玄武岩纤维混凝土的特性及应用
武 迪, 邵式亮
(空军工程大学工程学院, 西安 710038)
摘 要: 介绍玄武岩纤维的发展及特点, 归纳、总结了玄武岩纤维混凝土(BFRC) 的主要特征。
对近年来玄武岩纤维在混凝土结构的抗冲击、加固补强、耐腐蚀性和动态能量耗散等方面的研究进行了阐述, 有助于玄武岩纤维混凝土在实际工程中的推广应用。
中图分类号: TU5281572 文献标志码: A 文章编号: 1003 - 8825 (2010) 02 - 0037 - 03
0 引言
玄武岩纤维是一种由火山喷发形成的玄武岩矿石经高温熔融、拉丝而成的无机纤维材料, 其外观为深褐色, 色泽与碳纤维相似。作为国内最近几年刚刚研发出的一种新型纤维材料, 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, 这使其成为一种良好的混凝土增强材料, 在建筑领域有着广阔的应用前景。
1 玄武岩纤维
111 发展概况
玄武岩纤维于1953 ～1954 年由前苏联莫斯科玻璃和塑料研究院开发。1985 年, 第一台工业化生产炉于乌克兰纤维实验室( TZI) 建成投产, 采用200孔漏板、组合炉拉丝工艺。在2002 年前, 前苏联诸
国每年大约有500 t连续玄武岩纤维产品, 主要用于军工行业。现今玄武岩纤维生产池窑已发展到年产700 t规模, 使用400 孔漏板拉丝技术[ 1 ]。俄罗斯与乌克兰在玄武岩纤维研究、生产及制品的开发上, 代表了世界的最高水平, 其生产的玄武岩纤维产品性能稳定, 且已开发出了上百个品种。美国对玄武岩纤维的研究虽然起步较晚, 但其生产池窖现已发展到1 000～1 500 t规模, 使用800 孔漏板拉丝技术。近几年来, 德国、日本等国也相继展开了这方面的研究
工作, 并取得了一系列新的应用研究成果。目前, 我国玄武岩纤维的研究开发、制备和应用尚处于较为初级的阶段, 但部分技术已经达到了国际先进水平, 且其应用领域也在不断拓展。
112 主要特点
玄武岩纤维与碳纤维、芳纶纤维等其它高科技纤维相比, 具有很多独特的优点。它具有很好的耐温性能, 可在- 269～700℃范围内连续工作; 有优良的化武 迪 , 等; 玄武岩纤维混凝土的特性及应用 ·37·学稳定性, 耐酸、耐碱、耐腐蚀性能好; 抗拉强度高, 弹性模量大, 耐磨性好。此外, 玄武岩纤维还具有绝缘性能好, 高温过滤性佳、抗辐射、良好的透波性能等特点。
表1为连续玄武岩纤维(CBF) 的一些主要技术指标。
表1 连续玄武岩纤维的主要技术指标表
性能指标数值
使用温度/℃ - 269～700
粘结温度/℃ 1050
导热系数/ (W·m - 1 ·°K- 1 )0103～01038
单丝直径/μm 7～15
密度/ ( kg·m - 3 ) 2650
弹性模量/GPa 93～110
拉伸强度/MPa4150～4800
2 玄武岩纤维混凝土的主要特性
玄武岩纤维增强混凝土(basalt fiber reinforcedconcrete, BFRC) 就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, 而形成的一种新型混凝土复合材料。在土木工程领域, 为了改善混凝土的脆性大、易开裂和耐腐蚀性能差等弊端, 利用玄武岩纤维的力学和功能性, 用混凝土作基体制成玄武岩纤维增强混凝土材料, 这充分体现了混凝土复合材料“性能与经济效应超叠加”的设计思想[ 2 ] 。将玄武岩纤维合理地掺入混凝土中, 可在保留混凝土抗压强度高等优点的同时, 大大增加其抗拉、耐磨和抗冲击等性能, 可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,因此, 新拌玄武岩纤维混凝土体积稳定, 且和易性较好。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, 还可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。另外, 由于生产玄武岩纤维的原料取自于天然的火山岩喷出岩, 且原料中几乎不含有对人类健康有害的成分, 在如今节约资源、绿色环保、以人为本的社会,玄武岩纤维混凝土在建筑工程领域的推广也具有重大而深远的意义。
211 承载能力高抗冲击性能好
