玄武巖纖維在建筑材料中的應(yīng)用

摘 要:本文介紹了玄武巖纖維的性能、研究現(xiàn)狀和應(yīng)用情況，重點(diǎn)介紹了玄武巖纖維在水泥混凝土及建筑結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用，對玄武巖纖維在建筑材料中的耐久性問題進(jìn)行了評述。

關(guān)鍵詞:玄武巖纖維建筑材料耐久性

中圖分類號:TU528文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1674-098X(2011)09(b)-0028-02

混凝土是一種多相復(fù)合材料，由于各組成材料性質(zhì)的差異和施工養(yǎng)護(hù)的影響，混凝土內(nèi)部不可避免地存在大量的微裂縫，這些裂縫的存在，影響了混凝土的性能，特別是降低了混凝土抗拉強(qiáng)度，也是混凝土呈脆性破壞的主要原因。纖維具有抑制混凝土收縮、提高混凝土抗拉強(qiáng)度、增加混凝土韌性的作用，能夠解決高強(qiáng)高性能混凝土中出現(xiàn)的拉壓比低、韌性差和收縮大等問題[1]。常用的纖維主要有碳纖維、玻璃纖維和芳綸纖維等，芳綸纖維和玻璃纖維熱穩(wěn)定性、耐高溫、抗堿性差;碳纖維物理、力學(xué)性能較好但價格昂貴，依賴進(jìn)口[2]。玄武巖纖維是以天然的火山噴出巖作為原料，通過鉑銠合金拉絲漏板制成的連續(xù)纖維。作為國內(nèi)一種新型纖維材料，玄武巖纖維具有獨(dú)特的力學(xué)性能、良好的穩(wěn)定性以及較高的性價比，使其成為一種良好的混凝土增強(qiáng)材料[3]。隨著近年來材料工業(yè)的迅速發(fā)展，粘貼纖維增強(qiáng)材料加固成為了一種新興的加固方法，玄武巖纖維在建筑結(jié)構(gòu)加固中的應(yīng)用也具有廣闊的前景。

1 玄武巖纖維性能

1.1 化學(xué)成分

玄武巖纖維化學(xué)成分見表1。氧化硅是玄武巖的主要成分，有利于為玄武巖纖維提供彈性和化學(xué)穩(wěn)定性;氧化鐵能改變其熔解參數(shù)并且影響導(dǎo)熱性;氧化鋁增加其黏性和耐化學(xué)性;氧化鈣、氧化鎂和氧化鈦可以提高其耐水性和耐腐蝕性;氧化鐵的存在賦予玄武巖纖維綠褐色[4]。

1.2 玄武巖纖維主要性質(zhì)

玄武巖纖維的抗拉強(qiáng)度為2800～3800Mpa，是金屬的2～2.5倍;玄武巖纖維具有突出的耐高溫性能，使用溫度范圍為-269～650℃。玄武巖纖維在腐蝕性介質(zhì)中(酸，堿，鹽溶液)具有較高耐腐蝕性和化學(xué)穩(wěn)定性，在飽和的堿性溶液和水泥等堿性介質(zhì)中海能保持更高的抗堿液腐蝕性能。玄武巖纖維可與無機(jī)粘合劑相容，吸濕率小于1%，吸收能力不隨時間變化，這就保證了它在使用過程中的材料穩(wěn)定性，長壽命和環(huán)境協(xié)調(diào)性[5]。

