浅析玄武岩纤维在土木工程领域的研究与作用
摘要：介绍了玄武岩纤维(BFRP)的特点、研究现状及其在土木工程领域的应用，并对玄武岩纤维今后的研究和生产提出了建议。
关键词：玄武岩纤维;BFRP;土木工程;结构加固
混凝土结构在地震、爆炸、撞击等偶然作用下常常会产生损伤，对受损后结构加固的研究在国内外二工 程界已广泛展开，并且取得了较多的研究成果，而其中对纤维复合材料(FRP)增强混凝土性能的研究较为充分。在现有的FRP中，研究较多的是对碳纤维(CFRP)约束混凝土性能的研究]。
随着复合材料技术的发展，玄武岩纤维逐渐受到人们的关注，它以其强度高、天然无污染、性能稳定、成本低廉等特点被认为是碳纤维的低价替代品。它的这些特点也为其在土木工程领域其他方面的应用(如增强、隔热、防火、抗渗等)奠定了基础。
1、玄武岩纤维的特点
玄武岩纤维作为一种新型纤维，其以天然玄武岩矿石为原料，是经高温熔化并拉制而成的连续纤维，与其他种类的纤维相比，有其独特的特点。研究资料 表明，玄武岩纤维具有强度高、耐高温、耐腐蚀性强、化学稳定性好等特点。文献[6]通过力学性能试验研究发现，玄武岩纤维具有较高的强度和弹性模量，与其他纤维相比，其断后延伸率较高且湿热老化环境对玄武岩纤维的基本力学性能影响相对较小，这就使得玄武岩纤维具备『在土木工程领域广泛应用的条件。
2、玄武岩纤维的研究与生产
2.1 政府部门的支持2002年连续玄武岩纤维(CBF)被列为863计划开发项目。2007年在《化纤工业发展战略研究报告—— 高新技术纤维分报告》中，已经明确将连续玄武岩纤维与碳纤维、芳纶、超高分子量聚乙烯纤维一并列为我国中长期重点发展的四大高新技术纤维。近年来还依托国内技术基础较好的企业，重点实施了年产2 000 t高端连续玄武岩纤维项目，可见政府部门对玄武岩纤维发展的支持。
2.2 玄武岩纤维的生产863计划该课题的研究成果表明，我国拥有完全自主知识产权的低成本大规模发展玄武岩纤维的新技术、新装置和新工艺。从的发展水平看，玄武岩纤维的技术及规模尚处于初级阶段，生产能力普遍较低，当前国外玄武岩纤维的产量在3 000 t/年，我国5家生产厂产量在2 000 t/年，其中横店集团上海俄金玄武岩纤维有限公司具有当今全先进的玄武岩生产水平。除此以外目前国内的多家企业还可以生产具有不同使用功能的玄武岩纤维制品：玄武岩纤维片材、无捻粗砂、短切纤维、玄武岩纤维复合筋、玄武岩纤维单向布、玄武岩纤维土工格栅、玄武岩纤维防火布等。
2.3 规范的制定_7j由浙江石金玄武岩纤维有限公司牵头制订的《水泥混凝土和砂浆用短切玄武岩纤维》(GB/ T23265—2009)技术标准，是我国乃至个有关玄武岩纤维的级技术标准，已于2009年11月5日全面实施。另外两个标准《玄武岩纤维无捻粗砂》和《公路工程玄武岩纤维制品》也即将完成并实施。这些标准的制定及实施将为玄武岩纤维的生产和应用提供依据。
3、玄武岩纤维在土木工程领域的研究现状
我国对玄武岩纤维的研究起步较晚，大规模研究主要集中于近三年，现有的研究成果主要集中在试验方面。
3.1 关于玄武岩纤维材性的试验研究张敏[8 等对连续玄武岩纤维增强复合材料进行了力学性能试验研究，并讨论了各种参数对其力学性能的影响，还把CBF片材与其他纤维复合材料片材的力学性能进行了对比，结果表明，CBF片材的抗拉强度接近于芳纶纤维，而弹性模量和断后收缩率优于芳纶纤维。
