玄武岩纤维在建筑材料中的应用

王帅1 倪卓2 邢锋1

(1.深圳大学土木工程学院 广东深圳 518060; 2.深圳大学化学与化工学院 广东深圳 518060)

摘 要:本文介绍了玄武岩纤维的性能、研究现状和应用情况,重点介绍了玄武岩纤维在水泥混凝土及建筑结构中的应用,对玄武岩纤维在建筑材料中的耐久性问题进行了评述。关键词:玄武岩纤维 建筑材料 耐久性中图分类号:TU528文献标识码:A文章编号:1674-098X(2011)09(b)-0028-02

混凝土是一种多相复合材料,由于各组成材料性质的差异和施工养护的影响,混凝土内部不可避免地存在大量的微裂缝,这些裂缝的存在,影响了混凝土的性能,特别是降低了混凝土抗拉强度,也是混凝土呈脆性破坏的主要原因。纤维具有抑制混凝土收缩、提高混凝土抗拉强度、增加混凝土韧性的作用,能够解决高强高性能混凝土中出现的拉压比低、韧性差和

常用的纤维主要有碳纤收缩大等问题[1]。

维、玻璃纤维和芳纶纤维等,芳纶纤维和

玻璃纤维热稳定性、耐高温、抗碱性差;碳纤维物理、力学性能较好但价格昂贵,依

[2]

赖进口。玄武岩纤维是以天然的火山喷出岩作为原料,通过铂铑合金拉丝漏板制成的连续纤维。作为国内一种新型纤维材料,玄武岩纤维具有独特的力学性能、良好的稳定性以及较高的性价比,使其成为一种良好的混凝土增强材料[3]。随着近年来材料工业的迅速发展,粘贴纤维增强材料加固成为了一种新兴的加固方法,玄武岩纤维在建筑结构加固中的应用也具有广阔的前景。

的耐高温性能,使用温度范围为-269～650℃。玄武岩纤维在腐蚀性介质中(酸,碱,盐溶液)具有较高耐腐蚀性和化学稳定性,在饱和的碱性溶液和水泥等碱性介质中海能保持更高的抗碱液腐蚀性能。玄武岩纤维可与无机粘合剂相容,吸湿率小于1%,吸收能力不随时间变化,这就保证了它在使用过程中的材料稳定性,长寿命和环境协调性[5]。

胡亮[8]等研究了玄武岩短切纤维对砂浆抗裂性能的影响,结果表明:当玄武岩纤维掺量在1.5%以内,对抗裂砂浆的稠度影响不大。抗裂砂浆的抗压强度随玄武岩纤维掺量增加而有所降低,但其抗折强度明显增大,压折比降低,砂浆的柔韧性得到了改善。随玄武岩纤维掺量增大,抗裂砂浆粘结强度先增大后减少,在纤维掺量不大于1%时,粘结强度变化不大。玄武岩纤维能明显提高抗裂砂浆的抗拉强度与抗冲击韧性,当掺量为1%时,抗拉强度与抗冲击韧性分别提高了11.0%和12.4%。玄武岩纤维能明显增强抗裂砂浆的动态抗开裂性,当掺量为1%时,砂浆动态抗开裂裂缝宽度减少了26.7%。

玄武岩短切纤维对于全面提高混凝土的综合性能起到了极大的推动作用,引起了国内外材料界与工程界的广泛重视与关注。随着我国建筑材料的绿色环保、节约能源的发展要求,必然迎来玄武岩纤维在混凝土中应用的浪潮,推动高性能混凝土在基本建设领域的全面应用。

2.2玄武岩纤维在建筑结构中应用玄武岩纤维在建筑结构中的应用主要体现在建筑结构加固及建筑材料替代两个方面。吴刚[9]等进行了玄武岩纤维丝束缠绕与碳纤维布包裹加固圆柱和方柱在反复荷载下的对比试验,指出玄武岩纤维丝束缠绕加固能够显著提高混凝土柱的承载力,改变试件的破坏形态,在相近侧向约束刚度下,玄武岩纤维加固对柱承载力的提高及延性、耗能等结构性能的改善都能够达到、甚至超过碳纤维加固柱。玄武岩纤维加固混凝土柱具有更好的抗震性能。欧阳[10]

