玄武巖纖維在土木工程中的應用研究

1、玄武巖纖維在土木工程中的應用研究1前言玄武巖纖維與玻璃纖維和其他無機非金屬纖維一樣，是用于復合 材料的一種新型優(yōu)質增強材料，具有原材料無限、天然的強度、對腐 蝕性介質作用的穩(wěn)定性、耐用性、電絕緣性、無三廢排放等特點，因此,被譽為“石頭變絲”的21世紀新型的環(huán)保型材料。此外，玄武巖 纖維還具有耐高溫、耐燒蝕、耐酸堿性能強、耐化學性能好和熱穩(wěn)定 性優(yōu)越等優(yōu)點，作為基礎工業(yè)的增強復合材料有很好的發(fā)展前景，特別是玄武巖纖維應用在建筑工程中，與碳纖維等相比有性價比優(yōu)勢。它是前蘇聯(lián)科學家在20世紀70年代中期研發(fā)成功并投入工業(yè)化 生產(chǎn)的一種新型無機纖維材料，產(chǎn)品最初主要用于軍工和航天，直到 1995年才得

2、以公開，并用于民用領域，目前只有俄羅斯、烏克蘭、加 拿大等少數(shù)幾個國家掌握了玄武巖連續(xù)纖維的生產(chǎn)技術1。現(xiàn)在烏克蘭和俄羅斯各有一座年產(chǎn) 2000t的玄武巖連續(xù)纖維工程。從 2001 年開始,我國有關機構開始了玄武巖纖維的研制工作,2002年連續(xù)玄 武巖纖維被列入我國863高科技項目。國家發(fā)改委也明確將玄武巖纖 維與碳纖維、芳綸、超高分子量聚乙烯纖維列為我國今后15年中長期發(fā)展規(guī)劃中重點鼓勵發(fā)展的四大高新技術纖維 ，其中對玄武巖連續(xù) 纖維的發(fā)展規(guī)劃有專家學者提議:2010年全國生產(chǎn)玄武巖纖維 1萬 噸,2020年為710萬噸2。我國已經(jīng)擁有自主知識產(chǎn)權的玄武巖 纖維制造技術及工藝，并且以“后來居

3、上”的后發(fā)展優(yōu)勢達到了國際 領先水平，目前國內主要生產(chǎn)廠家有黑龍江寧安鏡泊湖玄武巖纖維公 司、橫店集團上海俄金玄武巖纖維公司、牡丹江玄武巖纖維公司和成 都航天拓鑫公司等。因此,大力發(fā)展玄武巖纖維及其復合材料產(chǎn)業(yè)及 其相應的研究工作無疑具有重要的現(xiàn)實意義。|2玄武巖纖維在工程中的應用2.1在混凝土增強領域的應用混凝土中常用的增強纖維主要有鋼纖維、玻璃纖維、聚丙烯纖維、 聚丙烯腈纖維、碳纖維和玄武巖纖維等。鋼纖維重量大，施工攪拌困難，價格高,而且容易銹蝕；耐堿玻璃纖維雖然價格最低，但其抗裂效 果為最差，而且在大氣中使用一段時間后，其強度和韌性會大幅度下 降，即由早期高強度、高韌性向普通混凝土退化，

4、因此亦不宜選用；聚 丙烯纖維和聚丙烯腈纖維價格雖然與玄武巖纖維差不多，但由于其抗拉強度小，主要的破壞形式是拉斷破壞，耐久性也不夠，而且在抗老 化和耐堿方面不夠好；碳纖維具有各方面的優(yōu)良性能，但價格昂貴， 一般混凝土工程難以承擔。目前玄武巖纖維被視為碳纖維產(chǎn)品的低價替代品，玄武巖纖維及其制品的開發(fā)應用已引起世界各國廣泛的重視，其必將成為本世紀遍及 各領域具有極其重要應用的一種高新技術材料。玄武巖纖維與其它常見纖維性能比較見表1。從表1中可知,首先,從強度方面看，玄武巖纖維占有絕對優(yōu)勢，它的拉伸強度均高于 E-玻纖、碳纖維、Kevlar49芳綸纖維和鋼纖維等已有的增強纖維材 料,因此增強效果最好；

5、其次,從耐堿性方面看，玄武巖纖維略遜于碳 纖維和Kevlar49芳綸纖維,但好于玻璃纖維和鋼纖維；再次,玄武巖 纖維與混凝土有著基本相同的成分，密度也較接近，所以,玄武巖纖維 在混凝土中的相容性和分散性均優(yōu)于其它增強纖維4。最后,玄武巖纖維的化學穩(wěn)定性均優(yōu)于玻璃纖維和鋼纖維?；谝陨蟽?yōu)點，玄武巖纖維被譽為“ 21世紀的新材料”。研究表明，凡是玻璃纖維增強水 泥的各種制品，連續(xù)性玄武巖纖維都能代替，且成本低，性能好，指標 均優(yōu)于玻璃纖維。另外,隨著我國玄武巖纖維批量生產(chǎn)的開始，玄武巖纖維增強硅酸鹽水泥的技術方案再次被業(yè)界重視，尤其是我國一些 原來用聚丙烯纖維增強水泥混凝土的化學建材企業(yè)，積極采用