杨勇新l6 等进行了玄武岩纤维布的耐久性试验，试验研究了玄武岩纤维布在湿热老化环境中的抗拉强度、延伸率、弹性模量随时间的变化，结果表明，玄武岩纤维布抗湿热老化的稳定性较好。
宋鹏飞 等研究了玄武岩纤维强度，通过对玄武岩纤维强度数据的统计分析，发现其符合三参数威布尔分布，统计中玄武岩纤维we.buII模数m小于玻璃纤维，说明玄武岩纤维的均匀性不及玻璃纤维，强度的分散性比玻璃纤维大，同时说明我国的玄武岩纤维生产工艺不成熟，存在质量不稳定的问题。
目前来看，关于玄武岩纤维材性的试验研究较为充分，而且现有研究结果均表明其具有强度高、塑性好、性能稳定的优点。
3.2 关于玄武岩纤维应用方面的研究玄武岩纤维在土木工程领域的应用主要体现在以下几方面。
(1)纤维增强混凝土方面的研究。李为民等研究了短切玄武岩纤维对混凝土的增强和增韧效应，给出了不同体积掺量的玄武岩纤维混凝土的应力一应变曲线，并且通过试验得出了不同纤维体积掺量的玄武岩纤维混凝土的冲击韧性随平均应变率的变化曲线，从而得出结论：在一定体积掺量情况下玄武岩纤维的增韧效果优于碳纤维，并且确定了佳体积掺量。
与此同时沈刘军 等也开展了玄武岩纤维增强混凝土静、动力性能试验，根据对冲击压缩试验结果的分析，得出不同体积掺量的玄武岩纤维混凝土在冲击荷载作用下的应力一应变曲线，通过曲线发现体积掺量不同，应力～应变曲线包围的面积不同，从而体现了体积掺量对韧性增强的影响，进而确定了佳体积掺量。
(2)结构加固方面的研究。主要体现在玄武岩纤维加固混凝土柱的试验研究方面，理论研究相对较少。吴刚等进行了玄武岩纤维与碳纤维加固混凝土矩形柱抗震性能比较研究，通过试验研究发现，BFRP加固可以转变试件的破坏形态，增强加固试件的抗震性能。
童谷生。 等也进行了玄武岩纤维布约束混凝土方柱的试验研究，试验不仅得出了玄武岩纤维布约束混凝土方柱的应力一应变曲线，同时还研究了几何尺寸对玄武岩纤维布约束混凝土方柱的极限抗压强度的影响，并且给出了强度模型。
邹鹏程 等进行了玄武岩纤维布约束钢筋混凝土圆柱的轴心受压试验，并且根据试验数据作出了玄武岩纤维布约束钢筋混凝土柱的应力一应变曲线。
孙朋永 等利用有限元对玄武岩纤维筋混凝土梁进行了分析，并给出了BFRP筋混凝土梁的计算模型。
现有研究都明确指向了玄武岩纤维的一个优点：韧性好。但是目前关于玄武岩纤维应用方面的研究主要集中在试验方面，理论研究较少，并且已有研究成果仅限于对试验结果的分析，尤其在玄武岩纤维加固结构构件方面，综合考虑构件尺寸、加固量、构件形状、纤维性能、混凝土性能等多方面因素影响的强度模型还没有出现，以至于实际工程中采用玄武岩来进行结构构件加固缺乏理论依据。
4、玄武岩纤维在土木工程中的应用
随着我国连续玄武岩纤维的批量生产，这种材料开始引入土木工程领域，并且在该行业掀起新的波澜。近年来玄武岩纤维在土木工程领域的应用主要体现在以下几个方面。
(1)纤维增强混凝土方面。利用玄武岩纤维强度高的特点，将短切玄武岩纤维按一定体积比掺入到混凝土中，冲击压缩试验的结果表明：在冲击荷载作用下玄武岩纤维混凝土表现出明显的增强效果_1 。
(2)建筑结构加固、修复方面。用纤维织物对结构进行加固补强是多年来结构加固领域较为成熟的做法。目前常用的加固材料主要是碳纤维和芳纶纤维，然而这两种纤维成本均相对较高。随着玄武岩纤维材料的出现，尤其是其具有高强、高弹模的特点，一经发现，便极具竞争力，成为纤维材料补强选的替代品。