煜等参考现行《混凝土加固设计规范》中的纤维加固理式,对玄武岩纤维布加固混凝土梁抗弯和抗剪承载力进行了计算分析,从理论角度探讨了玄武岩纤维对混凝土梁的加固效果,并指出采用现有规范对玄武岩纤维加固结构构件的计算方法有待试验验证;在后续研究中,考虑玄武岩纤维布宽度、间距、加固量等因素,对5根玄武岩纤维加固混凝土梁的抗剪性能进行了试验研究,指出玄武岩纤维能有效提高混凝土梁的抗剪承载力及变形能力。Jongsung Sim[11]等对10根玄武岩纤维布加

2 玄武岩纤维在建筑材料中应用

2.1玄武岩短切纤维在混凝土中应用玄武岩纤维增强混凝土是将玄武岩连续纤维或不连续纤维按合理的用量和适当的方式掺入混凝土中,形成的一种新型混凝土复合材料,保留混凝土抗压强度高等优点,增加其抗拉、耐磨和抗冲击等性能,在混凝土工程中起到加固补强、增强增韧、延长使用寿命等作用。玄武岩纤维是典型的硅酸盐纤维,具有天然的相容性,用它与水泥混凝土和砂浆拌和时很容易分散,新拌玄武岩纤维混凝土体积稳定,和易性较好。与普通混凝土相比,玄武岩纤维混凝土还具有优越的耐温性、抗收缩性以及耐腐蚀性,这有利于提高混凝土工程的耐久性,扩大混凝土的使用范围。在混凝土中合理地掺入玄武岩纤维,可以提高混凝土的抗冲击性能,降低其脆性,改善混凝土的力学性能。生产玄武岩纤维的原料取自于天然的火山岩喷出岩,原料中几乎不含有对人类健康有害的成分,使玄武岩纤维混凝土在建筑工程领域的推广具有节约资源、绿

[6]

色环保的意义。

何军拥,田承宇[7]等通过正交设计的实验方法研究了玄武岩纤维增强高性能混凝土的最佳配合比,实验中选取玄武岩纤维掺量、水胶比、粉煤灰掺量、砂率、单位用水量五个因素作为主要影响因素。每个因素选择四个水平,主要考察的性能指标为:坍落度值、28d抗折强度值和28d抗压强度值。结果得到影响高性能混凝土工作性、抗压和抗折性能的因素排序为:单位用水量>水胶比>玄武岩纤维掺量>粉煤灰掺量>砂率,得到最优的试验条件是为玄武岩纤维

水胶比0.34、粉煤灰掺量掺量为1.2kg/m3、

15%、砂率40%、单位用水量160kg/m3。

.com.cn. All Rights Reserved.1 玄武岩纤维性能

1.1化学成分

玄武岩纤维化学成分见表1。氧化硅是

玄武岩的主要成分,有利于为玄武岩纤维提供弹性和化学稳定性;氧化铁能改变其熔解参数并且影响导热性;氧化铝增加其黏性和耐化学性;氧化钙、氧化镁和氧化钛可以提高其耐水性和耐腐蚀性;氧化铁的存在赋予玄武岩纤维绿褐色[4]。1.2玄武岩纤维主要性质

玄武岩纤维的抗拉强度为2800～3800MPa,是金属的2～2.5倍;玄武岩纤维具有突出

表1 连续玄武岩纤维化学成分

①国家自然科学基金资助项目(50878131);广东省创新团队基金资助项目(9351806001000001)。

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科技创新导报 Science and Technology Innovation Herald

