玄武岩纤维混凝土及其构件的基本性能研究进展

马琤飞，李志华 （扬州大学建筑科学与工程学院，江苏 扬州 225127）

1 引言

混凝土由于施工工艺简单、整体性好、材料来源广等优点，被广泛使用于各类工程领域[1]。但随着社会的发展和科技的进步，各类工程对混凝土的性能要求也逐步提高，而混凝土所具有抗拉性能差、脆性大、易开裂等缺点也限制其在工程领域的使用[2]。近年来专家学者通过研究发现，在混凝土中掺入适量的纤维，可以有效改善混凝土易开裂、抗拉性能差等缺点，使得混凝土性能得到有效提升[3]。目前，在工程中广泛使用的纤维有：钢纤维、碳纤维、聚丙烯纤维、玻璃纤维等，而玄武岩纤维良好的力学性能以及低廉的成本使其在众多纤维中脱颖而出[4～5]。

玄武岩纤维是一种新型混凝土增强材料，由纯天然的火山岩（含玄武岩）矿石经高温熔融后拉丝而成，是典型的硅酸盐纤维，具有性价比高、抗拉强度高、耐腐蚀、耐高温、抗裂性能好等优点，是其他纤维材料的良好替代[6]。玄武岩纤维混凝土是将短切玄武岩纤维均匀掺入到普通混凝土中制成的纤维增强水泥复合基材料。与普通混凝土相比，玄武岩纤维的合理掺入可以有效改善混凝土的抗压强度、抗弯强度、耐高温性等性能，因此玄武岩纤维混凝土具有较好的应用前景[2]。

2 玄武岩纤维混凝土基本力学性能研究

玄武岩纤维混凝土基本力学性能的研究是开展其他性能研究的基础，主要通过对玄武岩纤维混凝土进行相应力学性能试验，研究玄武岩纤维对混凝土抗压强度、抗折强度等力学性能的影响。本节通过对已有研究进行总结，阐明了玄武岩纤维对混凝土基本力学性能的影响。

目前玄武岩纤维混凝土基本力学性能的研究主要是以玄武岩纤维长度和体积掺量为变量进行研究。试验研究[7～10]发现，掺入玄武岩纤维可以提高混凝土的抗压强度、抗折强度和劈裂弯拉强度，而这些强度随着玄武岩纤维掺量的增加先增大后减小。玄武岩纤维具有最佳掺量，若掺入过量的玄武岩纤维将导致其增强效果降低。成涛华[8]等发现玄武岩纤维掺量为2.0kg/m3时抗压、劈裂抗拉、抗折强度增强效果最佳。而且，在研究玄武岩纤维长度对其力学性能的影响时发现，玄武岩纤维对抗压强度的影响随着纤维长度的增加而下降，劈裂弯拉强度则随着玄武岩纤维长度增加而下降，抗折强度则随着纤维长度的增加呈先增大后减小的趋势，其中玄武岩纤维长度为18mm时抗折强度最大。此外，试验研究还发现玄武岩纤维可以提高混凝土的抗裂性能及韧性，并能降低混凝土的刚度，同时还能够改善混凝土的破坏特征[9-11]。

综上，掺入适量的玄武岩纤维可以有效改善混凝土的抗压强度、抗折强度等力学性能。但目前研究结果不够统一，主要原因在于纤维掺量、试验方法等因素的影响，因此在以后的研究中需要根据具体条件，制定相应的试验方案，分析得出玄武岩纤维的最佳掺量、玄武岩纤维的最佳长度等指标，为今后该材料在工程中的使用提供理论依据。

3 玄武岩纤维混凝土冲击性能研究

混凝土结构在使用期间可能遭遇意外撞击，轻则导致结构发生局部损伤，严重时将导致结构倒塌等后果，带来不可挽回的损失。为保障混凝土在撞击状态下的安全性能，研究混凝土的冲击性能具有重要意义。目前已有学者采用SHPB试验或落锤冲击试验方法对玄武岩纤维混凝土的冲击性能进行了研究。本节对已有研究进行总结，阐明掺入玄武岩纤维对混凝土抗冲击性能的影响。

