玄武巖纖維混凝土及其構件的基本性能研究進展

馬琤飛，李志華 （揚州大學建筑科學與工程學院，江蘇 揚州 225127）

1 引言

混凝土由于施工工藝簡單、整體性好、材料來源廣等優點，被廣泛使用于各類工程領域[1]。但隨著社會的發展和科技的進步，各類工程對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、易開裂等缺點也限制其在工程領域的使用[2]。近年來專家學者通過研究發現，在混凝土中摻入適量的纖維，可以有效改善混凝土易開裂、抗拉性能差等缺點，使得混凝土性能得到有效提升[3]。目前，在工程中廣泛使用的纖維有：鋼纖維、碳纖維、聚丙烯纖維、玻璃纖維等，而玄武巖纖維良好的力學性能以及低廉的成本使其在眾多纖維中脫穎而出[4～5]。

玄武巖纖維是一種新型混凝土增強材料，由純天然的火山巖（含玄武巖）礦石經高溫熔融后拉絲而成，是典型的硅酸鹽纖維，具有性價比高、抗拉強度高、耐腐蝕、耐高溫、抗裂性能好等優點，是其他纖維材料的良好替代[6]。玄武巖纖維混凝土是將短切玄武巖纖維均勻摻入到普通混凝土中制成的纖維增強水泥復合基材料。與普通混凝土相比，玄武巖纖維的合理摻入可以有效改善混凝土的抗壓強度、抗彎強度、耐高溫性等性能，因此玄武巖纖維混凝土具有較好的應用前景[2]。

2 玄武巖纖維混凝土基本力學性能研究

玄武巖纖維混凝土基本力學性能的研究是開展其他性能研究的基礎，主要通過對玄武巖纖維混凝土進行相應力學性能試驗，研究玄武巖纖維對混凝土抗壓強度、抗折強度等力學性能的影響。本節通過對已有研究進行總結，闡明了玄武巖纖維對混凝土基本力學性能的影響。

目前玄武巖纖維混凝土基本力學性能的研究主要是以玄武巖纖維長度和體積摻量為變量進行研究。試驗研究[7～10]發現，摻入玄武巖纖維可以提高混凝土的抗壓強度、抗折強度和劈裂彎拉強度，而這些強度隨著玄武巖纖維摻量的增加先增大后減小。玄武巖纖維具有最佳摻量，若摻入過量的玄武巖纖維將導致其增強效果降低。成濤華[8]等發現玄武巖纖維摻量為2.0kg/m3時抗壓、劈裂抗拉、抗折強度增強效果最佳。而且，在研究玄武巖纖維長度對其力學性能的影響時發現，玄武巖纖維對抗壓強度的影響隨著纖維長度的增加而下降，劈裂彎拉強度則隨著玄武巖纖維長度增加而下降，抗折強度則隨著纖維長度的增加呈先增大后減小的趨勢，其中玄武巖纖維長度為18mm時抗折強度最大。此外，試驗研究還發現玄武巖纖維可以提高混凝土的抗裂性能及韌性，并能降低混凝土的剛度，同時還能夠改善混凝土的破壞特征[9-11]。

綜上，摻入適量的玄武巖纖維可以有效改善混凝土的抗壓強度、抗折強度等力學性能。但目前研究結果不夠統一，主要原因在于纖維摻量、試驗方法等因素的影響，因此在以后的研究中需要根據具體條件，制定相應的試驗方案，分析得出玄武巖纖維的最佳摻量、玄武巖纖維的最佳長度等指標，為今后該材料在工程中的使用提供理論依據。

3 玄武巖纖維混凝土沖擊性能研究

混凝土結構在使用期間可能遭遇意外撞擊，輕則導致結構發生局部損傷，嚴重時將導致結構倒塌等后果，帶來不可挽回的損失。為保障混凝土在撞擊狀態下的安全性能，研究混凝土的沖擊性能具有重要意義。目前已有學者采用SHPB試驗或落錘沖擊試驗方法對玄武巖纖維混凝土的沖擊性能進行了研究。本節對已有研究進行總結，闡明摻入玄武巖纖維對混凝土抗沖擊性能的影響。

