玄武巖纖維混凝土及其構(gòu)件的基本性能研究進(jìn)展

馬琤飛，李志華 （揚(yáng)州大學(xué)建筑科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127）

1 引言

混凝土由于施工工藝簡(jiǎn)單、整體性好、材料來(lái)源廣等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛使用于各類工程領(lǐng)域[1]。但隨著社會(huì)的發(fā)展和科技的進(jìn)步，各類工程對(duì)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(diǎn)也限制其在工程領(lǐng)域的使用[2]。近年來(lái)專家學(xué)者通過研究發(fā)現(xiàn)，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(diǎn)，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(xué)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(qiáng)材料，由純天然的火山巖（含玄武巖）礦石經(jīng)高溫熔融后拉絲而成，是典型的硅酸鹽纖維，具有性價(jià)比高、抗拉強(qiáng)度高、耐腐蝕、耐高溫、抗裂性能好等優(yōu)點(diǎn)，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(qiáng)水泥復(fù)合基材料。與普通混凝土相比，玄武巖纖維的合理?yè)饺肟梢杂行Ц纳苹炷恋目箟簭?qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、耐高溫性等性能，因此玄武巖纖維混凝土具有較好的應(yīng)用前景[2]。

2 玄武巖纖維混凝土基本力學(xué)性能研究

玄武巖纖維混凝土基本力學(xué)性能的研究是開展其他性能研究的基礎(chǔ)，主要通過對(duì)玄武巖纖維混凝土進(jìn)行相應(yīng)力學(xué)性能試驗(yàn)，研究玄武巖纖維對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度等力學(xué)性能的影響。本節(jié)通過對(duì)已有研究進(jìn)行總結(jié)，闡明了玄武巖纖維對(duì)混凝土基本力學(xué)性能的影響。

目前玄武巖纖維混凝土基本力學(xué)性能的研究主要是以玄武巖纖維長(zhǎng)度和體積摻量為變量進(jìn)行研究。試驗(yàn)研究[7～10]發(fā)現(xiàn)，摻入玄武巖纖維可以提高混凝土的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度和劈裂彎拉強(qiáng)度，而這些強(qiáng)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(dǎo)致其增強(qiáng)效果降低。成濤華[8]等發(fā)現(xiàn)玄武巖纖維摻量為2.0kg/m3時(shí)抗壓、劈裂抗拉、抗折強(qiáng)度增強(qiáng)效果最佳。而且，在研究玄武巖纖維長(zhǎng)度對(duì)其力學(xué)性能的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，玄武巖纖維對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響隨著纖維長(zhǎng)度的增加而下降，劈裂彎拉強(qiáng)度則隨著玄武巖纖維長(zhǎng)度增加而下降，抗折強(qiáng)度則隨著纖維長(zhǎng)度的增加呈先增大后減小的趨勢(shì)，其中玄武巖纖維長(zhǎng)度為18mm時(shí)抗折強(qiáng)度最大。此外，試驗(yàn)研究還發(fā)現(xiàn)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(shí)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(qiáng)度、抗折強(qiáng)度等力學(xué)性能。但目前研究結(jié)果不夠統(tǒng)一，主要原因在于纖維摻量、試驗(yàn)方法等因素的影響，因此在以后的研究中需要根據(jù)具體條件，制定相應(yīng)的試驗(yàn)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(zhǎng)度等指標(biāo)，為今后該材料在工程中的使用提供理論依據(jù)。

3 玄武巖纖維混凝土沖擊性能研究

混凝土結(jié)構(gòu)在使用期間可能遭遇意外撞擊，輕則導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生局部損傷，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)倒塌等后果，帶來(lái)不可挽回的損失。為保障混凝土在撞擊狀態(tài)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(xué)者采用SHPB試驗(yàn)或落錘沖擊試驗(yàn)方法對(duì)玄武巖纖維混凝土的沖擊性能進(jìn)行了研究。本節(jié)對(duì)已有研究進(jìn)行總結(jié)，闡明摻入玄武巖纖維對(duì)混凝土抗沖擊性能的影響。

通過沖擊試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，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(shì)，Weimin Li和趙慶新分別發(fā)現(xiàn)玄武巖纖維體積摻量為0.3%和0.36%時(shí)玄武巖纖維混凝土的沖擊性能最佳[12～13]；對(duì)比試件的破壞特征、裂縫發(fā)展和最終破壞斷口的形式，發(fā)現(xiàn)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(duì)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(zhǎng)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(fā)現(xiàn)，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(zhǎng)度為6mm的沖擊性能優(yōu)于長(zhǎng)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(tǒng)一，通過對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)此現(xiàn)象是由試驗(yàn)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(yàn)中應(yīng)加強(qiáng)相關(guān)因素的統(tǒng)一。此外，已有的研究多集中于纖維摻量對(duì)其沖擊性能的影響，今后尚應(yīng)開展應(yīng)變率等因素對(duì)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(xué)性能研究

