玄武岩纤维混凝土的研究现状及发展*

蒋威，张智雅，严寒，杨金，许陈聪，贾思宁

（南京工程学院 建筑工程学院 江苏 南京 211167）

0 引言

近年来，随着混凝土技术不断改进，纤维混凝土在土木工程领域得到了更多的应用，逐渐替代钢筋混凝土。玄武岩纤维（Basalt Fiber,简称BF）因为其低廉的价格以及突出的性能而备受青睐。玄武岩纤维具有的绝缘性是较多玻璃纤维所不具备的特性，使得其在电力方面有着良好的应用。在土木工程方面，在素混凝土中掺入一定量的短切玄武岩纤维，可以有效改善素混凝土的脆性问题，显著加强素混凝土抗压、抗拉以及抗折等力学性能。同时，玄武岩纤维具有良好的耐腐蚀性，突出的耐高温性以及抗冻性，并且玄武岩纤维与素混凝土密度接近，所以玄武岩纤维能与混凝土更好地结合。到目前为止，在土木工程领域玄武岩纤维的应用还处于探索阶段，但前途不可估量。拟对玄武岩纤维混凝土的性能进行粗略整合，并结合玄武岩纤维混凝土研究现状，提出一些玄武岩纤维混凝土未来的发展方向，从而推动玄武岩纤维混凝土在土木工程领域能有更好地发展。

1 玄武岩纤维混凝土力学性能国内研究现状

1.1 玄武岩纤维掺量对静态力学的影响

潘慧敏[1]通过试验发现：随着玄武岩纤维的掺入，混凝土的抗拉压强度均得到一定程度的增强，但并非成线性增长，达到增强临界值之后继续掺入玄武岩纤维，抗拉压强度呈下降趋势。掺量在2.0～2.5kg/m3后，抗压、抗拉强度逐渐下降，由此可知，增强抗拉压强度的最适纤维掺量为2.0～2.5kg/m3。纤维的掺入使得混凝土的延性得到增强，同时促使混凝土由脆性破坏转变为塑性破坏。

陈峰[2]等探究玄武岩纤维自身变量对素混凝土力学性能的增益效果。当玄武岩纤维的掺量为1.2kg/m3时，混凝土各龄期抗压强度和劈裂抗拉强度均有不同程度的提高；其中3d时混凝土抗压强度提升较大，28d时劈裂抗拉强度增幅较大。通过多组试验得出影响玄武纤维岩混凝土抗压强度和劈拉强度主要因素是纤维掺量，次要因素为纤维长度和直径。

张兰芳等[3]探究玄武岩纤维混凝土力学性能达到最佳所需条件，实验结果发现：

（1）将较低含量的玄武岩纤维掺入混凝土中，混凝土的抗压强度无显著变化。但随着岩纤维掺量的不断增加，混凝土28d折压比、拉压比随之不断提高。当玄武岩纤维掺量为0.10%时，混凝土的拉压比提高了27.2%，当纤维掺量为0.15%时，混凝土的折压比提高值为13.5%

（2） 当玄武岩纤维的掺量满足在0.3%以内条件时，混凝土各龄期的抗压、抗拉强度都能得到明显的增强。但当玄武岩纤维的掺入量超过0.3%这一临界值时，混凝土28d的抗拉、抗压强度均有下降，且纤维掺量越大，强度下降越明显。综上可见，在混凝土中适量掺入玄武岩纤维，在一定程度上可以提高混凝土的诸多性能。但达到纤维掺量临界值时，效果反而适得其反。

王兆等[4]研究了不同玄武岩纤维掺量对混凝土力学性能的影响，试验中采用的是直径为15um，长度为20mm玄武岩纤维单丝，并且通过实验发现当纤维掺量为3kg/m3时对玄武岩纤维混凝土抗折高率最大可达到21.3%。玄武纤维混凝土的抗拉强度的提高率为23.9%。此时的抗折、抗拉性能都达到最佳。据此得出3kg/m3是使其抗拉、抗折强度得到提升的最佳掺量。