(3)道路施工方面。土工格栅是路基里常用的一种增强材料，特殊的用途要求其具有高强度、高弹模、强耐久性等特点。现有的土工格栅常采用玻璃纤维，已有的研究表明，玄武岩纤维的基本力学性能优于玻璃纤维，相对而言其更适合于在此方面使用_8]。
(4)防火隔热方面。目前国内企业已生产出玄武岩纤维防火材料：玄武岩纤维防火布、防火板等，可用于制作防火门、防火墙、电缆通道等。
(5)防渗抗裂方面。来自于水泥混凝土制品质量监督检验中心的报告指出，玄武岩纤维属于硅酸盐纤维，其与水泥混凝土和砂浆混合时易分散，使得新拌混凝土的和易性好，耐久性好，因而具有优越的防渗抗裂性能。独特的性能使其在水利工程、海洋工程、房屋建筑工程的防水工程里获得了广泛的应用。
5、存在的问题与建议
国内玄武岩纤维的生产能力相对较低，生产厂家数量较少。开发新的生产设备，降低生产成本，成为玄武岩纤维规模化发展的必经之路。
除生产以外，国内关于玄武岩纤维的研究也处于初级阶段。现有的研究多是停留在纤维材料的性能方面，而且多集中于试验方面，理论研究相对较少，能在工程中应用的研究成果更是少见。如工程中建筑结构常受到地震作用的损害，而玄武岩纤维恰具有强度高、韧性好、耐久性能好的特点，故可发展玄武岩纤维加固每一类构件的各方面性能的研究，而涉及到每一类构件的加固需要考虑的因素又有很多，因此需要开展的研究工作还很多。
笔者对今后玄武岩纤维的研究和生产有如下建议：
① 改革生产技术，提高生产能力及产品质量;② 开发新的玄武岩纤维制品，拓展玄武岩纤维的使用范围;③ 加大玄武岩纤维在结构加固方面的试验研究及相关理论研究。
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关键词：玄武岩纤维;BFRP;土木工程;结构加固
混凝土结构在地震、爆炸、撞击等偶然作用下常常会产生损伤，对受损后结构加固的研究在国内外二工 程界已广泛展开，并且取得了较多的研究成果，而其中对纤维复合材料(FRP)增强混凝土性能的研究较为充分。在现有的FRP中，研究较多的是对碳纤维(CFRP)约束混凝土性能的研究]。
随着复合材料技术的发展，玄武岩纤维逐渐受到人们的关注，它以其强度高、天然无污染、性能稳定、成本低廉等特点被认为是碳纤维的低价替代品。它的这些特点也为其在土木工程领域其他方面的应用(如增强、隔热、防火、抗渗等)奠定了基础。
1、玄武岩纤维的特点
玄武岩纤维作为一种新型纤维，其以天然玄武岩矿石为原料，是经高温熔化并拉制而成的连续纤维，与其他种类的纤维相比，有其独特的特点。研究资料 表明，玄武岩纤维具有强度高、耐高温、耐腐蚀性强、化学稳定性好等特点。文献[6]通过力学性能试验研究发现，玄武岩纤维具有较高的强度和弹性模量，与其他纤维相比，其断后延伸率较高且湿热老化环境对玄武岩纤维的基本力学性能影响相对较小，这就使得玄武岩纤维具备『在土木工程领域广泛应用的条件。
2、玄武岩纤维的研究与生产
2.1 政府部门的支持2002年连续玄武岩纤维(CBF)被列为863计划开发项目。2007年在《化纤工业发展战略研究报告—— 高新技术纤维分报告》中，已经明确将连续玄武岩纤维与碳纤维、芳纶、超高分子量聚乙烯纤维一并列为我国中长期重点发展的四大高新技术纤维。近年来还依托国内技术基础较好的企业，重点实施了年产2 000 t高端连续玄武岩纤维项目，可见政府部门对玄武岩纤维发展的支持。