通過沖擊試驗發現，摻入玄武巖纖維可以提高混凝土的沖擊韌性，沖擊韌性隨著玄武巖纖維摻量的增加呈先增大后減小的趨勢，Weimin Li和趙慶新分別發現玄武巖纖維體積摻量為0.3%和0.36%時玄武巖纖維混凝土的沖擊性能最佳[12～13]；對比試件的破壞特征、裂縫發展和最終破壞斷口的形式，發現玄武巖纖維混凝土為塑性破壞，即摻入玄武巖纖維能夠使混凝土有效吸收沖擊能量，并且對混凝土具有增韌效果[13～14]。于泳[15]等人以玄武巖纖維體積摻量（0%、0.4%、0.6%、0.8%）及玄武巖纖維長度（6mm和18mm）為變量，研究了玄武巖纖維混凝土的抗沖擊性能。研究發現，摻入玄武巖纖維可以提升混凝土沖擊韌性，且沖擊韌性隨著纖維摻量的增加而變大；相同纖維摻量下，纖維長度為6mm的沖擊性能優于長度為18mm的纖維混凝土。

綜上，玄武巖纖維的摻入能夠提高混凝土的沖擊性能，但得出最佳纖維摻量不統一，通過對比分析發現此現象是由試驗方法、混凝土配合比、玄武巖纖維摻量等因素造成的，在以后的試驗中應加強相關因素的統一。此外，已有的研究多集中于纖維摻量對其沖擊性能的影響，今后尚應開展應變率等因素對沖擊性能影響的研究。

4 玄武巖纖維混凝土高溫作用下力學性能研究

建筑物發生火災時，高溫會使混凝土結構內部發生損傷，導致混凝土結構承載力等性能降低，輕則造成混凝土結構局部損失，破壞嚴重時甚至影響整個結構，帶來不可挽回的損失。為減輕火災對結構的破壞，研究混凝土的高溫性能尤為重要。由于玄武巖纖維自身具有較好的耐高溫性，因此受到了學者的青睞。目前主要通過高溫后玄武巖纖維混凝土的質量損失率、力學性能等進行測試，探究摻入玄武巖纖維對混凝土高溫性能的影響。本節對已有研究進行總結，闡明摻入玄武巖纖維對混凝土高溫性能的影響。

目前針對玄武巖纖維混凝土高溫后力學性能的研究主要以玄武巖纖維長度為變量，研究不同溫度對混凝土力學性能的影響。試驗研究發現，摻入玄武巖纖維對混凝土質量損失影響較小，而混凝土的質量損失率隨著溫度的升高逐漸增大，溫度為800℃時混凝土的質量損失最大[16]、[18]；混凝土的抗壓強度隨著溫度的升高呈先增大后減小的趨勢，溫度為400℃時抗壓強度達到峰值，高溫后混凝土的抗壓強度隨著纖維摻量的增加也呈先增大后減小的趨勢，其中趙燕茹和戎虎仁分別發現玄武巖纖維摻量為2.0kg/m3和體積摻量為0.4%時抗壓強度最大，通過對比相同溫度下抗壓強度殘余率，發現摻入玄武巖纖維可以提高混凝土的耐高溫性能[16～18]；抗折強度則隨著溫度升高逐漸減小，且隨著玄武巖纖維摻量的增加呈先增加后減小的趨勢，其中當玄武巖纖維摻量為2.0kg/m3時抗折強度最大[16～17]；通過對比高溫和玄武巖纖維摻量對混凝土力學性能的影響，發現高溫對混凝土力學性能的影響更為明顯[16]。此外，試驗研究還發現摻入玄武巖纖維可以提高混凝土高溫后的抗裂性能，減少混凝土高溫爆裂現象[18]。

綜上，玄武巖纖維的摻入能夠提高混凝土的耐高溫性能。但目前對玄武巖纖維混凝土高溫作用下力學性能的研究多為針對抗壓強度和抗折強度的研究，今后應開展針對其他性能的研究。同時，火場是一個多因素的復雜環境，研究若只考慮溫度和纖維摻量的影響則過于單一，無法全面反映火場對玄武巖纖維混凝土強度的影響，在以后的試驗中應考慮開展加熱時間、加熱速率等因素共同作用下的玄武巖纖維混凝土力學性能研究。

