玄武岩纤维混凝土力学及耐久性能的研究进展

作者:王磊范晓奇苏颂赵燕茹

王磊范晓奇苏颂赵燕茹

（内蒙古工业大学土木工程学院内蒙古 010051）

作者简介：王磊（1989-），内蒙古自治区乌兰察布市人，硕士研究生，主要研究领域：纤维混凝土结构。

摘要：本文从玄武岩纤维的特点、玄武岩纤维混凝土(BFRC)的静态和动态力学性能以及耐久性的角度，对玄武岩纤维混凝土的研究进展做了一个较为全面的分析。通过与其他纤维性能的比较，可知玄武岩纤维有抗拉强度大、弹性模量大、耐高温、耐腐蚀等特点；在力学性能方面，玄武岩纤维的掺入使混凝土的抗拉强度增强、延性增加，能够更好地吸收能量；对于耐久性，玄武岩纤维混凝土相对于普通混凝土，其抗冻性、抗氯盐侵蚀、抗渗性、耐高温等都有所提高。最后对玄武岩纤维混凝土今后的发展方向作了展望，希望为相关的工程人员提供参考。

关键词：玄武岩纤维混凝土；静态力学性能；动态力学性能；耐久性

中图法分类编号: TU375 文献标识码: A

0.引言

混凝土是土木工程中用途最广、用量最大的一种建筑材料，其整体性好、可模型性好、耐久性好，工程造价和维护费用低廉。混凝土良好的抗压性能与钢筋的抗拉性能相结合，可适用于各类承重结构和构件。但混凝土自重大、易开裂、抗拉强度低等缺点，使其进一步推广应用受到限制，因此从混凝土材料的角度去改善其性能成为人们研究的一个重要方面，力争使混凝土向着轻质、高强、改变脆性等方向发展。掺入纤维可使混凝土的抗拉强度、变形能力、抗冲击性有很大提高，因此，纤维混凝土的研究越来越被人们重视。

在实际工程中，常用的纤维有钢纤维、碳纤维、聚丙烯纤维、玻璃纤维，其应用各有优势。随着复合材料与实际工程的不断发展，玄武岩纤维也应运而生，并因其独有的特点被广泛研究和应用。本文主要是对玄武岩纤维及玄武岩纤维混凝土（BFRC）的研究进展作介绍，为相关的工程技术人员和学者提供一个参考。

1 .玄武岩纤维的性能

玄武岩纤维是由天然玄武岩经高温、熔融后拉丝而形成的，它具有优异的力学性能、耐腐蚀、耐高温、且造价低廉。玄武岩纤维是一种典型的硅酸盐纤维，其主要成分是SiO2、Al2O3、FeO、Fe2O3等，因此玄武岩纤维与混凝土具有天然的相容性，分散性优于其他纤维，克服了传统纤维搅拌不均匀、易结团的缺点，提高了混凝土的和易性，从而能很好提高混凝土的抗拉、抗冲击、抗裂耐磨，起到加固补强、增强增韧的作用。表1给出了各纤维之间性能的比较。

表1各种纤维之间的性能比较

从表1可以看出，玄武岩纤维的抗拉强度仅次于碳纤维，明显高于玻璃纤维、聚丙烯纤维，又因为价格仅为碳纤维的十分之一，弹性模量要高于聚丙烯纤维，因此具有很好的市场竞争力。

玄武岩纤维是以天然的玄武岩矿石为原料，经过高温熔融拉丝得到的，由于玄武岩融化过程中碱金属氧化物的析出很少，排放的烟尘中无有害物质，因此玄武岩纤维是一种新型的环保材料。

2玄武岩纤维混凝土的力学性能

2.1静态力学性能贺东青等人[1]

对不同玄武岩纤维掺量的混凝土以及普通混凝土的力学性能进行了分析，试验得出随着纤维掺量的增加，玄武岩纤维混凝土的抗拉强度、弯拉强度逐渐提高，且弯拉强度提高明显，提高率为61.4%。同时，玄武岩纤维混凝土的破坏过程呈现良好的延性和韧性特征。

潘慧敏[2]通过研究不同玄武岩纤维掺量对BFRC静态力学性能的影响，得到掺入纤维后混凝土的抗压、抗折强度能有效提高达20%~22%，但是不会一直提高，并由此得到了最佳纤维掺量为2~2.5kg/m3。作者认为纤维掺量超过最佳值时，会导致混凝土内部缺陷增多，易出现微裂缝和气孔，从而强度会下降。

