吳曉斌

(廈門城市職業(yè)學院城市建設與管理系，廈門 361008)

0 引 言

隨著建筑產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級，生態(tài)文明建設不斷推進，倒逼建材工業(yè)改革創(chuàng)新，《建材工業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2016～2020年)》提出大力發(fā)展綠色建材和建材部品部件，壯大先進無機非金屬材料、復合材料和建材生產(chǎn)性服務業(yè)，構(gòu)建產(chǎn)業(yè)新體系。玄武巖纖維產(chǎn)業(yè)是我國高新技術(shù)纖維中最有發(fā)展前途、最有可能率先在全球做大，對破解資源與環(huán)境制約有代表性的可持續(xù)發(fā)展的新資源產(chǎn)業(yè)和綠色產(chǎn)業(yè)[1]。在此背景下，為了準確定位玄武巖纖維在土木工程中的應用發(fā)展方向，對玄武巖纖維的性能特點、研究進展和標準規(guī)范等方面進行梳理和探討。

1 玄武巖纖維的性能特點

玄武巖纖維是一種無機纖維材料，以純天然火山噴出巖為原料，其生產(chǎn)過程中無硼或其他堿金屬氧化物排出，其煙塵中無有害物質(zhì)析出，對大氣不會造成污染，Kogan[2]和Mconnell[3]等在試驗中發(fā)現(xiàn)玄武巖纖維對生物體無害，建議代替致癌的石棉纖維和玻璃纖維。此外，玄武巖礦石在地球上的儲量相當豐富，從原料成本來看相對比較低，產(chǎn)品壽命長，價格是碳纖維的1/8～1/6，是一種性價比高、潔凈程度理想的新型綠色環(huán)保纖維。

玄武巖纖維的物理力學性能決定了其復合材料的性能及用途，進而影響玄武巖纖維制品在土木工程領(lǐng)域的應用。玄武巖纖維性能指標見表1。

表1 玄武巖纖維與其他纖維的技術(shù)指標對比[4]Table 1 Comparison of technical indexes between basalt fiber and other fibers[4]

Note: tensile strength refers to the strength of the fiber, excluding the strength of roving, spinning and composite materials.

由表1可知，玄武巖纖維的拉伸強度和彈性模量略低于碳纖維，與S玻璃纖維接近，略高于E玻璃纖維和芳綸纖維，明顯高于其他合成纖維；與其他合成纖維相比，具有突出的耐低溫、耐高溫的性能；具有良好的化學穩(wěn)定性(耐酸耐堿)。

2 玄武巖纖維應用研究進展

目前，玄武巖纖維的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化正處于蓬勃發(fā)展階段，不少國內(nèi)專家已處于行業(yè)發(fā)展的最前沿。玄武巖纖維在土木工程領(lǐng)域主要圍繞玄武巖纖維短切紗(圖1)增強各類混凝土，玄武巖纖維布(圖2)加固補強結(jié)構(gòu)，玄武巖纖維復合筋(圖3)結(jié)構(gòu)，玄武巖纖維土工格柵(圖4)和玄武巖纖維防火隔熱產(chǎn)品等方面的應用研究展開。

圖1 玄武巖纖維短切紗Fig.1 Basalt fiber chopped strand

圖2 玄武巖纖維布Fig.2 Basalt fiber unidirectional fabric

圖3 玄武巖纖維復合筋Fig.3 Basalt fiber composite rebar

圖4 玄武巖纖維土工格柵Fig.4 Basalt fiber geogrid

2.1 玄武巖纖維增強各類混凝土性能研究

當前，對玄武巖纖維增強混凝土的研究主要集中在玄武巖纖維增強普通混凝土和玄武巖纖維增強瀝青混凝土。對玄武巖纖維增強輕骨料混凝土、再生骨料混凝土、海砂混凝土及玄武巖混雜纖維混凝土等也開展了部分研究。