6、玄武巖纖維增強硅酸鹽水泥及其混凝土 ；另一些建筑加固企業(yè)采用玄武巖纖 維片材替代碳纖維用于建筑橋梁的加固、補強和修復，也取得了較好的效果,加上與碳纖維相比具有生產(chǎn)成本相當、但性能優(yōu)異等優(yōu)點，所以,連續(xù)玄武巖纖維玄武巖纖維被視為碳纖維產(chǎn)品的低價替代品，目前連續(xù)玄武巖纖維及其制品的開發(fā)應用已引起世界各國廣泛的重 視,其必將成為本世紀遍及各領域具有極其重要應用的一種高新技術 材料。2.2在建筑加固和補強領域的應用以建筑加固補強為例，碳纖維和芳綸纖維是目前世界上所采用的 主要的加固補強用的新型材料，但從性價比方面看，玄武巖纖維的價 格大大低于碳纖維和芳綸纖維，所以玄武巖纖維具有更大的競爭優(yōu)勢 是碳纖維

7、和芳綸加固抗震補強材料的首選替代產(chǎn)品。從強度方面看，玄武巖纖維的強度并不遜于碳纖維，但是與樹脂的親合性上，玄武巖 纖維大大好于碳纖維和芳綸纖維，有效的提高了補強效果和補強材料 的使用壽命。初步的研究結果表明，與碳纖維和芳綸纖維相比，玄武巖 纖維在保持較高的抗拉、抗剪和抗沖擊強度以及抗熱振穩(wěn)定性優(yōu)異的 基礎上,具有更好的性價比。因此。在橋梁、隧道、房屋等結構抗震 加固補強方面具有極為廣闊的應用前景。2.3在混凝土降噪、抗振和抗震等耗能領域的應用在水泥或混凝土中合理地編排、鋪設玄武巖纖維格柵，組成的纖 維結構能使混凝土復合材料的耗散性能有較大的增長，混凝土的動態(tài) 性能明顯有了改善，具體表現(xiàn)為相應頻

8、率降低、阻尼比增大5。這樣, 利用玄武巖纖維高模量、耐沖擊和低成本等優(yōu)勢，可以開發(fā)其在降噪、 抗振和抗震等耗能領域的應用。2.4在保溫、隔熱方面的應用玄武巖纖維與玻璃纖維不同，它可以利用無機粘合劑制造復合材 料,也就是說，該復合材料是難燃甚至不可燃材料，它是一種新型復合 材料,可以用在具有高火災危然的工業(yè)建設項目，核電站，化學工業(yè)與 石化工業(yè),高層建筑群，造船工業(yè),汽車制造業(yè)等領域。2.5在道路與橋梁中的應用采用土工格柵對路面進行加盤處理，已經(jīng)成為道路建設的一個研 究方向。土工格柵的主要作用是抗疲勞開裂、耐高溫車轍、抗低溫縮 裂、延緩反射裂縫等。土工格柵材料主要是玻璃纖維和塑料兩大類。 玄武巖

9、纖維及其土工材料的各方面性能均好于以上兩種材料，它具有 較高的強度、彈性模量和耐高低溫、耐侵蝕等性能，適用于路面土工格柵中的基礎材料，即纖維布。土工格柵是指用瀝青處理過的纖維布 經(jīng)烘干成型后鋪設在瀝青道路罩面層下的加筋材料，在國外已應用多年。土工格柵用于瀝青道路時，可發(fā)揮以下幾個方面的作用：抗疲勞開 裂；)耐高溫車轍、抗低溫縮裂；加強軟土基6。在建筑業(yè)、橋梁工業(yè)、 混凝土構件中采用連續(xù)性玄武巖纖維代替鋼筋，將徹底解決長期困擾 人類的鋼筋銹蝕問題，而且重量輕、強度高，代替石棉和玻璃纖維可以 解決石棉對人體健康的危害，解決玻璃纖維的耐酸堿性差等問題7。 據(jù)有關資料介紹美國已用玄武巖纖維增強水泥建成

10、了一座跨度40米、寬度30米的大橋。2.6在水利工程的應用美國用玄武巖短切纖維代替聚丙烯增強混凝土 ，用玄武巖纖維網(wǎng) 布代替金屬網(wǎng)用在建筑工程上，用玄武巖纖維增強樹脂筋和棒材增強 混凝土用在鹽湖、海邊水土工程建筑和防磁混凝土以及某些特殊的軍 事工程混凝土建筑中8。一些不同幾何形狀的纖維網(wǎng)格織物可用于 建設堤壩和灌溉工程用增強材料以及港口碼頭建設的增強材料。3結束語玄武巖纖維在土木工程中的應用研究在國內外還處于剛起步的 階段,由于其力學性能有別于現(xiàn)有的一些纖維，所以,在工程中進行應 用,需進行深入研究，與其他纖維類似，玄武巖纖維在土木工程中的應 用也可以包括短切玄武巖纖維、玄武巖片材、型材、棒材、板材、筋 材、索材等9。它是芳綸纖維、碳纖維和玻璃纖維增