玄武岩纤维增强混凝土研究现状

2021-02-05石磊

天津化工 2021年1期

石磊

（河北工程大学，河北邯郸056200）

混凝土是世界上建筑行业中应用最广泛的建筑材料。他由水泥、粗骨料、细骨料、水和外加剂组成。传统的混凝土存在耐久性差、抗拉强度低等特点。为改善该缺点，已经使用了几种纤维来改善常规混凝土的性能，即：石棉、钢、玻璃、碳纤维、聚丙烯等。其中，玄武岩纤维（见图1）是利用玄武岩纤维在抗拉性能方面取得了较好的效果，且价格较便宜。玄武岩纤维与水泥混合容易分散混凝土和砂浆，因此玄武岩纤维增强混凝土起到加固作用、防裂、阻裂的作用。且玄武岩纤维在高温下拉伸成型，具备良好的延展性和耐腐蚀性[1，2]。

图1 玄武岩纤维图

1 国内外研究现状

V.Ramakrishnan 等[3]研究硬化后的玄武岩纤维，结果表明，纤维在混凝土中的分散性良好，且纤维的掺入提高了抑制了混凝土裂缝的发展。

Dias D P Thaumaturgo C 等[4]对玄武岩纤维掺入混凝土后的力学性能做了大量研究，并从抗压强度、劈裂抗拉强度和弯拉强度等方面进行总结，得出结论，玄武岩纤维的掺入延长了梁的破坏时间。

Zielinski 等[5]研究了玄武岩纤维增强水泥砂浆的力学性能，给出了纤维的最佳掺量，并进一步研究了纤维对无机聚合物水泥混凝土断裂韧性的影响。结果表明：纤维增强无机聚合物水泥混凝土比普通混凝土具备更高的承载力。

IongsungSim 等[6]通过试验研究，掺入玄武岩纤维混凝土的抗拉性能得到显著提升，抗拉强度增长率在50%以上，混凝土延性增强，抗拉破坏明显改善。

branston 等[7]研究了2 种不同类型的玄武岩纤维（束状分散纤维和纤维棒）在混凝土力学性能方面的相对优点。混凝土试件浇筑三种不同掺量的每种纤维，并进行了弯曲和落锤冲击试验。结果表明，两种纤维都提高了预开裂强度，但只有纤维棒增加了后开裂行为。

Zielinski 等[8]评估玄武岩纤维对水泥砂浆物理和力学性能的影响时，研究发现，玄武岩纤维的最佳掺量在0.5%～0.8%。玄武岩纤维会限制提高早期弯曲强度，尤其是掺量为0.8%时，BFRC 抗弯强度达到最大；当掺量的玄武岩纤维为0.3～0.8%时，混凝土抗压强度达到最大。

Kizilkanat 等[9]对玄武岩纤维和玻璃纤维在高强混凝土中的应用进行比较分析。结果表明，纤维夹杂对混凝土的抗压强度和弹性模量没有明显影响。玄武岩纤维混凝土（BFRC）的劈裂抗拉强度和抗弯强度随着纤维掺量的增加而增加，而玻璃纤维混凝土（GRFC）的劈裂抗拉强度和抗弯强度在0.5%的纤维掺量后没有增加。掺入玄武岩纤维可以更好的提高混凝土的性能。

不仅仅在国外，国内相关学者也对BFRC 进行大量的研究。李德超等[10]研究了纤维掺量对混凝土的抗压强度和劈拉强度的影响。结果表明，随着掺量的增加，抗压强度表现出先增后减的趋势，掺量为0.4%时，其28d 抗压强度比素混凝土性能提升了34.37%；抗劈拉强度提升29.34%。

范炜等[11]利用有限元软件建立细观层面上带有随机分布的玄武岩纤维，考虑纤维与混凝土界面粘结滑移的混凝土模型对抗压试验进行模拟。结果表明，材料发生塑性变形时，纤维才开始分担受力，纤维掺量对应以应变关系的影响才开始凸显，混凝土发生开裂时，纤维体现了明显的阻裂效果。

相关学者对其动态性能也进行了部分研究。杨进勇等[12]研究了玄武岩纤维混凝土在3 种应变率下的冲击韧性。以应力-应变曲线的面积认作韧性指标，对掺量不同的混凝土进行霍普金森杆（见图2）的冲击试验，得到不同应变率范围的最佳体积掺量。

图2 霍普金森杆图

杨进勇等[13]通过试验研究了玄武岩纤维和碳纤维在同种纤维掺量下，混凝土在冲击荷载下的增韧特性进行对比。研究表明，0.2%为纤维的最佳体积掺量，且玄武岩纤维混凝土的韧性优于碳纤维混凝土。

张娜等[14]通过3 种不同纤维掺量的BFRCC（玄武岩纤维增强水泥基复合材料）试件在不同应变率下的动态压缩力学性能、吸能特性、韧度指数进行研究。结果表明，BFRCC 具有明显的应变率效应，即3种不同纤维掺量试件的动态抗压强度均随着应变率的增大而增大；随着体积掺量的增加，BFRCC 试件的塑性变形能力增强，即能量吸收能力增强。

于泳等[15]通过对比不同玄武岩纤维的掺量发现，玄武岩纤维的掺入能显著提高混凝土的抗冲击性能，其抗冲击性能随掺量的增加而显著提高。

邓宗才等[16]的研究表明，玄武岩纤维掺量分别在1.7、2.1、2.8kg/m3时，混凝土的初裂冲击次数、破坏冲击次数和冲击韧性均有明显提高，玄武岩纤维掺量由1.7 提高到2.8 时，混凝土的抗弯冲击性能显著提升。