1.4　玄武岩纤维及BFRP应用

目前,对玄武岩纤维及制品的材料性能研究的趋势是,发展多种形式的玄武岩纤维、研究其材料性能并拓展其应用领域。由于对玄武岩纤维及其制品的研究开发及应用较晚,其许多性能的研究在国内外尚属空白,如防水性能和耐腐蚀性、绝热和生态安全性等[23,51]。另外,玄武岩连续性纤维编织物和无捻粗纱制成的土工织物(土工格栅和土工布等)的增强加固性能、建筑物隔热吸音性能和玄武岩纤维涂层织物性能等也有待进一步研究和利用[52]。

玄武岩纤维混凝土及其制作的构件,其物理力学性能的研究是较早开展的研究领域。玄武岩纤维混凝土(或砂浆)是指制备混凝土(或砂浆)时在其中掺加一定质量的短切玄武岩纤维[9,10,18,53-54]。掺加玄武岩纤维后的混凝土或砂浆,其物理力学性能将发生变化,总体上而言其强度等力学性能指标将提高[19,52-60]。玄武岩纤维混凝土及构件是近年来才出现的,之前对该纤维掺入混凝土后的构件性能变化研究很少;对玄武岩纤维混凝土及其构件力学性能的研究,目前主要是以试验的手段进行,理论分析很少有报导[54,61-64]。

玄武岩纤维混凝土的基本性能试验围绕玄武岩短切纤维的体积掺量、长径比等因素对混凝土抗压、劈拉和弯拉强度的影响等开展,试图通过试验寻求玄武岩短切纤维增强混凝土的最优体积掺量范围及最优长径比范围等[25,54,65]。关于玄武岩纤维混凝土的一个重要研究内容,是对其在冲击荷载作用下的增强、增韧效果的研究[42,66-69]。在冲击荷载作用下,玄武岩纤维混凝土中的纤维限制了混凝土内部微裂纹的产生和发展,对混凝土的冲击力学性能具有一定的改善效果;玄武岩纤维对混凝土的增强、增韧效果与碳纤维的效果相当。

由于成本和缠丝不分散的问题,用玄武岩纤维混凝土直接制备混凝土构件的研究和应用很少[25,61]。玄武岩纤维作为替代钢筋时的混凝土梁的力学性能,通过采用ANSYS软件进行非线性有限元分析发现,由于BFRP筋的高强度低弹性模量特性,致使玄武岩纤维筋混凝土梁的跨中挠度过大以及裂缝发展过快,BFRP筋混凝土梁配筋率对开裂弯矩影响不大[61]。目前,对掺加玄武岩纤维的混凝土制备及性能的研究,趋向于在玄武岩纤维混凝土中再掺加其他的增强材料(如硅粉),并将玄武岩纤维筋替代钢筋及碳纤维作为受拉材料制备梁等构件。另外,掺加玄武岩纤维还可使自密实混凝土早期收缩变形减小[70]。

在水利工程中,高速含砂水流对水工建筑物的冲刷、磨蚀以及空蚀等作用,是造成水工建筑物表面的磨蚀破坏及水电站运行病害的主要原因之一。因此,开展了玄武岩纤维混凝土的抗冲耐磨与表面补强的研究。大量的室内试验研究以及工程实际应用的结果表明,在混凝土中掺入8%左右的硅粉可使混凝土的强度提高1.3～2.3倍,抗冲磨强度提高1.3～3.5倍,抗空蚀强度提高1.6倍以上[24]。在混凝土中掺入部分硅粉不仅能提高混凝土的强度,而且能够显著地提高混凝土的抗冲耐磨能力和抗空蚀的能力,硅粉是目前国内水电工程中使用量较大的抗冲耐蚀材料[70]。在水工建筑物中,对冲磨蚀破坏的修复是建筑物加固工程中涉及面最广、修复频率最高的工作内容之一。由于环氧砂材料污染周边环境,收缩率较大,易发生开裂破坏等,严重制约了其在水工混凝土中的应用[71]。而通过对玄武岩纤维砂浆与聚丙烯高强砂浆的性能对比试验研究发现,该纤维高强砂浆的抗冲磨作用虽然没有聚丙烯高强砂浆显著,但相对于没有加纤维的高强砂浆,也有显著改善;而且聚丙烯纤维砂浆及玄武岩连续纤维砂浆具有良好的耐久性能,与未加纤维的高强砂浆相比,聚丙烯高强砂浆和玄武岩高强砂浆的重量损失率分别下降了40%和27%,抗压强度损失率分别下降45%和42%,抗折强度损失率分别下降49%和51%,1.5MPa下的渗水高度分别为2mm及2.5mm,说明加入聚丙烯纤维与玄武岩连续纤维均可以有效改善砂浆的耐久性能[24,72-73]。玄武岩纤维作为一种新型材料,其在水利工程的抗冲耐磨及表面补强方向相对其他纤维的优点体现为材料的无污染性,较好的承载能力与高抗冲击性能,加固补强性价比较高[3,30,74]。

BFRP加固对混凝土结构的性能研究结果表明,BFRP的优势主要体现为其性价比较好,以BFRP与CFRP两种纤维布加固短柱和梁,在承载力、延性和耗能能力方面相近[6,11,13,52,75-77],但由于具有低廉的价格和较好的综合力学性能,玄武岩纤维复合材料在混凝土结构加固领域有一定优势。在总结已有研究成果基础上,我国已颁布有关加固用BFRP材料的标准与规范[50,78]。