2.2 玄武岩纤维的生产863计划该课题的研究成果表明，我国拥有完全自主知识产权的低成本大规模发展玄武岩纤维的新技术、新装置和新工艺。从的发展水平看，玄武岩纤维的技术及规模尚处于初级阶段，生产能力普遍较低，当前国外玄武岩纤维的产量在3 000 t/年，我国5家生产厂产量在2 000 t/年，其中横店集团上海俄金玄武岩纤维有限公司具有当今全先进的玄武岩生产水平。除此以外目前国内的多家企业还可以生产具有不同使用功能的玄武岩纤维制品：玄武岩纤维片材、无捻粗砂、短切纤维、玄武岩纤维复合筋、玄武岩纤维单向布、玄武岩纤维土工格栅、玄武岩纤维防火布等。
2.3 规范的制定_7j由浙江石金玄武岩纤维有限公司牵头制订的《水泥混凝土和砂浆用短切玄武岩纤维》(GB/ T23265—2009)技术标准，是我国乃至个有关玄武岩纤维的级技术标准，已于2009年11月5日全面实施。另外两个标准《玄武岩纤维无捻粗砂》和《公路工程玄武岩纤维制品》也即将完成并实施。这些标准的制定及实施将为玄武岩纤维的生产和应用提供依据。
3、玄武岩纤维在土木工程领域的研究现状
我国对玄武岩纤维的研究起步较晚，大规模研究主要集中于近三年，现有的研究成果主要集中在试验方面。
3.1 关于玄武岩纤维材性的试验研究张敏[8 等对连续玄武岩纤维增强复合材料进行了力学性能试验研究，并讨论了各种参数对其力学性能的影响，还把CBF片材与其他纤维复合材料片材的力学性能进行了对比，结果表明，CBF片材的抗拉强度接近于芳纶纤维，而弹性模量和断后收缩率优于芳纶纤维。
杨勇新l6 等进行了玄武岩纤维布的耐久性试验，试验研究了玄武岩纤维布在湿热老化环境中的抗拉强度、延伸率、弹性模量随时间的变化，结果表明，玄武岩纤维布抗湿热老化的稳定性较好。
宋鹏飞 等研究了玄武岩纤维强度，通过对玄武岩纤维强度数据的统计分析，发现其符合三参数威布尔分布，统计中玄武岩纤维we.buII模数m小于玻璃纤维，说明玄武岩纤维的均匀性不及玻璃纤维，强度的分散性比玻璃纤维大，同时说明我国的玄武岩纤维生产工艺不成熟，存在质量不稳定的问题。
目前来看，关于玄武岩纤维材性的试验研究较为充分，而且现有研究结果均表明其具有强度高、塑性好、性能稳定的优点。
3.2 关于玄武岩纤维应用方面的研究玄武岩纤维在土木工程领域的应用主要体现在以下几方面。
(1)纤维增强混凝土方面的研究。李为民等研究了短切玄武岩纤维对混凝土的增强和增韧效应，给出了不同体积掺量的玄武岩纤维混凝土的应力一应变曲线，并且通过试验得出了不同纤维体积掺量的玄武岩纤维混凝土的冲击韧性随平均应变率的变化曲线，从而得出结论：在一定体积掺量情况下玄武岩纤维的增韧效果优于碳纤维，并且确定了佳体积掺量。
与此同时沈刘军 等也开展了玄武岩纤维增强混凝土静、动力性能试验，根据对冲击压缩试验结果的分析，得出不同体积掺量的玄武岩纤维混凝土在冲击荷载作用下的应力一应变曲线，通过曲线发现体积掺量不同，应力～应变曲线包围的面积不同，从而体现了体积掺量对韧性增强的影响，进而确定了佳体积掺量。
(2)结构加固方面的研究。主要体现在玄武岩纤维加固混凝土柱的试验研究方面，理论研究相对较少。吴刚等进行了玄武岩纤维与碳纤维加固混凝土矩形柱抗震性能比较研究，通过试验研究发现，BFRP加固可以转变试件的破坏形态，增强加固试件的抗震性能。
