1. 引言
在我国“双碳”[1]战略与资源节约型社会建设的大背景下，建材行业作为资源消耗和碳排放的重点领域，其绿色转型已成为必然趋势。当前混凝土面临资源环境与技术性能的双重挑战，将固废资源化与高性能化技术相融合给解决这一矛盾提供了新思路。传统混凝土生产高度依赖水泥和天然砂石骨料，水泥生产不仅消耗大量石灰石等矿产资源，每生产1吨水泥还会排放约0.8吨CO2，是工业领域碳排放的主要来源之一；天然砂石的过度开采，导致河床破坏，水土流失等生态问题，部分地区已出现天然砂石资源枯竭的现象。据统计，2024年我国的水泥使用量为18.85亿吨，占全球市场份额的近47%；2024年我国的砂石需求量达到136.89亿吨，占全球砂石总产量的34.05%。与此同时，2024年我国工业固废物产量为44.7亿吨，粉煤灰，煤矸石等工业固废长期堆积占用土地，污染水土。把此类固废转化为混凝土原材料，将粉煤灰用作矿物掺合料替代水泥，将煤矸石[2]、再生粗骨料替代天然砂石，可以大幅降低混凝土生产对原生资源的依赖，减少碳排放，实行建材行业绿色低碳转型的核心技术方向，对落实“双碳”目标有重大意义[3]-[5]。
位于我国北方海域(如渤海湾)，防波堤长期浸泡或浸没在海水中，位于潮汐区河浪禁区是遭受氯离子侵蚀，硫酸盐侵蚀和冻融破坏[6] [7]最严重的海工结构之一；防波堤的主要功能是抵御波浪的冲击，巨大的浪涌不仅产生持续的疲劳荷载，更会在风暴期间产生巨大的瞬时冲击力。此外，浮冰，漂浮物在风浪作用下撞击防波堤的现象也时有发生。这都对混凝土的抗冲击性能提出了极高的要求。
基于此，开发“粉煤灰替代水泥 + 煤矸石替代砂石”的固废基混凝土，并通过纤维[8]增强实现抗盐冻与抗冲击等其他性能优化，成为兼顾环保与工程需求的核心路径。其中，煤矸石因含活性SiO2、Al2O3等成分可发生二次水化反应；在众多纤维[9]材料中，玄武岩纤维因其优异的耐碱腐蚀性、高耐热性、卓越的力学性能以及与水泥基体良好的相容性，成为该体系的理想增强材料，相关研究对推动固废资源化与特殊环境工程材料升级具有重要理论与工程价值。
2. 固废基混凝土的协同作用机理与性能调控
2.1. 粉煤灰的水化反应活性与微观改性效应
粉煤灰的球形玻璃体颗粒可发挥“微观滚珠”作用，降低集料间摩擦阻力。粉煤灰中的活性Al2O3与SiO2在碱性环境下发生二次水化，生成C-S-H凝胶。张标富等[10]研究再生混凝土骨料不同替代量对含粉煤灰混凝土尺寸稳定性和耐久性方面的影响。与细再生混凝土骨料相比，使用粗再生混凝土骨料后混凝土干湿循环及冻融循环的残余抗压强度更高。吴晓霞通过抗压性能试验、劈裂抗拉性能试验了解粉煤灰混凝土的力学特性，从抗冻性、抗渗性两个角度出发检测其耐久性。经试验验证后，最终发现当粉煤灰掺加量从15%提升至25%时，粉煤灰混凝土的力学特性与耐久性均得到了提升，但提升至35%掺加量后，性能降低，由此确定了粉煤灰最佳掺加量为25% (见图1) [11]。林亚党[12]等研究表明玄武岩纤维经改性后其表面粗糙度增加，改性溶液浓度越大，效果越明显，改性纤维能保证其与粉煤灰混凝土胶结物的有效黏结；纤维表面刻蚀反应越明显，改性对玄武岩纤维–粉煤灰混凝土的抗压强度、抗折强度与抗拉强度提升越显著，其中对劈裂抗拉强度的提升尤为明显。
Figure 1. Variation of compressive strength with fly ash content
图1. 抗压强度随粉煤灰掺量变化规律
2.2. 煤矸石的骨料特性与二次水化机制
物理效应：煤矸石骨料通常质地坚硬，其压碎指标优于部分天然轻骨料。作为粗骨料时，其粗糙的表面纹理有助于增强与水泥浆体的机械咬合力。然而，煤矸石的多孔性和内部微裂纹可能导致其自身强度波动较大，进而影响混凝土的整体强度。因此，煤矸石的掺量成为关键变量。适量替换(如30%~50%)时，其坚硬的骨架作用可能占主导，使混凝土强度得以维持甚至提升；但过高的掺量会引入过多缺陷，导致强度下降。
