，每根长2.3米，内部配筋与实际结构相同。一根作为未加固的对照，其余五根按不同BTRM护套以U形包裹梁底部及下侧进行加固。有的梁采用三层玄武岩纺织，有的采用五层甚至八层；有的使用细密的5毫米网眼，有的使用粗大的34毫米网眼；一个版本在护套内加入了额外的玄武岩杆；另一个版本在混凝土内粘入钢锚以帮助固定护套。所有梁在试验机中受荷直至破坏，同时仪器记录了承载力和挠度。

强度提升有限，但存在顽固的薄弱环节

加固梁在破坏前的承载力比未包裹对照梁提高了11%至18%，证实BTRM能带来即时的承载力提升。然而，增加纺织层数并未持续提高强度；三层和五层的梁达到的极限载荷几乎相同，表明当护套与混凝土之间的粘结成为主导薄弱环节时，收益会趋于饱和。网眼尺寸（5毫米与34毫米）对总体强度影响不大，额外的玄武岩棒仅略微改善了性能，主要是使裂后行为更平滑、能量吸收更好。机械锚固使梁在破坏前能发生更大的弯曲，但并未显著提高最大载荷，因为破坏仍发生于整块护套从混凝土表面剥离。在几乎所有加固梁中，砂浆与纺织层保持完好并与混凝土整齐分离，这表明主要问题出在混凝土—砂浆界面。

更精准的设计工具以提升加固安全性

在实验室试验之外，作者还检验了现有计算方法对这类加固梁强度预测的适用性。常见的设计公式在对纺织材料采用非常保守的应变极限时往往低估实际承载力；而在假定护套与混凝土粘结完美时又会高估加成。通过将预测与试验数据仔细比对，研究人员提出了一个改进且易于使用的公式，更好地反映了粘结不完善时的实际行为，并建议适度提高设计中允许的纺织应变限值。该修正公式与他们自己的试验结果以及其他实验室的已发表数据吻合较好。

对现实结构的意义

对非专业读者而言，主要信息是：用一层薄薄的玄武岩纺织与砂浆护套包裹现有混凝土梁，是一种实用的方法，可获得大约10%至20%的强度增益并改善梁的破坏方式，从而为安全与服役寿命赢得宝贵时间。然而，玄武岩纺织材料的全部潜力目前受限的并非纤维本身，而是护套与老旧混凝土的粘结程度。改进表面处理、粘结材料与锚固细节将是下一步关键，以使这种技术成为更强大且可预测的加固手段，帮助提升全球老化混凝土基础设施的性能。

引用: Shamseldein, A., ELgabbas, F., Kohail, M. et al. Flexural strengthening of RC beams using basalt textile reinforced mortar: experimental and analytical investigation. Sci Rep 16, 7382 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37322-3

关键词: 钢筋混凝土加固, 玄武岩纺织加强砂浆, 纺织加强砂浆, 梁的抗弯性能, 结构翻新