2.1.1 玄武巖纖維增強普通混凝土

(1)力學性能研究。2004年，胡顯奇[5]研究表明,摻玄武巖纖維混凝土早期抗壓強度變化不大，但28 d齡期的抗壓強度、抗拉強度均有所提高，抗沖磨強度、沖擊韌性提高顯著。2009年，吳釗賢[6]研究表明,隨著玄武巖纖維摻量的增加，坍落度逐漸降低，抗壓強度逐漸增加，尤其是早期強度增加明顯；彎拉強度有較明顯的提高；而劈拉強度提高不顯著。2015年，于泳等[7]研究表明,摻入玄武巖纖維后混凝土的抗沖擊性能得到了改善，短纖維的改善效果優(yōu)于長纖維。2018年，徐薄[8]研究表明,隨著纖維體積摻量增加，抗彎疲勞壽命顯著增加；同體積摻量時，高應力水平疲勞壽命增強效果更明顯。

上述研究表明摻入適量的玄武巖纖維短切紗，可顯著提高混凝土的抗拉彎性能、沖擊韌性和疲勞壽命，但對于抗壓強度，得出的結(jié)論相差較大，甚至結(jié)論相反。其原因主要是試驗采用的玄武巖纖維的品種、摻量甚至試驗條件、方法存在差異，另外混凝土的骨料種類、粒徑、強度等級等也會影響試驗結(jié)果。建議對各種參數(shù)變化進行系統(tǒng)的試驗研究及理論分析，進而建立起本構(gòu)關(guān)系。

(2)耐久性研究。2009年，朱華軍[9]研究表明,玄武巖纖維混凝土抗?jié)B性、抗凍性、干縮性以及抗氯離子滲透性等耐久性指標均優(yōu)于普通素混凝土。2014年，王利強[10]研究表明,玄武巖纖維提高混凝土的阻裂性能，隨纖維體積率的增大，混凝土凍融后的質(zhì)量損失率、相對動彈性模量、抗壓和抗折強度下降速度明顯減緩，混凝土的抗凍性能提高。2018年，葛浩軍[11]研究表明,玄武巖纖維提升混凝土的抗?jié)B性能，提升的效果與纖維摻量之間沒有明顯規(guī)律。抗凍融性能隨著纖維摻量先增高后降低。玄武巖纖維顯著改善混凝土的早齡期抗裂性能。2019年，向真等[12]研究表明,玄武巖纖維活性粉末混凝土(RPC)當水膠比為0.22,玄武巖纖維體積摻量為0.10%時，抗氯離子滲透性能最好且具有良好的抗碳化性能，28 d碳化深度為0。

綜上，摻入適量的玄武巖纖維可以提高混凝土的早期抗裂性，且抗?jié)B性、抗凍性、抗氯離子滲透和抗碳化能力均有明顯改善。但玄武巖纖維體積摻量對耐久性影響，相關(guān)研究成果還存在較大差異，且不同環(huán)境條件下多因素耦合的耐久性研究也需加大力度。

(3)耐高溫性能。2014年，任韋波團隊[13-14]研究了不同溫度作用后玄武巖纖維增強混凝土(BFRC)的沖擊變形特性、動態(tài)壓縮強度和沖擊韌度。結(jié)果表明,摻入玄武巖纖維可以有效提升高溫后混凝土的沖擊變形能力，且纖維體積摻量為0.3%時最優(yōu)。摻入玄武巖纖維可以有效降低高溫后BFRC的損傷劣化程度。2016年，該團隊對玄武巖纖維混凝土高溫損傷的聲學特性研究[15]表明,摻加玄武巖纖維減小了高溫后混凝土試件的質(zhì)量損失，增大了抗壓強度，改善效果隨纖維摻量增大而增強。

2017年，趙燕茹團隊[16]試驗研究表明,摻入纖維對混凝土質(zhì)量損失影響不明顯；玄武巖纖維能在一定程度上提高混凝土的耐高溫性能，但不能完全抑制混凝土的高溫損傷。2018年，郝松[17]對持荷高溫作用后玄武巖纖維混凝土力學性能研究表明,400 ℃以內(nèi)，纖維的摻入能夠在混凝土損傷過渡時，延緩其損傷，改善混凝土脆性。

綜上可見，玄武巖纖維混凝土高溫后性能影響的研究結(jié)果存在不一致的情況，纖維摻量、升溫速率、混凝土強度等對燒失量、力學性能及本構(gòu)關(guān)系的影響規(guī)律尚處于探索階段。

