玄武岩纤维在土木工程中的应用研究进展

2020-05-19吴晓斌

硅酸盐通报 2020年4期

吴晓斌

(厦门城市职业学院城市建设与管理系，厦门 361008)

0 引言

随着建筑产业的转型升级，生态文明建设不断推进，倒逼建材工业改革创新，《建材工业发展规划(2016～2020年)》提出大力发展绿色建材和建材部品部件，壮大先进无机非金属材料、复合材料和建材生产性服务业，构建产业新体系。玄武岩纤维产业是我国高新技术纤维中最有发展前途、最有可能率先在全球做大，对破解资源与环境制约有代表性的可持续发展的新资源产业和绿色产业[1]。在此背景下，为了准确定位玄武岩纤维在土木工程中的应用发展方向，对玄武岩纤维的性能特点、研究进展和标准规范等方面进行梳理和探讨。

1 玄武岩纤维的性能特点

玄武岩纤维是一种无机纤维材料，以纯天然火山喷出岩为原料，其生产过程中无硼或其他碱金属氧化物排出，其烟尘中无有害物质析出，对大气不会造成污染，Kogan[2]和Mconnell[3]等在试验中发现玄武岩纤维对生物体无害，建议代替致癌的石棉纤维和玻璃纤维。此外，玄武岩矿石在地球上的储量相当丰富，从原料成本来看相对比较低，产品寿命长，价格是碳纤维的1/8～1/6，是一种性价比高、洁净程度理想的新型绿色环保纤维。

玄武岩纤维的物理力学性能决定了其复合材料的性能及用途，进而影响玄武岩纤维制品在土木工程领域的应用。玄武岩纤维性能指标见表1。

表1 玄武岩纤维与其他纤维的技术指标对比[4]Table 1 Comparison of technical indexes between basalt fiber and other fibers[4]

Note: tensile strength refers to the strength of the fiber, excluding the strength of roving, spinning and composite materials.

由表1可知，玄武岩纤维的拉伸强度和弹性模量略低于碳纤维，与S玻璃纤维接近，略高于E玻璃纤维和芳纶纤维，明显高于其他合成纤维；与其他合成纤维相比，具有突出的耐低温、耐高温的性能；具有良好的化学稳定性(耐酸耐碱)。

2 玄武岩纤维应用研究进展

目前，玄武岩纤维的研发和产业化正处于蓬勃发展阶段，不少国内专家已处于行业发展的最前沿。玄武岩纤维在土木工程领域主要围绕玄武岩纤维短切纱(图1)增强各类混凝土，玄武岩纤维布(图2)加固补强结构，玄武岩纤维复合筋(图3)结构，玄武岩纤维土工格栅(图4)和玄武岩纤维防火隔热产品等方面的应用研究展开。

图1 玄武岩纤维短切纱Fig.1 Basalt fiber chopped strand

图2 玄武岩纤维布Fig.2 Basalt fiber unidirectional fabric

图3 玄武岩纤维复合筋Fig.3 Basalt fiber composite rebar

图4 玄武岩纤维土工格栅Fig.4 Basalt fiber geogrid

2.1 玄武岩纤维增强各类混凝土性能研究

当前，对玄武岩纤维增强混凝土的研究主要集中在玄武岩纤维增强普通混凝土和玄武岩纤维增强沥青混凝土。对玄武岩纤维增强轻骨料混凝土、再生骨料混凝土、海砂混凝土及玄武岩混杂纤维混凝土等也开展了部分研究。

2.1.1 玄武岩纤维增强普通混凝土

(1)力学性能研究。2004年，胡显奇[5]研究表明,掺玄武岩纤维混凝土早期抗压强度变化不大，但28 d龄期的抗压强度、抗拉强度均有所提高，抗冲磨强度、冲击韧性提高显著。2009年，吴钊贤[6]研究表明,随着玄武岩纤维掺量的增加，坍落度逐渐降低，抗压强度逐渐增加，尤其是早期强度增加明显；弯拉强度有较明显的提高；而劈拉强度提高不显著。2015年，于泳等[7]研究表明,掺入玄武岩纤维后混凝土的抗冲击性能得到了改善，短纤维的改善效果优于长纤维。2018年，徐薄[8]研究表明,随着纤维体积掺量增加，抗弯疲劳寿命显著增加；同体积掺量时，高应力水平疲劳寿命增强效果更明显。

