玄武岩纤维在混凝土中的应用与研究进展

资料大小：380KB
资料类型：.PDF
资料等级：
发布时间：2021-09-03

资料介绍

玄武岩纤维在混凝土中的应用与研究进展
齐建林。朱江
(广东工业大学土木与交通工程学院，广东广州510006)
摘要：介绍了玄武岩纤维的特点及其在混凝土中的应用，对目前玄武岩纤维在混凝土中的研究与应用情况进行了分析和总结，探讨
了应用玄武岩纤维有优势的领域和方向，提出了今后对玄武岩纤维在混凝土中的应用研究的一些问题。
关键词：玄武岩纤维；混凝土；力学性能；加固；应用
中图分类号： TU528．041 文献标志码： A 文章编号： 1002-3550(201 1)07-0046-04
Study and application of basaR fiber in concrete
QI Jian—lin，ZHUJiang
(FacultyofCivilandTransponmionEngineering，GuangdongUniversityofTechnology，Guangzhou 510006，China)
Abstract： The characteristic ofbasalt fiber and its applications in concrete are introduced．The present status ofthe research and engineering applications
of basalt fiber in concrete were summarized．The advantage of application of basalt fiber in concrete was discussed．In addition some
problems for the study and application ofbasalt fiber in concrete were brought forward．
Key w ords： basalt fiber；concrete；mechan ical property；reinforced；application
0 引言 1 短切玄武岩纤维增强混凝土
玄武岩属于火山喷出岩，是地球上存在和分布最广的矿物
之一。玄武岩纤维(BF，Basah Fiber)是以天然玄武岩矿石为原
料，将其破碎后加入熔窑中，经1 450～1 500℃熔融后，通过铂
铑合金拉丝漏板制成连续纤维。与其他纤维相比，玄武岩纤维具
有许多显著的特点，如突出的力学性能，良好的拉伸强度和高
的弹性模量；耐高温和低温热稳定性，可在一269-650℃范围内
连续工作；高的耐酸碱性和化学稳定性，吸湿性低且绝缘性好，
耐紫外线光照，抗老化性能良好，性价比高等优点。玄武岩纤维
是典型的硅酸盐纤维，与混凝土具有天然的相容性，用它与混
凝土混合时很容易分散，新拌玄武岩纤维混凝土的体积稳定、和
易性好、耐久性好，具有优越的耐温性、防渗抗裂性和抗冲击性。
同时由于生产玄武岩纤维的原料取自于天然的火山岩喷出岩，
玄武岩在熔化过程中没有硼、砷和其他碱金属氧化物排出，使得
玄武岩纤维的制造过程对环境无害，无工业垃圾，不向大气排
放有害气体，玄武岩纤维是21世纪新型的环保型纤维【l_]】。
玄武岩纤维由于其突出的力学性能、物理性能和理想的性
价比，在混凝土工程中的应用和研究越来越受到关注。目前，玄
武岩纤维在混凝土工程领域的应用研究主要有以下三个方面：
①在搅拌混凝土的同时加入短切玄武岩纤维制成玄武岩纤维
增强混凝土，用于新建结构；②将玄武岩纤维制成织物或片材，
黏贴到混凝土表面用于混凝土的补强、修复与加固；③把玄武
岩纤维制成束状的玄武岩FRP筋用在现浇混凝土结构中代替
钢筋，用于新建结构，特别是用于海洋结构及对电磁波有特殊
