玄武巖纖維混凝土耐久性研究

姜曉剛 （安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001）

1 引言

混凝土在當(dāng)代工程領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用于各種建筑物，例如大壩、橋梁、隧道等，然而普通混凝土本身存在著自重大、韌性差、抗拉壓強度低、抗沖擊性能差等缺點，限制了進(jìn)一步發(fā)展。為了解決這一難點，國內(nèi)外學(xué)者們做了大量試驗，發(fā)現(xiàn)在普通混凝土中加入一定量的纖維，可以改善混凝土性能。目前國內(nèi)外研究的纖維混凝土、合成纖維混凝土、礦石纖維混凝土等比較多，其中礦石纖維材料來源廣泛，而且在生產(chǎn)加工過程中對環(huán)境無污染、無工業(yè)垃圾，所以在土木工程行業(yè)中備受關(guān)注。其中玄武巖纖維（BF）是礦石纖維的一種，是從玄武巖中通過加工生產(chǎn)出來，并且是現(xiàn)如今唯一無環(huán)境污染的綠色健康纖維產(chǎn)品，具有彈性模量高、斷裂強度大、耐高溫、抗凍性好、耐腐蝕以及加工方便等優(yōu)點，再加上玄武巖纖維的密度與素混凝土相接近，在素混凝土中加入玄武巖纖維，兩者之間能夠更好地包裹在一起，有效地改善混凝土力學(xué)性能，延長混凝土使用壽命。隨著混凝土技術(shù)不斷改進(jìn)，玄武巖纖維混凝土逐漸應(yīng)用于工程中，例如武漢客運專線武漢試驗段的部分無碴軌道縱聯(lián)軌道板采用了玄武巖纖維混凝土。本文對前人研究玄武巖纖維混凝土（Basalt Fiber Reinforced Concrete,BFRC)在酸堿溶液腐蝕、高溫處理、凍融循環(huán)作用下的文獻(xiàn)進(jìn)行歸納總結(jié)，并結(jié)合BFRC研究現(xiàn)狀，提出一些今后玄武巖纖維混凝土研究建議，以便為今后的研究提供參考。

2 酸堿環(huán)境對玄武巖纖維混凝土影響

玄武巖纖維是一種可有效改善混凝土的耐腐蝕性能的無機材料，隨著玄武巖纖維混凝土在工程的應(yīng)用，國內(nèi)學(xué)者開始對BFRC在鹽漬土腐蝕條件下的力學(xué)性能和耐久性進(jìn)行了研究。

姚文等通過對含有不同量的玄武巖纖維混凝土分別置于硫酸鹽溶液和硫酸鹽—氯鹽復(fù)合溶液中進(jìn)行浸泡腐蝕試驗，研究發(fā)現(xiàn)玄武巖纖維混凝土在硫酸鹽—氯鹽復(fù)合溶液中抗侵蝕能力強于在硫酸鹽溶液中的抗侵蝕能力，而且明顯發(fā)現(xiàn)摻入玄武巖纖維可以大大提高混凝土在硫酸鹽—氯鹽溶液中的抗折性能，說明復(fù)合溶液中的氯鹽可以緩解硫酸鹽對混凝土的腐蝕。王振山等為了研究玄武巖纖維對混凝土在酸堿環(huán)境下的影響，將不同摻量的玄武巖纖維混凝土泡在濃度為5.0%硫酸鎂溶液中，發(fā)現(xiàn)加入適量玄武巖纖維不僅可以提高混凝土承載及變形能力，還使混凝土內(nèi)部孔隙減少，從而增加混凝土抗侵蝕能力。同時還觀察玄武巖纖維混凝土在堿性環(huán)境下的腐蝕特征、微觀離子分布，發(fā)現(xiàn)玄武巖纖維可以有效抑制混凝土裂縫產(chǎn)生和發(fā)展，提高了承載能力，同時在堿性溶液中，有效阻止Na+在混凝土內(nèi)部的遷移，大大提高了混凝土抗腐蝕能力。也有不少人試驗發(fā)現(xiàn)提高混凝土抗腐蝕能力的最優(yōu)玄武巖纖維摻量，比如李暢等研究分析在氯鹽作用下聚丙烯—玄武巖纖維混凝土氣體擴散系數(shù)，發(fā)現(xiàn)纖維混凝土的抗?jié)B氣性能優(yōu)于普通混凝土，聚丙烯—玄武巖纖維通過改善混凝土的抗?jié)B性來增強混凝土的使用壽命。張?zhí)m芳等通過對不同摻量玄武巖纖維混凝土受硫酸鹽侵蝕之后的抗壓、抗拉強度腐蝕系數(shù)、抗?jié)B性和孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，摻入適量的玄武巖纖維能夠不同程度提高混凝土的抗硫酸鹽侵蝕能力和抗?jié)B性，當(dāng)纖維摻量為0.3%，抗腐蝕能力與抗?jié)B效果最佳。王榮等發(fā)現(xiàn)玄武巖纖維的確可以提高混凝土的抗壓、抗折能力，但并不是玄武巖纖維摻量越多越好，通過試驗得出最佳玄武巖纖維摻量為1.0%。

