玄武巖纖維混凝土的研究現(xiàn)狀

時(shí)浩天

(安徽理工大學(xué)，安徽 淮南 232001)

0 前 言

玄武巖纖維(Basalt Fiber,簡稱BF)是由玄武巖石料在1 450 ℃～1 500 ℃高溫熔融后，使用鉑銠合金拉絲漏板把熔融玄武巖高速拉制成絲。玄武巖纖維是一種綠色環(huán)保、無毒無害、密度小、價(jià)格低的硅酸鹽無機(jī)礦物纖維。玄武巖纖維與橡膠纖維、秸稈植物纖維、碳纖維等其他化學(xué)纖維相比，抗拉性能和耐堿性能效果最好。經(jīng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用發(fā)現(xiàn)素混凝土具有易開裂、韌性較差和抗拉強(qiáng)度較低等缺陷，導(dǎo)致許多工程出現(xiàn)問題。而玄武巖纖維的性能正好可以改善混凝土的缺陷[1-2]。

1 不同摻量玄武巖纖維混凝土基本力學(xué)性能研究

周浩等[3]研究不同摻量BFRC的力學(xué)性能提升幅度和破碎形態(tài)的對比分析。通過對摻入量0、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%、0.6%的7種玄武巖纖維混凝土做抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度的力學(xué)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)隨著摻量的增加，混凝土基本力學(xué)強(qiáng)度先提升后降低，在摻入纖維0.3%和0.4%時(shí)，BFRC的力學(xué)性能達(dá)到最佳。素混凝土達(dá)到強(qiáng)度極限時(shí)，立刻破碎，而BFRC破壞時(shí)可以明顯聽見混凝土內(nèi)部有撕裂聲音，只出現(xiàn)裂縫并不破碎。

趙燕茹等[4]研究在凍融循環(huán)下不同摻量的BFRC力學(xué)性能的變化。經(jīng)過100次凍融循環(huán)后發(fā)現(xiàn)，玄武巖纖維摻量在0.6%時(shí)，可以保證混凝土基體完整，結(jié)構(gòu)致密。說明玄武巖纖維可以和水泥漿表面分子產(chǎn)生吸附力和機(jī)械咬合力，來約束裂縫、阻礙裂縫的發(fā)生和擴(kuò)張。

廉杰等[5]通過改變纖維摻量和長徑比情況下分析混凝土的強(qiáng)度變化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，改變纖維長徑比時(shí)，纖維的長度對混凝土影響比直徑的影響更加顯著。長徑比在0.3～0.4時(shí)，纖維對混凝土力學(xué)性能最優(yōu)。在研究不同摻量纖維混凝土?xí)r，還做了7、14、28 d不同齡期養(yǎng)護(hù)時(shí)間的對比。纖維體積摻量在0.3%～0.4%對混凝土強(qiáng)度最高，強(qiáng)度提高了47.5%。在養(yǎng)護(hù)14 d時(shí)強(qiáng)度達(dá)到養(yǎng)護(hù)28 d強(qiáng)度的80%～90%。

2 玄武巖纖維混凝土現(xiàn)階段動(dòng)態(tài)力學(xué)性能研究

楊進(jìn)勇等[6]做了BFRC摻量在0、0.1%、0.2%和0.3%的BFRC在霍普金森桿上沖擊實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)應(yīng)變在0～0.010時(shí)，0.1%、0.2%和0.3%的纖維混凝土韌性比0%的分別提高了5.9%、19.8%和5.2%；在應(yīng)變0～0.020時(shí)，摻量在0.2%的BFRC抗沖擊韌性最高，0.1%和0.2%纖維混凝土強(qiáng)度分別比比標(biāo)準(zhǔn)組高了2.4%和8.9%；在應(yīng)變0～0.005，素混凝土的抗沖擊韌性最佳；當(dāng)應(yīng)變較高或者應(yīng)變加載速率大于80/s時(shí)，摻入0.3%的混凝土的抗沖擊韌性普遍偏低。綜上所述，當(dāng)纖維摻量為0.2%時(shí)混凝土抗沖擊性能最好。