上述研究表明掺入适量的玄武岩纤维短切纱，可显著提高混凝土的抗拉弯性能、冲击韧性和疲劳寿命，但对于抗压强度，得出的结论相差较大，甚至结论相反。其原因主要是试验采用的玄武岩纤维的品种、掺量甚至试验条件、方法存在差异，另外混凝土的骨料种类、粒径、强度等级等也会影响试验结果。建议对各种参数变化进行系统的试验研究及理论分析，进而建立起本构关系。

(2)耐久性研究。2009年，朱华军[9]研究表明,玄武岩纤维混凝土抗渗性、抗冻性、干缩性以及抗氯离子渗透性等耐久性指标均优于普通素混凝土。2014年，王利强[10]研究表明,玄武岩纤维提高混凝土的阻裂性能，随纤维体积率的增大，混凝土冻融后的质量损失率、相对动弹性模量、抗压和抗折强度下降速度明显减缓，混凝土的抗冻性能提高。2018年，葛浩军[11]研究表明,玄武岩纤维提升混凝土的抗渗性能，提升的效果与纤维掺量之间没有明显规律。抗冻融性能随着纤维掺量先增高后降低。玄武岩纤维显著改善混凝土的早龄期抗裂性能。2019年，向真等[12]研究表明,玄武岩纤维活性粉末混凝土(RPC)当水胶比为0.22,玄武岩纤维体积掺量为0.10%时，抗氯离子渗透性能最好且具有良好的抗碳化性能，28 d碳化深度为0。

综上，掺入适量的玄武岩纤维可以提高混凝土的早期抗裂性，且抗渗性、抗冻性、抗氯离子渗透和抗碳化能力均有明显改善。但玄武岩纤维体积掺量对耐久性影响，相关研究成果还存在较大差异，且不同环境条件下多因素耦合的耐久性研究也需加大力度。

(3)耐高温性能。2014年，任韦波团队[13-14]研究了不同温度作用后玄武岩纤维增强混凝土(BFRC)的冲击变形特性、动态压缩强度和冲击韧度。结果表明,掺入玄武岩纤维可以有效提升高温后混凝土的冲击变形能力，且纤维体积掺量为0.3%时最优。掺入玄武岩纤维可以有效降低高温后BFRC的损伤劣化程度。2016年，该团队对玄武岩纤维混凝土高温损伤的声学特性研究[15]表明,掺加玄武岩纤维减小了高温后混凝土试件的质量损失，增大了抗压强度，改善效果随纤维掺量增大而增强。

2017年，赵燕茹团队[16]试验研究表明,掺入纤维对混凝土质量损失影响不明显；玄武岩纤维能在一定程度上提高混凝土的耐高温性能，但不能完全抑制混凝土的高温损伤。2018年，郝松[17]对持荷高温作用后玄武岩纤维混凝土力学性能研究表明,400 ℃以内，纤维的掺入能够在混凝土损伤过渡时，延缓其损伤，改善混凝土脆性。