建筑物發(fā)生火災(zāi)時(shí)，高溫會(huì)使混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部發(fā)生損傷，導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)承載力等性能降低，輕則造成混凝土結(jié)構(gòu)局部損失，破壞嚴(yán)重時(shí)甚至影響整個(gè)結(jié)構(gòu)，帶來(lái)不可挽回的損失。為減輕火災(zāi)對(duì)結(jié)構(gòu)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(xué)者的青睞。目前主要通過高溫后玄武巖纖維混凝土的質(zhì)量損失率、力學(xué)性能等進(jìn)行測(cè)試，探究摻入玄武巖纖維對(duì)混凝土高溫性能的影響。本節(jié)對(duì)已有研究進(jìn)行總結(jié)，闡明摻入玄武巖纖維對(duì)混凝土高溫性能的影響。

目前針對(duì)玄武巖纖維混凝土高溫后力學(xué)性能的研究主要以玄武巖纖維長(zhǎng)度為變量，研究不同溫度對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響。試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，摻入玄武巖纖維對(duì)混凝土質(zhì)量損失影響較小，而混凝土的質(zhì)量損失率隨著溫度的升高逐漸增大，溫度為800℃時(shí)混凝土的質(zhì)量損失最大[16]、[18]；混凝土的抗壓強(qiáng)度隨著溫度的升高呈先增大后減小的趨勢(shì)，溫度為400℃時(shí)抗壓強(qiáng)度達(dá)到峰值，高溫后混凝土的抗壓強(qiáng)度隨著纖維摻量的增加也呈先增大后減小的趨勢(shì)，其中趙燕茹和戎虎仁分別發(fā)現(xiàn)玄武巖纖維摻量為2.0kg/m3和體積摻量為0.4%時(shí)抗壓強(qiáng)度最大，通過對(duì)比相同溫度下抗壓強(qiáng)度殘余率，發(fā)現(xiàn)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(qiáng)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(shì)，其中當(dāng)玄武巖纖維摻量為2.0kg/m3時(shí)抗折強(qiáng)度最大[16～17]；通過對(duì)比高溫和玄武巖纖維摻量對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)高溫對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響更為明顯[16]。此外，試驗(yàn)研究還發(fā)現(xiàn)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(xiàn)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(duì)玄武巖纖維混凝土高溫作用下力學(xué)性能的研究多為針對(duì)抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度的研究，今后應(yīng)開展針對(duì)其他性能的研究。同時(shí)，火場(chǎng)是一個(gè)多因素的復(fù)雜環(huán)境，研究若只考慮溫度和纖維摻量的影響則過于單一，無(wú)法全面反映火場(chǎng)對(duì)玄武巖纖維混凝土強(qiáng)度的影響，在以后的試驗(yàn)中應(yīng)考慮開展加熱時(shí)間、加熱速率等因素共同作用下的玄武巖纖維混凝土力學(xué)性能研究。

5 玄武巖纖維混凝土抗凍性能研究

在我國(guó)北方嚴(yán)寒地區(qū)，每年因凍融循環(huán)引起的混凝土劣化問題越來(lái)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(cè)試一定次數(shù)凍融循環(huán)后，玄武巖纖維混凝土的相對(duì)動(dòng)彈性模量、質(zhì)量損失等參數(shù)，探究玄武巖纖維對(duì)混凝土抗凍性能的影響。本節(jié)對(duì)已有研究進(jìn)行總結(jié)，闡明摻入玄武巖纖維對(duì)混凝土抗凍性能的影響。

通過在不同溶液中的凍融試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，摻入玄武巖纖維能夠有效減緩混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量的下降速度，且相對(duì)動(dòng)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(duì)比凍融過程中混凝土的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度的衰減速度發(fā)現(xiàn)，摻入玄武巖纖維可以降低抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度的衰減速度，其中纖維摻量為0.15%～0.20%時(shí)混凝土的抗鹽凍效果最佳[21]。此外，試驗(yàn)研究還發(fā)現(xiàn)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(jìn)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(duì)玄武巖纖維混凝土凍融后的力學(xué)性能，今后應(yīng)開展玄武巖纖維混凝土的抗凍機(jī)理和其他性能方面的研究。并且試驗(yàn)考慮的因素過于單一，今后的研究應(yīng)盡可能綜合考慮多種因素，探究多種因素共同作用對(duì)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(huì)給我國(guó)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失。為降低混凝土腐蝕帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)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(jié)對(duì)已有研究進(jìn)行總結(jié)，闡明摻入玄武巖纖維對(duì)混凝土抗腐蝕性能的影響。

