玄武巖纖維混凝土結(jié)構(gòu)試驗(yàn)研究綜述★

薛 鶴 王文銘 楊鵬輝 王 鈞

(東北林業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150040)

0 引言

隨著建筑業(yè)的快速發(fā)展，建筑用地需求與實(shí)際可用地之間的不平衡逐漸增大，高層、大跨度、特種混凝土建筑迅速普及，人們對(duì)處于寒區(qū)、沿海等環(huán)境復(fù)雜建筑物的耐久性需求也日益提高。因此，新型混凝土材料不斷被開發(fā)與使用，在增強(qiáng)混凝土強(qiáng)度、滿足結(jié)構(gòu)要求的同時(shí)，延長(zhǎng)建筑的使用壽命。

然而，由于混凝土存在脆性大、抗拉強(qiáng)度低、易收縮、開裂等缺陷，會(huì)導(dǎo)致混凝土在實(shí)際工程中使用壽命降低。為提高混凝土抗拉能力，學(xué)者嘗試多種途徑，其中有研究表明，將鋼纖維、聚丙烯纖維、玄武巖纖維等摻入到混凝土中形成纖維混凝土，可有效改善混凝土抗裂能力，增強(qiáng)混凝土延性，減少裂縫的出現(xiàn)，降低裂縫的數(shù)量與寬度，從而提高混凝土的耐久性能[1]。

同時(shí)，鑒于玄武巖纖維力學(xué)性能良好，可提高混凝土抗裂、抗拉、抗壓、抗沖擊等性能，且成分、密度與混凝土相似，玄武巖纖維混凝土和易性比其他纖維混凝土較好[2]，促使玄武巖纖維在眾多纖維中脫穎而出。

玄武巖纖維是一種無(wú)環(huán)境污染的綠色健康纖維產(chǎn)品，可響應(yīng)國(guó)家綠色、協(xié)調(diào)的發(fā)展理念，減少因新材料使用對(duì)自然環(huán)境產(chǎn)生的危害，更有利于建設(shè)可持續(xù)性發(fā)展的社會(huì)。

因此，玄武巖纖維近年來(lái)逐漸引起人們的重視，在工程結(jié)構(gòu)中的推廣也具有重要意義。為探討玄武巖纖維混凝土構(gòu)件在不同試驗(yàn)中對(duì)結(jié)構(gòu)受力性能的影響，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)玄武巖纖維混凝土做了大量的研究[1-4]。

1 玄武巖纖維混凝土應(yīng)用

將適量的短切玄武巖纖維均勻摻加到混凝土中形成的玄武巖纖維混凝土(Basalt Fiber Reinforced Concrete,BFRC)，在工程中可具有廣泛的應(yīng)用范圍。

研究表明：玄武巖纖維自身化學(xué)性能穩(wěn)定、耐腐蝕性強(qiáng)，使玄武巖纖維混凝土在長(zhǎng)期處于高濕度、酸、堿、鹽類等介質(zhì)復(fù)雜的環(huán)境中，仍可保持自身穩(wěn)定性，延緩裂縫的發(fā)展，降低鋼筋銹蝕的程度，可應(yīng)用于堤壩、港口深水碼頭、跨海大橋等工程建筑中。

玄武巖纖維具有良好的防水性、抗?jié)B性、抗凍性，可適用于高原、寒區(qū)的橋面混凝土現(xiàn)澆層、高速公路路面、機(jī)場(chǎng)跑道等道路工程和水庫(kù)壩面、水處理廠水池等對(duì)混凝土的防滲、抗裂要求較高的工程中[5，6]。

同時(shí)，玄武巖纖維的適用溫度范圍廣，其優(yōu)異的耐高溫性可在核能發(fā)電場(chǎng)、金屬冶煉場(chǎng)、水電站等常處于高溫狀態(tài)下的特種混凝土工程中發(fā)揮優(yōu)異的使用價(jià)值，保證建筑的安全性，減少建筑物在應(yīng)用過(guò)程中的維修頻率，降低長(zhǎng)期使用后混凝土重建的概率[7，8]。

