玄武巖纖維在土木工程中的應(yīng)用研究

1、玄武巖纖維在土木工程中的應(yīng)用研究1前言玄武巖纖維與玻璃纖維和其他無機(jī)非金屬纖維一樣，是用于復(fù)合 材料的一種新型優(yōu)質(zhì)增強(qiáng)材料，具有原材料無限、天然的強(qiáng)度、對腐 蝕性介質(zhì)作用的穩(wěn)定性、耐用性、電絕緣性、無三廢排放等特點(diǎn)，因此,被譽(yù)為“石頭變絲”的21世紀(jì)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(qiáng)、耐化學(xué)性能好和熱穩(wěn)定 性優(yōu)越等優(yōu)點(diǎn)，作為基礎(chǔ)工業(yè)的增強(qiáng)復(fù)合材料有很好的發(fā)展前景，特別是玄武巖纖維應(yīng)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(xué)家在20世紀(jì)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(jī)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(lǐng)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(shù)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(guān)機(jī)構(gòu)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(diǎn)鼓勵發(fā)展的四大高新技術(shù)纖維 ，其中對玄武巖連續(xù) 纖維的發(fā)展規(guī)劃有專家學(xué)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(quán)的玄武巖 纖維制造技術(shù)及工藝，并且以“后來居

3、上”的后發(fā)展優(yōu)勢達(dá)到了國際 領(lǐng)先水平，目前國內(nèi)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(tuán)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(fù)合材料產(chǎn)業(yè)及 其相應(yīng)的研究工作無疑具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。|2玄武巖纖維在工程中的應(yīng)用2.1在混凝土增強(qiáng)領(lǐng)域的應(yīng)用混凝土中常用的增強(qiáng)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(qiáng)度和韌性會大幅度下 降，即由早期高強(qiáng)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(qiáng)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(dān)。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(yīng)用已引起世界各國廣泛的重視，其必將成為本世紀(jì)遍及 各領(lǐng)域具有極其重要應(yīng)用的一種高新技術(shù)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(qiáng)度方面看，玄武巖纖維占有絕對優(yōu)勢，它的拉伸強(qiáng)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(qiáng)纖維材 料,因此增強(qiáng)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(qiáng)纖維4。最后,玄武巖纖維的化學(xué)穩(wěn)定性均優(yōu)于玻璃纖維和鋼纖維?；谝陨蟽?yōu)點(diǎn)，玄武巖纖維被譽(yù)為“ 21世紀(jì)的新材料”。研究表明，凡是玻璃纖維增強(qiáng)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(biāo) 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(qiáng)硅酸鹽水泥的技術(shù)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(qiáng)水泥混凝土的化學(xué)建材企業(yè)，積極采用

6、玄武巖纖維增強(qiáng)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(bǔ)強(qiáng)和修復(fù)，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(dāng)、但性能優(yōu)異等優(yōu)點(diǎn)，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(yīng)用已引起世界各國廣泛的重 視,其必將成為本世紀(jì)遍及各領(lǐng)域具有極其重要應(yīng)用的一種高新技術(shù) 材料。2.2在建筑加固和補(bǔ)強(qiáng)領(lǐng)域的應(yīng)用以建筑加固補(bǔ)強(qiáng)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(bǔ)強(qiáng)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(bǔ)強(qiáng)材料的首選替代產(chǎn)品。從強(qiáng)度方面看，玄武巖纖維的強(qiáng)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(bǔ)強(qiáng)效果和補(bǔ)強(qiáng)材料 的使用壽命。初步的研究結(jié)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(qiáng)度以及抗熱振穩(wěn)定性優(yōu)異的 基礎(chǔ)上,具有更好的性價比。因此。在橋梁、隧道、房屋等結(jié)構(gòu)抗震 加固補(bǔ)強(qiáng)方面具有極為廣闊的應(yīng)用前景。2.3在混凝土降噪、抗振和抗震等耗能領(lǐng)域的應(yīng)用在水泥或混凝土中合理地編排、鋪設(shè)玄武巖纖維格柵，組成的纖 維結(jié)構(gòu)能使混凝土復(fù)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(yīng)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(lǐng)域的應(yīng)用。2.4在保溫、隔熱方面的應(yīng)用玄武巖纖維與玻璃纖維不同，它可以利用無機(jī)粘合劑制造復(fù)合材 料,也就是說，該復(fù)合材料是難燃甚至不可燃材料，它是一種新型復(fù)合 材料,可以用在具有高火災(zāi)危然的工業(yè)建設(shè)項目，核電站，化學(xué)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(lǐng)域。2.5在道路與橋梁中的應(yīng)用采用土工格柵對路面進(jìn)行加盤處理，已經(jīng)成為道路建設(shè)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(qiáng)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(chǔ)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(shè)在瀝青道路罩面層下的加筋材料，在國外已應(yīng)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(qiáng)軟土基6。在建筑業(yè)、橋梁工業(yè)、 混凝土構(gòu)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(qiáng)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(guān)資料介紹美國已用玄武巖纖維增強(qiáng)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(yīng)用美國用玄武巖短切纖維代替聚丙烯增強(qiáng)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(qiáng)樹脂筋和棒材增強(qiáng) 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(shè)堤壩和灌溉工程用增強(qiáng)材料以及港口碼頭建設(shè)的增強(qiáng)材料。3結(jié)束語玄武巖纖維在土木工程中的應(yīng)用研究在國內(nèi)外還處于剛起步的 階段,由于其力學(xué)性能有別于現(xiàn)有的一些纖維，所以,在工程中進(jìn)行應(yīng) 用,需進(jìn)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(yīng) 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