要求的结构。
收稿日期：2011_01 2
基金项目：广东省自然科学基金资助项目(8451009001001248)
· 46 ·
国外对玄武岩纤维增强水泥基复合材料研究得比较早，
Dias等研究了玄武岩纤维的体积掺量对玄武岩纤维增强无机
聚合物水泥混凝土断裂韧度的影响，并将其与玄武岩纤维增强
硅酸盐水泥混凝土的试验结果进行对比，结果表明，玄武岩纤
维增强无机聚合物水泥混凝土具有更加优越的断裂性能。值得
注意的是，当玄武岩纤维的体积掺量1％时，玄武岩纤维增强硅
酸盐水泥混凝土的准静态抗压强度、劈裂抗拉强度较素混凝土
分别降低26．4％、12％。Zielinski等【测试了玄武岩纤维增强水
泥砂浆28 d的物理和力学性能、抗折强度、抗压强度及塑性收
缩，并给出了纤维的最佳体积掺量。
1．1 短切玄武岩纤维增强混凝土的力学性能
(1)抗压、抗拉性能。研究表明，短切玄武岩纤维对混凝土
抗压强度和劈裂抗拉强度的影响与纤维的掺量有关。试验结果
表明[6-7]，玄武岩纤维体积掺量为0．1％、0．2％的混凝土抗压强度、
劈裂抗拉强度与不掺纤维的基本相当，但在玄武岩纤维体积掺
量较大的情况下(0．3％)抗压强度下降约13％，劈裂抗拉强度下
降幅度更大，为40．38％。抗压强度、劈裂抗拉强度降低的原因有
两点：一是随着纤维体积掺量的加大，搅拌过程中玄武岩纤维
不易均匀分布于混凝土中，且部分黏结成团，在混凝土内造成
一些孔隙，从而降低了抗压强度、劈裂抗拉强度；二是搅拌后，
玄武岩纤维部分变成粉末，与水结合，使得用于与水泥进行水
化作用的水减少了，阻止了水化作用的完全进行，这也造成了
混凝土强度的降低。试验结果还表明[81，玄武岩纤维延缓了混凝
土早期抗压、抗拉强度的发展，短切玄武岩纤维混凝土试件的
7 d抗压、劈裂抗拉强度分别是其28 d强度的78．7％、66．1％，而
基体混凝土试件的7 d抗压、劈裂抗拉强度分别是其28 d强度
的92．8％、69．8％。此外，短切玄武岩纤维的加入改善了混凝土的
延性，抑制了混凝土裂缝的产生和发展。
(2)抗弯性能。纤维混凝土的抗弯性能最能反映出纤维的
增强、增韧效果，混凝土中掺人玄武岩纤维后弯曲性能增强，抗
折强度提高。这是因为在受荷初始阶段，纤维与基体共同承担荷
载，当荷载继续增大，受弯构件的受拉区变形达到纤维混凝土
初裂应变时，混凝土出现裂缝，跨越裂缝的纤维仍能通过界面
传递应力，从而使抗折强度仍有一定的提高，弯曲韧性得到显
著的增强，而普通混凝土一旦裂缝扩展便很快导致构件的断裂。
试验结果表明【8】，当玄武岩纤维的体积掺量为1％时，纤维混凝
土试件的弯拉强度较基体混凝土提高了61．4％，弯曲韧性指数是
基体混凝土的5．6倍，可见玄武岩纤维能够显著提高混凝土的弯
拉强度和弯曲韧性。
(3)抗冲击性能。玄武岩纤维在混凝土中成不规则均匀乱
向分布，这种分布形式在混凝土中形成了乱向支撑体系和空间
网状结构，吸收了混凝土的应力，而且玄武岩纤维与水泥胶体
之间的黏结效果好，混凝土破坏时纤维承担了的剪切应力，可以
起到阻挡块体微裂缝发展的作用；另外玄武岩纤维在混凝土中
有良好的分散性，纤维和混凝土的黏合异常优越，使纤维混凝
土具有更好的增强增韧效果和限制纤维拔出的能力，从而有效
地增强了混凝土的韧性和抗冲击性能。试验结果表明嘲，当玄武
岩纤维的体积掺量为0．1％时，玄武岩纤维混凝土抗弯冲击的初
裂冲击次数比素混凝土提高了44％，而抗弯冲击的破坏冲击次
数比素混凝土提高了40％，说明玄武岩纤维在合理掺量下可显
著改善混凝土的抗弯冲击性能。
1．2 短切玄武岩纤维增强混凝土的耐久性能
有关玄武岩纤维混凝土的耐久性能国内外研究相对较少。
有研究表明，玄武岩纤维对混凝土的耐磨、抗冻、耐腐蚀等耐久
性能有较大的提高。
玄武岩纤维对混凝土耐磨性能的主要贡献是其阻裂效应，