化学效应：部分自燃或活化处理后的煤矸石[13] [14]含有具有潜在活性的无定形SiO2和Al2O3。在水泥水化提供的碱性环境中，这些活性成分能与Ca(OH)2发生二次水化反应。这一过程与粉煤灰的火山灰效应类似，能够消耗不利于耐久性的Ca(OH)2晶体，生成更多C-S-H凝胶，从而进一步密实基体，强化界面区。这种化学效应是煤矸石超越普通天然骨料的根本原因，也是其提升混凝土长期性能和耐久性的潜力所在。
国内在煤矸石骨料应用方面研究较多，主要集中在道路基层、砌块等非承重结构，对于其在承重结构和高性能混凝土中的研究正逐步深入。国外相关研究相对较少，但近年来对固体废弃物资源化的关注度日益提高。目前研究的共识是，通过机械活化、热活化等方式预处理煤矸石，能有效激发其活性，改善其在混凝土中的表现。张立明等[15]和张华林等[16]利用高温煅烧改性法研究了改性煤矸石混凝土的力学性能，结果显示改性后的混凝土力学性能能够达到矿渣改性混凝土的水平，但成本相对较高。姚志鑫等[17]利用裹浆工艺法研究了不同浆体对煤矸石骨料的硬度、抗干湿和抗冻融性能的影响，结果显示裹浆煤矸石混凝土的这些性能均优于原状煤矸石混凝土的性能。李凡等研究了煤矸石取代率(0%~100%)对混凝土性能的影响。结果表明：抗压强度(如图2) [18]、劈拉强度和相对弹性模量均随取代率增加而下降，而冻融后的质量损失率增加。微观分析表明煤矸石自身多孔结构是性能劣化的主因。Zhishu Yao等[19]探讨煤矸石替代天然粗细骨料对混凝土动静态力学性能的影响。结果表明：煤矸石可制备C30、C40混凝土；煤矸石细骨料能提高抗冲击性能，粗骨料则降低；动态强度均高于静态强度；粗骨料使破坏面平滑，破碎程度更高。研究为煤矸石混凝土在矿井支护中的应用提供参考。Jisheng Qiu等[20]研究探讨了不同煤矸石替代率(0%、20%、40%、60%)混凝土在冻融循环下的性能，建立了冻融损伤演化模型和基于声发射特性的荷载损伤模型，并最终提出了综合考虑冻融与荷载损伤的本构模型。结果表明，煤矸石掺量应低于40%以保证抗冻性，所建模型能有效反映损伤发展，为寒区煤矸石混凝土结构耐久性评估提供了理论依据。
Figure 2. Variation of compressive strength with the amount of coal gangue added
图2. 抗压强度随煤矸石掺量变化规律
2.3. 粉煤灰–煤矸石的协同优化效应
二者的协同作用体现在“填充–活性”双重互补：粉煤灰优化浆体流动性，弥补煤矸石高吸水率的缺陷；煤矸石的刚性颗粒特性则缓解了粉煤灰浆体的干缩问题。薛晓燕等[21]研究结果表明煤矸石混合料中掺入粉煤灰可有效改善其颗粒级配，混合料7 d无侧限抗压强度、抗压回弹模量随粉煤灰掺量的增加呈先增大后减小趋势，粉煤灰掺量为15%~25%时，无限抗压强度，抗压回弹模量增幅最快，掺量为25%时达到最佳。固化剂与粉煤灰–煤矸石混合料作用后可产生钙矾石晶体和硅酸凝胶，两者协同作用提高了粉煤灰–煤矸石混合料的力学及路用性能。王振华等[22]研究表明随着煤矸石掺量的增加，水泥砂浆流动度和力学性能呈先增大后减小的趋势，当活化煤矸石掺量占复合粉体总量20%时，砂浆28 d抗压强度可达52.27 MPa；活化煤矸石和粉煤灰的加入，改变复合水泥体系中矿物成分和化学成分占比，消耗水泥水化生成的氢氧化钙并形成额外的C-(A)-S-H凝胶，同时还导致AFt相向AFm相转变；活化煤矸石在改善水泥砂浆力学性能时，物理充填效应和成核效应大于火山灰作用。
3. 玄武岩纤维对固废基混凝土的增强机制
3.1. 不同纤维在混凝土中的增强机理与效果对比
钢纤维能显著提高混凝土的抗弯强度、韧性和抗冲击性能，但其密度大、易锈蚀(特别是在氯盐环境中)是其主要缺点。聚丙烯纤维能有效控制混凝土的早期塑性收缩裂缝，但对力学性能的提升有限，且耐热性较差。玻璃纤维早期增强效果好，但耐碱性能差，在水泥基体的高碱环境中长期强度衰减严重(如表1)。
Table 1. Images of different fibers
