淺析玄武巖纖維在土木工程領域的研究與作用
摘要：介紹了玄武巖纖維(BFRP)的特點、研究現狀及其在土木工程領域的應用，并對玄武巖纖維今后的研究和生產提出了建議。
關鍵詞：玄武巖纖維;BFRP;土木工程;結構加固
混凝土結構在地震、爆炸、撞擊等偶然作用下常常會產生損傷，對受損后結構加固的研究在國內外二工 程界已廣泛展開，并且取得了較多的研究成果，而其中對纖維復合材料(FRP)增強混凝土性能的研究較為充分。在現有的FRP中，研究較多的是對碳纖維(CFRP)約束混凝土性能的研究]。
隨著復合材料技術的發展，玄武巖纖維逐漸受到人們的關注，它以其強度高、天然無污染、性能穩定、成本低廉等特點被認為是碳纖維的低價替代品。它的這些特點也為其在土木工程領域其他方面的應用(如增強、隔熱、防火、抗滲等)奠定了基礎。
1、玄武巖纖維的特點
玄武巖纖維作為一種新型纖維，其以天然玄武巖礦石為原料，是經高溫熔化并拉制而成的連續纖維，與其他種類的纖維相比，有其獨特的特點。研究資料 表明，玄武巖纖維具有強度高、耐高溫、耐腐蝕性強、化學穩定性好等特點。文獻[6]通過力學性能試驗研究發現，玄武巖纖維具有較高的強度和彈性模量，與其他纖維相比，其斷后延伸率較高且濕熱老化環境對玄武巖纖維的基本力學性能影響相對較小，這就使得玄武巖纖維具備『在土木工程領域廣泛應用的條件。
2、玄武巖纖維的研究與生產
2.1 政府部門的支持2002年連續玄武巖纖維(CBF)被列為863計劃開發項目。2007年在《化纖工業發展戰略研究報告—— 高新技術纖維分報告》中，已經明確將連續玄武巖纖維與碳纖維、芳綸、超高分子量聚乙烯纖維一并列為我國中長期重點發展的四大高新技術纖維。近年來還依托國內技術基礎較好的企業，重點實施了年產2 000 t高端連續玄武巖纖維項目，可見政府部門對玄武巖纖維發展的支持。
2.2 玄武巖纖維的生產863計劃該課題的研究成果表明，我國擁有完全自主知識產權的低成本大規模發展玄武巖纖維的新技術、新裝置和新工藝。從的發展水平看，玄武巖纖維的技術及規模尚處于初級階段，生產能力普遍較低，當前國外玄武巖纖維的產量在3 000 t/年，我國5家生產廠產量在2 000 t/年，其中橫店集團上海俄金玄武巖纖維有限公司具有當今全先進的玄武巖生產水平。除此以外目前國內的多家企業還可以生產具有不同使用功能的玄武巖纖維制品：玄武巖纖維片材、無捻粗砂、短切纖維、玄武巖纖維復合筋、玄武巖纖維單向布、玄武巖纖維土工格柵、玄武巖纖維防火布等。
2.3 規范的制定_7j由浙江石金玄武巖纖維有限公司牽頭制訂的《水泥混凝土和砂漿用短切玄武巖纖維》(GB/ T23265—2009)技術標準，是我國乃至個有關玄武巖纖維的級技術標準，已于2009年11月5日全面實施。另外兩個標準《玄武巖纖維無捻粗砂》和《公路工程玄武巖纖維制品》也即將完成并實施。這些標準的制定及實施將為玄武巖纖維的生產和應用提供依據。
3、玄武巖纖維在土木工程領域的研究現狀
我國對玄武巖纖維的研究起步較晚，大規模研究主要集中于近三年，現有的研究成果主要集中在試驗方面。
3.1 關于玄武巖纖維材性的試驗研究張敏[8 等對連續玄武巖纖維增強復合材料進行了力學性能試驗研究，并討論了各種參數對其力學性能的影響，還把CBF片材與其他纖維復合材料片材的力學性能進行了對比，結果表明，CBF片材的抗拉強度接近于芳綸纖維，而彈性模量和斷后收縮率優于芳綸纖維。