建 筑 科 学

固混凝土的简支梁进行了四点加载破坏试验。加固试件设计成不同加固量(1,2,3层)以及不同的纤维布粘贴长度,JongsungSim所属课题组还在相同情况下进行了玻璃纤维布加固混凝土简支梁试件的试验。试验均得到了一些非常有意义的结论:粘贴一层玄武岩纤维布对提高加固试件的极限强度收效甚微,屈服强度可提高15%;粘贴二层和三层玄武岩纤维布的加固试件,屈服强度、极限强度分别提高26%、27%和16%、29%,不同粘贴长度的加固试件受力性能并无明显不同;粘贴三层玄武岩纤维布的加固试件易发生纤维与混凝土的剥离破坏,二层玄武岩纤维布能够充分发挥玄武岩纤维的自身强度,并能避免剥离破坏;与同等情况下玻璃纤维布加固试验相比,玄武岩纤维布加固试件体现出更好的延性,破坏前有明显征兆。加不同量和粘贴不同长度进行加固,采用二片玄武岩纤维布的比采用一片和三片片材具有更好的加固效果,更能充分发挥出玄武岩纤维布延性好的优点,增加玄武岩纤维布的粘贴长度并不能提高梁的抗弯承载能力。玄武岩纤维具有优良的力学性能及稳定的化学性能,可以制成玄武岩纤维筋作为建筑材料在一些场合替代钢筋使用。玄武岩纤维筋是以玄武岩纤维为增强材料与乙烯基树脂及填料,固化剂等基体相结

合,经拉挤工艺成型的一种新型复合材料。玄武岩纤维筋的抗拉强度为600～1500MPa,与高强钢丝强度差不多,因此可以用它来代替混凝土构件中的受拉钢筋。玄武岩纤维筋耐腐蚀性好,不生锈,因此用它来代替受拉钢筋可以解决长期困扰人们钢筋锈蚀问题,因此在实际施工时玄武岩纤维筋不需要保护层,直接放在梁底部进行浇注,减轻了一定的工作量。玄武岩纤维筋的密度是1.9～2.1g/m3,约为钢筋的16%～25%,因此用之代替钢筋能极大地减轻结构的自重。此外,玄武岩纤维筋还有抗疲劳性能好,电磁绝缘性好等特点,因此,对于一些有特殊要求的建筑物,如雷达站等,玄武岩纤维筋是一个理想的选择[12]。

3 玄武岩纤维在建筑材料中的耐久性

玄武岩纤维由于具有耐高温,耐烧蚀,耐酸碱性能强,抗湿热老化稳定好等优点,所以在建筑领域的应用日益受到关注,但其耐久性一直是工程界关注的问题。

郭旗[13]等在冻融循环和冻融循环-盐溶液复合环境下,对39个玄武岩纤维片材进行拉伸试验,研究环境类型暴露时间对材料耐久性的影响。试验表明:两种环境作用下抗拉强度延伸率都呈下降趋势,弹性模量呈上升趋势;冻融循环对片材抗拉强度的影响要比复合环境更

2011 NO.26Science and Technology Innovation Herald科技创新导报大;复合环境下弹性模量增长幅度和延伸对水工抗冲磨混凝土性能的影响[J].长率下降幅度都高于单一冻融循环环境,说江科学院院报,2010,4:58～60.明复合环境更容易使材料脆化,最后提出[4]杨帆,卢哲安,颜岩,等.玄武岩纤维增

环境作用下玄武岩纤维布相对抗拉强度强水泥基材料的物理力学性能试验研灰色预测模型。

究[J].混凝土,2010,4:51～53.

胡海涛,王希宾[14]等在盐雾侵蚀条件下[5]王广健,尚德库,胡琳娜,等.玄武岩纤

研究玄武岩纤维片材的耐久性。盐雾环境维的表面修饰及生态环境复合过滤材下,盐雾作用使树脂的极限抗拉强度降低,料的制备与性能研究[J].复合材料学伸长率下降。盐雾侵蚀条件下,盐雾作用使报,2004,21(1):38～44.

