玄武岩纤维混凝土结构试验研究综述★

薛 鹤 王文铭 杨鹏辉 王 钧

(东北林业大学，黑龙江 哈尔滨 150040)

0 引言

随着建筑业的快速发展，建筑用地需求与实际可用地之间的不平衡逐渐增大，高层、大跨度、特种混凝土建筑迅速普及，人们对处于寒区、沿海等环境复杂建筑物的耐久性需求也日益提高。因此，新型混凝土材料不断被开发与使用，在增强混凝土强度、满足结构要求的同时，延长建筑的使用寿命。

然而，由于混凝土存在脆性大、抗拉强度低、易收缩、开裂等缺陷，会导致混凝土在实际工程中使用寿命降低。为提高混凝土抗拉能力，学者尝试多种途径，其中有研究表明，将钢纤维、聚丙烯纤维、玄武岩纤维等掺入到混凝土中形成纤维混凝土，可有效改善混凝土抗裂能力，增强混凝土延性，减少裂缝的出现，降低裂缝的数量与宽度，从而提高混凝土的耐久性能[1]。

同时，鉴于玄武岩纤维力学性能良好，可提高混凝土抗裂、抗拉、抗压、抗冲击等性能，且成分、密度与混凝土相似，玄武岩纤维混凝土和易性比其他纤维混凝土较好[2]，促使玄武岩纤维在众多纤维中脱颖而出。

玄武岩纤维是一种无环境污染的绿色健康纤维产品，可响应国家绿色、协调的发展理念，减少因新材料使用对自然环境产生的危害，更有利于建设可持续性发展的社会。

因此，玄武岩纤维近年来逐渐引起人们的重视，在工程结构中的推广也具有重要意义。为探讨玄武岩纤维混凝土构件在不同试验中对结构受力性能的影响，国内外学者对玄武岩纤维混凝土做了大量的研究[1-4]。

1 玄武岩纤维混凝土应用

将适量的短切玄武岩纤维均匀掺加到混凝土中形成的玄武岩纤维混凝土(Basalt Fiber Reinforced Concrete,BFRC)，在工程中可具有广泛的应用范围。

研究表明：玄武岩纤维自身化学性能稳定、耐腐蚀性强，使玄武岩纤维混凝土在长期处于高湿度、酸、碱、盐类等介质复杂的环境中，仍可保持自身稳定性，延缓裂缝的发展，降低钢筋锈蚀的程度，可应用于堤坝、港口深水码头、跨海大桥等工程建筑中。

玄武岩纤维具有良好的防水性、抗渗性、抗冻性，可适用于高原、寒区的桥面混凝土现浇层、高速公路路面、机场跑道等道路工程和水库坝面、水处理厂水池等对混凝土的防渗、抗裂要求较高的工程中[5，6]。

同时，玄武岩纤维的适用温度范围广，其优异的耐高温性可在核能发电场、金属冶炼场、水电站等常处于高温状态下的特种混凝土工程中发挥优异的使用价值，保证建筑的安全性，减少建筑物在应用过程中的维修频率，降低长期使用后混凝土重建的概率[7，8]。

玄武岩纤维混凝土可适应多种环境耦合的复杂恶劣工作环境，并涉及不同的工程应用领域。因此，基于分析不同受力状态下玄武岩纤维混凝土理论研究与试验结果，拓展更多玄武岩纤维混凝土构件的研究方向，可成为玄武岩纤维混凝土在结构工程中实践的基础。

2 玄武岩纤维混凝土梁研究

目前，国内外对玄武岩纤维混凝土水平构件的研究，主要以玄武岩纤维影响梁受弯性能为主。相关研究结果显示，在研究玄武岩纤维对混凝土梁正截面承载力等性能影响的试验时，常以玄武岩纤维的体积掺量、长度为变量，同时赋予试件不同的混凝土强度等级与混凝土种类等常量参数，分析玄武岩纤维混凝土梁受力性能的改善情况，并确定其最佳参数。