表1. 不同纤维的图片
3.2. 玄武岩纤维在多因素耦合下的表现
玄武岩纤维由天然玄武岩熔融拉丝制成，其弹性模量(90~110 GPa)高于聚丙烯纤维(3~4 GPa)，耐碱性(在pH = 13溶液中浸泡90 d强度保留率85%)优于玻璃纤维(50%)，且不含甲醛等有害物质，符合绿色建材要求。针对煤矸石骨料界面薄弱问题，玄武岩纤维可通过“桥接效应”增强界面粘结。姚贤华等[23]发现，纳米SiO2与玄武岩纤维复合掺加时，煤矸石混凝土的劈拉强度较基准组提升32%，这是由于纤维抑制了界面裂缝的萌生，纳米颗粒则优化了过渡区密实度。周广宇等[24]研究结果表明混凝土中掺入玄武岩纤维可有效延缓裂缝的发展，减少试件的损伤程度；随着玄武岩纤维体积比例的逐步增加，混凝土试件的单轴抗压强度呈现出初期增长随后下降的趋势，对应的峰值位移呈现上升趋势，但增长幅度逐渐减小。掺入玄武岩纤维，能有效地提升试件的抗压韧性，随着掺入纤维体积率的增加，混凝土的抗压韧性呈现不断上升趋势。玄武岩纤维混凝土试件单轴压缩破坏过程中的能量演化可以分为4个阶段：压实阶段，储能阶段，局部破坏阶段，弹性能加速释放阶段；玄武岩纤维掺入可显著降低弹性能的释放率，增加混凝土的储能极限，表现为能量分界点增大，从而增强试件的抗变形能力。张紫键等[25]研究结果表明钢纤维的掺入会提高混凝土劈裂抗拉强度和抗冻寿命。其中体积掺量1%的端钩型钢–玄武岩纤维混凝土劈裂抗拉强度和抗冻寿命均最高，较基准组分别提高66%和40%。通过多元线性回归建立劈裂抗拉强度、有害孔比例、束缚流体饱和度与冻融循环次数的拟合方程，预测精度较高，平均相对误差仅为2.88%。王林彬等[26]研究结果表明混凝土工作性能受纤维长度的影响不明显，而受纤维掺量限制的效果显著，掺量为0.3%的混凝土坍落度比掺量为0.05%的下降了78 mm。当玄武岩纤维长度从6 mm增加至18 mm，混凝土抗压强度显著提升，最大增幅达20.2%。但混凝土中掺入纤维量过大反而导致其抗压强度呈现下降趋势。随玄武岩纤维长度与掺量的增加，其混凝土劈裂抗拉强度总体呈现先升后降的趋势。当纤维长度为18 mm且体积掺量从0.05%增加至0.15%时，混凝土的劈裂抗拉强度提升幅度最为显著。Padmanabhan I等[27]研究了玄武岩纤维的掺量和长度对混凝土力学性能的影响，发现纤维掺量越高，混凝土浇筑时的结团现象越严重，当玄武岩纤维长度为36 mm、掺量为8 kg/m3时，对试块抗压强度和弹性模量的增强效果最好。赵燕茹等研究结果表明在盐冻循环作用下，玄武岩纤维的掺入能够有效降低混凝土的质量损失率(如图3) [28]，减缓其相对动弹性模量的降低，而且能减弱冻融损伤对混凝土抗压、抗折强度的影响；适量玄武岩纤维的掺入能抑制混凝土中裂缝的扩展，减少基体内孔隙、坑洞的数量，延迟初始裂缝和相互贯通裂缝的出现，抗盐冻能力优于普通混凝土。
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注：NC、BFRC-03、BFRC-06、BFRC-09分别为1 m3玄武岩纤维混凝土中，玄武岩纤维体积掺量为0、0.3%、0.6%、0.9%。
Figure 3. Relationship between mass loss rate of concrete in saline solution and the number of freeze-thaw cycles
图3. 盐溶液中混凝土的质量损失率与冻融次数的关系
4. 固废–纤维协同增强体系的研究机遇与挑战
4.1. 协同增强体系
(1) 粉煤灰与煤矸石的协同：粉煤灰的二次水化反应消耗了Ca(OH)2，降低了体系碱度，这可能为煤矸石中活性组分的溶出和二次反应创造了更有利的条件。两者共同作用，能够更充分地细化混凝土的孔结构，形成更致密的基体。
Table 2. Analysis of the synergistic effects of fly ash, coal gangue, and basalt fiber and their mechanisms for resisting marine environments