玄武岩纤维的强度没有改变,弹性模量没[6]李为民,许金余,沈刘军,等.玄武岩纤

有变化,伸长率也没有受到影响。可见树脂维混凝土的动态力学性能[J].复合材料对玄武岩纤维起到了很好的保护作用,盐学报,2008,25(2):135～142.

雾没有影响到玄武岩纤维的力学性能。他们[7]何军拥,田承宇,黄小清.玄武岩纤维增

又对盐雾侵蚀条件下玄武岩纤维布加固的强高性能混凝土配合比的正交试验研混凝土构件进行耐久性试验,粘贴玄武岩究[J].混凝土与水泥制品,2010(3):45～

纤维布的混凝土构件较之未加固的构件承47.

载力提高明显。通过试验可以知道,构件开[8]胡亮,余剑英.玄武岩短纤维对抗裂砂

裂荷载和极限荷载分别提高了7%和45%。经浆性能的影响[J].武汉理工大学学报,

过60d的盐雾侵蚀试验,虽然不同初始荷载2010,32(13):6～9.

水平加固构件的承载力相对于对比构件的[9]吴刚,魏洋,吴智深.玄武岩纤维与碳纤

承载力有不同的下降,但施加相同初始荷维加固混凝土矩形柱抗震性能比较研载试件,经过盐雾侵蚀的试件与自然条件究[J].工业建筑,2007,7(6):42～46.试件承载力没有变化。可见固化后的树脂对[10]欧阳煜,王鹏,张云超.玄武岩纤维布加玄武岩纤维以及纤维与混凝土的粘结界面固钢筋混土梁受弯受剪承载力计算分有很好的保护作用,氯离子和水分不能或析[J].工业建筑,2007,37(6):24～27.者很难穿过由树脂形成的保护层。通过试验[11]Jongsung Sim,Cheolwoo Park,Do

说明,这种FRP复合材料加固的构件在盐雾YoungMoon.Characteristics of basalt

环境中耐久性性能良好。

fiber as a strengthening material for顾习峰,杨勇新[15]等则研究紫外线照射concrete [J].Structures,Composites:条件下玄武岩纤维布耐久性能,结果表明PartB,2005(36):504～512.

玄武岩纤维片材经过紫外线照射后,其拉[12]顾兴宇,沈新,陆家颖.玄武岩纤维筋拉

伸强度和伸长率随时间变化是下降的,但伸力学性能试验研究[J]西南交通大学是下降的幅度不大。玄武岩纤维片材弹性模学报,2010,45(6):914～918.

量随老化时间变化较小,说明紫外线照射[13]郭旗,潘建伍,吴刚.冻融循环及盐溶液

对玄武岩纤维片材的弹性模量没有太大的作用下玄武岩纤维布耐久性试验研究影响。防护对玄武岩纤维片材在紫外线照射[J]. 工业建筑,2010,40(4):17～21,38.下有一定的保护作用。浸渍树脂对玄武岩纤[14]胡海涛,王希宾,杨勇新.玄武岩纤维片

维片材的拉伸强度有一定的影响,但是不材在盐雾侵蚀条件下的耐久性试验研同树脂浸渍的玄武岩纤维片材在紫外线照究[J].工业建筑2010,40(4):9～12.射下力学性能的变化规律是相同的。

[15]顾习峰,杨勇新.紫外线照射条件下玄

武岩纤维布耐久性能研究[J].工业建4 结语

筑,2010,40(4):13～16.

我国玄武岩矿床储量丰富,有充足的原料供应保障,玄武岩纤维具有力学性能良好、化学稳定性强、耐高温、低成本和耐久性优良等优点,且玄武岩纤维属于绿色环保材料,其应用前景极为广阔,成为今后建筑材料应用发展趋势,这对促进国民经济建设和国防建设将发挥重大作用。

参考文献

[1]刘永胜.纤维混凝土增强机理的界面力

学分析[J].混凝土,2008,4:34～35.[2]王丽艳.纤维混凝土特性及前景分析[J].科技资讯,2006,7:22～23.

[3]王强,陈国新,何力劲,等.玄武岩纤维

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