目前，有關(guān)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(shí)間，通過試驗(yàn)分析玄武巖纖維混凝土的抗腐蝕性能。試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，玄武巖纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)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(qiáng)度和抗折強(qiáng)度隨著腐蝕時(shí)間的增長(zhǎng)而降低。摻入玄武巖纖維可以提高腐蝕環(huán)境中混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度，若摻入過量的玄武巖纖維將導(dǎo)致混凝土抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)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(fā)現(xiàn)，摻入玄武巖纖維可以有效改善混凝土的抗裂性能，進(jìn)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(shí)抗裂性能最好。同時(shí)將玄武巖纖維混凝土試塊置入氯化鈉溶液中90d、180d、270d，對(duì)比發(fā)現(xiàn)，摻入玄武巖纖維可以抑制混凝土早期裂縫的發(fā)展，隨著腐蝕時(shí)間的增長(zhǎng)，玄武巖纖維體積摻量為0.1%時(shí)抗裂性能最好。摻入適量的玄武巖纖維可以增強(qiáng)混凝土對(duì)硫酸鈉和氯化鈉的抗腐蝕性能。對(duì)經(jīng)過腐蝕溶液浸泡的試塊進(jìn)行抗壓試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，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(shí)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(yàn)主要針對(duì)單一的腐蝕條件（如硫酸鹽或氯鹽腐蝕）開展相關(guān)研究，而對(duì)于兩種及以上腐蝕物質(zhì)混合溶液的研究較少，在今后應(yīng)開展此方面的研究。此外，已有的研究多集中于纖維摻量對(duì)其腐蝕環(huán)境下力學(xué)性能的影響，今后應(yīng)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(gòu)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(yōu)點(diǎn)，其優(yōu)點(diǎn)可以彌補(bǔ)普通混凝土的缺點(diǎn)，因此玄武巖纖維混凝土得到學(xué)者們的關(guān)注。而玄武巖纖維混凝土在用于實(shí)際工程之前需要進(jìn)行大量試驗(yàn)，以驗(yàn)證各種構(gòu)件的受力性能，因此開展玄武巖纖維混凝土構(gòu)件的受力性能研究，對(duì)促進(jìn)玄武巖纖維混凝土在土木工程中的應(yīng)用具有重要意義。本節(jié)通過對(duì)已有相關(guān)研究進(jìn)行總結(jié)，闡述了玄武巖纖維對(duì)混凝土構(gòu)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(zhǎng)度（15mm和25mm）和縱筋配筋率為變量，對(duì)14根跨徑為3m的試驗(yàn)梁進(jìn)行受彎試驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)摻入玄武巖纖維可以降低試驗(yàn)梁的最大裂縫寬度，同級(jí)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(duì)比長(zhǎng)度為15mm和25mm玄武巖纖維的阻裂性能發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)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(zhǎng)度（12mm和30mm）為變量，對(duì)5根跨徑為2.3mm的試驗(yàn)梁進(jìn)行受剪試驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)摻入玄武巖纖維可以提高試驗(yàn)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(zhǎng)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(zhǎng)度（12mm和24mm）為變量，對(duì)纖維體積摻量為0.15%時(shí)纖維長(zhǎng)度對(duì)短柱軸心受壓性能和長(zhǎng)柱偏心受壓性能的影響。

長(zhǎng)柱偏心受壓性能試驗(yàn)結(jié)果表明，摻入玄武巖纖維可以提高長(zhǎng)柱的受壓極限承載力，其中對(duì)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(zhǎng)柱的橫向彎曲性能，且橫向彎曲性能隨著玄武巖纖維長(zhǎng)度的增加而提升，纖維長(zhǎng)度為24mm時(shí)橫向彎曲性能最佳。

短柱軸心受壓性能試驗(yàn)結(jié)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(zhǎng)度的增加而降低，當(dāng)纖維長(zhǎng)度為12mm時(shí)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(duì)玄武巖纖維混凝土構(gòu)件的研究較少，以后應(yīng)加強(qiáng)對(duì)玄武巖纖維混凝土構(gòu)件的研究。此外，已有的研究多集中于玄武巖纖維混凝土構(gòu)件的試驗(yàn)研究，今后應(yīng)開展玄武巖纖維混凝土構(gòu)件理論方面的研究。例如綜合考慮各影響因素推導(dǎo)出構(gòu)件的開裂荷載及極限荷載的計(jì)算公式，為今后玄武巖纖維混凝土在土木工程中的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

8 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)科研人員緊跟國(guó)際學(xué)術(shù)前沿，目前已對(duì)玄武巖纖維混凝土進(jìn)行了大量的研究，并取得了相應(yīng)的成果，為今后玄武巖纖維混凝土的研究和應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。但目前已有的研究多集中于玄武巖纖維混凝土力學(xué)性能和耐久性能的研究，今后可在高強(qiáng)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(xué)性能和耐久性能方面開展研究。此外，目前已開展的針對(duì)玄武巖纖維混凝土抗凍性、抗腐蝕性等耐久性能的試驗(yàn)研究，所考慮的影響因素過于單一，而實(shí)際應(yīng)用時(shí)混凝土所處的環(huán)境一般為多因素控制，今后應(yīng)開展多因素控制下耐久性能的研究。

此外，目前對(duì)玄武巖纖維混凝土梁和柱研究不多，且多集中于力學(xué)性能和變形性能方面的試驗(yàn)研究，今后可開展梁、柱破壞機(jī)理和極限承載力計(jì)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(jié)點(diǎn)區(qū)，研究該材料在節(jié)點(diǎn)區(qū)復(fù)雜應(yīng)力環(huán)境條件下的受力性能，也是今后的一個(gè)研究方向。