林志龙等[5]通过试验发现，由于短切纤维的加入，混凝土的抗折强度在纤维掺量为1.35kg/m3内随纤维掺量的增加而增强，当纤维掺量大于1.35Kg/m3后，混凝土的抗折强度开始下降，当纤维掺量大于6.75kg/m3后，玄武岩纤维混凝土的抗折强度与素混凝土的抗折强度相差不多。据此得出掺量为1.35Kg/m3时，混凝土的抗折强度最大。

蒋喆[6]对玄武岩纤维改善混凝土的性能进行了试验探究,发现:经过28d混凝土抗压以及劈裂抗拉强度检测，随着玄武岩纤维的掺入，混凝土的抗压强度会有一定程度的损失但劈裂抗拉强度有了显著地提升。当达到掺量临界值时，抗压强度以及劈裂抗拉强度均会产生下降。

王炅[7]从纤维混凝土增强机理方面分析了玄武岩纤维混凝土对混凝土抗压以及劈裂抗拉这两方面的增益效果，发现掺入一定量的玄武岩纤维有效地减少了混凝土的自身变形从而能够提高混凝土的强度，掺入在0.10%～0.15%时，效果最明显。同时发现在混凝土路面工程中掺入短切玄武岩纤维能够增强混凝土的韧性以及延性，可以减少路面的开裂。

赵星等[8]通过试验研究得到玄武岩纤维能提高泡沫混凝土早期的抗压强度和抗折强度且抗压强度和抗折强度均随着玄武纤维掺量的增加而增加。

彭苗等[9]通过试验得出结论，掺入玄武岩纤维能明显提高混凝土劈裂强度。当掺量满足在0～5kg/m3范围内时，混凝土劈裂强度和纤维掺量基本满足线性增加关系。当掺量达到4kg/m3时混凝土劈裂强度略有下降。由此可见，玄武纤维的掺量最好控制在0～4kg/m3范围内。

成涛华等[10]通过研究纤维掺量对混凝土影响时发现，混凝土的抗弯曲性能会随玄武岩纤维的掺入而得到明显改善。试验结果表明，在混凝土中掺入含量为0.5%的纤维，混凝土的抗弯性能能达到最佳状态。但是随着纤维掺量的增多可能会导致纤维分布不均匀，造成结团，之后纤维对混凝土的增强作用逐渐减弱。当掺入纤维含量在0～0.2%范围内，12mm长纤维使得混凝土的抗折强度相对素混凝土提高8.6%～15.7%，18mm长纤维使得纤维混凝土抗折强度相对素混凝土提高14.3%～17.1%，24mm长纤维使得混凝土抗折强度相对素混凝土提高8.6%～15.7%。由此可见，掺入混凝土的最佳玄武岩纤维长度为18mm。

常洪雷等[11]研究了高性能混凝土抗裂性和抗压强度是否随纤维的掺入而增强。通过试验研究发现，掺入一定量的纤维对高性能混凝土的强度提升并无较大影响，但能够使高性能混凝土的早期抗裂性得到明显增强。

贺东青等[12]通过试验研究玄武岩纤维对混凝土性能影响，根据试验得出，当掺入体积含量为1%的玄武岩纤维时，弯曲韧性较基准混凝土提升5.6倍，玄武岩纤维混凝土试块的拉弯强度较基准混凝土提升了61.4%。据此得出结论：玄武岩纤维能使混凝土的弯曲韧性以及拉弯强度得到明显改善。

1.2 玄武岩纤维掺量对抗动态冲击性能的影响

杨进勇等[13]研究了玄武岩纤维在冲击压缩下对混凝土的影响,结果表明:

（1） 在应变范围为0～0.0020时，玄武岩纤维掺量分别为0、0.1%、0.2%、0.3%共计4组，其中掺量为20%的混凝土韧性提高最显著。

(2） 在应变范围在0～005时，素混凝土的韧性要好于掺入不同含量的玄武岩纤维混凝土。特别地，无论在什么应变范围内，掺量为0.3%的玄武岩纤维混凝土的韧性都是最差的。

赵庆新等[14]通过研究玄武岩纤维增强混凝土的抗冲击韧性，表明在混凝土中掺入一定量的玄武岩纤维，等效于添加微观筋的作用从而粘接性加强，冲击韧性能够得到显著提高。并得出以下结论：