(4)構(gòu)件力學性能。2011年，王鈞團隊的葉煥軍[18]、陳偉等[19]研究表明,玄武巖纖維的摻入在一定程度上提高了梁的開裂彎矩、極限承載力和整體剛度，且BFRC梁破壞時變形較大，表現(xiàn)出更明顯的延性破壞性質(zhì)。2013年，朱翠冉[20]研究表明,玄武巖纖維鋼筋混凝土梁疲勞破壞形態(tài)為脆性破壞，始于鋼筋的疲勞斷裂。位移、混凝土應變、鋼筋應變均表現(xiàn)出隨疲勞循環(huán)次數(shù)前期增長幅度比較大，隨后變化幅度減小。2017年，趙燕茹等[21]研究表明,玄武巖纖維摻入對鋼筋混凝土梁的開裂荷載、極限荷載、撓度和韌性均有提高。2016年開始，王新忠等對玄武巖纖維混凝土長柱偏心受壓[22]、短柱軸心受壓[23]和鋼管玄武巖纖維混凝土短柱軸心受壓承載能力[24]研究發(fā)現(xiàn)，鋼筋玄武巖纖維混凝土長柱偏心受壓和短柱的軸心受壓極限承載能力明顯優(yōu)于普通鋼筋混凝土長柱，玄武巖纖維提高了鋼筋混凝土短柱的延性；鋼管玄武巖纖維混凝土短柱軸心受壓承載能力和延性均大于普通鋼管混凝土短柱，纖維長度對鋼管玄武巖纖維混凝土短柱承載力影響較小。

綜上，摻入玄武巖纖維的混凝土梁、柱的承載力和變形均優(yōu)于普通混凝土構(gòu)件，建議對纖維摻量、長度等參數(shù)以及經(jīng)濟性進行對比研究，以期推動工程應用。另外，國家大力推廣裝配式建筑，玄武巖纖維板的應用具有推廣價值，玄武巖纖維混凝土結(jié)構(gòu)板的研究尚未見到，建議開展相關(guān)研究。

2.1.2 玄武巖纖維增強瀝青混凝土

2004年，文獻[25]對玄武巖纖維、木質(zhì)素纖維和聚酯纖維在中的應用效果進行了比對試驗研究表明,摻加玄武巖纖維的性能優(yōu)于其他兩種纖維瀝青混合料，玄武巖纖維具有更好的增強效果和穩(wěn)定性能。2012年，趙麗華[26]對纖維瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、水穩(wěn)定性、斷裂能、疲勞性能、蠕變性能等進行室內(nèi)試驗研究結(jié)果表明,玄武巖纖維能顯著提高瀝青混合料路用性能，短切玄武巖纖維除對瀝青混合料水穩(wěn)定性改善效果不良外，對其他性能均呈現(xiàn)明顯的增強效果。2015年，黃永發(fā)[27]試驗表明,隨著玄武巖纖維摻量的增加，改性瀝青的針入度、延度逐漸減小，軟化點、彈性恢復、黏度隨著纖維摻量的增加而增大；對玄武巖纖維瀝青路面試驗路的各項指標進行檢測，均符合要求；對試驗路的降噪性能進行了現(xiàn)場檢測，能夠顯著降低行車噪聲，提高行車的舒適性。

綜上，玄武巖纖維增強瀝青混凝土的路用性能方面得到學者和工程界的認可，且有實際的工程應用案例。目前的研究多數(shù)是室內(nèi)試驗研究，而實際道路中是多種荷載和多重自然條件的耦合，建議對不同荷載水平及自然條件下的玄武巖纖維瀝青混凝土路面進行抗老化性能研究。

2.2 玄武巖纖維增強樹脂(BFRP)應用研究

2.2.1 加固構(gòu)件力學性能

(1)梁。2007年，陳尚建等[28]研究表明,粘貼BFRP加固混凝土結(jié)構(gòu)是可行的。與碳纖維增強樹脂(CFRP)加固同樣尺寸和配筋的梁對比發(fā)現(xiàn)，兩種加固材料在相同加固形式的條件下，對極限承載力的提高僅相差10%左右，BFRP性價比更高。2016年，王海良等[29]對BFRP加固損傷RC梁彎曲疲勞試驗研究表明,粘貼BFRP可降低試驗梁疲勞剛度衰減速率，變幅疲勞顯著增大試驗梁疲勞剛度衰減速率。