楊勇新l6 等進行了玄武巖纖維布的耐久性試驗，試驗研究了玄武巖纖維布在濕熱老化環境中的抗拉強度、延伸率、彈性模量隨時間的變化，結果表明，玄武巖纖維布抗濕熱老化的穩定性較好。
宋鵬飛 等研究了玄武巖纖維強度，通過對玄武巖纖維強度數據的統計分析，發現其符合三參數威布爾分布，統計中玄武巖纖維we.buII模數m小于玻璃纖維，說明玄武巖纖維的均勻性不及玻璃纖維，強度的分散性比玻璃纖維大，同時說明我國的玄武巖纖維生產工藝不成熟，存在質量不穩定的問題。
目前來看，關于玄武巖纖維材性的試驗研究較為充分，而且現有研究結果均表明其具有強度高、塑性好、性能穩定的優點。
3.2 關于玄武巖纖維應用方面的研究玄武巖纖維在土木工程領域的應用主要體現在以下幾方面。
(1)纖維增強混凝土方面的研究。李為民等研究了短切玄武巖纖維對混凝土的增強和增韌效應，給出了不同體積摻量的玄武巖纖維混凝土的應力一應變曲線，并且通過試驗得出了不同纖維體積摻量的玄武巖纖維混凝土的沖擊韌性隨平均應變率的變化曲線，從而得出結論：在一定體積摻量情況下玄武巖纖維的增韌效果優于碳纖維，并且確定了佳體積摻量。
與此同時沈劉軍 等也開展了玄武巖纖維增強混凝土靜、動力性能試驗，根據對沖擊壓縮試驗結果的分析，得出不同體積摻量的玄武巖纖維混凝土在沖擊荷載作用下的應力一應變曲線，通過曲線發現體積摻量不同，應力～應變曲線包圍的面積不同，從而體現了體積摻量對韌性增強的影響，進而確定了佳體積摻量。
(2)結構加固方面的研究。主要體現在玄武巖纖維加固混凝土柱的試驗研究方面，理論研究相對較少。吳剛等進行了玄武巖纖維與碳纖維加固混凝土矩形柱抗震性能比較研究，通過試驗研究發現，BFRP加固可以轉變試件的破壞形態，增強加固試件的抗震性能。
童谷生。 等也進行了玄武巖纖維布約束混凝土方柱的試驗研究，試驗不僅得出了玄武巖纖維布約束混凝土方柱的應力一應變曲線，同時還研究了幾何尺寸對玄武巖纖維布約束混凝土方柱的極限抗壓強度的影響，并且給出了強度模型。
鄒鵬程 等進行了玄武巖纖維布約束鋼筋混凝土圓柱的軸心受壓試驗，并且根據試驗數據作出了玄武巖纖維布約束鋼筋混凝土柱的應力一應變曲線。
孫朋永 等利用有限元對玄武巖纖維筋混凝土梁進行了分析，并給出了BFRP筋混凝土梁的計算模型。
現有研究都明確指向了玄武巖纖維的一個優點：韌性好。但是目前關于玄武巖纖維應用方面的研究主要集中在試驗方面，理論研究較少，并且已有研究成果僅限于對試驗結果的分析，尤其在玄武巖纖維加固結構構件方面，綜合考慮構件尺寸、加固量、構件形狀、纖維性能、混凝土性能等多方面因素影響的強度模型還沒有出現，以至于實際工程中采用玄武巖來進行結構構件加固缺乏理論依據。
4、玄武巖纖維在土木工程中的應用
隨著我國連續玄武巖纖維的批量生產，這種材料開始引入土木工程領域，并且在該行業掀起新的波瀾。近年來玄武巖纖維在土木工程領域的應用主要體現在以下幾個方面。
(1)纖維增強混凝土方面。利用玄武巖纖維強度高的特點，將短切玄武巖纖維按一定體積比摻入到混凝土中，沖擊壓縮試驗的結果表明：在沖擊荷載作用下玄武巖纖維混凝土表現出明顯的增強效果_1 。
(2)建筑結構加固、修復方面。用纖維織物對結構進行加固補強是多年來結構加固領域較為成熟的做法。目前常用的加固材料主要是碳纖維和芳綸纖維，然而這兩種纖維成本均相對較高。隨著玄武巖纖維材料的出現，尤其是其具有高強、高彈模的特點，一經發現，便極具競爭力，成為纖維材料補強選的替代品。
