玄武岩纤维混凝土耐久性研究

姜晓刚 （安徽理工大学土木建筑学院，安徽 淮南 232001）

1 引言

混凝土在当代工程领域中被广泛应用于各种建筑物，例如大坝、桥梁、隧道等，然而普通混凝土本身存在着自重大、韧性差、抗拉压强度低、抗冲击性能差等缺点，限制了进一步发展。为了解决这一难点，国内外学者们做了大量试验，发现在普通混凝土中加入一定量的纤维，可以改善混凝土性能。目前国内外研究的纤维混凝土、合成纤维混凝土、矿石纤维混凝土等比较多，其中矿石纤维材料来源广泛，而且在生产加工过程中对环境无污染、无工业垃圾，所以在土木工程行业中备受关注。其中玄武岩纤维（BF）是矿石纤维的一种，是从玄武岩中通过加工生产出来，并且是现如今唯一无环境污染的绿色健康纤维产品，具有弹性模量高、断裂强度大、耐高温、抗冻性好、耐腐蚀以及加工方便等优点，再加上玄武岩纤维的密度与素混凝土相接近，在素混凝土中加入玄武岩纤维，两者之间能够更好地包裹在一起，有效地改善混凝土力学性能，延长混凝土使用寿命。随着混凝土技术不断改进，玄武岩纤维混凝土逐渐应用于工程中，例如武汉客运专线武汉试验段的部分无碴轨道纵联轨道板采用了玄武岩纤维混凝土。本文对前人研究玄武岩纤维混凝土（Basalt Fiber Reinforced Concrete,BFRC)在酸碱溶液腐蚀、高温处理、冻融循环作用下的文献进行归纳总结，并结合BFRC研究现状，提出一些今后玄武岩纤维混凝土研究建议，以便为今后的研究提供参考。

2 酸碱环境对玄武岩纤维混凝土影响

玄武岩纤维是一种可有效改善混凝土的耐腐蚀性能的无机材料，随着玄武岩纤维混凝土在工程的应用，国内学者开始对BFRC在盐渍土腐蚀条件下的力学性能和耐久性进行了研究。

姚文等通过对含有不同量的玄武岩纤维混凝土分别置于硫酸盐溶液和硫酸盐—氯盐复合溶液中进行浸泡腐蚀试验，研究发现玄武岩纤维混凝土在硫酸盐—氯盐复合溶液中抗侵蚀能力强于在硫酸盐溶液中的抗侵蚀能力，而且明显发现掺入玄武岩纤维可以大大提高混凝土在硫酸盐—氯盐溶液中的抗折性能，说明复合溶液中的氯盐可以缓解硫酸盐对混凝土的腐蚀。王振山等为了研究玄武岩纤维对混凝土在酸碱环境下的影响，将不同掺量的玄武岩纤维混凝土泡在浓度为5.0%硫酸镁溶液中，发现加入适量玄武岩纤维不仅可以提高混凝土承载及变形能力，还使混凝土内部孔隙减少，从而增加混凝土抗侵蚀能力。同时还观察玄武岩纤维混凝土在碱性环境下的腐蚀特征、微观离子分布，发现玄武岩纤维可以有效抑制混凝土裂缝产生和发展，提高了承载能力，同时在碱性溶液中，有效阻止Na+在混凝土内部的迁移，大大提高了混凝土抗腐蚀能力。也有不少人试验发现提高混凝土抗腐蚀能力的最优玄武岩纤维掺量，比如李畅等研究分析在氯盐作用下聚丙烯—玄武岩纤维混凝土气体扩散系数，发现纤维混凝土的抗渗气性能优于普通混凝土，聚丙烯—玄武岩纤维通过改善混凝土的抗渗性来增强混凝土的使用寿命。张兰芳等通过对不同掺量玄武岩纤维混凝土受硫酸盐侵蚀之后的抗压、抗拉强度腐蚀系数、抗渗性和孔结构进行了研究，结果表明，掺入适量的玄武岩纤维能够不同程度提高混凝土的抗硫酸盐侵蚀能力和抗渗性，当纤维掺量为0.3%，抗腐蚀能力与抗渗效果最佳。王荣等发现玄武岩纤维的确可以提高混凝土的抗压、抗折能力，但并不是玄武岩纤维掺量越多越好，通过试验得出最佳玄武岩纤维掺量为1.0%。