(2)板。2007年，陳尚建等[30]對玄武巖片材加固混凝土雙向板的試驗研究表明,外貼BFRP加固鋼筋混凝土雙向板，板的承載力、整體性和剛度顯著增強，抗裂性能明顯改善。

(3)柱。2007年，吳剛等[31-32]研究表明,利用BFRP和CFRP加固混凝土圓柱、矩形柱都可以有效地提高其抗震性能，而玄武巖纖維性價比更好。2018年，黃加付[33]試驗表明,BFRP對鋼筋混凝土柱起到了較好的約束作用，能限制裂縫的產(chǎn)生和開展，改善鋼筋混凝土柱的最終破壞狀態(tài)，大幅度提高鋼筋混凝土柱的耗能性能和變形能力。2019年，Li[34]研究表明,用BFRP加固后的鋼筋混凝土墩柱的極限承載力、變形能力和耗能能力均較好。特別是對于低配筋率或銹蝕配筋的加固試件，其抗震性能可與標準配筋率的柱相媲美，BFRP片材在既有橋墩抗震改造中具有優(yōu)勢。

(4)木結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件。2010年，王全鳳等[35]試驗研究表明,在木梁受拉區(qū)粘貼BFRP是提高木梁抗彎性能的有效方法。2017年，王靜輝等[36]對BFRP加固新疆楊木矩形截面長柱偏心受壓試驗研究表明,縱向粘貼纖維布能夠有效提高木柱的偏心受壓承載力。2017年，張偉超等[37]對BFRP加固帶損傷鋼管的試驗表明,隨著加固量的增加，鋼管承受的內(nèi)壓增加。粘貼不同層數(shù)的BFRP，可以有效地加固不同內(nèi)壓力作用下的鋼管。

綜上，對BFRP加固構(gòu)件的研究，主要集中在混凝土梁、板、柱的力學性能方面，對木結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件鮮有研究，對損傷結(jié)構(gòu)體系的加固研究尚處于空白。建議在BFRP加固損傷結(jié)構(gòu)體系、裝配式結(jié)構(gòu)構(gòu)件、節(jié)點方面可進行深入研究。

2.2.2 耐久性

2007年，楊勇新等[38]通過改變BFRP、浸潤樹脂等因素，對玄武巖纖維增強復合材料進行濕熱老化試驗，系統(tǒng)研究隨著老化時間的增長，玄武巖纖維增強復合材料抗拉強度、延伸率和拉伸彈性模量的變化規(guī)律。2014年，郭海洋[39]研究表明，鹽、堿環(huán)境對BFRP加固混凝土梁的耐久性具有一定影響，加固梁承載力隨鹽溶液濃度增大而減小。2014年，袁興龍[40]研究表明,加固梁極限承載力隨紫外線照射時間增加而降低，相同紫外線照射時間下加固梁極限承載力降低幅度會隨纖維布粘貼層數(shù)的增多而增大。

BFRP加固結(jié)構(gòu)構(gòu)件的耐久性取決于玄武巖纖維、粘結(jié)界面及構(gòu)件自身的耐久性，且實際工程自然環(huán)境多樣，所以其耐久性研究相對比較復雜，且沒有統(tǒng)一的試驗標準，建議對不同自然條件下的加固構(gòu)件進行耐久性跟蹤研究。

2.3 玄武巖纖維復合筋

2.3.1 力學性能及耐久性研究

2010年，顧興宇等[41]研究表明,BFRP筋的應力-應變曲線為直線，抗拉彈性模量僅為鋼筋的23%，抗拉彈性模量隨直徑增大逐漸降低。2017年，F(xiàn)an[42]研究表明,BFRP筋的應力-應變曲線呈直線關(guān)系，破壞前無明顯跡象，是典型的脆性材料，其應力-應變曲線上沒有屈服平臺，抗拉強度約為普通鋼筋的3倍，彈性模量約為普通鋼的1/5；極限抗拉強度隨直徑的增加變化不大，但模量值存在一定的差異。