5 玄武巖纖維混凝土抗凍性能研究

在我國北方嚴寒地區，每年因凍融循環引起的混凝土劣化問題越來越多，為降低混凝土凍融引起的損失，開展混凝土的抗凍性能研究具有重要意義。目前主要通過測試一定次數凍融循環后，玄武巖纖維混凝土的相對動彈性模量、質量損失等參數，探究玄武巖纖維對混凝土抗凍性能的影響。本節對已有研究進行總結，闡明摻入玄武巖纖維對混凝土抗凍性能的影響。

通過在不同溶液中的凍融試驗發現，摻入玄武巖纖維能夠有效減緩混凝土相對動彈性模量的下降速度，且相對動彈性模量的下降速度隨著纖維摻量增加而降低[19～21]。通過對比凍融過程中混凝土的抗折強度和抗壓強度的衰減速度發現，摻入玄武巖纖維可以降低抗壓強度和抗折強度的衰減速度，其中纖維摻量為0.15%～0.20%時混凝土的抗鹽凍效果最佳[21]。此外，試驗研究還發現玄武巖纖維和引氣劑具有良好的相容性，在玄武巖纖維混凝土中加入引氣劑可以進一步提高混凝土的抗凍性能[19]。

綜上，玄武巖纖維的摻入可以提高混凝土的抗凍性能。但目前的研究主要針對玄武巖纖維混凝土凍融后的力學性能，今后應開展玄武巖纖維混凝土的抗凍機理和其他性能方面的研究。并且試驗考慮的因素過于單一，今后的研究應盡可能綜合考慮多種因素，探究多種因素共同作用對抗凍性能的影響。

6 玄武巖纖維混凝土抗腐蝕性能研究

混凝土腐蝕是引起混凝土耐久性劣化的重要原因之一，混凝土的腐蝕問題每年都會給我國帶來巨大的經濟損失。為降低混凝土腐蝕帶來的經濟損失，研究玄武巖纖維混凝土的抗腐蝕性能具有重要意義。本節對已有研究進行總結，闡明摻入玄武巖纖維對混凝土抗腐蝕性能的影響。

目前，有關玄武巖纖維混凝土抗腐蝕性能的研究主要是將混凝土試塊浸泡在不同腐蝕溶液中一定時間，通過試驗分析玄武巖纖維混凝土的抗腐蝕性能。試驗研究發現，玄武巖纖維混凝土的抗壓強度和抗折強度隨著腐蝕溶液濃度增大而降低，在相同濃度的腐蝕溶液中抗壓強度和抗折強度隨著腐蝕時間的增長而降低。摻入玄武巖纖維可以提高腐蝕環境中混凝土的抗壓強度和抗折強度，若摻入過量的玄武巖纖維將導致混凝土抗壓強度和抗折強度的降低[22～23]。有研究者[24～25]將玄武巖纖維混凝土試塊置入硫酸鈉溶液中90d發現，摻入玄武巖纖維可以有效改善混凝土的抗裂性能，進而可以提高混凝土的抗腐蝕性能，此條件下玄武巖纖維體積摻量為0.1%時抗裂性能最好。同時將玄武巖纖維混凝土試塊置入氯化鈉溶液中90d、180d、270d，對比發現，摻入玄武巖纖維可以抑制混凝土早期裂縫的發展，隨著腐蝕時間的增長，玄武巖纖維體積摻量為0.1%時抗裂性能最好。摻入適量的玄武巖纖維可以增強混凝土對硫酸鈉和氯化鈉的抗腐蝕性能。對經過腐蝕溶液浸泡的試塊進行抗壓試驗發現，摻入玄武巖纖維可以提高混凝土的變形能力和極限承載力，玄武巖纖維體積摻量為0.1%時效果最佳[24～25]。

綜上，玄武巖纖維的摻入可以提高混凝土的抗腐蝕性能。但目前的試驗主要針對單一的腐蝕條件（如硫酸鹽或氯鹽腐蝕）開展相關研究，而對于兩種及以上腐蝕物質混合溶液的研究較少，在今后應開展此方面的研究。此外，已有的研究多集中于纖維摻量對其腐蝕環境下力學性能的影響，今后應開展有害離子侵蝕和滲透能力等方面的研究。