陈锋等人[3]通过正交试验研究表明影响玄武岩纤维混凝土抗压强度的因素大小排序为：用水量>粉煤灰掺量>砂率>水胶比>玄武岩纤维掺量；对于抗折强度的因素大小排序为：玄武岩纤维掺量>用水量>砂率>水胶比>粉煤灰掺量。

吴钊贤等人[4]采用静浆包裹的方式制备玄武岩纤维混凝土，并测试其力学性能，得到其抗压强度，特别是早期强度增加明显。因为纤维与水泥有更好的接触，纤维受力更均匀，结构更密实，所以力学性能提高。

2.2动态力学性能

潘慧敏[2]得出混凝土掺入玄武岩纤维能明显提高混凝土的抗冲击性能，起到增强增韧的效果。由于纤维形成三维乱向分布的网络体系，能有效吸收冲击的能量，从而提高混凝土的抗冲击性能。

李为民等人[5]研究不同应变率下玄武岩纤维混凝土的抗冲击性，得到BFRC的强度和变形能力随应变率的提高而线性增加，出现了应变率硬化现象。并对比了不同纤维掺量BFRC的动态抗压强度，当 ρf=0.1%时强度提高最好；当ρf=0.2%和0.3%时，强度提高不明显，说明纤维掺量超过一定范围，就会因纤维抱团导致混凝土内部缺陷增多，使抗冲击性能下降。

徐金飞等人[6]研究表明影响玄武岩纤维混凝土的动态力学性能的主要有两个因素：应变率和纤维掺量，其抗冲击性表现出应变率硬化现象，动态力学性能提高最好的纤维掺量为0.1%。

李丹等人[7]采用声发射系统对玄武岩纤维混凝土的抗冲击试验进行了全过程的数据采集，以此来分析冲击的损伤断裂机制。研究得出：玄武岩纤维在开裂前对裂缝的产生和发展有阻碍作用，在开裂后能有效提高抗冲击的韧性，延迟断裂。

朱翠冉[8]分别对三种不同体积掺量0%、0.1%、0.2%的玄武岩纤维混凝土梁进行了疲劳性能的试验，得出玄武岩纤维混凝土梁的疲劳破坏与普通混凝土类似，属于脆性破坏。并且由于加载的应力水平相对较高，受拉区混凝土过早退出工作，掺入玄武岩纤维对疲劳破坏的影响很小，受拉钢筋在此过程中起主要作用。

3玄武岩纤维混凝土的耐久性

3.1玄武岩纤维混凝土的抗冻性

李文哲等人[9]研究表明在机场道面混凝土中掺入玄武岩纤维，道面混凝土的抗冻性比普通道面混凝土提高2.7~3.3倍。试验还对掺入不同尺寸玄武岩纤维的混凝土的抗冻性进行了比较，一种纤维长40mm、直径40μm，另一种纤维长20mm、直径20μm ，结果表明掺入长为20mm、直径为20μm、体积掺量为0.1%的玄武岩纤维的混凝土抗冻性最好，且冻融循环造成的混凝土道面剥落问题有很好改善。原因一方面是纤维在混凝土中呈三维乱向分布，形成空间网状结构，起到了很好的拉结作用，从而有效抑制了裂缝的生长、扩展和连通；另一方面纤维的掺入使内部的孔结构得到改善，抗渗性提高，减少了水的渗入量，且玄武岩纤维混凝土在制作振捣的过程中会有较多气泡产生，从而使冰胀压力和毛细孔溶液渗透压力减小，进一步改善了抗冻性。

谢永亮等人[10]将普通混凝土、玄武岩纤维混凝土以及玄武岩纤维引气混凝土进行了对比，研究表明：玄武岩纤维混凝土的抗冻性相对普通混凝土有明显提高，耐久性指数相对玄武岩纤维引气混凝土提高18.6%。

3.2玄武岩纤维混凝土的抗氯盐侵蚀性

刘华挺等人[11]通过模拟四季环境对普通混凝土和玄武岩纤维混凝土构件受氯盐侵蚀进行研究。结果表明掺入纤维的混凝土比普通混凝土的抗氯盐侵蚀性更好，同时得出氯离子的扩散还与构件受力情况有关，受压区混凝土氯离子浓度比受拉区要低。但实验中氯盐采用喷雾形式，这比较适用厂房的上部混凝土构件，对于地基或者直接浸泡在氯盐溶液的混凝土构件的侵蚀情况不一定适用，还有待进一步研究。