2013年，董志強等[43]對加速老化環(huán)境下纖維增強復合材料筋耐腐蝕性能研究表明,隨著溫度的提高，纖維增強復合筋的抗拉強度退化加劇；堿溶液對BFRP筋的腐蝕大于水，室內(nèi)混凝土環(huán)境不會對BFRP筋造成損傷；溫度越高，筋材吸濕速率越大，堿溶液中大于水中。2019年，王麗平等[44]研究表明,BFRP筋的抗拉強度、抗壓強度、抗剪強度以及極限拉應變在酸堿腐蝕溶液中均有所下降，且堿性溶液對筋材力學性能影響高于酸性溶液。

綜上，玄武巖纖維復合筋的抗拉強度較高，但沒有明顯的屈服點，因此建議研究與普通鋼筋混合應用于混凝土結(jié)構(gòu)中，利用各自的優(yōu)點。玄武巖纖維復合筋是相對比較成熟的產(chǎn)品，但不同廠家的產(chǎn)品性能會存在差異，2017年，吉林省頒布了《玄武巖纖維復合筋及玄武巖纖維混凝土設計與施工規(guī)范》，建議國家相關(guān)部門盡快頒布國家標準，促進玄武巖纖維復合筋的規(guī)范應用研究。

2.3.2 構(gòu)件

(1)梁。2009年，李炳宏等[45]研究表明,BFRP筋混凝土梁的受彎構(gòu)件發(fā)生脆性破壞，構(gòu)件的開裂荷載和開裂前的撓度受BFRP筋配筋率的影響很小，構(gòu)件的極限荷載隨BFRP筋配筋率的增加而增大。2018年，張志金等[46]對無腹筋BFRP筋玄武巖纖維混凝土深梁抗剪性能試驗研究表明,隨著纖維特征參數(shù)的增大，構(gòu)件破壞形態(tài)出現(xiàn)由斜壓破壞向剪壓破壞轉(zhuǎn)變的趨勢；與普通混凝土深梁相比，玄武巖纖維混凝土深梁跨中撓度和裂縫寬度均隨著纖維特征參數(shù)的增大而減?。粯?gòu)件剪切開裂承載力和抗剪極限承載力隨著纖維特征參數(shù)的增大均提高。

(2)柱。2017年，李兆恒等[47]研究表明,BFRP筋增強無機聚合物海砂混凝土構(gòu)件柱的破壞形式為脆性破壞；普通圓環(huán)箍筋柱的位移發(fā)展比相同配箍率的螺旋箍筋柱更緩慢；采用BFRP筋的連續(xù)螺旋箍筋柱的極限承載力隨著配箍率的增大而增大，極限加載位移則相對增加。2019年，董震[48]試驗表明,BFRP筋混凝土偏壓柱的破壞特征為混凝土壓碎破壞，正截面應變滿足平截面假定，構(gòu)件的極限承載力隨著偏心距的增大而減小，隨著單側(cè)配筋率的增大而有所增大。

(3)錨桿。2012年，郭成鵬等[49]研究表明,BFRP筋具有耐腐蝕性、輕質(zhì)、高強等優(yōu)良特性，比鋼筋或鋼絞線更適于用作錨桿材料應用于巖土工程錨固；BFRP筋與灌漿料的黏結(jié)性能隨灌漿料強度的提高而增大。2016年，高巖川等[50]在綠地中心基坑項目中利用玄武巖纖維復合筋材替代鋼筋對基坑邊坡巖土進行錨噴支護研究表明,采用玄武巖復合筋對巖土邊坡進行錨噴支護是可行的，能夠有效保證邊坡安全。

綜上，玄武巖纖維復合筋在土木工程領(lǐng)域的應用研究主要有玄武巖纖維復合筋混凝土梁、柱和玄武巖纖維復合筋錨桿，在特定環(huán)境下優(yōu)勢明顯。玄武巖纖維復合筋混凝土板的研究成果幾乎未見。