玄武巖纖維混凝土可適應(yīng)多種環(huán)境耦合的復(fù)雜惡劣工作環(huán)境，并涉及不同的工程應(yīng)用領(lǐng)域。因此，基于分析不同受力狀態(tài)下玄武巖纖維混凝土理論研究與試驗(yàn)結(jié)果，拓展更多玄武巖纖維混凝土構(gòu)件的研究方向，可成為玄武巖纖維混凝土在結(jié)構(gòu)工程中實(shí)踐的基礎(chǔ)。

2 玄武巖纖維混凝土梁研究

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)玄武巖纖維混凝土水平構(gòu)件的研究，主要以玄武巖纖維影響梁受彎性能為主。相關(guān)研究結(jié)果顯示，在研究玄武巖纖維對(duì)混凝土梁正截面承載力等性能影響的試驗(yàn)時(shí)，常以玄武巖纖維的體積摻量、長(zhǎng)度為變量，同時(shí)賦予試件不同的混凝土強(qiáng)度等級(jí)與混凝土種類等常量參數(shù)，分析玄武巖纖維混凝土梁受力性能的改善情況，并確定其最佳參數(shù)。

譚智芳[9]以玄武巖纖維長(zhǎng)度為15 mm，25 mm，體積摻量為0，0.2%，0.4%，0.6%為變量，對(duì)14根C30的BFRC梁進(jìn)行了抗彎性能研究。研究結(jié)果表明：隨著玄武巖纖維體積摻量的增大，梁開裂彎矩增大幅度較為明顯。當(dāng)玄武巖纖維長(zhǎng)度為25 mm、體積摻量為0.6%時(shí)，較基礎(chǔ)對(duì)照組，梁開裂彎矩提高最大，可增幅18%。此外，梁的變形和最大裂縫寬度在整體上均有降低趨勢(shì)，梁撓度降低幅度集中在10%～20%之間，最高達(dá)25%。

隨著纖維長(zhǎng)度的增大，梁在受力過(guò)程中的撓度變形逐漸減弱，變形減少幅度最大為16%，同時(shí)，其正截面承載力、開裂彎矩值均有一定幅度的提高。摻有體積摻量0.4%、長(zhǎng)度25 mm玄武巖纖維的試驗(yàn)梁較摻量不變、長(zhǎng)度為15 mm的構(gòu)件，在受力時(shí)開裂彎矩有提升，最大可提高15%。

葉煥軍[10]以玄武巖纖維長(zhǎng)度和體積摻量為主要變量，通過(guò)5根C40 玄武巖纖維混凝土梁的受彎性能試驗(yàn)進(jìn)行研究。其結(jié)果顯示：玄武巖纖維的摻入，一定程度上改善梁的開裂狀況，延緩混凝土內(nèi)部微裂縫的開展，減小裂縫的最大寬度。同時(shí)，隨著玄武巖纖維體積摻量的增大、長(zhǎng)徑比的增加，玄武巖纖維混凝土梁的極限承載力有所提高。

匡景瑞[11]對(duì)8根不同纖維體積摻量的C40自密實(shí)混凝土梁進(jìn)行抗彎性能研究。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示：纖維的摻入對(duì)于試驗(yàn)梁正截面極限承載力提高幅度不大，對(duì)梁的抗彎剛度有一定程度的提高，當(dāng)玄武巖纖維摻量0.3%時(shí)，裂縫寬度的降低效果達(dá)到最優(yōu)的同時(shí)，試驗(yàn)梁抗彎剛度提高幅度最大，達(dá)18.4%。

通過(guò)分析不同玄武巖纖維混凝土梁的試驗(yàn)結(jié)果，纖維與混凝土的結(jié)合可整體提高抗拉能力，推遲梁在受彎過(guò)程中初始裂縫的形成，延緩裂縫的擴(kuò)展速度，進(jìn)而縮小混凝土裂縫的最大寬度，并降低梁達(dá)到極限承載力時(shí)的整體變形幅度。

纖維的體積摻量與長(zhǎng)度均會(huì)一定程度地影響梁承載力、裂縫寬度及變形能力，且不同試驗(yàn)得出的參數(shù)影響梁受力性能的趨勢(shì)大致相同。然而，由于不同試驗(yàn)選用的混凝土強(qiáng)度等級(jí)及種類與纖維的選取等常量參數(shù)存在差異，使玄武巖纖維體積摻量或長(zhǎng)度等變量對(duì)研究對(duì)象性能的影響有所差異，影響的幅度也有所波動(dòng)。