(3)道路施工方面。土工格柵是路基里常用的一種增強材料，特殊的用途要求其具有高強度、高彈模、強耐久性等特點?，F有的土工格柵常采用玻璃纖維，已有的研究表明，玄武巖纖維的基本力學性能優于玻璃纖維，相對而言其更適合于在此方面使用_8]。
(4)防火隔熱方面。目前國內企業已生產出玄武巖纖維防火材料：玄武巖纖維防火布、防火板等，可用于制作防火門、防火墻、電纜通道等。
(5)防滲抗裂方面。來自于水泥混凝土制品質量監督檢驗中心的報告指出，玄武巖纖維屬于硅酸鹽纖維，其與水泥混凝土和砂漿混合時易分散，使得新拌混凝土的和易性好，耐久性好，因而具有優越的防滲抗裂性能。獨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獲得了廣泛的應用。
5、存在的問題與建議
國內玄武巖纖維的生產能力相對較低，生產廠家數量較少。開發新的生產設備，降低生產成本，成為玄武巖纖維規?；l展的必經之路。
除生產以外，國內關于玄武巖纖維的研究也處于初級階段?，F有的研究多是停留在纖維材料的性能方面，而且多集中于試驗方面，理論研究相對較少，能在工程中應用的研究成果更是少見。如工程中建筑結構常受到地震作用的損害，而玄武巖纖維恰具有強度高、韌性好、耐久性能好的特點，故可發展玄武巖纖維加固每一類構件的各方面性能的研究，而涉及到每一類構件的加固需要考慮的因素又有很多，因此需要開展的研究工作還很多。
筆者對今后玄武巖纖維的研究和生產有如下建議：
① 改革生產技術，提高生產能力及產品質量;② 開發新的玄武巖纖維制品，拓展玄武巖纖維的使用范圍;③ 加大玄武巖纖維在結構加固方面的試驗研究及相關理論研究。
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關鍵詞：玄武巖纖維;BFRP;土木工程;結構加固
混凝土結構在地震、爆炸、撞擊等偶然作用下常常會產生損傷，對受損后結構加固的研究在國內外二工 程界已廣泛展開，并且取得了較多的研究成果，而其中對纖維復合材料(FRP)增強混凝土性能的研究較為充分。在現有的FRP中，研究較多的是對碳纖維(CFRP)約束混凝土性能的研究]。
隨著復合材料技術的發展，玄武巖纖維逐漸受到人們的關注，它以其強度高、天然無污染、性能穩定、成本低廉等特點被認為是碳纖維的低價替代品。它的這些特點也為其在土木工程領域其他方面的應用(如增強、隔熱、防火、抗滲等)奠定了基礎。
1、玄武巖纖維的特點
玄武巖纖維作為一種新型纖維，其以天然玄武巖礦石為原料，是經高溫熔化并拉制而成的連續纖維，與其他種類的纖維相比，有其獨特的特點。研究資料 表明，玄武巖纖維具有強度高、耐高溫、耐腐蝕性強、化學穩定性好等特點。文獻[6]通過力學性能試驗研究發現，玄武巖纖維具有較高的強度和彈性模量，與其他纖維相比，其斷后延伸率較高且濕熱老化環境對玄武巖纖維的基本力學性能影響相對較小，這就使得玄武巖纖維具備『在土木工程領域廣泛應用的條件。
2、玄武巖纖維的研究與生產
2.1 政府部門的支持2002年連續玄武巖纖維(CBF)被列為863計劃開發項目。2007年在《化纖工業發展戰略研究報告—— 高新技術纖維分報告》中，已經明確將連續玄武巖纖維與碳纖維、芳綸、超高分子量聚乙烯纖維一并列為我國中長期重點發展的四大高新技術纖維。近年來還依托國內技術基礎較好的企業，重點實施了年產2 000 t高端連續玄武巖纖維項目，可見政府部門對玄武巖纖維發展的支持。