综上可见，玄武岩纤维混凝土高温后性能影响的研究结果存在不一致的情况，纤维掺量、升温速率、混凝土强度等对烧失量、力学性能及本构关系的影响规律尚处于探索阶段。

(4)构件力学性能。2011年，王钧团队的叶焕军[18]、陈伟等[19]研究表明,玄武岩纤维的掺入在一定程度上提高了梁的开裂弯矩、极限承载力和整体刚度，且BFRC梁破坏时变形较大，表现出更明显的延性破坏性质。2013年，朱翠冉[20]研究表明,玄武岩纤维钢筋混凝土梁疲劳破坏形态为脆性破坏，始于钢筋的疲劳断裂。位移、混凝土应变、钢筋应变均表现出随疲劳循环次数前期增长幅度比较大，随后变化幅度减小。2017年，赵燕茹等[21]研究表明,玄武岩纤维掺入对钢筋混凝土梁的开裂荷载、极限荷载、挠度和韧性均有提高。2016年开始，王新忠等对玄武岩纤维混凝土长柱偏心受压[22]、短柱轴心受压[23]和钢管玄武岩纤维混凝土短柱轴心受压承载能力[24]研究发现，钢筋玄武岩纤维混凝土长柱偏心受压和短柱的轴心受压极限承载能力明显优于普通钢筋混凝土长柱，玄武岩纤维提高了钢筋混凝土短柱的延性；钢管玄武岩纤维混凝土短柱轴心受压承载能力和延性均大于普通钢管混凝土短柱，纤维长度对钢管玄武岩纤维混凝土短柱承载力影响较小。

综上，掺入玄武岩纤维的混凝土梁、柱的承载力和变形均优于普通混凝土构件，建议对纤维掺量、长度等参数以及经济性进行对比研究，以期推动工程应用。另外，国家大力推广装配式建筑，玄武岩纤维板的应用具有推广价值，玄武岩纤维混凝土结构板的研究尚未见到，建议开展相关研究。

2.1.2 玄武岩纤维增强沥青混凝土

2004年，文献[25]对玄武岩纤维、木质素纤维和聚酯纤维在中的应用效果进行了比对试验研究表明,掺加玄武岩纤维的性能优于其他两种纤维沥青混合料，玄武岩纤维具有更好的增强效果和稳定性能。2012年，赵丽华[26]对纤维沥青混合料的高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性、断裂能、疲劳性能、蠕变性能等进行室内试验研究结果表明,玄武岩纤维能显著提高沥青混合料路用性能，短切玄武岩纤维除对沥青混合料水稳定性改善效果不良外，对其他性能均呈现明显的增强效果。2015年，黄永发[27]试验表明,随着玄武岩纤维掺量的增加，改性沥青的针入度、延度逐渐减小，软化点、弹性恢复、黏度随着纤维掺量的增加而增大；对玄武岩纤维沥青路面试验路的各项指标进行检测，均符合要求；对试验路的降噪性能进行了现场检测，能够显著降低行车噪声，提高行车的舒适性。

综上，玄武岩纤维增强沥青混凝土的路用性能方面得到学者和工程界的认可，且有实际的工程应用案例。目前的研究多数是室内试验研究，而实际道路中是多种荷载和多重自然条件的耦合，建议对不同荷载水平及自然条件下的玄武岩纤维沥青混凝土路面进行抗老化性能研究。

2.2 玄武岩纤维增强树脂(BFRP)应用研究

2.2.1 加固构件力学性能

(1)梁。2007年，陈尚建等[28]研究表明,粘贴BFRP加固混凝土结构是可行的。与碳纤维增强树脂(CFRP)加固同样尺寸和配筋的梁对比发现，两种加固材料在相同加固形式的条件下，对极限承载力的提高仅相差10%左右，BFRP性价比更高。2016年，王海良等[29]对BFRP加固损伤RC梁弯曲疲劳试验研究表明,粘贴BFRP可降低试验梁疲劳刚度衰减速率，变幅疲劳显著增大试验梁疲劳刚度衰减速率。

(2)板。2007年，陈尚建等[30]对玄武岩片材加固混凝土双向板的试验研究表明,外贴BFRP加固钢筋混凝土双向板，板的承载力、整体性和刚度显著增强，抗裂性能明显改善。

(3)柱。2007年，吴刚等[31-32]研究表明,利用BFRP和CFRP加固混凝土圆柱、矩形柱都可以有效地提高其抗震性能，而玄武岩纤维性价比更好。2018年，黄加付[33]试验表明,BFRP对钢筋混凝土柱起到了较好的约束作用，能限制裂缝的产生和开展，改善钢筋混凝土柱的最终破坏状态，大幅度提高钢筋混凝土柱的耗能性能和变形能力。2019年，Li[34]研究表明,用BFRP加固后的钢筋混凝土墩柱的极限承载力、变形能力和耗能能力均较好。特别是对于低配筋率或锈蚀配筋的加固试件，其抗震性能可与标准配筋率的柱相媲美，BFRP片材在既有桥墩抗震改造中具有优势。