谭智芳[9]以玄武岩纤维长度为15 mm，25 mm，体积掺量为0，0.2%，0.4%，0.6%为变量，对14根C30的BFRC梁进行了抗弯性能研究。研究结果表明：随着玄武岩纤维体积掺量的增大，梁开裂弯矩增大幅度较为明显。当玄武岩纤维长度为25 mm、体积掺量为0.6%时，较基础对照组，梁开裂弯矩提高最大，可增幅18%。此外，梁的变形和最大裂缝宽度在整体上均有降低趋势，梁挠度降低幅度集中在10%～20%之间，最高达25%。

随着纤维长度的增大，梁在受力过程中的挠度变形逐渐减弱，变形减少幅度最大为16%，同时，其正截面承载力、开裂弯矩值均有一定幅度的提高。掺有体积掺量0.4%、长度25 mm玄武岩纤维的试验梁较掺量不变、长度为15 mm的构件，在受力时开裂弯矩有提升，最大可提高15%。

叶焕军[10]以玄武岩纤维长度和体积掺量为主要变量，通过5根C40 玄武岩纤维混凝土梁的受弯性能试验进行研究。其结果显示：玄武岩纤维的掺入，一定程度上改善梁的开裂状况，延缓混凝土内部微裂缝的开展，减小裂缝的最大宽度。同时，随着玄武岩纤维体积掺量的增大、长径比的增加，玄武岩纤维混凝土梁的极限承载力有所提高。

匡景瑞[11]对8根不同纤维体积掺量的C40自密实混凝土梁进行抗弯性能研究。数据统计结果显示：纤维的掺入对于试验梁正截面极限承载力提高幅度不大，对梁的抗弯刚度有一定程度的提高，当玄武岩纤维掺量0.3%时，裂缝宽度的降低效果达到最优的同时，试验梁抗弯刚度提高幅度最大，达18.4%。

通过分析不同玄武岩纤维混凝土梁的试验结果，纤维与混凝土的结合可整体提高抗拉能力，推迟梁在受弯过程中初始裂缝的形成，延缓裂缝的扩展速度，进而缩小混凝土裂缝的最大宽度，并降低梁达到极限承载力时的整体变形幅度。

纤维的体积掺量与长度均会一定程度地影响梁承载力、裂缝宽度及变形能力，且不同试验得出的参数影响梁受力性能的趋势大致相同。然而，由于不同试验选用的混凝土强度等级及种类与纤维的选取等常量参数存在差异，使玄武岩纤维体积掺量或长度等变量对研究对象性能的影响有所差异，影响的幅度也有所波动。

3 玄武岩纤维混凝土柱研究

现阶段，针对玄武岩纤维混凝土柱受压试验的研究相对较少，可根据柱长细比的划分，分为玄武岩纤维混凝土短柱、长柱受力性能试验。前者以侯敏、王新忠、夏海涛的短柱轴心受压试验为主，且研究对象的混凝土分别为玄武岩纤维再生混凝土、普通混凝土及高强混凝土；后者以王新忠对玄武岩纤维混凝土长柱偏心受压的试验研究为代表。

3.1 短柱

侯敏等[12]探讨以再生骨料取代率、柱截面形式及纤维体积质量分数为变量，玄武岩纤维对再生混凝土短柱轴压力学性能的影响，结果表明，玄武岩纤维再生混凝土可有效提升再生混凝土短柱的力学性能，并且增强效果要优于普通混凝土。当再生骨料取代率100%、圆形截面的条件下，掺有4 kg/m3玄武岩纤维增强再生混凝土短柱，较零掺量再生混凝土短柱的轴心受压承载力可最大提高96%。

王新忠等[13]研究了纤维体积掺量1.5%时短柱轴心受压性能与纤维长度12 mm，24 mm因素之间的关系，得到当纤维长度12 mm时，玄武岩纤维混凝土短柱的延性有所提高，且轴心受压极限承载能力最大可提升28%。

夏海涛等[14]对不同玄武岩纤维掺量的素混凝土短柱进行轴心受压试验，数据统计表明，玄武岩纤维髙强混凝土柱的抗裂、抗压能力随玄武岩纤维体积掺量的增大而增强，当玄武岩纤维体积掺量1.5%时，抗压强度可增强11.43%。