通过冲击试验发现，掺入玄武岩纤维可以提高混凝土的冲击韧性，冲击韧性随着玄武岩纤维掺量的增加呈先增大后减小的趋势，Weimin Li和赵庆新分别发现玄武岩纤维体积掺量为0.3%和0.36%时玄武岩纤维混凝土的冲击性能最佳[12～13]；对比试件的破坏特征、裂缝发展和最终破坏断口的形式，发现玄武岩纤维混凝土为塑性破坏，即掺入玄武岩纤维能够使混凝土有效吸收冲击能量，并且对混凝土具有增韧效果[13～14]。于泳[15]等人以玄武岩纤维体积掺量（0%、0.4%、0.6%、0.8%）及玄武岩纤维长度（6mm和18mm）为变量，研究了玄武岩纤维混凝土的抗冲击性能。研究发现，掺入玄武岩纤维可以提升混凝土冲击韧性，且冲击韧性随着纤维掺量的增加而变大；相同纤维掺量下，纤维长度为6mm的冲击性能优于长度为18mm的纤维混凝土。

综上，玄武岩纤维的掺入能够提高混凝土的冲击性能，但得出最佳纤维掺量不统一，通过对比分析发现此现象是由试验方法、混凝土配合比、玄武岩纤维掺量等因素造成的，在以后的试验中应加强相关因素的统一。此外，已有的研究多集中于纤维掺量对其冲击性能的影响，今后尚应开展应变率等因素对冲击性能影响的研究。

4 玄武岩纤维混凝土高温作用下力学性能研究

建筑物发生火灾时，高温会使混凝土结构内部发生损伤，导致混凝土结构承载力等性能降低，轻则造成混凝土结构局部损失，破坏严重时甚至影响整个结构，带来不可挽回的损失。为减轻火灾对结构的破坏，研究混凝土的高温性能尤为重要。由于玄武岩纤维自身具有较好的耐高温性，因此受到了学者的青睐。目前主要通过高温后玄武岩纤维混凝土的质量损失率、力学性能等进行测试，探究掺入玄武岩纤维对混凝土高温性能的影响。本节对已有研究进行总结，阐明掺入玄武岩纤维对混凝土高温性能的影响。

目前针对玄武岩纤维混凝土高温后力学性能的研究主要以玄武岩纤维长度为变量，研究不同温度对混凝土力学性能的影响。试验研究发现，掺入玄武岩纤维对混凝土质量损失影响较小，而混凝土的质量损失率随着温度的升高逐渐增大，温度为800℃时混凝土的质量损失最大[16]、[18]；混凝土的抗压强度随着温度的升高呈先增大后减小的趋势，温度为400℃时抗压强度达到峰值，高温后混凝土的抗压强度随着纤维掺量的增加也呈先增大后减小的趋势，其中赵燕茹和戎虎仁分别发现玄武岩纤维掺量为2.0kg/m3和体积掺量为0.4%时抗压强度最大，通过对比相同温度下抗压强度残余率，发现掺入玄武岩纤维可以提高混凝土的耐高温性能[16～18]；抗折强度则随着温度升高逐渐减小，且随着玄武岩纤维掺量的增加呈先增加后减小的趋势，其中当玄武岩纤维掺量为2.0kg/m3时抗折强度最大[16～17]；通过对比高温和玄武岩纤维掺量对混凝土力学性能的影响，发现高温对混凝土力学性能的影响更为明显[16]。此外，试验研究还发现掺入玄武岩纤维可以提高混凝土高温后的抗裂性能，减少混凝土高温爆裂现象[18]。

综上，玄武岩纤维的掺入能够提高混凝土的耐高温性能。但目前对玄武岩纤维混凝土高温作用下力学性能的研究多为针对抗压强度和抗折强度的研究，今后应开展针对其他性能的研究。同时，火场是一个多因素的复杂环境，研究若只考虑温度和纤维掺量的影响则过于单一，无法全面反映火场对玄武岩纤维混凝土强度的影响，在以后的试验中应考虑开展加热时间、加热速率等因素共同作用下的玄武岩纤维混凝土力学性能研究。

