玄武巖纖維混凝土的研究現(xiàn)狀及發(fā)展*

蔣威，張智雅，嚴寒，楊金，許陳聰，賈思寧

（南京工程學(xué)院 建筑工程學(xué)院 江蘇 南京 211167）

0 引言

近年來，隨著混凝土技術(shù)不斷改進，纖維混凝土在土木工程領(lǐng)域得到了更多的應(yīng)用，逐漸替代鋼筋混凝土。玄武巖纖維（Basalt Fiber,簡稱BF）因為其低廉的價格以及突出的性能而備受青睞。玄武巖纖維具有的絕緣性是較多玻璃纖維所不具備的特性，使得其在電力方面有著良好的應(yīng)用。在土木工程方面，在素混凝土中摻入一定量的短切玄武巖纖維，可以有效改善素混凝土的脆性問題，顯著加強素混凝土抗壓、抗拉以及抗折等力學(xué)性能。同時，玄武巖纖維具有良好的耐腐蝕性，突出的耐高溫性以及抗凍性，并且玄武巖纖維與素混凝土密度接近，所以玄武巖纖維能與混凝土更好地結(jié)合。到目前為止，在土木工程領(lǐng)域玄武巖纖維的應(yīng)用還處于探索階段，但前途不可估量。擬對玄武巖纖維混凝土的性能進行粗略整合，并結(jié)合玄武巖纖維混凝土研究現(xiàn)狀，提出一些玄武巖纖維混凝土未來的發(fā)展方向，從而推動玄武巖纖維混凝土在土木工程領(lǐng)域能有更好地發(fā)展。

1 玄武巖纖維混凝土力學(xué)性能國內(nèi)研究現(xiàn)狀

1.1 玄武巖纖維摻量對靜態(tài)力學(xué)的影響

潘慧敏[1]通過試驗發(fā)現(xiàn)：隨著玄武巖纖維的摻入，混凝土的抗拉壓強度均得到一定程度的增強，但并非成線性增長，達到增強臨界值之后繼續(xù)摻入玄武巖纖維，抗拉壓強度呈下降趨勢。摻量在2.0～2.5kg/m3后，抗壓、抗拉強度逐漸下降，由此可知，增強抗拉壓強度的最適纖維摻量為2.0～2.5kg/m3。纖維的摻入使得混凝土的延性得到增強，同時促使混凝土由脆性破壞轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄云茐摹?/p>

陳峰[2]等探究玄武巖纖維自身變量對素混凝土力學(xué)性能的增益效果。當玄武巖纖維的摻量為1.2kg/m3時，混凝土各齡期抗壓強度和劈裂抗拉強度均有不同程度的提高；其中3d時混凝土抗壓強度提升較大，28d時劈裂抗拉強度增幅較大。通過多組試驗得出影響玄武纖維巖混凝土抗壓強度和劈拉強度主要因素是纖維摻量，次要因素為纖維長度和直徑。

張?zhí)m芳等[3]探究玄武巖纖維混凝土力學(xué)性能達到最佳所需條件，實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)：

（1）將較低含量的玄武巖纖維摻入混凝土中，混凝土的抗壓強度無顯著變化。但隨著巖纖維摻量的不斷增加，混凝土28d折壓比、拉壓比隨之不斷提高。當玄武巖纖維摻量為0.10%時，混凝土的拉壓比提高了27.2%，當纖維摻量為0.15%時，混凝土的折壓比提高值為13.5%

（2） 當玄武巖纖維的摻量滿足在0.3%以內(nèi)條件時，混凝土各齡期的抗壓、抗拉強度都能得到明顯的增強。但當玄武巖纖維的摻入量超過0.3%這一臨界值時，混凝土28d的抗拉、抗壓強度均有下降，且纖維摻量越大，強度下降越明顯。綜上可見，在混凝土中適量摻入玄武巖纖維，在一定程度上可以提高混凝土的諸多性能。但達到纖維摻量臨界值時，效果反而適得其反。

王兆等[4]研究了不同玄武巖纖維摻量對混凝土力學(xué)性能的影響，試驗中采用的是直徑為15um，長度為20mm玄武巖纖維單絲，并且通過實驗發(fā)現(xiàn)當纖維摻量為3kg/m3時對玄武巖纖維混凝土抗折高率最大可達到21.3%。玄武纖維混凝土的抗拉強度的提高率為23.9%。此時的抗折、抗拉性能都達到最佳。據(jù)此得出3kg/m3是使其抗拉、抗折強度得到提升的最佳摻量。

