玄武巖纖維混凝土結構試驗研究綜述★

薛 鶴 王文銘 楊鵬輝 王 鈞

(東北林業大學，黑龍江 哈爾濱 150040)

0 引言

隨著建筑業的快速發展，建筑用地需求與實際可用地之間的不平衡逐漸增大，高層、大跨度、特種混凝土建筑迅速普及，人們對處于寒區、沿海等環境復雜建筑物的耐久性需求也日益提高。因此，新型混凝土材料不斷被開發與使用，在增強混凝土強度、滿足結構要求的同時，延長建筑的使用壽命。

然而，由于混凝土存在脆性大、抗拉強度低、易收縮、開裂等缺陷，會導致混凝土在實際工程中使用壽命降低。為提高混凝土抗拉能力，學者嘗試多種途徑，其中有研究表明，將鋼纖維、聚丙烯纖維、玄武巖纖維等摻入到混凝土中形成纖維混凝土，可有效改善混凝土抗裂能力，增強混凝土延性，減少裂縫的出現，降低裂縫的數量與寬度，從而提高混凝土的耐久性能[1]。

同時，鑒于玄武巖纖維力學性能良好，可提高混凝土抗裂、抗拉、抗壓、抗沖擊等性能，且成分、密度與混凝土相似，玄武巖纖維混凝土和易性比其他纖維混凝土較好[2]，促使玄武巖纖維在眾多纖維中脫穎而出。

玄武巖纖維是一種無環境污染的綠色健康纖維產品，可響應國家綠色、協調的發展理念，減少因新材料使用對自然環境產生的危害，更有利于建設可持續性發展的社會。

因此，玄武巖纖維近年來逐漸引起人們的重視，在工程結構中的推廣也具有重要意義。為探討玄武巖纖維混凝土構件在不同試驗中對結構受力性能的影響，國內外學者對玄武巖纖維混凝土做了大量的研究[1-4]。

1 玄武巖纖維混凝土應用

將適量的短切玄武巖纖維均勻摻加到混凝土中形成的玄武巖纖維混凝土(Basalt Fiber Reinforced Concrete,BFRC)，在工程中可具有廣泛的應用范圍。

研究表明：玄武巖纖維自身化學性能穩定、耐腐蝕性強，使玄武巖纖維混凝土在長期處于高濕度、酸、堿、鹽類等介質復雜的環境中，仍可保持自身穩定性，延緩裂縫的發展，降低鋼筋銹蝕的程度，可應用于堤壩、港口深水碼頭、跨海大橋等工程建筑中。

玄武巖纖維具有良好的防水性、抗滲性、抗凍性，可適用于高原、寒區的橋面混凝土現澆層、高速公路路面、機場跑道等道路工程和水庫壩面、水處理廠水池等對混凝土的防滲、抗裂要求較高的工程中[5，6]。

同時，玄武巖纖維的適用溫度范圍廣，其優異的耐高溫性可在核能發電場、金屬冶煉場、水電站等常處于高溫狀態下的特種混凝土工程中發揮優異的使用價值，保證建筑的安全性，減少建筑物在應用過程中的維修頻率，降低長期使用后混凝土重建的概率[7，8]。

玄武巖纖維混凝土可適應多種環境耦合的復雜惡劣工作環境，并涉及不同的工程應用領域。因此，基于分析不同受力狀態下玄武巖纖維混凝土理論研究與試驗結果，拓展更多玄武巖纖維混凝土構件的研究方向，可成為玄武巖纖維混凝土在結構工程中實踐的基礎。

2 玄武巖纖維混凝土梁研究

目前，國內外對玄武巖纖維混凝土水平構件的研究，主要以玄武巖纖維影響梁受彎性能為主。相關研究結果顯示，在研究玄武巖纖維對混凝土梁正截面承載力等性能影響的試驗時，常以玄武巖纖維的體積摻量、長度為變量，同時賦予試件不同的混凝土強度等級與混凝土種類等常量參數，分析玄武巖纖維混凝土梁受力性能的改善情況，并確定其最佳參數。

譚智芳[9]以玄武巖纖維長度為15 mm，25 mm，體積摻量為0，0.2%，0.4%，0.6%為變量，對14根C30的BFRC梁進行了抗彎性能研究。研究結果表明：隨著玄武巖纖維體積摻量的增大，梁開裂彎矩增大幅度較為明顯。當玄武巖纖維長度為25 mm、體積摻量為0.6%時，較基礎對照組，梁開裂彎矩提高最大，可增幅18%。此外，梁的變形和最大裂縫寬度在整體上均有降低趨勢，梁撓度降低幅度集中在10%～20%之間，最高達25%。

隨著纖維長度的增大，梁在受力過程中的撓度變形逐漸減弱，變形減少幅度最大為16%，同時，其正截面承載力、開裂彎矩值均有一定幅度的提高。摻有體積摻量0.4%、長度25 mm玄武巖纖維的試驗梁較摻量不變、長度為15 mm的構件，在受力時開裂彎矩有提升，最大可提高15%。

葉煥軍[10]以玄武巖纖維長度和體積摻量為主要變量，通過5根C40 玄武巖纖維混凝土梁的受彎性能試驗進行研究。其結果顯示：玄武巖纖維的摻入，一定程度上改善梁的開裂狀況，延緩混凝土內部微裂縫的開展，減小裂縫的最大寬度。同時，隨著玄武巖纖維體積摻量的增大、長徑比的增加，玄武巖纖維混凝土梁的極限承載力有所提高。