2.2 玄武巖纖維的生產863計劃該課題的研究成果表明，我國擁有完全自主知識產權的低成本大規模發展玄武巖纖維的新技術、新裝置和新工藝。從的發展水平看，玄武巖纖維的技術及規模尚處于初級階段，生產能力普遍較低，當前國外玄武巖纖維的產量在3 000 t/年，我國5家生產廠產量在2 000 t/年，其中橫店集團上海俄金玄武巖纖維有限公司具有當今全先進的玄武巖生產水平。除此以外目前國內的多家企業還可以生產具有不同使用功能的玄武巖纖維制品：玄武巖纖維片材、無捻粗砂、短切纖維、玄武巖纖維復合筋、玄武巖纖維單向布、玄武巖纖維土工格柵、玄武巖纖維防火布等。
2.3 規范的制定_7j由浙江石金玄武巖纖維有限公司牽頭制訂的《水泥混凝土和砂漿用短切玄武巖纖維》(GB/ T23265—2009)技術標準，是我國乃至個有關玄武巖纖維的級技術標準，已于2009年11月5日全面實施。另外兩個標準《玄武巖纖維無捻粗砂》和《公路工程玄武巖纖維制品》也即將完成并實施。這些標準的制定及實施將為玄武巖纖維的生產和應用提供依據。
3、玄武巖纖維在土木工程領域的研究現狀
我國對玄武巖纖維的研究起步較晚，大規模研究主要集中于近三年，現有的研究成果主要集中在試驗方面。
3.1 關于玄武巖纖維材性的試驗研究張敏[8 等對連續玄武巖纖維增強復合材料進行了力學性能試驗研究，并討論了各種參數對其力學性能的影響，還把CBF片材與其他纖維復合材料片材的力學性能進行了對比，結果表明，CBF片材的抗拉強度接近于芳綸纖維，而彈性模量和斷后收縮率優于芳綸纖維。
楊勇新l6 等進行了玄武巖纖維布的耐久性試驗，試驗研究了玄武巖纖維布在濕熱老化環境中的抗拉強度、延伸率、彈性模量隨時間的變化，結果表明，玄武巖纖維布抗濕熱老化的穩定性較好。
宋鵬飛 等研究了玄武巖纖維強度，通過對玄武巖纖維強度數據的統計分析，發現其符合三參數威布爾分布，統計中玄武巖纖維we.buII模數m小于玻璃纖維，說明玄武巖纖維的均勻性不及玻璃纖維，強度的分散性比玻璃纖維大，同時說明我國的玄武巖纖維生產工藝不成熟，存在質量不穩定的問題。
目前來看，關于玄武巖纖維材性的試驗研究較為充分，而且現有研究結果均表明其具有強度高、塑性好、性能穩定的優點。
3.2 關于玄武巖纖維應用方面的研究玄武巖纖維在土木工程領域的應用主要體現在以下幾方面。
(1)纖維增強混凝土方面的研究。李為民等研究了短切玄武巖纖維對混凝土的增強和增韌效應，給出了不同體積摻量的玄武巖纖維混凝土的應力一應變曲線，并且通過試驗得出了不同纖維體積摻量的玄武巖纖維混凝土的沖擊韌性隨平均應變率的變化曲線，從而得出結論：在一定體積摻量情況下玄武巖纖維的增韌效果優于碳纖維，并且確定了佳體積摻量。
與此同時沈劉軍 等也開展了玄武巖纖維增強混凝土靜、動力性能試驗，根據對沖擊壓縮試驗結果的分析，得出不同體積摻量的玄武巖纖維混凝土在沖擊荷載作用下的應力一應變曲線，通過曲線發現體積摻量不同，應力～應變曲線包圍的面積不同，從而體現了體積摻量對韌性增強的影響，進而確定了佳體積摻量。
(2)結構加固方面的研究。主要體現在玄武巖纖維加固混凝土柱的試驗研究方面，理論研究相對較少。吳剛等進行了玄武巖纖維與碳纖維加固混凝土矩形柱抗震性能比較研究，通過試驗研究發現，BFRP加固可以轉變試件的破壞形態，增強加固試件的抗震性能。