（1）相较于基准混凝土，当玄武岩纤维混凝土达到破坏临界值时损变量提高40%～83%。

（2） 当纤维质量比为0.36%时冲击韧性提高了接近2倍。

邓宗才等[15]研究混凝土的抗弯冲击性能受玄武岩掺量的影响，根据试验结果得出，当掺入0.1%的玄武岩纤维时，相较于素混凝土，玄武岩纤维混凝土抗弯冲击的破坏冲击次数提高了40%，由此可见，掺入适量的玄武岩纤维能显著增强混凝土的抗弯冲击性能。

李为民等[16]研究玄武岩纤维掺量对玄武岩纤维混凝土变形能力及抗折强度的影响，试验结果表明：当纤维体积掺量分别为0.1%、0.2%、0.3%时，玄武岩纤维混凝土变形能力不同。掺量为0.1%时变形能力较好，掺量为0.2%、0.3%时玄武纤维混凝土变形能力基本没有改变。玄武岩纤维混凝土的纤维体积掺量分别为0.1%、0.2%、0.3%时，相较素混凝土抗折强度提高为26%、25%、25%。

范飞林等[17]探究了BFRC的冲击力学性能的影响因素。实验结果发现：BFRC比普通混凝土具有更好的变形性能以及冲击压缩强度。影响BFRC变形、冲击压缩强度的主要因素是纤维的掺量以及应变率，通过实验可得，当纤维掺量为0.3%时BFRC的变形能力最佳。当纤维掺量为0.1%时，BFRC的冲击压缩强度最高。

邓宗才等[18]对体积掺量分别为1.7kg/m3、2.1kg/m3、2.8 kg/m3的BFRC梁试件进行了多组抗初裂冲击探究试验。结果表明：相较于基准混凝土，掺量为1.7kg/m3、2.1kg/m3的玄武岩纤维混凝土抗初裂冲击性较差，而掺量为2.8kg/m3的玄武岩纤维混凝土抗初裂冲击性以及抗弯冲击性能明显提高，说明纤维掺量是抗弯冲击性能的决定因素。

2 国内玄武岩纤维混凝土耐久性能的研究

何军拥[19]等研究水工高性能混凝土在玄武岩纤维影响下的增强效果，通过大量试验发现，玄武岩纤维具有较好的水工特性，能高效地提升混凝土耐酸耐碱性能、抗渗性以及抗冻性。特别地，由于玄武岩纤维防水这一特性，使得其在堤坝、码头以及跨海大桥等领域的应用前景更加广阔。

刘华挺等[20]研究表明，试验梁纯弯段混凝土中的氯离子在玄武岩纤维的影响下浓度降低，在一定荷载条件下，掺玄武岩纤维混凝土梁比无纤维混凝土梁具有更好的抗氯盐侵蚀能力。但是在受拉区，超出一定的荷载条件，掺入一定量的玄武岩纤维，施加荷载所带来的影响远远大过纤维所增强的抗氯盐性。

姚文等[21]通过试验研究发现：单一硫酸盐腐蚀环境中混凝土抗压、抗折强度随着玄武岩纤维掺量的增加呈现降低的趋势。相比单一硫酸盐腐蚀环境，玄武岩纤维混凝土在硫酸盐和氯盐共同腐蚀环境中土抗侵蚀能力要强。混凝土的抗折能力在腐蚀环境中相对较弱，掺入适量的玄武岩纤维抗折能力得到加强，且混凝土变为塑性破坏，同时可以减少硫酸盐对混凝土的腐蚀破坏作用。

蒋喆[6]通过试验研究玄武岩纤维对混凝土抗冻性的影响，试验结果发现，在冻融试验初期，掺入玄武岩纤维沙漠砂混凝土的抗冻性基本不变，但随着冻融循环次数的增多，抗冻性随玄武岩纤维的掺入而得到改善。探究发现玄武岩纤维可以提高混凝土的密实度，减少孔洞之间的联系从而增强抗冻性。但无论掺入多少的玄武岩纤维，冻融对混凝土的损伤都是不可避免的。

谢晓杰等[22]对玄武岩纤维增强混凝土的抗冻融性能进行研究，将3组掺入玄武岩纤维不同体积掺量的混凝土放入冻融机内进行冻融循环试验。试验结果发现，相较于素混凝土，玄武岩纤维掺量为0.1%、0.2%、0.3%的混凝土，各组玄武岩纤维混凝土抗冻融性显著提升。