童谷生。 等也进行了玄武岩纤维布约束混凝土方柱的试验研究，试验不仅得出了玄武岩纤维布约束混凝土方柱的应力一应变曲线，同时还研究了几何尺寸对玄武岩纤维布约束混凝土方柱的极限抗压强度的影响，并且给出了强度模型。
邹鹏程 等进行了玄武岩纤维布约束钢筋混凝土圆柱的轴心受压试验，并且根据试验数据作出了玄武岩纤维布约束钢筋混凝土柱的应力一应变曲线。
孙朋永 等利用有限元对玄武岩纤维筋混凝土梁进行了分析，并给出了BFRP筋混凝土梁的计算模型。
现有研究都明确指向了玄武岩纤维的一个优点：韧性好。但是目前关于玄武岩纤维应用方面的研究主要集中在试验方面，理论研究较少，并且已有研究成果仅限于对试验结果的分析，尤其在玄武岩纤维加固结构构件方面，综合考虑构件尺寸、加固量、构件形状、纤维性能、混凝土性能等多方面因素影响的强度模型还没有出现，以至于实际工程中采用玄武岩来进行结构构件加固缺乏理论依据。
4、玄武岩纤维在土木工程中的应用
随着我国连续玄武岩纤维的批量生产，这种材料开始引入土木工程领域，并且在该行业掀起新的波澜。近年来玄武岩纤维在土木工程领域的应用主要体现在以下几个方面。
(1)纤维增强混凝土方面。利用玄武岩纤维强度高的特点，将短切玄武岩纤维按一定体积比掺入到混凝土中，冲击压缩试验的结果表明：在冲击荷载作用下玄武岩纤维混凝土表现出明显的增强效果_1 。
(2)建筑结构加固、修复方面。用纤维织物对结构进行加固补强是多年来结构加固领域较为成熟的做法。目前常用的加固材料主要是碳纤维和芳纶纤维，然而这两种纤维成本均相对较高。随着玄武岩纤维材料的出现，尤其是其具有高强、高弹模的特点，一经发现，便极具竞争力，成为纤维材料补强选的替代品。
(3)道路施工方面。土工格栅是路基里常用的一种增强材料，特殊的用途要求其具有高强度、高弹模、强耐久性等特点。现有的土工格栅常采用玻璃纤维，已有的研究表明，玄武岩纤维的基本力学性能优于玻璃纤维，相对而言其更适合于在此方面使用_8]。
(4)防火隔热方面。目前国内企业已生产出玄武岩纤维防火材料：玄武岩纤维防火布、防火板等，可用于制作防火门、防火墙、电缆通道等。
(5)防渗抗裂方面。来自于水泥混凝土制品质量监督检验中心的报告指出，玄武岩纤维属于硅酸盐纤维，其与水泥混凝土和砂浆混合时易分散，使得新拌混凝土的和易性好，耐久性好，因而具有优越的防渗抗裂性能。独特的性能使其在水利工程、海洋工程、房屋建筑工程的防水工程里获得了广泛的应用。
5、存在的问题与建议
国内玄武岩纤维的生产能力相对较低，生产厂家数量较少。开发新的生产设备，降低生产成本，成为玄武岩纤维规模化发展的必经之路。
除生产以外，国内关于玄武岩纤维的研究也处于初级阶段。现有的研究多是停留在纤维材料的性能方面，而且多集中于试验方面，理论研究相对较少，能在工程中应用的研究成果更是少见。如工程中建筑结构常受到地震作用的损害，而玄武岩纤维恰具有强度高、韧性好、耐久性能好的特点，故可发展玄武岩纤维加固每一类构件的各方面性能的研究，而涉及到每一类构件的加固需要考虑的因素又有很多，因此需要开展的研究工作还很多。
笔者对今后玄武岩纤维的研究和生产有如下建议：
① 改革生产技术，提高生产能力及产品质量;② 开发新的玄武岩纤维制品，拓展玄武岩纤维的使用范围;③ 加大玄武岩纤维在结构加固方面的试验研究及相关理论研究。
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