綜合上述各位學(xué)者研究成果發(fā)現(xiàn)，玄武巖纖維有著耐酸耐堿腐蝕的特點，摻入適量的玄武巖纖維提高了混凝土抗腐蝕能力，當(dāng)摻入纖維量達(dá)到最佳比例后，如果再摻入纖維，就會使纖維不能夠被足夠的漿體包裹住，從而降低了混凝土的密實度，并且混凝土內(nèi)部容易出現(xiàn)微裂縫和氣孔，這樣使混凝土抗腐蝕效果大大降低。

3 高溫環(huán)境對玄武巖纖維混凝土影響

火災(zāi)發(fā)生的高溫環(huán)境對混凝土耐久性和力學(xué)性能具有顯著影響，正是因為玄武巖纖維具有耐高溫的特點，為此大量學(xué)者展開一系列試驗研究溫度作用下玄武巖纖維對混凝土的影響。

楊智碩等通過試驗方式研究摻入0、2kg/m、4kg/m玄武巖纖維的超強混凝土在高溫環(huán)境下的力學(xué)性能，結(jié)果表明，摻加纖維可以提高混凝土的耐高溫性能，但不能從根本上改善混凝土的抗爆裂性能。趙燕茹等從高溫作用后玄武巖纖維混凝土試件的外形特征、質(zhì)量損失、抗折和抗壓強度以及抗壓峰值應(yīng)變等力學(xué)性能幾個方面進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)纖維混凝土試件外形特征由表面的無裂縫（200℃）→出現(xiàn)微裂縫（400℃）→裂縫增多，試件邊角部位出現(xiàn)輕微爆裂（600℃）→表面裂縫進(jìn)一步增多，試件表皮開始脫落（800℃）；在室溫到400℃之間，玄武巖纖維混凝土的抗壓強度有所增加而抗折強度快速下降。任偉波等研究了經(jīng)過200℃、400℃、600℃和800℃高溫處理后的玄武巖纖維混凝土動態(tài)力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)摻加玄武巖纖維可以提高混凝土的動壓強度和沖擊韌性，可以有效降低高溫后混凝土的損傷劣化程度，當(dāng)纖維體積摻量為0.2%時，混凝土相對強韌化效果最佳。劉俊良等采用超聲波檢測技術(shù)測量了不同纖維體積摻量的玄武巖纖維混凝土在高溫下聲學(xué)特性變化規(guī)律，分析各類聲學(xué)參數(shù)指標(biāo)與纖維混凝土內(nèi)部損傷演化關(guān)系，進(jìn)而判斷出玄武巖纖維對混凝土受火損傷具有抑制效果。目前文獻(xiàn)調(diào)研絕大部分學(xué)者只是從宏觀上研究高溫帶給玄武巖纖維混凝土物理力學(xué)性能影響，但極少學(xué)者從微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征、孔隙分布角度出發(fā)，比如薛維培等采用核磁共振和掃描電鏡觀察了在高溫作用下?lián)饺腴L、短玄武巖纖維混凝土的T譜分布、孔徑分布、孔洞與裂隙發(fā)育變化情況，發(fā)現(xiàn)高溫作用后的長、短玄武巖纖維混凝土微孔數(shù)量不斷減小、介孔數(shù)量不斷增加的趨勢，其中長玄武巖纖維混凝土孔徑在0.001μm～0.1μm范圍內(nèi)分布最大；但隨著溫度的增高，孔隙半徑也隨之增大，說明混凝土損傷進(jìn)一步加劇。

由前面研究成果可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)玄武巖纖維混凝土受溫度和纖維摻量的共同作用時，其中溫度是主要影響因素。溫度在150℃～200℃時，混凝土內(nèi)部自由水蒸發(fā)，C-H-S凝膠受熱部分化合水脫去，使凝膠結(jié)構(gòu)更加密實，達(dá)到平衡狀態(tài)，使混凝土的強度小幅度增大，隨著溫度進(jìn)一步升高，打破原先的平衡，最終混凝土結(jié)構(gòu)遭到破壞?？偠灾?，玄武巖纖維能在有限的范圍內(nèi)可以提高混凝土的耐高溫能力。

4 結(jié)語

玄武巖纖維混凝土在實際工程中不斷地得到應(yīng)用，成為未來發(fā)展的趨勢是必然的。通過上文分析了酸堿、高溫、凍融環(huán)境對玄武巖纖維混凝土的耐久性的影響，大量實驗也證明了摻入適量玄武巖纖維在耐久性各個方面（抗酸堿腐蝕、耐高溫性、抗凍性）都優(yōu)于普通混凝土，但根據(jù)目前試驗研究成果來看，針對單一環(huán)境影響因素研討的比較多，而實際工程狀況中，絕大部分受多個因素綜合影響，因此，在今后研究工作中，應(yīng)該考慮多個因素耦合作用下玄武巖纖維混凝土的耐久性，讓試驗更符合實際情況。