朱华军[23]通过研究玄武岩纤维对混凝土耐久性能的影响，发现随着纤维的掺入，改善了混凝土内部的孔洞结构。大幅度增强的混凝土的抗冻性。相较于素混凝土，掺入玄武岩纤维的混凝土早期干缩率基本一致，龄期到了14d左右时干缩率明显提高，龄期达到60d时，两者干缩率基本没有增长。通过对比素混凝土和玄武岩纤维混凝土的抗氯离子渗透性得出加入粉煤灰的玄武岩纤维混凝土的抗氯离子渗透性最强。

唐铁军[24]进行了C50防水混凝土掺杂玄武岩纤维的抗渗性能研究，试验结果表明，对比掺入6mm和12mm的BFRC，得出较长纤维混凝土的抗渗性明显优于较短纤维混凝土。同时，掺入玄武岩纤维比掺入聚丙烯纤维的防水混凝土抗渗性更好，综合多方面考虑，玄武岩纤维混凝土价廉性优，在土木工程领域可用玄武岩纤维取代聚丙烯纤维。

丁斌等[25]人探讨玄武岩纤维加固混凝土连续梁加固效果，实验过程中，随着荷载增加各梁出现细微裂缝，且宽度数量不断增加。玄武岩纤维布表现出良好的延性，实验表明玄武岩纤维布对连续梁的屈服荷载和极限荷载都均有提高。

刘俊良等[26]通过超声波检测发现：

（1）随加热温度升高，各组玄武岩纤维混凝土试件损失质量均不断增大。水冷却后，试件内外温差较大致使裂缝进一步发展，吸收水分使试件损失质量减小。

（2） 掺入玄武岩纤维对高温后试件的损失质量改善作用不明显，但较好的阻止了水冷却过程中玄武岩纤维混凝土试件内部裂缝的进一步开裂，改善效果随纤维掺量增大而增强。

3 结语

基于国内外已有的大量研究成果，通过对玄武岩纤维混凝土的总结，可以初步得到以下结论：

（1） 玄武岩纤维混凝土的抗压强度，劈裂抗拉强度，抗折强度等力学性能与素混凝土相比都有所提高，且都有其最佳掺量。

（2） 较素混凝土而言，在抗动态冲击性能方面玄武岩纤维混凝土冲击压缩强度、冲击劈拉强度、冲击劈拉韧度都有明显的提高。

（3） 玄武岩纤维的适量掺入，较好改善了混凝土的抗冻融性能、抗渗性能、抗干缩变形性能、抗氯离子渗透性、抗震等耐久性能。

考虑到玄武岩纤维有良好的力学性能，且密度、成分与混凝土相似，同时玄武岩纤维混凝土和易性优良，使得玄武岩纤维明显优于其它纤维物质。在未来土木工程的发展中，玄武岩纤维可能会应用的领域以及需要考虑的问题:

（1）玄武岩纤维在桥梁工程中应用需解决的问题。

（a） 进行跨海大桥桥墩在海水长时间腐蚀环境下玄武岩纤维混凝土的工作性能影响研究以及受海浪动态冲击的增韧问题。

（b） 桥梁中的钢筋混凝土构件承受着循环反复的荷载作用，因此对玄武岩纤维加固混凝土构件在疲劳荷载作用下的各项性能的研究具有重要的意义。

（2）玄武岩纤维在高层建筑上的应用。

高层建筑大都使用高强轻骨料混凝土保证强度的同时减轻自重。但不足之处在于高强轻骨料混凝土易发生脆性断裂，掺入适量的玄武岩纤维会不会使混凝土由脆性破坏变为塑性破坏，从而大大提高高强轻骨料混凝土的力学性能，用玄武岩纤维解决其脆性问题值得去研究。

通过大量对玄武岩纤维混凝土新型组合进行有限元理论探究，为玄武岩纤维混凝土的实际应用提供足够且可靠的数据基础。同时玄武岩纤维混凝土的优越性让其在众多混凝土中脱颖而出，使其更多地被投入到应用中，从而推动玄武岩纤维混凝土在土木工程领域中的快速发展。