综合上述各位学者研究成果发现，玄武岩纤维有着耐酸耐碱腐蚀的特点，掺入适量的玄武岩纤维提高了混凝土抗腐蚀能力，当掺入纤维量达到最佳比例后，如果再掺入纤维，就会使纤维不能够被足够的浆体包裹住，从而降低了混凝土的密实度，并且混凝土内部容易出现微裂缝和气孔，这样使混凝土抗腐蚀效果大大降低。

3 高温环境对玄武岩纤维混凝土影响

火灾发生的高温环境对混凝土耐久性和力学性能具有显著影响，正是因为玄武岩纤维具有耐高温的特点，为此大量学者展开一系列试验研究温度作用下玄武岩纤维对混凝土的影响。

杨智硕等通过试验方式研究掺入0、2kg/m、4kg/m玄武岩纤维的超强混凝土在高温环境下的力学性能，结果表明，掺加纤维可以提高混凝土的耐高温性能，但不能从根本上改善混凝土的抗爆裂性能。赵燕茹等从高温作用后玄武岩纤维混凝土试件的外形特征、质量损失、抗折和抗压强度以及抗压峰值应变等力学性能几个方面进行研究，发现纤维混凝土试件外形特征由表面的无裂缝（200℃）→出现微裂缝（400℃）→裂缝增多，试件边角部位出现轻微爆裂（600℃）→表面裂缝进一步增多，试件表皮开始脱落（800℃）；在室温到400℃之间，玄武岩纤维混凝土的抗压强度有所增加而抗折强度快速下降。任伟波等研究了经过200℃、400℃、600℃和800℃高温处理后的玄武岩纤维混凝土动态力学性能，发现掺加玄武岩纤维可以提高混凝土的动压强度和冲击韧性，可以有效降低高温后混凝土的损伤劣化程度，当纤维体积掺量为0.2%时，混凝土相对强韧化效果最佳。刘俊良等采用超声波检测技术测量了不同纤维体积掺量的玄武岩纤维混凝土在高温下声学特性变化规律，分析各类声学参数指标与纤维混凝土内部损伤演化关系，进而判断出玄武岩纤维对混凝土受火损伤具有抑制效果。目前文献调研绝大部分学者只是从宏观上研究高温带给玄武岩纤维混凝土物理力学性能影响，但极少学者从微观孔隙结构特征、孔隙分布角度出发，比如薛维培等采用核磁共振和扫描电镜观察了在高温作用下掺入长、短玄武岩纤维混凝土的T谱分布、孔径分布、孔洞与裂隙发育变化情况，发现高温作用后的长、短玄武岩纤维混凝土微孔数量不断减小、介孔数量不断增加的趋势，其中长玄武岩纤维混凝土孔径在0.001μm～0.1μm范围内分布最大；但随着温度的增高，孔隙半径也随之增大，说明混凝土损伤进一步加剧。

由前面研究成果可以发现，当玄武岩纤维混凝土受温度和纤维掺量的共同作用时，其中温度是主要影响因素。温度在150℃～200℃时，混凝土内部自由水蒸发，C-H-S凝胶受热部分化合水脱去，使凝胶结构更加密实，达到平衡状态，使混凝土的强度小幅度增大，随着温度进一步升高，打破原先的平衡，最终混凝土结构遭到破坏。总而言之，玄武岩纤维能在有限的范围内可以提高混凝土的耐高温能力。

4 结语

玄武岩纤维混凝土在实际工程中不断地得到应用，成为未来发展的趋势是必然的。通过上文分析了酸碱、高温、冻融环境对玄武岩纤维混凝土的耐久性的影响，大量实验也证明了掺入适量玄武岩纤维在耐久性各个方面（抗酸碱腐蚀、耐高温性、抗冻性）都优于普通混凝土，但根据目前试验研究成果来看，针对单一环境影响因素研讨的比较多，而实际工程状况中，绝大部分受多个因素综合影响，因此，在今后研究工作中，应该考虑多个因素耦合作用下玄武岩纤维混凝土的耐久性，让试验更符合实际情况。