林志龍等[5]通過試驗發(fā)現(xiàn)，由于短切纖維的加入，混凝土的抗折強度在纖維摻量為1.35kg/m3內(nèi)隨纖維摻量的增加而增強，當纖維摻量大于1.35Kg/m3后，混凝土的抗折強度開始下降，當纖維摻量大于6.75kg/m3后，玄武巖纖維混凝土的抗折強度與素混凝土的抗折強度相差不多。據(jù)此得出摻量為1.35Kg/m3時，混凝土的抗折強度最大。

蔣喆[6]對玄武巖纖維改善混凝土的性能進行了試驗探究,發(fā)現(xiàn):經(jīng)過28d混凝土抗壓以及劈裂抗拉強度檢測，隨著玄武巖纖維的摻入，混凝土的抗壓強度會有一定程度的損失但劈裂抗拉強度有了顯著地提升。當達到摻量臨界值時，抗壓強度以及劈裂抗拉強度均會產(chǎn)生下降。

王炅[7]從纖維混凝土增強機理方面分析了玄武巖纖維混凝土對混凝土抗壓以及劈裂抗拉這兩方面的增益效果，發(fā)現(xiàn)摻入一定量的玄武巖纖維有效地減少了混凝土的自身變形從而能夠提高混凝土的強度，摻入在0.10%～0.15%時，效果最明顯。同時發(fā)現(xiàn)在混凝土路面工程中摻入短切玄武巖纖維能夠增強混凝土的韌性以及延性，可以減少路面的開裂。

趙星等[8]通過試驗研究得到玄武巖纖維能提高泡沫混凝土早期的抗壓強度和抗折強度且抗壓強度和抗折強度均隨著玄武纖維摻量的增加而增加。

彭苗等[9]通過試驗得出結(jié)論，摻入玄武巖纖維能明顯提高混凝土劈裂強度。當摻量滿足在0～5kg/m3范圍內(nèi)時，混凝土劈裂強度和纖維摻量基本滿足線性增加關(guān)系。當摻量達到4kg/m3時混凝土劈裂強度略有下降。由此可見，玄武纖維的摻量最好控制在0～4kg/m3范圍內(nèi)。

成濤華等[10]通過研究纖維摻量對混凝土影響時發(fā)現(xiàn)，混凝土的抗彎曲性能會隨玄武巖纖維的摻入而得到明顯改善。試驗結(jié)果表明，在混凝土中摻入含量為0.5%的纖維，混凝土的抗彎性能能達到最佳狀態(tài)。但是隨著纖維摻量的增多可能會導(dǎo)致纖維分布不均勻，造成結(jié)團，之后纖維對混凝土的增強作用逐漸減弱。當摻入纖維含量在0～0.2%范圍內(nèi)，12mm長纖維使得混凝土的抗折強度相對素混凝土提高8.6%～15.7%，18mm長纖維使得纖維混凝土抗折強度相對素混凝土提高14.3%～17.1%，24mm長纖維使得混凝土抗折強度相對素混凝土提高8.6%～15.7%。由此可見，摻入混凝土的最佳玄武巖纖維長度為18mm。

常洪雷等[11]研究了高性能混凝土抗裂性和抗壓強度是否隨纖維的摻入而增強。通過試驗研究發(fā)現(xiàn)，摻入一定量的纖維對高性能混凝土的強度提升并無較大影響，但能夠使高性能混凝土的早期抗裂性得到明顯增強。

賀東青等[12]通過試驗研究玄武巖纖維對混凝土性能影響，根據(jù)試驗得出，當摻入體積含量為1%的玄武巖纖維時，彎曲韌性較基準混凝土提升5.6倍，玄武巖纖維混凝土試塊的拉彎強度較基準混凝土提升了61.4%。據(jù)此得出結(jié)論：玄武巖纖維能使混凝土的彎曲韌性以及拉彎強度得到明顯改善。

1.2 玄武巖纖維摻量對抗動態(tài)沖擊性能的影響

楊進勇等[13]研究了玄武巖纖維在沖擊壓縮下對混凝土的影響,結(jié)果表明:

（1） 在應(yīng)變范圍為0～0.0020時，玄武巖纖維摻量分別為0、0.1%、0.2%、0.3%共計4組，其中摻量為20%的混凝土韌性提高最顯著。

(2） 在應(yīng)變范圍在0～005時，素混凝土的韌性要好于摻入不同含量的玄武巖纖維混凝土。特別地，無論在什么應(yīng)變范圍內(nèi)，摻量為0.3%的玄武巖纖維混凝土的韌性都是最差的。

趙慶新等[14]通過研究玄武巖纖維增強混凝土的抗沖擊韌性，表明在混凝土中摻入一定量的玄武巖纖維，等效于添加微觀筋的作用從而粘接性加強，沖擊韌性能夠得到顯著提高。并得出以下結(jié)論：