2 玄武巖纖維在建筑材料中應(yīng)用

2.1 玄武巖短切纖維在混凝土中應(yīng)用

玄武巖纖維增強(qiáng)混凝土是將玄武巖連續(xù)纖維或不連續(xù)纖維按合理的用量和適當(dāng)?shù)姆绞綋饺牖炷林校纬傻囊环N新型混凝土復(fù)合材料，保留混凝土抗壓強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，增加其抗拉、耐磨和抗沖擊等性能，在混凝土工程中起到加固補(bǔ)強(qiáng)、增強(qiáng)增韌、延長使用壽命等作用。玄武巖纖維是典型的硅酸鹽纖維，具有天然的相容性，用它與水泥混凝土和砂漿拌和時很容易分散，新拌玄武巖纖維混凝土體積穩(wěn)定，和易性較好。與普通混凝土相比，玄武巖纖維混凝土還具有優(yōu)越的耐溫性、抗收縮性以及耐腐蝕性，這有利于提高混凝土工程的耐久性，擴(kuò)大混凝土的使用范圍。在混凝土中合理地?fù)饺胄鋷r纖維，可以提高混凝土的抗沖擊性能，降低其脆性，改善混凝土的力學(xué)性能。生產(chǎn)玄武巖纖維的原料取自于天然的火山巖噴出巖，原料中幾乎不含有對人類健康有害的成分，使玄武巖纖維混凝土在建筑工程領(lǐng)域的推廣具有節(jié)約資源、綠色環(huán)保的意義[6]。

何軍擁，田承宇[7]等通過正交設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方法研究了玄武巖纖維增強(qiáng)高性能混凝土的最佳配合比，實(shí)驗(yàn)中選取玄武巖纖維摻量、水膠比、粉煤灰摻量、砂率、單位用水量五個因素作為主要影響因素。每個因素選擇四個水平，主要考察的性能指標(biāo)為:坍落度值、28d抗折強(qiáng)度值和28d抗壓強(qiáng)度值。結(jié)果得到影響高性能混凝土工作性、抗壓和抗折性能的因素排序?yàn)?單位用水量>水膠比>玄武巖纖維摻量>粉煤灰摻量>砂率，得到最優(yōu)的試驗(yàn)條件是為玄武巖纖維摻量為1.2kg/m3、水膠比0.34、粉煤灰摻量15%、砂率40%、單位用水量160kg/m3。

胡亮[8]等研究了玄武巖短切纖維對砂漿抗裂性能的影響，結(jié)果表明:當(dāng)玄武巖纖維摻量在1.5%以內(nèi)，對抗裂砂漿的稠度影響不大。抗裂砂漿的抗壓強(qiáng)度隨玄武巖纖維摻量增加而有所降低，但其抗折強(qiáng)度明顯增大，壓折比降低，砂漿的柔韌性得到了改善。隨玄武巖纖維摻量增大，抗裂砂漿粘結(jié)強(qiáng)度先增大后減少，在纖維摻量不大于1%時，粘結(jié)強(qiáng)度變化不大。玄武巖纖維能明顯提高抗裂砂漿的抗拉強(qiáng)度與抗沖擊韌性，當(dāng)摻量為1%時，抗拉強(qiáng)度與抗沖擊韌性分別提高了11.0%和12.4%。玄武巖纖維能明顯增強(qiáng)抗裂砂漿的動態(tài)抗開裂性，當(dāng)摻量為1%時，砂漿動態(tài)抗開裂裂縫寬度減少了26.7%。

玄武巖短切纖維對于全面提高混凝土的綜合性能起到了極大的推動作用，引起了國內(nèi)外材料界與工程界的廣泛重視與關(guān)注。隨著我國建筑材料的綠色環(huán)保、節(jié)約能源的發(fā)展要求，必然迎來玄武巖纖維在混凝土中應(yīng)用的浪潮，推動高性能混凝土在基本建設(shè)領(lǐng)域的全面應(yīng)用。