5 玄武岩纤维混凝土抗冻性能研究

在我国北方严寒地区，每年因冻融循环引起的混凝土劣化问题越来越多，为降低混凝土冻融引起的损失，开展混凝土的抗冻性能研究具有重要意义。目前主要通过测试一定次数冻融循环后，玄武岩纤维混凝土的相对动弹性模量、质量损失等参数，探究玄武岩纤维对混凝土抗冻性能的影响。本节对已有研究进行总结，阐明掺入玄武岩纤维对混凝土抗冻性能的影响。

通过在不同溶液中的冻融试验发现，掺入玄武岩纤维能够有效减缓混凝土相对动弹性模量的下降速度，且相对动弹性模量的下降速度随着纤维掺量增加而降低[19～21]。通过对比冻融过程中混凝土的抗折强度和抗压强度的衰减速度发现，掺入玄武岩纤维可以降低抗压强度和抗折强度的衰减速度，其中纤维掺量为0.15%～0.20%时混凝土的抗盐冻效果最佳[21]。此外，试验研究还发现玄武岩纤维和引气剂具有良好的相容性，在玄武岩纤维混凝土中加入引气剂可以进一步提高混凝土的抗冻性能[19]。

综上，玄武岩纤维的掺入可以提高混凝土的抗冻性能。但目前的研究主要针对玄武岩纤维混凝土冻融后的力学性能，今后应开展玄武岩纤维混凝土的抗冻机理和其他性能方面的研究。并且试验考虑的因素过于单一，今后的研究应尽可能综合考虑多种因素，探究多种因素共同作用对抗冻性能的影响。

6 玄武岩纤维混凝土抗腐蚀性能研究

混凝土腐蚀是引起混凝土耐久性劣化的重要原因之一，混凝土的腐蚀问题每年都会给我国带来巨大的经济损失。为降低混凝土腐蚀带来的经济损失，研究玄武岩纤维混凝土的抗腐蚀性能具有重要意义。本节对已有研究进行总结，阐明掺入玄武岩纤维对混凝土抗腐蚀性能的影响。

目前，有关玄武岩纤维混凝土抗腐蚀性能的研究主要是将混凝土试块浸泡在不同腐蚀溶液中一定时间，通过试验分析玄武岩纤维混凝土的抗腐蚀性能。试验研究发现，玄武岩纤维混凝土的抗压强度和抗折强度随着腐蚀溶液浓度增大而降低，在相同浓度的腐蚀溶液中抗压强度和抗折强度随着腐蚀时间的增长而降低。掺入玄武岩纤维可以提高腐蚀环境中混凝土的抗压强度和抗折强度，若掺入过量的玄武岩纤维将导致混凝土抗压强度和抗折强度的降低[22～23]。有研究者[24～25]将玄武岩纤维混凝土试块置入硫酸钠溶液中90d发现，掺入玄武岩纤维可以有效改善混凝土的抗裂性能，进而可以提高混凝土的抗腐蚀性能，此条件下玄武岩纤维体积掺量为0.1%时抗裂性能最好。同时将玄武岩纤维混凝土试块置入氯化钠溶液中90d、180d、270d，对比发现，掺入玄武岩纤维可以抑制混凝土早期裂缝的发展，随着腐蚀时间的增长，玄武岩纤维体积掺量为0.1%时抗裂性能最好。掺入适量的玄武岩纤维可以增强混凝土对硫酸钠和氯化钠的抗腐蚀性能。对经过腐蚀溶液浸泡的试块进行抗压试验发现，掺入玄武岩纤维可以提高混凝土的变形能力和极限承载力，玄武岩纤维体积掺量为0.1%时效果最佳[24～25]。

综上，玄武岩纤维的掺入可以提高混凝土的抗腐蚀性能。但目前的试验主要针对单一的腐蚀条件（如硫酸盐或氯盐腐蚀）开展相关研究，而对于两种及以上腐蚀物质混合溶液的研究较少，在今后应开展此方面的研究。此外，已有的研究多集中于纤维掺量对其腐蚀环境下力学性能的影响，今后应开展有害离子侵蚀和渗透能力等方面的研究。