2.4 玄武巖纖維土工格柵

2014年，夏小楣等[51]研究表明,玄武巖纖維土工格柵可以解決高鹽堿地區(qū)路面工程容易出現(xiàn)的質(zhì)量缺陷問題，使路面結(jié)構(gòu)得到合理的強化，且具有較好的性價比優(yōu)勢。2015年，楊堃[52]研究表明,玄武巖纖維土工格柵具有高模量、高強度、低蠕變、抗脆裂、抗老化、抗腐蝕及可預設計等多種性能，可延長瀝青路面使用壽命，是道路工程使用的最佳材料。2017年，鄧傳力等[53]研究表明,加入玄武巖纖維土工格柵可顯著提高毛石墻體極限承載力，且有效限制裂縫寬度，加入土工格柵對藏式毛石墻體分層破壞具有限制作用。

綜上，玄武巖纖維土工格柵用于路基路面工程，邊坡圍護及在砌體結(jié)構(gòu)加固方面都具有一定的積極作用，值得繼續(xù)深入研究和應用。

2.5 玄武巖纖維防火保溫板

2014年，胡顯奇[54]研究表明,玄武巖纖維防火保溫板(GBF板)是一種導熱系數(shù)低、防火性能優(yōu)異、綜合性能好、與建筑同壽命的既節(jié)能又防火的新型保溫材料，適用于民用高層建筑、公共建筑及其他有特殊要求的綠色建筑的節(jié)能與防火。2015年，楊成春[55]研究認為玄武巖纖維保溫裝飾復合板具有優(yōu)良的防火、防水、保溫隔熱及吸音等性能，在節(jié)能建筑中有良好的應用優(yōu)勢。2018年，鄭楊梅等對新型EPS-玄武巖纖維中空織物保溫板的力學性能[56]、熱工性能[57]研究表明,含玄武巖纖維織物附著層保溫板的抗壓強度優(yōu)于多層夾芯復合保溫板的抗壓強度，且抗折強度較為優(yōu)異；在溫度和濕度不變的條件下，玄武巖纖維中空織物可大幅減小EPS板厚度，保溫隔熱性能優(yōu)良。

3 標準規(guī)范

近年來，各部門已發(fā)布了玄武巖纖維在土木工程領(lǐng)域的多項國家標準、行業(yè)標準及地方標準,如表2所示，這些標準的發(fā)布有力促進了玄武巖纖維及其產(chǎn)品的推廣應用。

表2 土木工程領(lǐng)域玄武巖纖維相關(guān)標準Table 2 Related standards of basalt fibers in civil engineering field

4 結(jié) 語

玄武巖纖維在土木工程中的應用優(yōu)勢被越來越多的學者和投資者所認可，現(xiàn)階段，建議做好以下三方面探索實踐，更好地推動玄武巖纖維在土木工程中的應用發(fā)展。

(1)深化理論研究。目前，對于玄武巖纖維在土木工程領(lǐng)域的研究分散在多家企業(yè)和科研單位，且多停留在試驗研究和對試驗數(shù)據(jù)結(jié)果分析階段，深入的理論研究較少。建議搭建高水平的玄武巖纖維產(chǎn)學研平臺，系統(tǒng)整理已有科研成果，在理論研究方面形成統(tǒng)一的結(jié)論，為玄武巖纖維的應用提供理論依據(jù)。

(2)探索優(yōu)勢領(lǐng)域。在國家大力推廣綠色建筑、裝配式結(jié)構(gòu)的背景下，建議探索玄武巖纖維在輕骨料混凝土、再生骨料混凝土和海砂混凝土中的應用研究；探索其在裝配式結(jié)構(gòu)以及海洋工程、地下空間結(jié)構(gòu)、極端溫度變化環(huán)境下的應用研究。

(3)完善標準體系。玄武巖纖維在土木工程領(lǐng)域的國家標準并不完善，尚未建立一套科學系統(tǒng)的標準體系。標準的滯后阻礙產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，建議國家相關(guān)部門牽頭組建玄武巖纖維標準化技術(shù)組織，推動玄武巖纖維相關(guān)標準的立項、制定和管理，為玄武巖纖維產(chǎn)業(yè)的健康有序發(fā)展保駕護航。