混凝土最大的缺陷就是抗拉强度低, 容易收缩开裂, 在冲击荷载下极易遭到破坏, 破坏呈现出显著的脆性, 这严重影响了建筑结构特别是一些特殊混凝土工程的安全性和可靠性。利用玄武岩纤维的高模量、耐冲击和成本低的优势, 在混凝土中掺入短切玄武岩纤维, 可有效地降低混凝土的脆性, 提高其承载力,改善其抗裂性能和抗冲击能力。同时, 由于玄武岩纤维较细, 比表面积大, 单位体积内纤维根数多, 在混凝土内部易构成一种均匀的三维乱向分布的网络体系, 这一均匀的乱向网络体系也有助于提高混凝土受冲击时对于动能的吸收。试验表明[ 3 ] ,均匀分布的玄武岩纤维对于混凝土的冲击力学性能具有一定的改善效果, 通过对玄武岩纤维混凝土(BFRC) 和碳纤维混凝土(CFRC) 冲击力学性能的对比发现: 玄武岩纤维对混凝土的增强、增韧效果明显优于碳纤维, 当纤维的掺量为011 % (体积分数) 时, 玄武岩纤维的增强、增韧效果最佳。因此, 玄武岩纤维可用于机场跑道、高速公路等经常受到冲击荷载作用的混凝土工程中, 同时也可以在国防工程中发挥重要的作用。当然, 对于玄武岩纤维混凝土冲击力学性能, 目前研究的还相对较少, 其实际应用仍需要在理论研究和工程施工等方面作大量工作。
212 加固补强性价比高
目前在混凝土结构的加固中应用比较多的新型纤维增强材料是碳纤维增强塑料(CFRP) 和玻璃纤维增强塑料(GFRP) , 其中CFRP的强度和耐腐蚀性最为理想, 加固效果最好。碳纤维加固是近年来应用在
土木工程中的一种新型补强技术, 该技术能在不增加结构物荷重的前提下达到高效的加固目的, 但碳纤维的价格太高, 且我国碳纤维原丝基本上依赖进口, 技术又受到美、日等国的封锁。而GFRP虽有价格上的优势, 但其力学性能比碳纤维差, 且有些物理性能也不够理想, 从而影响了在实际工程中的应用。玄武岩纤维作为一种无机纤维材料, 有着较好的物理力学性能, 性价比高, 受力后与混凝土也具有良好的变形协调性, 可为混凝土结构的加固提供另一种新型的纤维增强材料。吴栋等的试验研究表明[ 4 ] ,对混凝土结构的加固, 连续玄武岩纤维片材具有与碳纤维相似的效果, 有着耐腐蚀、质量轻、施工方便等优点, 更具成本低、价格便宜等独特优势。所以, 玄武岩纤维可替代碳纤维应用于混凝土梁、板、柱、墙等结构的加固
补强和结构物的抗震加固中, 发展前景十分广阔。
213 耐腐蚀性和化学稳定性可靠
目前, 大量的混凝土设施包括堤坝、港口深水码头、跨海大桥、机场跑道等经常受到高湿度、酸、碱、盐类介质的作用, 暴露出化学稳定性差和钢筋锈蚀等一系列问题。玄武岩纤维中含有K2O, MgO,TiO2 等成分, 这对于提高纤维耐化学腐蚀及防水性能起到至关重要的作用。研究发现, 玄武岩纤维在碱性溶液中具有独特的化学稳定性, 耐酸性比ECR 玻璃纤维还要好, 具有明显的耐酸耐碱性; 另外, 该纤维
防水性能好, 属于一级防水材料。因此, 利用玄武岩纤维增强混凝土可以在提高混凝土耐腐蚀性的同时,较好地解决钢筋的锈蚀问题, 从而大大提高混凝土结构的可靠性和耐久性。同时, 造价与碳纤维相比却低很多, 优越性十分明显。
214 良好的动态能量耗散性能
柔性纤维混凝土复合材料是上世纪80 年代后期出现的一种新型材料, 它主要是由新的工艺与柔性增强纤维所构成, 使得混凝土的弹性增加, 并且能够承受较大的变形。柔性纤维混凝土有较高的承载能力和
良好的动力性能, 不仅使材料在高应力下表现高强度和高刚度的行为, 而且可以增大能量耗散, 改善其动力性能[ 5 ]。柔性玄武岩纤维由于具有多孔结构和排列方式的无规则性, 吸波性能好, 对动力波的传递有良好的衰减作用, 在水泥和混凝土中合理地掺入柔性玄
武岩纤维, 可使混凝土结构的能量耗散性能有较大程度的增长。所以, 柔性玄武岩纤维可以应用在建筑结构的减振、抗震、消能以及隔音降噪中; 同时, 这一性能的研究对于一些特殊的混凝土防护结构的抗爆、抗冲击能力也具有重要而深远的意义。
215 独特的耐高温性能
玄武岩纤维具有突出的耐高温性能, 其温度使用范围为: - 269 ～700℃ (软化点为960℃) , 而玻璃纤维为- 60～450 ℃。玄武岩纤维在400 ℃下工作时,其断裂强度能够保持85 %的原始强度; 在600℃下工作时, 其断裂强度仍能够保持80 %。而碳纤维的抗氧化性能则较差, 在300℃会有CO 和CO2 产生, 间位芳纶纤维的最高使用温度也只有250 ℃[ 6 ]。由此可见, 玄武岩纤维增强混凝土材料具有独特的耐高温性能, 可用于冶炼、发电等经常处于高温状态下的建筑
结构中。同时, CBF材料超低温使用性能也比较好,在长期处于低温( - 196 ℃) 液氮介质作用后, 玄武岩纤维的强度不会发生改变。因此, 玄武岩纤维具有很好的抗冻融循环能力, 在高原和北方寒冷地区的公路路面、机场道面和桥梁隧道等建筑设施中也具有良好的应用前景。
3 结语
综上所述, 玄武岩纤维作为一种新型的混凝土增强材料, 在土木工程领域的应用是一项新技术, 应用前景十分广阔。现阶段, 我国已开始了玄武岩纤维在建筑领域的应用研究, 也取得了不少研究成果, 但这毕竟只是处于起步阶段, 许多问题还亟待解决, 比如纤维含量与纤维混凝土抗压性能、抗冲击性能、抗冻融性能等的关系, 连续玄武岩纤维补强加固混凝土梁、板、柱的破坏机理和力学性能研究等。为了进一步使玄武岩纤维增强混凝土得以推广应用, 取得良好的经济和社会效益, 还需要抓住独特的优点, 对其进行深入系统的研究。相信, 玄武岩纤维增强材料将是21世纪土木工程领域主要的建筑材料之一。