3 玄武巖纖維混凝土柱研究

現(xiàn)階段，針對(duì)玄武巖纖維混凝土柱受壓試驗(yàn)的研究相對(duì)較少，可根據(jù)柱長(zhǎng)細(xì)比的劃分，分為玄武巖纖維混凝土短柱、長(zhǎng)柱受力性能試驗(yàn)。前者以侯敏、王新忠、夏海濤的短柱軸心受壓試驗(yàn)為主，且研究對(duì)象的混凝土分別為玄武巖纖維再生混凝土、普通混凝土及高強(qiáng)混凝土；后者以王新忠對(duì)玄武巖纖維混凝土長(zhǎng)柱偏心受壓的試驗(yàn)研究為代表。

3.1 短柱

侯敏等[12]探討以再生骨料取代率、柱截面形式及纖維體積質(zhì)量分?jǐn)?shù)為變量，玄武巖纖維對(duì)再生混凝土短柱軸壓力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明，玄武巖纖維再生混凝土可有效提升再生混凝土短柱的力學(xué)性能，并且增強(qiáng)效果要優(yōu)于普通混凝土。當(dāng)再生骨料取代率100%、圓形截面的條件下，摻有4 kg/m3玄武巖纖維增強(qiáng)再生混凝土短柱，較零摻量再生混凝土短柱的軸心受壓承載力可最大提高96%。

王新忠等[13]研究了纖維體積摻量1.5%時(shí)短柱軸心受壓性能與纖維長(zhǎng)度12 mm，24 mm因素之間的關(guān)系，得到當(dāng)纖維長(zhǎng)度12 mm時(shí)，玄武巖纖維混凝土短柱的延性有所提高，且軸心受壓極限承載能力最大可提升28%。

夏海濤等[14]對(duì)不同玄武巖纖維摻量的素混凝土短柱進(jìn)行軸心受壓試驗(yàn)，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表明，玄武巖纖維髙強(qiáng)混凝土柱的抗裂、抗壓能力隨玄武巖纖維體積摻量的增大而增強(qiáng)，當(dāng)玄武巖纖維體積摻量1.5%時(shí)，抗壓強(qiáng)度可增強(qiáng)11.43%。

3.2 長(zhǎng)柱

王新忠[15]以12 mm，24 mm的玄武巖纖維長(zhǎng)度和20 mm，60 mm的偏心距為變量，研究纖維體積摻量1.5%時(shí)不同變量對(duì)長(zhǎng)柱偏心受壓性能的影響，試驗(yàn)數(shù)據(jù)綜合顯示，摻加玄武巖纖維的鋼筋混凝土長(zhǎng)柱偏心受壓極限承載力有明顯提高，當(dāng)摻入玄武巖纖維的長(zhǎng)度4 mm時(shí)，小偏心、大偏心受壓試驗(yàn)的極限承載力最大可分別提高13%，41%。

在研究玄武巖纖維不同混凝土柱軸心、偏心受壓狀態(tài)下的試驗(yàn)中，玄武巖纖維長(zhǎng)度、體積摻量幾乎均作為主要變量，去研討玄武巖纖維對(duì)混凝土柱受力性能的影響。在實(shí)際應(yīng)用中，建筑結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)柱往往處于偏心受壓的受力狀態(tài)。然而，針對(duì)柱受力性能試驗(yàn)中，玄武巖纖維混凝土長(zhǎng)柱的受壓試驗(yàn)與分析相對(duì)較少。因此，為豐富柱相關(guān)試驗(yàn)成果，為玄武巖纖維混凝土柱的實(shí)際應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)，研究玄武巖纖維混凝土長(zhǎng)柱偏心、軸心受壓的試驗(yàn)是很有必要的。

4 結(jié)論與展望

目前國(guó)內(nèi)對(duì)玄武巖纖維混凝土在實(shí)際工程中的應(yīng)用還處于起步階段，尚有問(wèn)題需要研究與探索，缺少大量試驗(yàn)成果的支撐。因此，有關(guān)玄武巖纖維混凝土構(gòu)件的試驗(yàn)尚應(yīng)進(jìn)一步拓展。