3.3玄武岩纤维混凝土耐高温性

任伟波等人[12]用霍普金森压杆对高温后的普通混凝土和玄武岩纤维混凝土进行冲击破碎试验。试验表明：混凝土的破碎程度随温度和弹速的升高而增大，且温度越高，破碎程度越大；在200℃时玄武岩纤维的分维度的提高较常温先减小后增大；在常温及600℃~800℃时玄武岩纤维混凝土的分维度普遍小于普通混凝土；在200℃~400℃时BFRC随弹速的升高较PC先减小后增大，且纤维掺量对BFRC分维离散性影响较大，纤维体积掺量为0.2%时离散性最好。

人们对高温的研究还比较少，主要基于高温后对玄武岩混凝土构件的力学性能的测试，但结构或构件受力往往是处于高温的环境中，因此上述所得结果与实际还有一定差距。其次，对于高温环境下的耐久性也还有待进一步的研究。例如高温下的抗渗性、抗氯离子侵蚀性等。同时低温环境的上述效应以及多因素的组合效应研究的较少。

4小结

玄武岩纤维混凝土与其他纤维混凝土相比，具有抗拉性能好、弹性模量高、耐高温等特点，且其造价低廉、混凝土拌合物和易性好，因此具有很好的应用前景，但目前国内的研究还处于起步阶段，虽然取得了一定成果并应用到实际中，但其理论和经验尚未成熟，作者从以下几方面提出一些建议：

(1)当前对纤维混凝土的研究从细观角度分析的越来越多，主要有纤维的长度，直径，类型，水泥浆体与纤维、骨料的界面等角度去分析纤维混凝土的性能，但从界面角度分析的研究仍然较少。表面张力、表面能等在复合材料中的应用已经比较广泛，但在纤维混凝土中还很少见到，如果能将其应用于分析界面粘结机理或BFRC抗冻性等影响因素，可能是一个很好的角度。

(2)玄武岩纤维的掺入主要改善了混凝土的抗拉性能，提高了其延性和冲击韧性，但玄武岩纤维混凝土的动态力学性能还缺乏理论模型的建立和试验数据的验证。

(3)目前科研工作者对玄武岩纤维混凝土的耐久性研究仅仅是单个因素下的作用，由于试验仪器和资金条件等的限制，多因素下玄武岩纤维混凝土的耐久性研究较少，如高温环境下玄武岩纤维混凝土的力学性能、冻融循环下玄武岩纤维的力学性能等。

(4)用玄武岩纤维混凝土代替普通混凝土应用于应力复杂的结构中具有重要的工程意义，在高层建筑的梁柱节点、结构转换层以及混凝土托梁、牛腿等部位，使用普通混凝土材料效果不是很好，而用玄武岩纤维混凝土可以起到很好的增强增韧、抑制裂缝的效果，从而改善应力复杂结构的性能。

参考文献

［1］贺东青,卢哲安.短切玄武岩纤维混凝土的力学性能试验研究[J].河南大学学报(自然科学版). 2009(03):320~322.

［2］潘慧敏.玄武岩纤维混凝土力学性能的试验研究[J].硅酸盐通报. 2009(05):955~958.

［3］陈峰, 陈欣.玄武岩纤维混凝土的正交试验研究[J].福州大学学报(自然科学版). 2014(01):6~10.

［4］吴钊贤,袁海庆,卢哲安,范小春.玄武岩纤维混凝土力学性能试验研究[J].混凝土. 2009(09):67~68.

［5］李为民,许金余,沈刘军,李庆.玄武岩纤维混凝土的动态力学性能[J].复合材料学报. 2008(02):135~142.

［6］许金余,范飞林,白二雷,刘军忠.玄武岩纤维混凝土的动态力学性能研究 [J]. 地下空间与工程学报. 2010(S2): 1665~1671.

［7］李丹,陶俊林,王宁,张秀娟.玄武岩纤维混凝土抗弯冲击的声发射特性研究 [J]. 武汉理工大学学报.2013 (04): 84~89.

［8］朱翠冉. 玄武岩纤维钢筋混凝土梁疲劳试验性能研究[D].内蒙古呼和浩特市:内蒙古工业大学,2013