2.2 玄武巖纖維在建筑結(jié)構(gòu)中應(yīng)用

玄武巖纖維在建筑結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在建筑結(jié)構(gòu)加固及建筑材料替代兩個方面。吳剛[9]等進(jìn)行了玄武巖纖維絲束纏繞與碳纖維布包裹加固圓柱和方柱在反復(fù)荷載下的對比試驗(yàn)，指出玄武巖纖維絲束纏繞加固能夠顯著提高混凝土柱的承載力，改變試件的破壞形態(tài)，在相近側(cè)向約束剛度下，玄武巖纖維加固對柱承載力的提高及延性、耗能等結(jié)構(gòu)性能的改善都能夠達(dá)到、甚至超過碳纖維加固柱。玄武巖纖維加固混凝土柱具有更好的抗震性能。歐陽煜[10]等參考現(xiàn)行《混凝土加固設(shè)計(jì)規(guī)范》中的纖維加固理論公式，對玄武巖纖維布加固混凝土梁抗彎和抗剪承載力進(jìn)行了計(jì)算分析，從理論角度探討了玄武巖纖維對混凝土梁的加固效果，并指出采用現(xiàn)有規(guī)范對玄武巖纖維加固結(jié)構(gòu)構(gòu)件的計(jì)算方法有待試驗(yàn)驗(yàn)證;在后續(xù)研究中，考慮玄武巖纖維布寬度、間距、加固量等因素，對5根玄武巖纖維加固混凝土梁的抗剪性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，指出玄武巖纖維能有效提高混凝土梁的抗剪承載力及變形能力。Jongsung Sim[11]等對10根玄武巖纖維布加固混凝土的簡支梁進(jìn)行了四點(diǎn)加載破壞試驗(yàn)。加固試件設(shè)計(jì)成不同加固量(1，2，3層)以及不同的纖維布粘貼長度，Jongsung Sim所屬課題組還在相同情況下進(jìn)行了玻璃纖維布加固混凝土簡支梁試件的試驗(yàn)。試驗(yàn)均得到了一些非常有意義的結(jié)論:粘貼一層玄武巖纖維布對提高加固試件的極限強(qiáng)度收效甚微，屈服強(qiáng)度可提高15%;粘貼二層和三層玄武巖纖維布的加固試件，屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度分別提高26%、27%和16%、29%，不同粘貼長度的加固試件受力性能并無明顯不同;粘貼三層玄武巖纖維布的加固試件易發(fā)生纖維與混凝土的剝離破壞，二層玄武巖纖維布能夠充分發(fā)揮玄武巖纖維的自身強(qiáng)度，并能避免剝離破壞;與同等情況下玻璃纖維布加固試驗(yàn)相比，玄武巖纖維布加固試件體現(xiàn)出更好的延性，破壞前有明顯征兆。加不同量和粘貼不同長度進(jìn)行加固，采用二片玄武巖纖維布的比采用一片和三片片材具有更好的加固效果，更能充分發(fā)揮出玄武巖纖維布延性好的優(yōu)點(diǎn)，增加玄武巖纖維布的粘貼長度并不能提高梁的抗彎承載能力。

玄武巖纖維具有優(yōu)良的力學(xué)性能及穩(wěn)定的化學(xué)性能，可以制成玄武巖纖維筋作為建筑材料在一些場合替代鋼筋使用。玄武巖纖維筋是以玄武巖纖維為增強(qiáng)材料與乙烯基樹脂及填料，固化劑等基體相結(jié)合，經(jīng)拉擠工藝成型的一種新型復(fù)合材料。玄武巖纖維筋的抗拉強(qiáng)度為600～1500MPa，與高強(qiáng)鋼絲強(qiáng)度差不多，因此可以用它來代替混凝土構(gòu)件中的受拉鋼筋。玄武巖纖維筋耐腐蝕性好，不生銹，因此用它來代替受拉鋼筋可以解決長期困擾人們鋼筋銹蝕問題，因此在實(shí)際施工時玄武巖纖維筋不需要保護(hù)層，直接放在梁底部進(jìn)行澆注，減輕了一定的工作量。玄武巖纖維筋的密度是1.9～2.1g/m3，約為鋼筋的16%～25%，因此用之代替鋼筋能極大地減輕結(jié)構(gòu)的自重。此外，玄武巖纖維筋還有抗疲勞性能好，電磁絕緣性好等特點(diǎn)，因此，對于一些有特殊要求的建筑物，如雷達(dá)站等，玄武巖纖維筋是一個理想的選擇[12]。