(4)木结构、钢结构构件。2010年，王全凤等[35]试验研究表明,在木梁受拉区粘贴BFRP是提高木梁抗弯性能的有效方法。2017年，王静辉等[36]对BFRP加固新疆杨木矩形截面长柱偏心受压试验研究表明,纵向粘贴纤维布能够有效提高木柱的偏心受压承载力。2017年，张伟超等[37]对BFRP加固带损伤钢管的试验表明,随着加固量的增加，钢管承受的内压增加。粘贴不同层数的BFRP，可以有效地加固不同内压力作用下的钢管。

综上，对BFRP加固构件的研究，主要集中在混凝土梁、板、柱的力学性能方面，对木结构、钢结构构件鲜有研究，对损伤结构体系的加固研究尚处于空白。建议在BFRP加固损伤结构体系、装配式结构构件、节点方面可进行深入研究。

2.2.2 耐久性

2007年，杨勇新等[38]通过改变BFRP、浸润树脂等因素，对玄武岩纤维增强复合材料进行湿热老化试验，系统研究随着老化时间的增长，玄武岩纤维增强复合材料抗拉强度、延伸率和拉伸弹性模量的变化规律。2014年，郭海洋[39]研究表明，盐、碱环境对BFRP加固混凝土梁的耐久性具有一定影响，加固梁承载力随盐溶液浓度增大而减小。2014年，袁兴龙[40]研究表明,加固梁极限承载力随紫外线照射时间增加而降低，相同紫外线照射时间下加固梁极限承载力降低幅度会随纤维布粘贴层数的增多而增大。

BFRP加固结构构件的耐久性取决于玄武岩纤维、粘结界面及构件自身的耐久性，且实际工程自然环境多样，所以其耐久性研究相对比较复杂，且没有统一的试验标准，建议对不同自然条件下的加固构件进行耐久性跟踪研究。

2.3 玄武岩纤维复合筋

2.3.1 力学性能及耐久性研究

2010年，顾兴宇等[41]研究表明,BFRP筋的应力-应变曲线为直线，抗拉弹性模量仅为钢筋的23%，抗拉弹性模量随直径增大逐渐降低。2017年，Fan[42]研究表明,BFRP筋的应力-应变曲线呈直线关系，破坏前无明显迹象，是典型的脆性材料，其应力-应变曲线上没有屈服平台，抗拉强度约为普通钢筋的3倍，弹性模量约为普通钢的1/5；极限抗拉强度随直径的增加变化不大，但模量值存在一定的差异。

2013年，董志强等[43]对加速老化环境下纤维增强复合材料筋耐腐蚀性能研究表明,随着温度的提高，纤维增强复合筋的抗拉强度退化加剧；碱溶液对BFRP筋的腐蚀大于水，室内混凝土环境不会对BFRP筋造成损伤；温度越高，筋材吸湿速率越大，碱溶液中大于水中。2019年，王丽平等[44]研究表明,BFRP筋的抗拉强度、抗压强度、抗剪强度以及极限拉应变在酸碱腐蚀溶液中均有所下降，且碱性溶液对筋材力学性能影响高于酸性溶液。

综上，玄武岩纤维复合筋的抗拉强度较高，但没有明显的屈服点，因此建议研究与普通钢筋混合应用于混凝土结构中，利用各自的优点。玄武岩纤维复合筋是相对比较成熟的产品，但不同厂家的产品性能会存在差异，2017年，吉林省颁布了《玄武岩纤维复合筋及玄武岩纤维混凝土设计与施工规范》，建议国家相关部门尽快颁布国家标准，促进玄武岩纤维复合筋的规范应用研究。