（1）相較于基準混凝土，當玄武巖纖維混凝土達到破壞臨界值時損變量提高40%～83%。

（2） 當纖維質(zhì)量比為0.36%時沖擊韌性提高了接近2倍。

鄧宗才等[15]研究混凝土的抗彎沖擊性能受玄武巖摻量的影響，根據(jù)試驗結(jié)果得出，當摻入0.1%的玄武巖纖維時，相較于素混凝土，玄武巖纖維混凝土抗彎沖擊的破壞沖擊次數(shù)提高了40%，由此可見，摻入適量的玄武巖纖維能顯著增強混凝土的抗彎沖擊性能。

李為民等[16]研究玄武巖纖維摻量對玄武巖纖維混凝土變形能力及抗折強度的影響，試驗結(jié)果表明：當纖維體積摻量分別為0.1%、0.2%、0.3%時，玄武巖纖維混凝土變形能力不同。摻量為0.1%時變形能力較好，摻量為0.2%、0.3%時玄武纖維混凝土變形能力基本沒有改變。玄武巖纖維混凝土的纖維體積摻量分別為0.1%、0.2%、0.3%時，相較素混凝土抗折強度提高為26%、25%、25%。

范飛林等[17]探究了BFRC的沖擊力學(xué)性能的影響因素。實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)：BFRC比普通混凝土具有更好的變形性能以及沖擊壓縮強度。影響B(tài)FRC變形、沖擊壓縮強度的主要因素是纖維的摻量以及應(yīng)變率，通過實驗可得，當纖維摻量為0.3%時BFRC的變形能力最佳。當纖維摻量為0.1%時，BFRC的沖擊壓縮強度最高。

鄧宗才等[18]對體積摻量分別為1.7kg/m3、2.1kg/m3、2.8 kg/m3的BFRC梁試件進行了多組抗初裂沖擊探究試驗。結(jié)果表明：相較于基準混凝土，摻量為1.7kg/m3、2.1kg/m3的玄武巖纖維混凝土抗初裂沖擊性較差，而摻量為2.8kg/m3的玄武巖纖維混凝土抗初裂沖擊性以及抗彎沖擊性能明顯提高，說明纖維摻量是抗彎沖擊性能的決定因素。

2 國內(nèi)玄武巖纖維混凝土耐久性能的研究

何軍擁[19]等研究水工高性能混凝土在玄武巖纖維影響下的增強效果，通過大量試驗發(fā)現(xiàn)，玄武巖纖維具有較好的水工特性，能高效地提升混凝土耐酸耐堿性能、抗?jié)B性以及抗凍性。特別地，由于玄武巖纖維防水這一特性，使得其在堤壩、碼頭以及跨海大橋等領(lǐng)域的應(yīng)用前景更加廣闊。

劉華挺等[20]研究表明，試驗梁純彎段混凝土中的氯離子在玄武巖纖維的影響下濃度降低，在一定荷載條件下，摻玄武巖纖維混凝土梁比無纖維混凝土梁具有更好的抗氯鹽侵蝕能力。但是在受拉區(qū)，超出一定的荷載條件，摻入一定量的玄武巖纖維，施加荷載所帶來的影響遠遠大過纖維所增強的抗氯鹽性。

姚文等[21]通過試驗研究發(fā)現(xiàn)：單一硫酸鹽腐蝕環(huán)境中混凝土抗壓、抗折強度隨著玄武巖纖維摻量的增加呈現(xiàn)降低的趨勢。相比單一硫酸鹽腐蝕環(huán)境，玄武巖纖維混凝土在硫酸鹽和氯鹽共同腐蝕環(huán)境中土抗侵蝕能力要強。混凝土的抗折能力在腐蝕環(huán)境中相對較弱，摻入適量的玄武巖纖維抗折能力得到加強，且混凝土變?yōu)樗苄云茐?，同時可以減少硫酸鹽對混凝土的腐蝕破壞作用。

蔣喆[6]通過試驗研究玄武巖纖維對混凝土抗凍性的影響，試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在凍融試驗初期，摻入玄武巖纖維沙漠砂混凝土的抗凍性基本不變，但隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增多，抗凍性隨玄武巖纖維的摻入而得到改善。探究發(fā)現(xiàn)玄武巖纖維可以提高混凝土的密實度，減少孔洞之間的聯(lián)系從而增強抗凍性。但無論摻入多少的玄武巖纖維，凍融對混凝土的損傷都是不可避免的。

謝曉杰等[22]對玄武巖纖維增強混凝土的抗凍融性能進行研究，將3組摻入玄武巖纖維不同體積摻量的混凝土放入凍融機內(nèi)進行凍融循環(huán)試驗。試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，相較于素混凝土，玄武巖纖維摻量為0.1%、0.2%、0.3%的混凝土，各組玄武巖纖維混凝土抗凍融性顯著提升。