3 玄武巖纖維在建筑材料中的耐久性

玄武巖纖維由于具有耐高溫，耐燒蝕，耐酸堿性能強(qiáng)，抗?jié)駸崂匣€(wěn)定好等優(yōu)點(diǎn)，所以在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用日益受到關(guān)注，但其耐久性一直是工程界關(guān)注的問題。

郭旗[13]等在凍融循環(huán)和凍融循環(huán)-鹽溶液復(fù)合環(huán)境下，對39個玄武巖纖維片材進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，研究環(huán)境類型暴露時間對材料耐久性的影響。試驗(yàn)表明:兩種環(huán)境作用下抗拉強(qiáng)度延伸率都呈下降趨勢，彈性模量呈上升趨勢;凍融循環(huán)對片材抗拉強(qiáng)度的影響要比復(fù)合環(huán)境更大;復(fù)合環(huán)境下彈性模量增長幅度和延伸率下降幅度都高于單一凍融循環(huán)環(huán)境，說明復(fù)合環(huán)境更容易使材料脆化，最后提出環(huán)境作用下玄武巖纖維布相對抗拉強(qiáng)度灰色預(yù)測模型。

胡海濤，王希賓[14]等在鹽霧侵蝕條件下研究玄武巖纖維片材的耐久性。鹽霧環(huán)境下，鹽霧作用使樹脂的極限抗拉強(qiáng)度降低，伸長率下降。鹽霧侵蝕條件下，鹽霧作用使玄武巖纖維的強(qiáng)度沒有改變，彈性模量沒有變化，伸長率也沒有受到影響。可見樹脂對玄武巖纖維起到了很好的保護(hù)作用，鹽霧沒有影響到玄武巖纖維的力學(xué)性能。他們又對鹽霧侵蝕條件下玄武巖纖維布加固的混凝土構(gòu)件進(jìn)行耐久性試驗(yàn)，粘貼玄武巖纖維布的混凝土構(gòu)件較之未加固的構(gòu)件承載力提高明顯。通過試驗(yàn)可以知道，構(gòu)件開裂荷載和極限荷載分別提高了7%和45%。經(jīng)過60d的鹽霧侵蝕試驗(yàn)，雖然不同初始荷載水平加固構(gòu)件的承載力相對于對比構(gòu)件的承載力有不同的下降，但施加相同初始荷載試件，經(jīng)過鹽霧侵蝕的試件與自然條件試件承載力沒有變化。可見固化后的樹脂對玄武巖纖維以及纖維與混凝土的粘結(jié)界面有很好的保護(hù)作用，氯離子和水分不能或者很難穿過由樹脂形成的保護(hù)層。通過試驗(yàn)說明，這種FRP復(fù)合材料加固的構(gòu)件在鹽霧環(huán)境中耐久性性能良好。

顧習(xí)峰，楊勇新[15]等則研究紫外線照射條件下玄武巖纖維布耐久性能，結(jié)果表明玄武巖纖維片材經(jīng)過紫外線照射后，其拉伸強(qiáng)度和伸長率隨時間變化是下降的，但是下降的幅度不大。玄武巖纖維片材彈性模量隨老化時間變化較小，說明紫外線照射對玄武巖纖維片材的彈性模量沒有太大的影響。防護(hù)對玄武巖纖維片材在紫外線照射下有一定的保護(hù)作用。浸漬樹脂對玄武巖纖維片材的拉伸強(qiáng)度有一定的影響，但是不同樹脂浸漬的玄武巖纖維片材在紫外線照射下力學(xué)性能的變化規(guī)律是相同的。

4 結(jié)語

我國玄武巖礦床儲量豐富，有充足的原料供應(yīng)保障，玄武巖纖維具有力學(xué)性能良好、化學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng)、耐高溫、低成本和耐久性優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)，且玄武巖纖維屬于綠色環(huán)保材料，其應(yīng)用前景極為廣闊，成為今后建筑材料應(yīng)用發(fā)展趨勢，這對促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和國防建設(shè)將發(fā)揮重大作用。

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