7 玄武岩纤维混凝土构件的受力性能研究

与普通混凝土相比，玄武岩纤维混凝土具有较多优点，其优点可以弥补普通混凝土的缺点，因此玄武岩纤维混凝土得到学者们的关注。而玄武岩纤维混凝土在用于实际工程之前需要进行大量试验，以验证各种构件的受力性能，因此开展玄武岩纤维混凝土构件的受力性能研究，对促进玄武岩纤维混凝土在土木工程中的应用具有重要意义。本节通过对已有相关研究进行总结，阐述了玄武岩纤维对混凝土构件性能的影响。

7.1 梁的性能研究

谭智芳[26]等人以玄武岩纤维体积掺量（0%、0.2%、0.4%、0.6%）、玄武岩纤维长度（15mm和25mm）和纵筋配筋率为变量，对14根跨径为3m的试验梁进行受弯试验，研究发现掺入玄武岩纤维可以降低试验梁的最大裂缝宽度，同级荷载下最大裂缝宽度随着纤维掺量增加而减小。随着纵筋配筋率增大最大裂缝宽度逐渐减小。对比长度为15mm和25mm玄武岩纤维的阻裂性能发现，长度为15mm的玄武岩纤维具有更好的阻裂效果。

陈伟[27]等人以玄武岩纤维体积掺量（0%、0.1%、0.2%）及玄武岩纤维长度（12mm和30mm）为变量，对5根跨径为2.3mm的试验梁进行受剪试验，研究发现掺入玄武岩纤维可以提高试验梁的开裂荷载和极限荷载，且开裂荷载和极限荷载随着纤维体积掺量和纤维长度的增加而增大，掺入玄武岩纤维可以有效抑制裂缝的开展。

7.2 柱的性能研究

王新忠[28～29]等人，以玄武岩纤维长度（12mm和24mm）为变量，对纤维体积掺量为0.15%时纤维长度对短柱轴心受压性能和长柱偏心受压性能的影响。

长柱偏心受压性能试验结果表明，掺入玄武岩纤维可以提高长柱的受压极限承载力，其中对大偏心受压柱的极限承载力提升效果更为明显。掺入玄武岩纤维可以提高长柱的横向弯曲性能，且横向弯曲性能随着玄武岩纤维长度的增加而提升，纤维长度为24mm时横向弯曲性能最佳。

短柱轴心受压性能试验结果表明，掺入玄武岩纤维可以提高短柱的受压极限承载力，且受压极限承载力随着纤维长度的增加而降低，当纤维长度为12mm时其受压极限承载力最大，掺入玄武岩纤维可以提高短柱的延性。

综上，掺入玄武岩纤维能够提高混凝土梁和柱的受力性能。但目前针对玄武岩纤维混凝土构件的研究较少，以后应加强对玄武岩纤维混凝土构件的研究。此外，已有的研究多集中于玄武岩纤维混凝土构件的试验研究，今后应开展玄武岩纤维混凝土构件理论方面的研究。例如综合考虑各影响因素推导出构件的开裂荷载及极限荷载的计算公式，为今后玄武岩纤维混凝土在土木工程中的应用提供理论依据。

8 结语

我国科研人员紧跟国际学术前沿，目前已对玄武岩纤维混凝土进行了大量的研究，并取得了相应的成果，为今后玄武岩纤维混凝土的研究和应用奠定了坚实的基础。但目前已有的研究多集中于玄武岩纤维混凝土力学性能和耐久性能的研究，今后可在高强度和高性能玄武岩纤维混凝土、玄武岩纤维和其他纤维混杂后，混凝土的力学性能和耐久性能方面开展研究。此外，目前已开展的针对玄武岩纤维混凝土抗冻性、抗腐蚀性等耐久性能的试验研究，所考虑的影响因素过于单一，而实际应用时混凝土所处的环境一般为多因素控制，今后应开展多因素控制下耐久性能的研究。

此外，目前对玄武岩纤维混凝土梁和柱研究不多，且多集中于力学性能和变形性能方面的试验研究，今后可开展梁、柱破坏机理和极限承载力计算等方面的研究，也可开展抗冻性、耐腐蚀性等耐久性能方面的研究。将玄武岩纤维混凝土用于梁柱节点区，研究该材料在节点区复杂应力环境条件下的受力性能，也是今后的一个研究方向。