可將玄武巖纖維與高性能混凝土相結(jié)合，通過(guò)改變高性能混凝土強(qiáng)度等級(jí)、纖維摻量、長(zhǎng)度、構(gòu)件尺度大小等因素，從相同參數(shù)角度對(duì)不同結(jié)構(gòu)構(gòu)件受力影響的不同進(jìn)行理論分析與試驗(yàn)研究。

1)以玄武巖纖維體積摻量、長(zhǎng)度、柱長(zhǎng)細(xì)比、偏心距為變量，研究玄武巖纖維改性高強(qiáng)自密實(shí)混凝土柱受壓性能影響的試驗(yàn)與有限元分析。

2)研究玄武巖纖維體積摻量、長(zhǎng)度、混凝土強(qiáng)度等級(jí)等因素，影響玄武巖纖維改性自密實(shí)混凝土板除抗爆性外受力性能的作用，并確定最佳參數(shù)組合。

通過(guò)更廣泛有創(chuàng)新性的玄武巖纖維混凝土構(gòu)件理論與實(shí)踐研究，為玄武巖纖維混凝土的應(yīng)用實(shí)踐提供有力的參考依據(jù)，從而快速推動(dòng)玄武巖纖維混凝土在不同工程領(lǐng)域的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王海良,鐘耀海,楊新磊.玄武巖纖維混凝土研究進(jìn)展與建議[J].工業(yè)建筑,2013,43(S1):639-643.

[2] 高 磊,胡國(guó)輝,徐 楠,等.玄武巖纖維工程性質(zhì)研究進(jìn)展[J].地下空間與工程學(xué)報(bào),2014,10(S2):1749-1754.

[3] Tabatabaei Z S, Volz J S, Gliha B P, et al. Development of long carbon fiber-reinforced concrete for dynamic strengthening [J].Journal of Materials in Civil Engineering,2014,25(10):1446-1455.

[4] Zelinka S L, Rammer D R. Environmental degradation of fiber-reinforced polymer fasteners in wood [J].Journal of Materials in Civil Engineering,2014,25(5):627-631.

[5] 武 迪,邵式亮.玄武巖纖維混凝土的特性及應(yīng)用[J].路基工程,2010(2):37-39.

[6] 盧 睿,朱大勇,詹炳根.玄武巖纖維自密實(shí)混凝土流變性能研究[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2015,38(9):1249-1253.

[7] Yang, Zhishuo， Zhang, Yezhi. Test and simulation of basalt fiber steel tubes concrete[J].Metallurgical and Mining Industry,2015,12(7):242-247.

[8] Xinzhong Wang， Chuanxi Li， Wei Zhou. Experimental study on the ultimate bearing capacity of long basalt fiber-reinforced concrete (BFRC)-filled steel tube columns under axial compression[J].Journal of Engineering Science and Technology Review，2016,5(9):158-163.

[9] 譚智芳.玄武巖纖維增韌鋼筋混凝土梁受彎性能試驗(yàn)研究[D].大連：大連理工大學(xué),2009.

[10] 葉煥軍.玄武巖纖維混凝土梁受彎性能研究[D].哈爾濱：東北林業(yè)大學(xué),2011.

[11] 匡景瑞.玄武巖纖維自密實(shí)混凝土梁的抗彎性能試驗(yàn)研究[D].錦州：遼寧工業(yè)大學(xué),2014.

[12] 侯 敏,董江峰,袁書成,等.玄武巖纖維再生混凝土及其軸壓短柱力學(xué)性能分析[J].華北水利水電學(xué)院學(xué)報(bào)，2013，34(1):41-45.

[13] 王新忠,李傳習(xí).玄武巖纖維混凝土長(zhǎng)柱偏心受壓承載能力試驗(yàn)研究田[J].硅酸鹽通報(bào),2016,35(10):3242-3246.

[14] 夏海濤.高鐵特大橋施工組織設(shè)計(jì)與纖維高強(qiáng)混凝土柱的性能研究[D].淮南：安徽理工大學(xué),2017.

[15] 王新忠,李傳習(xí),周 維.鋼筋玄武巖纖維混凝土短柱軸心受壓承載能力試驗(yàn)研究[J].硅酸鹽通報(bào),2017,36(3):809-815.