玄武岩纤维增强钢渣泡沫混凝土强度与抗冻性的试验与微观结构研究

将废料变为耐寒建筑单元

现代城市产生大量工业固体废料，炼钢渣是其中最显著的一类。本研究展示了如何将这种粗糙的副产物，与一种火山岩纤维和封存的气泡相结合，转化为超轻混凝土，即便在反复冻融循环中仍能保持强度。对于关注更环保建筑和寒冷气候下道路安全的人来说，这项工作揭示了通过重新设计微小气泡和纤维，如何使基于废料的材料在环境负担更低的同时服役性能更强。

为何钢渣与泡沫混凝土重要

钢渣常堆放在钢厂附近，占用土地并带来长期环境问题。与此同时，建筑行业在寻求既轻质又隔热、能减少水泥用量和碳排放的材料。泡沫混凝土——本质上是含有微小气孔的混凝土——因轻质且隔热性能好而受青睐，但这些孔隙同样可能导致强度下降，并在孔内水冻结时容易受损。通过用钢渣粉部分替代水泥，并调整气泡与内部结构，作者旨在制备一种既轻质隔热又能回收工业废料的混凝土。

加入火山岩纤维以增强韧性

研究人员重点将玄武岩纤维用于增强钢渣泡沫混凝土。玄武岩纤维由熔融火山岩拉制而成，这些短、细的纤维具有高强度并耐高温，同时相较许多合成纤维更为环保。团队制备了四种纤维体积含量分别为0%、0.15%、0.30%和0.45%的配合比，同时保持整体密度较低。随后他们测试了每种配比在7天和28天养护后的抗压和抗折性能。0.30%纤维配比表现突出：其28天抗压强度较无纤维版本约提高12%，抗折能力则提高约三分之二左右。但当纤维掺量过多时，混凝土反而变弱，表明并非纤维越多越好。

微小孔隙如何决定宏观性能

为理解为何适量纤维效果最佳，研究团队使用X射线CT和电子显微镜观察材料内部。这些工具揭示了孔隙的三维网络以及纤维在硬化浆体中的分布。在约0.30%纤维含量下，材料包含更多小而接近球形的孔隙，且大而不规则的空洞较少。孔隙网络的曲折度也更低，意味着供水流动的复杂互连通道减少。在显微镜下可以看到纤维桥接潜在裂缝并与周围的水泥产物和渣颗粒紧密接触，形成更致密、更均匀的内部结构。当纤维含量继续增加时，出现团聚现象，孔壁增厚不均且更多大而连通的空隙产生，抵消了原有的有益效果。

经受冻融考验

对寒冷地区而言，关键测试是材料在反复冻融循环下的耐久性。研究者将样品浸水后，按控制程序进行15个低温空气与温水交替的冻融循环。无纤维的混凝土强度损失超过30%，质量损失也超出工程允许范围。相比之下，含0.30%玄武岩纤维的配比强度损失不足9%，质量损失低于5%，符合相关标准。循环后的显微图像显示，对于掺纤维的混合物，孔壁仍较为连续且裂缝扩展受限，而在普通材料中，孔隙扩大、微裂纹增多，并且较脆的晶体形式填充在削弱的基体中。

将隐形特征与实际耐久性相连

为将这些观察结果联系起来，作者采用了一种统计方法，对哪些孔隙特征最关键进行排序。他们发现，孔隙网络的整体复杂性和超大孔隙的比例与冻融过程中的强度损失关联最为显著。玄武岩纤维主要影响该网络复杂性：在适当掺量下，它们有助于保持孔隙更小、更圆且互不连通，从而使水与冰更难产生破坏性压力。对非专业读者而言，结论很直接：通过仔细调节天然岩石纤维在以钢渣为基础的泡沫混合物中的掺量，工程师可以把工业废料转变为更能抵抗严寒的轻质混凝土——这既有环保效益，也能在寒冷地区为建筑和路基提供更好的安全性。

引用: Jiang, J., Chen, M., Yu, X. et al. Experimental and microstructural investigation on the strength and frost resistance of basalt fiber reinforced steel slag foamed concrete. Sci Rep 16, 13207 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42606-9

关键词: 钢渣, 泡沫混凝土, 玄武岩纤维, 冻融耐久性, 孔隙结构