由此引起了混凝土孑L结构的改善，使无害孔增多，有害孔减少，
增加混凝土的致密性能，降低了孑L隙率；同时在磨损的过程中，
玄武岩纤维又限制了外力对混凝土基体的磨损。试验表明，掺
玄武岩纤维28 d的混凝土抗冲磨强度提高了44．7％,--47．5％㈣。
影响混凝土抗冻性最主要的因素是其密实性和孔结构特
征。在混凝土中掺人玄武岩纤维，一方面抑制了裂缝的引发，又
能限制因冰冻产生的膨胀，有效地提高了混凝土的抗冻性能。
试验结果表明f ，玄武岩纤维混凝土的相对动弹性模量在冻融
100次时下降到71．55％，而普通混凝土的相对动弹性模量下降
到了48．58％，说明抗冻性能明显优于普通混凝土。
混凝土对有害离子的渗透扩散和阻碍能力主要取决于混
凝土的孔隙率和孔径分布情况。玄武岩纤维在混凝土中呈三维
乱向分布彼此黏连，起到了“承托”骨料的作用，有效地抑制了
混凝土硬化前连通裂缝的产生，避免了连通毛细孔的形成，改善
了水泥石的结构，提高了混凝土的抗渗能力，从而有效地提高
了混凝土的耐腐蚀能力。此外，玄武岩纤维本身具有耐温性佳、
抗氧化、抗辐射、耐腐蚀、适应于各种环境下使用等优异性能，
对耐久性能的提高有很大的空间。试验结果表明_】ol，加人玄武岩
纤维后混凝土6 h通过的总电通量降低了442 C，氯离子的渗透
性能由低变为极低。
2 连续玄武岩纤维补强加固混凝土结构
纤维增强复合材料(FRP)在土木工程中的应用越来越广泛，
与原有的加固方法比较，连续玄武岩纤维加固技术具有明显的
技术优势，如高强高效、耐腐蚀性能稳定、耐久性能好、不增加
构件的自重及体积、便于施工等。目前在工程中用的比较多的是
碳纤维(CFRP)、玻璃纤维(GFRP)和芳纶纤维(AFRP)。CFRP
由于具有高抗拉强度和弹性模量、质量轻，抗腐蚀能力强等优
点被广泛用于各种结构的加固，但其价格较贵且原材料受国外
市场波动影响较大。GFRP和AFRP价格相对便宜，但抗拉强度
和弹性模量较低，特别是耐久性能不够理想，一定程度上约束
了其应用。玄武岩纤维增强复合材料(简称CBFRP)是连续玄武
岩纤维和树脂基体复合而成新的增强复合材料。与其他FRP材
料相比较，玄武岩纤维具有耐高温、耐烧蚀、耐酸碱性能强、耐
化学性能良好和热稳定性优越等优点，特别是价格较低，因此
其在土木工程加固领域的应用前景十分广阔。
2．1 CBFRP加固梁
(1)梁的受弯加固。近年来，黏贴FRP对钢筋混凝土梁进行
受弯加固已成为普遍采用的加固方法，其基本操作是在梁底黏
贴FRP板，此外还有附加端部锚固和对FRP板施加预应力。由
于加载历程、加固材料参数等种种因素，黏贴FRP板加固的梁
有多种破坏模式，总体上可分为两类：弯曲破坏和黏结破坏。因
为FRP材料没有屈服点，这两种破坏模式均为脆性破坏，但弯
曲破坏和中部裂缝引起的剥离破坏具有一定的延性，当发生剥
离破坏时，FRP的极限抗拉强度不能得到充分利用。
试验结果表明_l1J'连续玄武岩纤维加固混凝土梁在试验中
黏贴一层和二层的极限荷载相对于其对比梁分别提高了
20．8％、46．9％，加固后梁的挠度增长缓慢，比未加固梁的挠度小，
这种差异随着荷载的增大而增加；开裂后连续玄武岩纤维布对
裂缝的开展有较大的抑制作用，加固后梁的裂缝发展较为缓慢，
裂缝间距变小，数量增多，宽度变小。此外，加固梁的承载力随
加固层数增多而增大，但不呈线性增长，即存在一个使构件到
最大承载力的极限层数，超过该层数后，构件的极限承载力不
会再提高。
(2)梁的受剪加固。近年来黏贴FRP片材进行梁的受剪加
固的方法引起了广泛的关注，除了FRP材料良好的耐腐蚀性能、
高比强度等优点外，在受剪加固中，FRP对于不同截面形状及角
部的广泛适应性也是一个突出的优势。在梁的受剪加固中，FRP
的黏贴方式有多种，包括仅在梁两侧面黏贴FRP