2.3.2 构件

(1)梁。2009年，李炳宏等[45]研究表明,BFRP筋混凝土梁的受弯构件发生脆性破坏，构件的开裂荷载和开裂前的挠度受BFRP筋配筋率的影响很小，构件的极限荷载随BFRP筋配筋率的增加而增大。2018年，张志金等[46]对无腹筋BFRP筋玄武岩纤维混凝土深梁抗剪性能试验研究表明,随着纤维特征参数的增大，构件破坏形态出现由斜压破坏向剪压破坏转变的趋势；与普通混凝土深梁相比，玄武岩纤维混凝土深梁跨中挠度和裂缝宽度均随着纤维特征参数的增大而减小；构件剪切开裂承载力和抗剪极限承载力随着纤维特征参数的增大均提高。

(2)柱。2017年，李兆恒等[47]研究表明,BFRP筋增强无机聚合物海砂混凝土构件柱的破坏形式为脆性破坏；普通圆环箍筋柱的位移发展比相同配箍率的螺旋箍筋柱更缓慢；采用BFRP筋的连续螺旋箍筋柱的极限承载力随着配箍率的增大而增大，极限加载位移则相对增加。2019年，董震[48]试验表明,BFRP筋混凝土偏压柱的破坏特征为混凝土压碎破坏，正截面应变满足平截面假定，构件的极限承载力随着偏心距的增大而减小，随着单侧配筋率的增大而有所增大。

(3)锚杆。2012年，郭成鹏等[49]研究表明,BFRP筋具有耐腐蚀性、轻质、高强等优良特性，比钢筋或钢绞线更适于用作锚杆材料应用于岩土工程锚固；BFRP筋与灌浆料的黏结性能随灌浆料强度的提高而增大。2016年，高岩川等[50]在绿地中心基坑项目中利用玄武岩纤维复合筋材替代钢筋对基坑边坡岩土进行锚喷支护研究表明,采用玄武岩复合筋对岩土边坡进行锚喷支护是可行的，能够有效保证边坡安全。

综上，玄武岩纤维复合筋在土木工程领域的应用研究主要有玄武岩纤维复合筋混凝土梁、柱和玄武岩纤维复合筋锚杆，在特定环境下优势明显。玄武岩纤维复合筋混凝土板的研究成果几乎未见。

2.4 玄武岩纤维土工格栅

2014年，夏小楣等[51]研究表明,玄武岩纤维土工格栅可以解决高盐碱地区路面工程容易出现的质量缺陷问题，使路面结构得到合理的强化，且具有较好的性价比优势。2015年，杨堃[52]研究表明,玄武岩纤维土工格栅具有高模量、高强度、低蠕变、抗脆裂、抗老化、抗腐蚀及可预设计等多种性能，可延长沥青路面使用寿命，是道路工程使用的最佳材料。2017年，邓传力等[53]研究表明,加入玄武岩纤维土工格栅可显著提高毛石墙体极限承载力，且有效限制裂缝宽度，加入土工格栅对藏式毛石墙体分层破坏具有限制作用。

综上，玄武岩纤维土工格栅用于路基路面工程，边坡围护及在砌体结构加固方面都具有一定的积极作用，值得继续深入研究和应用。

2.5 玄武岩纤维防火保温板

2014年，胡显奇[54]研究表明,玄武岩纤维防火保温板(GBF板)是一种导热系数低、防火性能优异、综合性能好、与建筑同寿命的既节能又防火的新型保温材料，适用于民用高层建筑、公共建筑及其他有特殊要求的绿色建筑的节能与防火。2015年，杨成春[55]研究认为玄武岩纤维保温装饰复合板具有优良的防火、防水、保温隔热及吸音等性能，在节能建筑中有良好的应用优势。2018年，郑杨梅等对新型EPS-玄武岩纤维中空织物保温板的力学性能[56]、热工性能[57]研究表明,含玄武岩纤维织物附着层保温板的抗压强度优于多层夹芯复合保温板的抗压强度，且抗折强度较为优异；在温度和湿度不变的条件下，玄武岩纤维中空织物可大幅减小EPS板厚度，保温隔热性能优良。