1.4　玄武巖纖維及BFRP應用

目前,對玄武巖纖維及制品的材料性能研究的趨勢是,發展多種形式的玄武巖纖維、研究其材料性能并拓展其應用領域。由于對玄武巖纖維及其制品的研究開發及應用較晚,其許多性能的研究在國內外尚屬空白,如防水性能和耐腐蝕性、絕熱和生態安全性等[23,51]。另外,玄武巖連續性纖維編織物和無捻粗紗制成的土工織物(土工格柵和土工布等)的增強加固性能、建筑物隔熱吸音性能和玄武巖纖維涂層織物性能等也有待進一步研究和利用[52]。

玄武巖纖維混凝土及其制作的構件,其物理力學性能的研究是較早開展的研究領域。玄武巖纖維混凝土(或砂漿)是指制備混凝土(或砂漿)時在其中摻加一定質量的短切玄武巖纖維[9,10,18,53-54]。摻加玄武巖纖維后的混凝土或砂漿,其物理力學性能將發生變化,總體上而言其強度等力學性能指標將提高[19,52-60]。玄武巖纖維混凝土及構件是近年來才出現的,之前對該纖維摻入混凝土后的構件性能變化研究很少;對玄武巖纖維混凝土及其構件力學性能的研究,目前主要是以試驗的手段進行,理論分析很少有報導[54,61-64]。

玄武巖纖維混凝土的基本性能試驗圍繞玄武巖短切纖維的體積摻量、長徑比等因素對混凝土抗壓、劈拉和彎拉強度的影響等開展,試圖通過試驗尋求玄武巖短切纖維增強混凝土的最優體積摻量范圍及最優長徑比范圍等[25,54,65]。關于玄武巖纖維混凝土的一個重要研究內容,是對其在沖擊荷載作用下的增強、增韌效果的研究[42,66-69]。在沖擊荷載作用下,玄武巖纖維混凝土中的纖維限制了混凝土內部微裂紋的產生和發展,對混凝土的沖擊力學性能具有一定的改善效果;玄武巖纖維對混凝土的增強、增韌效果與碳纖維的效果相當。

由于成本和纏絲不分散的問題,用玄武巖纖維混凝土直接制備混凝土構件的研究和應用很少[25,61]。玄武巖纖維作為替代鋼筋時的混凝土梁的力學性能,通過采用ANSYS軟件進行非線性有限元分析發現,由于BFRP筋的高強度低彈性模量特性,致使玄武巖纖維筋混凝土梁的跨中撓度過大以及裂縫發展過快,BFRP筋混凝土梁配筋率對開裂彎矩影響不大[61]。目前,對摻加玄武巖纖維的混凝土制備及性能的研究,趨向于在玄武巖纖維混凝土中再摻加其他的增強材料(如硅粉),并將玄武巖纖維筋替代鋼筋及碳纖維作為受拉材料制備梁等構件。另外,摻加玄武巖纖維還可使自密實混凝土早期收縮變形減小[70]。

在水利工程中,高速含砂水流對水工建筑物的沖刷、磨蝕以及空蝕等作用,是造成水工建筑物表面的磨蝕破壞及水電站運行病害的主要原因之一。因此,開展了玄武巖纖維混凝土的抗沖耐磨與表面補強的研究。大量的室內試驗研究以及工程實際應用的結果表明,在混凝土中摻入8%左右的硅粉可使混凝土的強度提高1.3～2.3倍,抗沖磨強度提高1.3～3.5倍,抗空蝕強度提高1.6倍以上[24]。在混凝土中摻入部分硅粉不僅能提高混凝土的強度,而且能夠顯著地提高混凝土的抗沖耐磨能力和抗空蝕的能力,硅粉是目前國內水電工程中使用量較大的抗沖耐蝕材料[70]。在水工建筑物中,對沖磨蝕破壞的修復是建筑物加固工程中涉及面最廣、修復頻率最高的工作內容之一。由于環氧砂材料污染周邊環境,收縮率較大,易發生開裂破壞等,嚴重制約了其在水工混凝土中的應用[71]。而通過對玄武巖纖維砂漿與聚丙烯高強砂漿的性能對比試驗研究發現,該纖維高強砂漿的抗沖磨作用雖然沒有聚丙烯高強砂漿顯著,但相對于沒有加纖維的高強砂漿,也有顯著改善;而且聚丙烯纖維砂漿及玄武巖連續纖維砂漿具有良好的耐久性能,與未加纖維的高強砂漿相比,聚丙烯高強砂漿和玄武巖高強砂漿的重量損失率分別下降了40%和27%,抗壓強度損失率分別下降45%和42%,抗折強度損失率分別下降49%和51%,1.5MPa下的滲水高度分別為2mm及2.5mm,說明加入聚丙烯纖維與玄武巖連續纖維均可以有效改善砂漿的耐久性能[24,72-73]。玄武巖纖維作為一種新型材料,其在水利工程的抗沖耐磨及表面補強方向相對其他纖維的優點體現為材料的無污染性,較好的承載能力與高抗沖擊性能,加固補強性價比較高[3,30,74]。

BFRP加固對混凝土結構的性能研究結果表明,BFRP的優勢主要體現為其性價比較好,以BFRP與CFRP兩種纖維布加固短柱和梁,在承載力、延性和耗能能力方面相近[6,11,13,52,75-77],但由于具有低廉的價格和較好的綜合力學性能,玄武巖纖維復合材料在混凝土結構加固領域有一定優勢。在總結已有研究成果基礎上,我國已頒布有關加固用BFRP材料的標準與規范[50,78]。