匡景瑞[11]對8根不同纖維體積摻量的C40自密實混凝土梁進行抗彎性能研究。數據統計結果顯示：纖維的摻入對于試驗梁正截面極限承載力提高幅度不大，對梁的抗彎剛度有一定程度的提高，當玄武巖纖維摻量0.3%時，裂縫寬度的降低效果達到最優的同時，試驗梁抗彎剛度提高幅度最大，達18.4%。

通過分析不同玄武巖纖維混凝土梁的試驗結果，纖維與混凝土的結合可整體提高抗拉能力，推遲梁在受彎過程中初始裂縫的形成，延緩裂縫的擴展速度，進而縮小混凝土裂縫的最大寬度，并降低梁達到極限承載力時的整體變形幅度。

纖維的體積摻量與長度均會一定程度地影響梁承載力、裂縫寬度及變形能力，且不同試驗得出的參數影響梁受力性能的趨勢大致相同。然而，由于不同試驗選用的混凝土強度等級及種類與纖維的選取等常量參數存在差異，使玄武巖纖維體積摻量或長度等變量對研究對象性能的影響有所差異，影響的幅度也有所波動。

3 玄武巖纖維混凝土柱研究

現階段，針對玄武巖纖維混凝土柱受壓試驗的研究相對較少，可根據柱長細比的劃分，分為玄武巖纖維混凝土短柱、長柱受力性能試驗。前者以侯敏、王新忠、夏海濤的短柱軸心受壓試驗為主，且研究對象的混凝土分別為玄武巖纖維再生混凝土、普通混凝土及高強混凝土；后者以王新忠對玄武巖纖維混凝土長柱偏心受壓的試驗研究為代表。

3.1 短柱

侯敏等[12]探討以再生骨料取代率、柱截面形式及纖維體積質量分數為變量，玄武巖纖維對再生混凝土短柱軸壓力學性能的影響，結果表明，玄武巖纖維再生混凝土可有效提升再生混凝土短柱的力學性能，并且增強效果要優于普通混凝土。當再生骨料取代率100%、圓形截面的條件下，摻有4 kg/m3玄武巖纖維增強再生混凝土短柱，較零摻量再生混凝土短柱的軸心受壓承載力可最大提高96%。

王新忠等[13]研究了纖維體積摻量1.5%時短柱軸心受壓性能與纖維長度12 mm，24 mm因素之間的關系，得到當纖維長度12 mm時，玄武巖纖維混凝土短柱的延性有所提高，且軸心受壓極限承載能力最大可提升28%。

夏海濤等[14]對不同玄武巖纖維摻量的素混凝土短柱進行軸心受壓試驗，數據統計表明，玄武巖纖維髙強混凝土柱的抗裂、抗壓能力隨玄武巖纖維體積摻量的增大而增強，當玄武巖纖維體積摻量1.5%時，抗壓強度可增強11.43%。

3.2 長柱

王新忠[15]以12 mm，24 mm的玄武巖纖維長度和20 mm，60 mm的偏心距為變量，研究纖維體積摻量1.5%時不同變量對長柱偏心受壓性能的影響，試驗數據綜合顯示，摻加玄武巖纖維的鋼筋混凝土長柱偏心受壓極限承載力有明顯提高，當摻入玄武巖纖維的長度4 mm時，小偏心、大偏心受壓試驗的極限承載力最大可分別提高13%，41%。

在研究玄武巖纖維不同混凝土柱軸心、偏心受壓狀態下的試驗中，玄武巖纖維長度、體積摻量幾乎均作為主要變量，去研討玄武巖纖維對混凝土柱受力性能的影響。在實際應用中，建筑結構的長柱往往處于偏心受壓的受力狀態。然而，針對柱受力性能試驗中，玄武巖纖維混凝土長柱的受壓試驗與分析相對較少。因此，為豐富柱相關試驗成果，為玄武巖纖維混凝土柱的實際應用提供理論基礎，研究玄武巖纖維混凝土長柱偏心、軸心受壓的試驗是很有必要的。

4 結論與展望

目前國內對玄武巖纖維混凝土在實際工程中的應用還處于起步階段，尚有問題需要研究與探索，缺少大量試驗成果的支撐。因此，有關玄武巖纖維混凝土構件的試驗尚應進一步拓展。

可將玄武巖纖維與高性能混凝土相結合，通過改變高性能混凝土強度等級、纖維摻量、長度、構件尺度大小等因素，從相同參數角度對不同結構構件受力影響的不同進行理論分析與試驗研究。

1)以玄武巖纖維體積摻量、長度、柱長細比、偏心距為變量，研究玄武巖纖維改性高強自密實混凝土柱受壓性能影響的試驗與有限元分析。

2)研究玄武巖纖維體積摻量、長度、混凝土強度等級等因素，影響玄武巖纖維改性自密實混凝土板除抗爆性外受力性能的作用，并確定最佳參數組合。

通過更廣泛有創新性的玄武巖纖維混凝土構件理論與實踐研究，為玄武巖纖維混凝土的應用實踐提供有力的參考依據，從而快速推動玄武巖纖維混凝土在不同工程領域的發展。

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