7 玄武巖纖維混凝土構件的受力性能研究

與普通混凝土相比，玄武巖纖維混凝土具有較多優點，其優點可以彌補普通混凝土的缺點，因此玄武巖纖維混凝土得到學者們的關注。而玄武巖纖維混凝土在用于實際工程之前需要進行大量試驗，以驗證各種構件的受力性能，因此開展玄武巖纖維混凝土構件的受力性能研究，對促進玄武巖纖維混凝土在土木工程中的應用具有重要意義。本節通過對已有相關研究進行總結，闡述了玄武巖纖維對混凝土構件性能的影響。

7.1 梁的性能研究

譚智芳[26]等人以玄武巖纖維體積摻量（0%、0.2%、0.4%、0.6%）、玄武巖纖維長度（15mm和25mm）和縱筋配筋率為變量，對14根跨徑為3m的試驗梁進行受彎試驗，研究發現摻入玄武巖纖維可以降低試驗梁的最大裂縫寬度，同級荷載下最大裂縫寬度隨著纖維摻量增加而減小。隨著縱筋配筋率增大最大裂縫寬度逐漸減小。對比長度為15mm和25mm玄武巖纖維的阻裂性能發現，長度為15mm的玄武巖纖維具有更好的阻裂效果。

陳偉[27]等人以玄武巖纖維體積摻量（0%、0.1%、0.2%）及玄武巖纖維長度（12mm和30mm）為變量，對5根跨徑為2.3mm的試驗梁進行受剪試驗，研究發現摻入玄武巖纖維可以提高試驗梁的開裂荷載和極限荷載，且開裂荷載和極限荷載隨著纖維體積摻量和纖維長度的增加而增大，摻入玄武巖纖維可以有效抑制裂縫的開展。

7.2 柱的性能研究

王新忠[28～29]等人，以玄武巖纖維長度（12mm和24mm）為變量，對纖維體積摻量為0.15%時纖維長度對短柱軸心受壓性能和長柱偏心受壓性能的影響。

長柱偏心受壓性能試驗結果表明，摻入玄武巖纖維可以提高長柱的受壓極限承載力，其中對大偏心受壓柱的極限承載力提升效果更為明顯。摻入玄武巖纖維可以提高長柱的橫向彎曲性能，且橫向彎曲性能隨著玄武巖纖維長度的增加而提升，纖維長度為24mm時橫向彎曲性能最佳。

短柱軸心受壓性能試驗結果表明，摻入玄武巖纖維可以提高短柱的受壓極限承載力，且受壓極限承載力隨著纖維長度的增加而降低，當纖維長度為12mm時其受壓極限承載力最大，摻入玄武巖纖維可以提高短柱的延性。

綜上，摻入玄武巖纖維能夠提高混凝土梁和柱的受力性能。但目前針對玄武巖纖維混凝土構件的研究較少，以后應加強對玄武巖纖維混凝土構件的研究。此外，已有的研究多集中于玄武巖纖維混凝土構件的試驗研究，今后應開展玄武巖纖維混凝土構件理論方面的研究。例如綜合考慮各影響因素推導出構件的開裂荷載及極限荷載的計算公式，為今后玄武巖纖維混凝土在土木工程中的應用提供理論依據。

8 結語

我國科研人員緊跟國際學術前沿，目前已對玄武巖纖維混凝土進行了大量的研究，并取得了相應的成果，為今后玄武巖纖維混凝土的研究和應用奠定了堅實的基礎。但目前已有的研究多集中于玄武巖纖維混凝土力學性能和耐久性能的研究，今后可在高強度和高性能玄武巖纖維混凝土、玄武巖纖維和其他纖維混雜后，混凝土的力學性能和耐久性能方面開展研究。此外，目前已開展的針對玄武巖纖維混凝土抗凍性、抗腐蝕性等耐久性能的試驗研究，所考慮的影響因素過于單一，而實際應用時混凝土所處的環境一般為多因素控制，今后應開展多因素控制下耐久性能的研究。

此外，目前對玄武巖纖維混凝土梁和柱研究不多，且多集中于力學性能和變形性能方面的試驗研究，今后可開展梁、柱破壞機理和極限承載力計算等方面的研究，也可開展抗凍性、耐腐蝕性等耐久性能方面的研究。將玄武巖纖維混凝土用于梁柱節點區，研究該材料在節點區復雜應力環境條件下的受力性能，也是今后的一個研究方向。