李為民等[7]研究BFRC和CFRC分別加入混凝土中，測試混凝土基本力學(xué)性能和抗沖擊性能。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)CFRC對混凝土靜態(tài)性能有所提高，但對動(dòng)態(tài)性能影響不明顯。隨著CFRC體積比增加，對混凝土強(qiáng)度影響先提升后下降趨勢。當(dāng)CFRC體積比為0.3%時(shí)，混凝土基本力學(xué)強(qiáng)度達(dá)到最佳。BFRC對混凝土基本力學(xué)性能和動(dòng)態(tài)力學(xué)性能都有提升。當(dāng)BFRC體積比為0.1%時(shí)，混凝土基本力學(xué)強(qiáng)度和抗沖擊韌性達(dá)到最佳。

聶良學(xué)等[8]研究不同摻量的玄武巖纖維混凝土在不同沖擊速率下抗沖擊性能。研究發(fā)現(xiàn)沖擊劈拉增強(qiáng)因子隨著沖擊速率提高呈冪函數(shù)關(guān)系上升。在纖維摻量為0.2%時(shí)，沖擊劈拉強(qiáng)度提升至最高。

張璐等[9]研究普通混凝土和BFRC蠕變試驗(yàn)。普通混凝土和BFRC在瞬時(shí)蠕變特性上具有相同的階段，瞬時(shí)變形隨著荷載的增大而增大。BFRC瞬時(shí)應(yīng)變小于普通混凝土，可以證明BFRC和水泥漿表面分子產(chǎn)生吸附力和機(jī)械咬合力可以阻礙彈性變形。在蠕變的穩(wěn)態(tài)階段，在初始應(yīng)力較小時(shí)，素混凝土蠕變量小于玄武巖纖維混凝土，隨著應(yīng)力增加，纖維混凝土蠕變量小于普通混凝土。可以證明BFRC可以阻礙裂縫的發(fā)展，提高耐久性。

李丹等[10]研究不同體積摻量BFRC梁沖擊韌性的特性。結(jié)果發(fā)現(xiàn)玄武巖纖維可以有效提升混凝土的出現(xiàn)初次裂縫的強(qiáng)度和最終破碎的強(qiáng)度，當(dāng)BFRC摻量為1.05 kg/m3時(shí)，抗沖擊性能最佳，出現(xiàn)裂縫時(shí)沖擊次數(shù)73次比普通混凝土梁高108.2%，最終破壞時(shí)沖擊次數(shù)為81次比普通混凝土梁提高100.5%。

3 結(jié) 語

國內(nèi)外學(xué)者對玄武巖纖維的研究已有大量成果。通過總結(jié)可以得到以下幾個(gè)結(jié)論。

1)摻入適量的玄武巖纖維和選取適當(dāng)長徑比的纖維可以有效地提高混凝土抗拉強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度。

2)玄武巖纖維適量加入混凝土中，可以提高沖擊韌性。而在沖擊應(yīng)變速率較大時(shí)，沖擊韌性普遍偏低。

3)BFRC高應(yīng)力下蠕變時(shí)，蠕變量小于普通混凝土。玄武巖纖維可以阻礙裂縫的發(fā)展。

雖然已經(jīng)研究出玄武巖纖維具有良好的力學(xué)性能，但對于玄武巖纖維還有很多需要討論的問題。研究不同的性能，確定的最佳玄武巖纖維摻量都不同。需要對不同體積摻量的BFRC的基本力學(xué)性能和動(dòng)態(tài)力學(xué)性能系統(tǒng)的研究，在所有力學(xué)性能中選取最優(yōu)的摻量。BFRC在長時(shí)間腐蝕環(huán)境下、高溫環(huán)境下等研究較少，還需要進(jìn)一步研究。

實(shí)驗(yàn)是讓玄武巖纖維投入實(shí)際應(yīng)用的基礎(chǔ)。通過大量實(shí)驗(yàn)，才可以讓BFRC發(fā)展更快，應(yīng)用更廣。

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