童谷生。 等也進行了玄武巖纖維布約束混凝土方柱的試驗研究，試驗不僅得出了玄武巖纖維布約束混凝土方柱的應力一應變曲線，同時還研究了幾何尺寸對玄武巖纖維布約束混凝土方柱的極限抗壓強度的影響，并且給出了強度模型。
鄒鵬程 等進行了玄武巖纖維布約束鋼筋混凝土圓柱的軸心受壓試驗，并且根據試驗數據作出了玄武巖纖維布約束鋼筋混凝土柱的應力一應變曲線。
孫朋永 等利用有限元對玄武巖纖維筋混凝土梁進行了分析，并給出了BFRP筋混凝土梁的計算模型。
現有研究都明確指向了玄武巖纖維的一個優點：韌性好。但是目前關于玄武巖纖維應用方面的研究主要集中在試驗方面，理論研究較少，并且已有研究成果僅限于對試驗結果的分析，尤其在玄武巖纖維加固結構構件方面，綜合考慮構件尺寸、加固量、構件形狀、纖維性能、混凝土性能等多方面因素影響的強度模型還沒有出現，以至于實際工程中采用玄武巖來進行結構構件加固缺乏理論依據。
4、玄武巖纖維在土木工程中的應用
隨著我國連續玄武巖纖維的批量生產，這種材料開始引入土木工程領域，并且在該行業掀起新的波瀾。近年來玄武巖纖維在土木工程領域的應用主要體現在以下幾個方面。
(1)纖維增強混凝土方面。利用玄武巖纖維強度高的特點，將短切玄武巖纖維按一定體積比摻入到混凝土中，沖擊壓縮試驗的結果表明：在沖擊荷載作用下玄武巖纖維混凝土表現出明顯的增強效果_1 。
(2)建筑結構加固、修復方面。用纖維織物對結構進行加固補強是多年來結構加固領域較為成熟的做法。目前常用的加固材料主要是碳纖維和芳綸纖維，然而這兩種纖維成本均相對較高。隨著玄武巖纖維材料的出現，尤其是其具有高強、高彈模的特點，一經發現，便極具競爭力，成為纖維材料補強選的替代品。
(3)道路施工方面。土工格柵是路基里常用的一種增強材料，特殊的用途要求其具有高強度、高彈模、強耐久性等特點?，F有的土工格柵常采用玻璃纖維，已有的研究表明，玄武巖纖維的基本力學性能優于玻璃纖維，相對而言其更適合于在此方面使用_8]。
(4)防火隔熱方面。目前國內企業已生產出玄武巖纖維防火材料：玄武巖纖維防火布、防火板等，可用于制作防火門、防火墻、電纜通道等。
(5)防滲抗裂方面。來自于水泥混凝土制品質量監督檢驗中心的報告指出，玄武巖纖維屬于硅酸鹽纖維，其與水泥混凝土和砂漿混合時易分散，使得新拌混凝土的和易性好，耐久性好，因而具有優越的防滲抗裂性能。獨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獲得了廣泛的應用。
5、存在的問題與建議
國內玄武巖纖維的生產能力相對較低，生產廠家數量較少。開發新的生產設備，降低生產成本，成為玄武巖纖維規?；l展的必經之路。
除生產以外，國內關于玄武巖纖維的研究也處于初級階段?，F有的研究多是停留在纖維材料的性能方面，而且多集中于試驗方面，理論研究相對較少，能在工程中應用的研究成果更是少見。如工程中建筑結構常受到地震作用的損害，而玄武巖纖維恰具有強度高、韌性好、耐久性能好的特點，故可發展玄武巖纖維加固每一類構件的各方面性能的研究，而涉及到每一類構件的加固需要考慮的因素又有很多，因此需要開展的研究工作還很多。
筆者對今后玄武巖纖維的研究和生產有如下建議：
① 改革生產技術，提高生產能力及產品質量;② 開發新的玄武巖纖維制品，拓展玄武巖纖維的使用范圍;③ 加大玄武巖纖維在結構加固方面的試驗研究及相關理論研究。
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