3.2 长柱

王新忠[15]以12 mm，24 mm的玄武岩纤维长度和20 mm，60 mm的偏心距为变量，研究纤维体积掺量1.5%时不同变量对长柱偏心受压性能的影响，试验数据综合显示，掺加玄武岩纤维的钢筋混凝土长柱偏心受压极限承载力有明显提高，当掺入玄武岩纤维的长度4 mm时，小偏心、大偏心受压试验的极限承载力最大可分别提高13%，41%。

在研究玄武岩纤维不同混凝土柱轴心、偏心受压状态下的试验中，玄武岩纤维长度、体积掺量几乎均作为主要变量，去研讨玄武岩纤维对混凝土柱受力性能的影响。在实际应用中，建筑结构的长柱往往处于偏心受压的受力状态。然而，针对柱受力性能试验中，玄武岩纤维混凝土长柱的受压试验与分析相对较少。因此，为丰富柱相关试验成果，为玄武岩纤维混凝土柱的实际应用提供理论基础，研究玄武岩纤维混凝土长柱偏心、轴心受压的试验是很有必要的。

4 结论与展望

目前国内对玄武岩纤维混凝土在实际工程中的应用还处于起步阶段，尚有问题需要研究与探索，缺少大量试验成果的支撑。因此，有关玄武岩纤维混凝土构件的试验尚应进一步拓展。

可将玄武岩纤维与高性能混凝土相结合，通过改变高性能混凝土强度等级、纤维掺量、长度、构件尺度大小等因素，从相同参数角度对不同结构构件受力影响的不同进行理论分析与试验研究。

1)以玄武岩纤维体积掺量、长度、柱长细比、偏心距为变量，研究玄武岩纤维改性高强自密实混凝土柱受压性能影响的试验与有限元分析。

2)研究玄武岩纤维体积掺量、长度、混凝土强度等级等因素，影响玄武岩纤维改性自密实混凝土板除抗爆性外受力性能的作用，并确定最佳参数组合。

通过更广泛有创新性的玄武岩纤维混凝土构件理论与实践研究，为玄武岩纤维混凝土的应用实践提供有力的参考依据，从而快速推动玄武岩纤维混凝土在不同工程领域的发展。

参考文献：

[1] 王海良,钟耀海,杨新磊.玄武岩纤维混凝土研究进展与建议[J].工业建筑,2013,43(S1):639-643.

[2] 高 磊,胡国辉,徐 楠,等.玄武岩纤维工程性质研究进展[J].地下空间与工程学报,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.玄武岩纤维混凝土的特性及应用[J].路基工程,2010(2):37-39.

[6] 卢 睿,朱大勇,詹炳根.玄武岩纤维自密实混凝土流变性能研究[J].合肥工业大学学报(自然科学版),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] 谭智芳.玄武岩纤维增韧钢筋混凝土梁受弯性能试验研究[D].大连：大连理工大学,2009.

[10] 叶焕军.玄武岩纤维混凝土梁受弯性能研究[D].哈尔滨：东北林业大学,2011.

[11] 匡景瑞.玄武岩纤维自密实混凝土梁的抗弯性能试验研究[D].锦州：辽宁工业大学,2014.

[12] 侯 敏,董江峰,袁书成,等.玄武岩纤维再生混凝土及其轴压短柱力学性能分析[J].华北水利水电学院学报，2013，34(1):41-45.

[13] 王新忠,李传习.玄武岩纤维混凝土长柱偏心受压承载能力试验研究田[J].硅酸盐通报,2016,35(10):3242-3246.

[14] 夏海涛.高铁特大桥施工组织设计与纤维高强混凝土柱的性能研究[D].淮南：安徽理工大学,2017.

[15] 王新忠,李传习,周 维.钢筋玄武岩纤维混凝土短柱轴心受压承载能力试验研究[J].硅酸盐通报,2017,36(3):809-815.