表2. 粉煤灰、煤矸石、玄武岩纤维协同作用与海洋环境抵御机制分析表
材料组合 |
正向协同作用 |
潜在负向作用 |
海洋环境防护机制关联 |
粉煤灰 + 煤矸石 |
粉煤灰微集料填充煤矸石颗粒间隙，孔隙率降低15%~20%；粉煤灰火山灰反应与煤矸石潜在活性协同，生成更多C-S-H凝胶，密实度提升； |
煤矸石颗粒级配不均时，易形成局部薄弱区；粉煤灰过量导致早期体积收缩增大。 |
降低氯盐、硫酸盐侵入速率，延缓钢筋锈蚀和硫酸盐破坏 |
粉煤灰 + 玄武岩纤维 |
粉煤灰浆体包裹纤维表面，提升纤维–基体界面粘结强度； |
粉煤灰高含水量导致纤维界面出现气泡 |
改善界面性能，减少海水沿纤维–基体界面渗透 |
煤矸石 + 玄武岩纤维 |
煤矸石粗骨料为纤维提供支撑骨架，纤维分布均匀性提升30%； |
煤矸石表面粗糙度过高时，纤维易团聚； |
增强表面抗冲刷能力，抵御波浪冲击造成的表层剥蚀。 |
粉煤灰 + 煤矸石 + 玄武岩纤维 |
玄武岩纤维提升抗拉强度，弥补煤矸石–粉煤灰基体脆性；三者协同改善界面粘结，应力传递效率提升50%。 |
煤矸石强度不足时，纤维增强效果被削弱；粉煤灰与纤维界面过渡区薄弱，易产生应力集中。 |
高抗拉强度和韧性抵御波浪冲击荷载，减少结构疲劳损伤；抑制裂缝扩展，避免裂缝成为氯盐、硫酸盐侵入的快速通道，同时提升抗冻融破坏能力。 |
(2) 固废基体与玄武岩纤维的协同：粉煤灰和煤矸石优化后的致密基体，为纤维提供了更强的锚固。一个强度更高、缺陷更少的基体，能更有效地将应力传递给纤维，使纤维的增强、增韧效应得到充分发挥。反之，纤维网络也抑制了基体在加载和环境侵蚀下微裂纹的产生与发展，保护了由固废材料构建的脆弱界面区(如表2)。
4.2. 当前研究不足
(1) 煤矸石活性激发的系统研究缺失：目前对煤矸石在混凝土中“活性”的研究尚不系统和深入。不同来源、不同煅烧程度的煤矸石其活性差异巨大。如何通过预处理(如机械粉磨、热活化)稳定、高效地激发其活性，是亟待解决的问题。
(2) 多因素耦合耐久性研究匮乏：现有研究多集中于单一因素(如单纯抗冻、单纯抗渗)的考察。而真实海洋环境是氯盐、硫酸盐、干湿循环、冻融循环(盐冻)等多因素耦合的恶劣环境。对于该复合材料在耦合因素下的长期性能演变规律和损伤机理研究严重不足。
(3) 微观机理与宏观性能的关联性不强：缺乏利用SEM、XRD、MIP等微观测试手段，系统地揭示“粉煤灰–煤矸石–纤维”三者之间的界面结构、水化产物演变与宏观力学性能、耐久性能之间的内在联系。
(4) 长期性能数据与寿命预测模型缺失：对于这种新型材料，缺乏长达数年甚至数十年的长期性能数据，也尚未建立有效的寿命预测模型，这阻碍了其在重大工程中的推广和应用。
5. 总结与展望
5.1. 结论
(1) 利用粉煤灰和煤矸石部分替代水泥和天然骨料，在技术上是可行的，且具有显著的环保效益。粉煤灰的火山灰效应和煤矸石的微集料及潜在活性效应，是提升混凝土长期性能和耐久性的关键。
(2) 在众多纤维中，玄武岩纤维因其优异的综合性能，特别是卓越的耐碱性和抗冲击性，是提升混凝土在严酷环境下力学与耐久性能的理想选择。
(3) 粉煤灰、煤矸石与玄武岩纤维三者之间存在显著的协同增强潜力。致密的固废基体为纤维提供了良好支撑，而纤维网络则有效抑制了基体的开裂，共同构成了一个性能优越的复合材料体系。
5.2. 展望
系统研究不同预处理工艺对煤矸石活性的激发效果，建立煤矸石物化特性与其在混凝土中性能表现的定量关系，确定最优的预处理方法和掺量范围。设计并执行模拟真实海洋环境的多因素耦合加速试验(如氯盐–硫酸盐–干湿–盐冻耦合)，深入研究该复合材料在复杂应力与环境共同作用下的性能退化规律与损伤模型。基于加速试验数据和长期性能监测，发展适用于该新型材料的耐久性寿命预测模型，并最终为编制相关的设计、施工与验收规范提供科学依据，推动其工程化应用。