朱華軍[23]通過研究玄武巖纖維對混凝土耐久性能的影響，發(fā)現(xiàn)隨著纖維的摻入，改善了混凝土內(nèi)部的孔洞結(jié)構(gòu)。大幅度增強的混凝土的抗凍性。相較于素混凝土，摻入玄武巖纖維的混凝土早期干縮率基本一致，齡期到了14d左右時干縮率明顯提高，齡期達到60d時，兩者干縮率基本沒有增長。通過對比素混凝土和玄武巖纖維混凝土的抗氯離子滲透性得出加入粉煤灰的玄武巖纖維混凝土的抗氯離子滲透性最強。

唐鐵軍[24]進行了C50防水混凝土摻雜玄武巖纖維的抗?jié)B性能研究，試驗結(jié)果表明，對比摻入6mm和12mm的BFRC，得出較長纖維混凝土的抗?jié)B性明顯優(yōu)于較短纖維混凝土。同時，摻入玄武巖纖維比摻入聚丙烯纖維的防水混凝土抗?jié)B性更好，綜合多方面考慮，玄武巖纖維混凝土價廉性優(yōu)，在土木工程領(lǐng)域可用玄武巖纖維取代聚丙烯纖維。

丁斌等[25]人探討玄武巖纖維加固混凝土連續(xù)梁加固效果，實驗過程中，隨著荷載增加各梁出現(xiàn)細微裂縫，且寬度數(shù)量不斷增加。玄武巖纖維布表現(xiàn)出良好的延性，實驗表明玄武巖纖維布對連續(xù)梁的屈服荷載和極限荷載都均有提高。

劉俊良等[26]通過超聲波檢測發(fā)現(xiàn)：

（1）隨加熱溫度升高，各組玄武巖纖維混凝土試件損失質(zhì)量均不斷增大。水冷卻后，試件內(nèi)外溫差較大致使裂縫進一步發(fā)展，吸收水分使試件損失質(zhì)量減小。

（2） 摻入玄武巖纖維對高溫后試件的損失質(zhì)量改善作用不明顯，但較好的阻止了水冷卻過程中玄武巖纖維混凝土試件內(nèi)部裂縫的進一步開裂，改善效果隨纖維摻量增大而增強。

3 結(jié)語

基于國內(nèi)外已有的大量研究成果，通過對玄武巖纖維混凝土的總結(jié)，可以初步得到以下結(jié)論：

（1） 玄武巖纖維混凝土的抗壓強度，劈裂抗拉強度，抗折強度等力學(xué)性能與素混凝土相比都有所提高，且都有其最佳摻量。

（2） 較素混凝土而言，在抗動態(tài)沖擊性能方面玄武巖纖維混凝土沖擊壓縮強度、沖擊劈拉強度、沖擊劈拉韌度都有明顯的提高。

（3） 玄武巖纖維的適量摻入，較好改善了混凝土的抗凍融性能、抗?jié)B性能、抗干縮變形性能、抗氯離子滲透性、抗震等耐久性能。

考慮到玄武巖纖維有良好的力學(xué)性能，且密度、成分與混凝土相似，同時玄武巖纖維混凝土和易性優(yōu)良，使得玄武巖纖維明顯優(yōu)于其它纖維物質(zhì)。在未來土木工程的發(fā)展中，玄武巖纖維可能會應(yīng)用的領(lǐng)域以及需要考慮的問題:

（1）玄武巖纖維在橋梁工程中應(yīng)用需解決的問題。

（a） 進行跨海大橋橋墩在海水長時間腐蝕環(huán)境下玄武巖纖維混凝土的工作性能影響研究以及受海浪動態(tài)沖擊的增韌問題。

（b） 橋梁中的鋼筋混凝土構(gòu)件承受著循環(huán)反復(fù)的荷載作用，因此對玄武巖纖維加固混凝土構(gòu)件在疲勞荷載作用下的各項性能的研究具有重要的意義。

（2）玄武巖纖維在高層建筑上的應(yīng)用。

高層建筑大都使用高強輕骨料混凝土保證強度的同時減輕自重。但不足之處在于高強輕骨料混凝土易發(fā)生脆性斷裂，摻入適量的玄武巖纖維會不會使混凝土由脆性破壞變?yōu)樗苄云茐?，從而大大提高高強輕骨料混凝土的力學(xué)性能，用玄武巖纖維解決其脆性問題值得去研究。

通過大量對玄武巖纖維混凝土新型組合進行有限元理論探究，為玄武巖纖維混凝土的實際應(yīng)用提供足夠且可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。同時玄武巖纖維混凝土的優(yōu)越性讓其在眾多混凝土中脫穎而出，使其更多地被投入到應(yīng)用中，從而推動玄武巖纖維混凝土在土木工程領(lǐng)域中的快速發(fā)展。